Moteur/Vilebrequin

*Cet article est une copie traduit et modifié de l'article de Wikipedia Crankshaft Vilebrequin (moteur) avec des infos générales*

## Moteurs de la Mini

Bloc moteur

* Vilebrequin pour Mini - Vilebrequin

* Arbre à cames pour Mini - Arbre à cames

Transmission

culasses pour Mini - Culasse

Carburateur

Injection

Echappement

Transmission

Le **vilebrequin** est un dispositif mécanique qui permet, par l’intermédiaire d'une bielle, la transformation du mouvement linéaire rectiligne du piston en un mouvement de rotation contin. Présent dans la plupart des moteurs à piston il assure la transmission de l'énergie de combustion du carburant dans les cylindres en énergie mécanique disponible sur l'arbre moteur, dans notre cas du  moteur thermique à 4 temps.

## Conception

#### Généralités

Le vilebrequin est composé de plusieurs portées (tourillons) alignées guidant l'axe central en rotation par l’intermédiaire de paliers. Entre ces paliers se trouvent des **manivelles** équipées de **manetons** excentrés sur lesquels sont montées les **bielles**.

L'excentricité, distance entre l'axe du maneton et l'axe du tourillon, définit la course du piston. Cette distance détermine principalement la cylindrée du moteur.

La forme des manivelles dépend du nombre des cylindres, du nombre de paliers de ligne de l'arbre\_mécanique, du processus de fabrication et de la taille des masselottes d'équilibrage. En augmentant le nombre de cylindres et, par conséquent, celui des manivelles.

#### Disposition

Les moteurs dont les cylindres sont disposés en ligne ne comportent en général qu'un seul vilebrequin équipé d'autant de manivelles que de cylindres. Dans les moteurs à cylindres opposés (boxer), le nombre de manivelles peut être égal au nombre de cylindres ou à la moitié.
Les  moteurs dont les cylindres sont disposés en V sont en général équipés avec une manivelle pour deux cylindres.
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#### Efforts résultants et contraintes

Le diamètre des manetons doit être suffisant pour s'opposer à l'effort de cisaillement de la bielle, notamment lorsque le piston est au  PMH. L'effort de cisaillement que subit le maneton est d'autant plus important que le diamètre du piston augmente. La section des bras de manivelle doit également être dimensionnée en conséquence.

Les pièces du dispositif d’embiellage (vilebrequin, bielles), du fait de leurs masses, augmentent le moment d'inertie de l'arbre moteur. Leur sur-dimensionnement freine, par la même, la montée en régime et limite les hauts régimes moteurs.
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#### Nombre de paliers

Le vilebrequin est guidé en rotation par deux paliers au moins. En multipliant le nombre de paliers, on diminue les efforts sur le vilebrequin mais on complexifie le carter moteur. Le choix relève d'un compromis entre considérations techniques et économiques. Une diminution du nombre de paliers réduit les coûts de fabrication mais limite les performances ( régimes plus faibles et  puissance réduite). Autre conséquence, un nombre de paliers réduit augmente la distance entre les portées du vilebrequin. Le moment de flexion exercé par la poussée de la bielle sur la manivelle devient plus important et le vilebrequin en est fragilisé.
. Beaucoup de moteurs modernes à quatre cylindres sont équipés d'au moins trois paliers, voire cinq. Il en est de même pour les moteurs comportant un grand nombre de cylindres (6,8 ou plus). Cette solution plus coûteuse permet d'atteindre des puissances spécifiques plus élevées et de réduire le poids total du moteur.
. Des forces d'extension s'exercent également sur les tourillons, notamment lorsque deux manivelles adjacentes sont dans le même plan d'où la nécessité de contrepoids.

### Masses d'équilibrages (contre-poids)

Les manivelles peuvent être munies de masses d'équilibrages appelées contre-poids. Ces masses permettent l' équilibrage dynamique du vilebrequin. Leur but est de réduire les vibrations dues au mouvement alternatif des pistons et à la dissymétrie éventuelle du système de manivelle (moteur 3 et 6 cylindres).

Ces masses ne sont pas toujours présentes. Les moteurs anciens n'ont bien souvent pas de contre-poids. Les moteurs à combustion de nos jours en sont généralement pourvus. Ces masses offrent un balancement local. Si nous prenons un moteur 4 cylindres en ligne, avec les masses, le moteur se retrouve à avoir quatre balancements locaux. Si l'on regarde le moteur en entier, ces balancements locaux ne sont pas nécessaires, ainsi, un moteur dépourvu de ces masses peut ne pas vibrer, mais le vilebrequin ainsi que les coussinets subissent davantage de contraintes.

### Extrémités

Le vilebrequin comporte, à une extrémité une bride destinée à transmettre la puissance mécanique. Cette bride cale un  volant d'inertie qui porte à son tour l'embrayage. À l'autre extrémité, une forme adéquate permet d'assurer le montage et le calage d'un roue dentée pilotant le système de distribution et des poulies entraînant par courroies des organes auxiliaires tels que la pompe à eau, le générateur électrique ou le ventilateur .

## Équilibrage

### Principe

Comme tout élément tournant, un vilebrequin doit être équilibré de façon wikipedia:fr:Equilibre\_statique\_(mécanique) statique et dynamique. L'équilibrage du vilebrequin est nécessaire pour réduire les vibrations du moteur causées par les forces physiques] et le moment de force mécanique produits par la pression de la combustion des gaz dans les cylindres et la résistance par les pièces en mouvement alternatif et de rotation, et pour diminuer les charges exercées sur les coussinets de la ligne d'arbre.

Les forces provoquées par les pièces en mouvement liées au vilebrequin sont de deux types : les forces centrifuges et les forces alternatives qui provoquent les vibrations. Il est cependant impossible d'obtenir un équilibrage parfait : on fait donc appel à des contre-arbres d'équilibrage (l'ajout de contrepoids) qui annuleront tout ou partie des vibrations.

### « Forces » centrifuges

L'équilibre statique] du vilebrequin est obtenu lorsque le centre de gravité se trouve sur son axe de rotation. Un équilibrage statique parfait n'implique pas nécessairement un bon équilibre dynamique. En effet, le vilebrequin peut donner lieu à un moment de flexion dû aux forces centrifuges d'autant plus grandes que le mouvement de rotation est important .
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#### Équilibre statique

Les forces centrifuges, qui s'exercent sur le vilebrequin à deux manivelles d'un moteur quatre temps boxer, sont dans des plans différents et séparés par une distance égale à la distance des axes des cylindres. Étant donné que le moment résultant est le produit de la force centrifuge par cette distance, le vilebrequin est équilibré dynamiquement par un moment égal et opposé par l'ajout de contrepoids.

L'équilibrage ne pose pas de problème quand il s'agit de vilebrequins possédant un nombre de manivelles supérieur à deux. La structure fait que les manivelles ont « une disposition angulaire telle que les combustions se produisent à distances égales les unes des autres ». Par conséquent, la disposition des manivelles réalise l'équilibre statique sans l'ajout de contrepoids.

#### Équilibre dynamique

L'équilibre dynamique est obtenu sans adjonction de poids si le vilebrequin, équilibré statiquement au préalable, admet un  plan de symétrie perpendiculaire à l'axe de rotation, « par rapport auquel les manivelles sont symétriques en nombre, position et dimensions ». Pour les autres cas, l'équilibrage nécessite des contrepoids. La plupart des vilebrequins équilibrés dynamiquement dans leur ensemble ont également leurs manivelles équilibrées individuellement par des contrepoids. En munissant de contrepoids chacune des manivelles, on réduit ou annule les moments de flexion individuelle qui, en agissant sur les diverses parties du vilebrequin, tendraient à le faire fléchir.

### Forces alternatives

Les manetons subissent également des forces dues aux masses animées d'un mouvement alternatif. Ces forces, causées par les variations de vitesse du piston et de la bielle, se subdivisent en

Les premiers ordres atteignent leur maximum à chaque fois que le piston se trouve au point mort haut] et au point mort bas. Une force du premier ordre peut être équilibrée par la composante suivant l'axe des cylindres d'une force centrifuge produite par une masse égale à celle de la masse alternative et appliquée au vilebrequin en opposition avec le maneton considéré. Il apparaît cependant une force de même amplitude et de même fréquence, normalement à l'axe du cylindre. La moitié de la masse alternative est équilibrée par des contrepoids. Il reste donc, exercée sur l'axe du cylindre, la moitié de la force alternative du premier ordre, tandis que l'autre moitié est transformée en une force perpendiculaire à l'axe du cylindre. Pour les moteurs multi-cylindriques, l'équilibre statique du vilebrequin engendre l'équilibre des forces alternatives du premier ordre. De même, l'équilibre dynamique engendre l'équilibre des moments dus aux forces alternatives du premier ordre.

Les deuxième ordres varient avec une fréquence double de celle des premières. Il n'existe donc pas par conséquent de possibilité de les réduire au niveau de la fabrication du vilebrequin puisqu'elles varient avec une fréquence double du régime de rotation. Dans les voitures automobiles, les vibrations causées par les forces du deuxième ordre sont absorbées par des dispositifs spéciaux de suspension du moteur, ou bien par l'ajout de deux axes supplémentaires tournant à des vitesses opposées et deux fois plus rapides que le vilebrequin.

## Architectures

### 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 ligne

Sur les moteurs à 6 cylindres en ligne, le calage est à 120° ; les manetons sont alignés 2 à 2. C'est l'équivalent de deux vilebrequins de 3 cylindres en ligne disposés l'un derrière l'autre.

Sur les moteurs en V], il y a, le plus souvent, deux bielles par maneton, soit côte à côte (maneton rallongé), soit entrecroisées avec une bielle "à fourche" et une bielle normale ([./https://fr.wikipedia.org/wiki/Harley-Davidson Harley-Davidson]). Il peut aussi y avoir une bielle "maîtresse" articulée sur le maneton, et une bielle "secondaire" articulée sur la bielle maîtresse.

### Vilebrequin de moteur à 4 cylindres à calage dit "Cross Plane"

Développé en MotoGP] (par Yamaha] notamment), Dans ce moteur il y a un maneton de vilebrequin tous les 90°. Ce décalage permet de supprimer les efforts d'inertie de 2e-ordre engendrés par la rotation du moteur (effort qui augmente avec le carré de la vitesse). Ainsi ce moteur n'engendre pas de vibration parasite à la roue. De par ce décalage, on trouve une combustion irrégulière (270° 450° 540° 720°).

Les efforts d'inertie du 1er-ordre s'annulent entre cylindres (cylindres 1 et 3 "s'autoannulent" comme le 2 et 4). Ce système génère d'autres vibrations qui sont compensées par un arbre d'équilibrage. Cette irrégularité du couple évite le décrochage en courbe et permet au pilote un meilleur ressenti du moteur.

## Types et modes d'assemblage

### Vilebrequin monobloc

Les vilebrequins multi-cylindre sont monoblocs et requièrent l'utilisation de bielles démontables. Ce type de vilebrequin offre une meilleure 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.

## Fabrication

En fabrication de grande série, 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 turbocompressés (puissance spécifique de 40 à 60kW/L), les vilebrequins sont en acier forgé. On utilise alors des aciers faiblement ou moyennement alliés, enrichis au nickel-chrome] ou au chrome-molybdène-vanadium suivant l'intensité des sollicitations  Le forgeage est réalisé par opérations successives de matriçage à chaud et les formes parfois complexes des contrepoids sont réalisées dans le même processus.

Les portées mécaniques tourillons et manetons sont réalisées par tournage (mise en position excentrée du vilebrequin dans le cas du tournage des manetons. Elles sont ensuite rectifiées très précisément pour obtenir une surface adéquate friction sur le coussinet. Elles subissent ensuite un traitement thermique superficiel afin d'en augmenter la dureté et de réduire l'usure. Finalement, Les portées sont durcies par la cémentation, par trempe superficielle ou par nitruration.

Dans le cas des vilebrequins à paliers hydrostatiques, des conduits percés relient l'orifice d'alimentation avec les tourillons et les manetons afin de permettre la circulation d'huile sous pression. Ces conduits parcourent l'ensemble du vilebrequin et traversent les manivelles. Les orifices de ces perçages sont visibles sur la photo ci-dessus.

Finalement, le vilebrequin subit un équilibrage statique et dynamique par enlèvement de matière .

Les premiers vilebrequins pour les véhicules de série étaient dépourvu de contre-poids car trop complexe à réaliser.

## 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 4 cylindres quatre temps).

* Admission : L'essence, mélangée à de l'air, fait son entrée.
* Compression : La vapeur d'essence et l'air sont compressés par le piston.
* Combustion : La bougie émet une étincelle - la combustion (explosion) produit une forte poussée qui entraîne le piston vers le bas.
* Explusion : Sortie des résidus de combustion vers le silencieux.

Le choix entre admission ou détente et entre compression ou échappement s'effectue par un arbre à cames qui gère l'ouverture et la fermeture des soupapes.

## Références

1. ↑ [1]
2. ↑ 2,00 2,01 2,02 2,03 2,04 2,05 2,06 2,07 2,08 2,09 et 2,10  Technique : Le vilebrequin; [2] ; http://www.Motorlegend.com
3. ↑ Raymond Brun (1984), Vilebrequin Efforts sur le vilebrequin,p.346.
4. ↑  Le vilebrequin;[3] http://www.Mecamotors.com
5. ↑ 5,0 5,1 5,2 et 5,3 Erreur de référence : Balise `<ref>` incorrecte : aucun texte n’a été fourni pour les références nommées `m3`

### Articles connexes

* Moteur à explosion
* Système bielle-manivelle
* Lubrification

### Liens externes

vidéo présentant la fabrication d'un vilebrequin

vidéo présentant l'usinage d'un vilebrequin sur un centre de tournage-perçage-fraisage multifonctions