Vilebrequin (moteur)
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Le vilebrequin est une pièce de moteur à combustion interne ou de moteur Stirling. Il est l’élément principal du dispositif bielle-manivelle. Il permet la transformation du mouvement linéaire alternatif du ou des piston(s) en un mouvement de rotation continu.
Le mouvement linéaire alternatif est dû aux déflagrations successives du mélange carburant-comburant dans la chambre de combustion.
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[modifier] Généralités
Le vilebrequin est composé de plusieurs tourillons alignés, sur lesquels il tourne.
Entre ces paliers se trouvent, excentrés, des manetons, sur lesquels sont montées les bielles.
L'excentricité E, distance entre l'axe d'un maneton et l'axe d'un tourillon, définit la course C du piston : on a C = 2E. Cette distance détermine en partie la cylindrée du moteur.
Les manetons sont reliés aux paliers par des masses (il n'y a pas toujours un tourillon entre chaque maneton - par exemple, la Renault Dauphine n'avait que 3 tourillons pour 4 manetons).
Par ailleurs, les masses permettent l'équilibrage dynamique du vilebrequin. Leur but est de réduire les vibrations dues au mouvement alternatif des pistons et à la dissymétrie du système de manivelle.
Pour les moteurs dont les cylindres sont disposés en ligne, il y a un maneton pour chaque bielle.
[modifier] Architectures
Chaque architecture est illustrée schématiquement, voir ci-dessous.
- Vilebrequin de moteur monocylindre
Le calage de l'allumage est de 360°.
- Vilebrequin de moteur bicylindre
Sur les moteurs à deux cylindres, les deux manetons peuvent être alignés (calage de l'allumage à 360°) ou en opposition (calage à 180°). La présence d'un tourillon entre les deux manetons n'est pas obligatoire. Sur les moteurs à plat (boxer) bicylindre, les deux manetons sont diamétralement opposés (calage à 180°) ; il en va de même pour les 4 cylindres (flat four) et les 6 cylindres à plat (flat six).
- Vilebrequin de moteur à trois cylindres en ligne
Sur les moteurs à trois cylindres disposés en lignes, le calage est, habituellement, de 120°. Ce type de vilebrequin est utilisé sur les moteurs de Smart.
On a aussi vu un calage à 180° (certains modèles de Laverda 1000).
- Vilebrequin de moteur à 4 cylindres en ligne
Sur les moteurs à quatre cylindres, les deux manetons extérieurs sont alignés, et les deux manetons intérieurs sont alignés entre eux, à 180° avec les extérieurs.
- Vilebrequin de moteur à 6 cylindres en lignes
Sur les moteurs à 6 cylindres, le calage est de 120° ; les manetons sont alignés 2 à 2. C'est le cas du vilebrequin en photo.
- Sur les moteurs en V, il y a, le plus souvent, deux bielles par maneton, soit côte à côte (maneton légèrement rallongé), soit entrecroisées (Harley-Davidson).
[modifier] Types et modes d'assemblage
[modifier] Vilebrequin monobloc à palier(s) hydrostatiques
Ce type de vilebrequin offre une meilleur rigidité et permet d'y mettre un plus grand nombre de manetons et donc de pistons. Les paliers hydrostatiques sont chers à mettre en œuvre puisqu'ils nécessitent une circulation d'huile sous pression. C'est pourquoi ces vilebrequins sont utilisés pour les moteurs de forte cylindrée. C'est le cas des automobiles, bateaux et engins de chantier.
Un vilebrequin monobloc impose l'utilisation de bielles démontables dont les deux demi-paliers sont vissés autour des manetons. Deux demi-bagues sont insérées dans les parties de la bielle ; leur forme spécifique permet de maintenir la continuité du film d'huile entre la bielle et son maneton.
Il en va de même pour la liaison entre le bâti, communément appelé bloc moteur, et le vilebrequin au niveau des tourillons. L'huile sous pression est amenée à tous les tourillons ; elle est ensuite acheminée aux manetons par l'intermédiaire d'un perçage traversant les masses.
[modifier] Vilebrequin assemblé, paliers à roulements
Ce type de vilebrequin est peu coûteux car l'usinage des pièces est simple. Il est composé d'un axe faisant office de maneton et de deux masses arbrées. Les vilebrequins assemblés sont peu rigides, ils sont donc généralement utilisés pour les moteurs monocylindres de faible cylindrée. C'est le cas par exemple des mobylettes, scooters et tronçonneuses.
L'assemblage du vilebrequin est effectué une fois que la bielle monobloc a été introduite sur l'axe servant de maneton. La liaison pivot entre la bielle et l'axe est assurée par une cage à aiguilles.
[modifier] Fabrication
Les vilebrequins sont généralement en fonte GS moulée pour les moteurs de faible puissance spécifique (jusqu'à 40kW/l). Pour les moteurs plus puissants, suralimentés ou turbocompressé (puissance spécifique de 40 à 60 kW/l), les vilebrequins sont en aciers fortement alliés forgé.
Les vilebrequins ainsi obtenus sont monoblocs et imposent l'utilisation de bielles démontables.
Les parties frottantes, tourillons et manetons, sont usinées très précisément en accordant une grande importance à leur état de surface. Elles subissent ensuite un traitement thermique superficiel afin d'en augmenter la dureté et ainsi de réduire la vitesse d'usure.
Dans le cas des vilebrequins à paliers hydrostatiques, des perçages en biais relient les manetons aux tourillons les plus proche en passant à travers les masses d'équilibrages. Ces perçages permettent d'apporter l'huile sous pression à l'interface bielle-maneton. Les orifices de ces perçages sont visibles sur la photo ci-dessus.
L'équilibrage dynamique, obtenu grossièrement par la géométrie des masses, est ajusté par des perçages peu profonds sur la périphérie des ces dernières. Ces perçages sont observables sur la photo.
[modifier] Implantation dans le véhicule
La plupart des moteurs utilisent un seul vilebrequin, mais il arrive d'en utiliser plusieurs (deux vilebrequins l'un derrière l'autre sur la 1000 Ariel, quatre en carrés sur les Suzuki 500 de Grand Prix, etc.).
Habituellement, on dit qu'un moteur est transversal ou longitudinal en fonction de la position de l'axe du vilebrequin par rapport à l'axe du véhicule.
[modifier] Distribution des temps du moteur
- Le vilebrequin permet la distribution, entre les cylindres, des différents temps (admission, compression, combustion/détente, échappement). Par exemple, dans un moteur à 2 cylindres, le vilebrequin devra être construit de manière à avoir la distribution suivante :
- cylindre 1 :
- temps 1 : admission ou combustion/détente
- temps 2 : compression ou échappement
- cylindre 2 :
- temps 1 : compression ou échappement
- temps 2 : admission ou combustion/détente
Le choix entre admission ou détente et entre compression ou échappement s'effectue par un arbre à came qui gère l'ouverture et la fermeture des soupapes.
