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Vilebrequin (moteur)

Le vilebrequin est une pièce de moteur à combustion interne. 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 (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi...) carburant-comburant dans la chambre de combustion (Une chambre de combustion est une enceinte capable de résister à des changements de pression et de température brusques, dans laquelle on déclenche volontairement une combustion entre des éléments chimiques...).

Vilebrequin de moteur 6 cylindres en ligne BMW
Vilebrequin de moteur (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) 6 cylindres en ligne BMW (Bayerische Motoren Werke AG Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft.ogg  ou BMW (en français : manufacture bavaroise de moteurs) est une société industrielle allemande constructrice d'automobiles et de motos après avoir été un grand...)

Généralités

Le vilebrequin, en bas de l'animation
Le vilebrequin, en bas de l'animation (L'animation consiste à donner l'illusion du mouvement à l'aide d'une suite d'images. Ces images peuvent être dessinées, peintes, photographiées, numériques, etc.)

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 (Cet article décrit l'excentricité en mathématiques et en psychologie.) E, distance entre l'axe d'un maneton et l'axe d'un tourillon, définit la course (Course : Ce mot a plusieurs sens, ayant tous un rapport avec le mouvement.) C du piston : on a C = 2E. Cette distance détermine en partie la cylindrée (La cylindrée est le volume balayé par le déplacement d'une pièce mobile dans une chambre hermétiquement close pour un mouvement unitaire. Ce concept est utilisé pour les pompes et tous les moteurs utilisant un fluide.) du moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une...).

Les manetons sont reliés aux paliers par des masses (notons qu'il n'y a pas toujours un tourillon entre chaque maneton - par exemple, la Renault Dauphine (Ce véhicule fut conçu par Renault dans les années 1950 pour épauler la 4 CV.) n'avait que 3 tourillons pour 4 manetons).

Par ailleurs, les masses permettent l'équilibrage dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) 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.

Architecture (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.)

  • Vilebrequin de moteur monocylindre
Architecture d'un vilebrequin de moteur monocylindre
Architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) d'un vilebrequin de moteur monocylindre

Le calage de l'allumage (Pour s'enflammer, le mélange air-essence, un gaz contenu dans le cylindre doit subir une élévation de température permettant de porter une partie de sa masse au-dessus de sa température...) est de 360°.

  • Vilebrequin de moteur bicylindre
Différentes architectures d'un vilebrequin de moteur bicylindre
Différentes architectures d'un 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
Architecture d'un vilebrequin de moteur 3 cylindres
Architecture d'un vilebrequin de moteur 3 cylindres

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 (Smart est une société allemande et une marque du groupe DaimlerChrysler créée en 1996 avec l'aide de Swatch Group. Elle construit des voitures de la...).

On a aussi vu un calage à 180° (certains modèles de Laverda 1000).

  • Vilebrequin de moteur à 4 cylindres en ligne
Différentes architectures d'un vilebrequin de moteur 4 cylindres
Différentes architectures d'un vilebrequin de moteur 4 cylindres

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
Architectures d'un vilebrequin de moteur 6 cylindres
Architectures d'un vilebrequin de moteur 6 cylindres

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).

Types et modes d'assemblage

Vilebrequin monobloc à palier(s) hydrostatiques

Ce type de vilebrequin offre une meilleur rigidité et permet d'y mettre un plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de manetons et donc de pistons. Les paliers hydrostatiques sont chers à mettre en œuvre puisqu'ils nécessitent une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) d'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas...) sous pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.). C'est pourquoi ces vilebrequins sont utilisés pour les moteurs de forte cylindré. 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 (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) des manetons. Deux demi-bagues sont insérées dans les parties de la bielle ; leur forme spécifique permet de maintenir la continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction. En première approche, une fonction est continue si, à des variations infinitésimales de la variable x,...) 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.

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.

Fabrication

Les vilebrequins sont généralement en fonte GS moulée pour les moteurs de faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) 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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa...). Elles subissent ensuite un traitement thermique (Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de refroidissement afin d'en améliorer les caractéristiques...) superficiel afin d'en augmenter la dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) et ainsi de réduire la vitesse (On distingue :) 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 (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour...) bielle-maneton. Les orifices de ces perçages sont visibles sur la photo ci-dessus.

L'équilibrage dynamique, obtenu grossièrement par la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis...) des masses, est ajusté par des perçages peu profonds sur la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.) des ces dernières. Ces perçages sont observables sur la photo.

Implantation (Le mot implantation peut avoir plusieurs significations :) dans le véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.)

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.

Distribution des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) 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 (Un cylindre est une surface dans l'espace définie par une droite (d), appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe plane fermée (c), appelée courbe directrice et gardant une...) 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 (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide...) à came qui gère l'ouverture et la fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) des soupapes.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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