Le vilebrequin est un élément fondamental des moteurs thermiques et des moteurs alternatifs, car il joue un rôle crucial dans la conversion du mouvement.
Cet arbre de transmission de puissance fonctionne comme une manivelle qui convertit les mouvements alternatifs des pistons en mouvements rotatifs (comme dans les moteurs à combustion interne) ou, dans certains cas, convertit les mouvements rotatifs en mouvements alternatifs (comme dans les presses mécaniques excentriques).
Fonction du vilebrequin dans un moteur thermique
Dans les moteurs thermiques, le vilebrequin collecte les forces générées par les explosions à l'intérieur des cylindres et, au moyen des bielles, transforme le mouvement linéaire alternatif du piston en un mouvement rotatif. Ce mouvement est ensuite transmis à d’autres éléments du moteur, comme le volant moteur ou le système de distribution. Le vilebrequin doit être extrêmement résistant en raison des contraintes de torsion et de flexion auxquelles il est soumis pendant le fonctionnement.
Structure et composants du vilebrequin
Un vilebrequin est composé de plusieurs éléments clés :
- Tourillons : Les points de fixation entre les bielles et le vilebrequin. Chaque tourillon tourne de manière décentrée par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin.
- Contrepoids : Placés sur le prolongement de chaque coude (ou bras), ils servent à équilibrer le vilebrequin et à réduire les vibrations.
- Pignon de distribution et volant moteur : Ces composants sont montés aux extrémités du vilebrequin, permettant le couplage avec d'autres systèmes du moteur.
Dans un moteur à quatre cylindres typique, le vilebrequin comporte généralement cinq paliers qui se fixent au palier principal du bloc moteur. Ces supports, ou paliers de vilebrequin, sont essentiels pour maintenir le vilebrequin dans sa position de rotation et garantir qu'il fonctionne sans mouvements indésirables.
Fonctionnement du vilebrequin
Le vilebrequin transforme le mouvement alternatif des pistons en mouvement rotatif grâce à ses coudes. Ces coudes reçoivent les bielles, qui à leur tour sont reliées aux pistons. Le tourillon de chaque coude est l'axe de rotation du vilebrequin, et grâce à la connexion entre le tourillon et le bras de manivelle, la rotation se produit.
Pour compenser le déséquilibre causé par la rotation décentrée des manetons et des bielles, des contrepoids sont installés aux extrémités des manivelles. Ces contrepoids aident à équilibrer les forces et à réduire les vibrations indésirables. Dans certains vilebrequins, les coudes sont disposés de telle sorte que les déséquilibres d'un coude sont compensés par ceux d'un autre, facilitant ainsi un fonctionnement plus fluide.
Matériaux et technologie de fabrication
Le vilebrequin doit être fabriqué avec des matériaux à haute résistance, car il doit résister aux contraintes de fatigue, de torsion et d'usure. Les matériaux les plus courants sont les aciers fortement alliés, tels que l'acier au carbone, le chrome-manganèse et le chrome-nickel-molybdène, en raison de leur grande résistance et de la possibilité d'obtenir une dureté superficielle grâce à des traitements tels que la nitruration.
Vilebrequins en acier : Ces vilebrequins offrent une grande résistance, ce qui les rend idéaux pour les moteurs hautes performances et les applications où la fatigue est une préoccupation majeure. Les traitements thermiques tels que la nitruration augmentent la dureté des tourillons de vilebrequin, ce qui améliore la durabilité des roulements.
Vilebrequins en fonte : Ces vilebrequins sont fabriqués en coulant de la fonte ductile modifiée avec du magnésium. Ils offrent des avantages tels qu’une capacité d’amortissement élevée des vibrations de torsion, ce qui peut éliminer le besoin d’amortisseurs supplémentaires dans certains moteurs.
Types de vilebrequins
Il existe deux principaux types de vilebrequins, selon leur conception et leur utilisation :
- Vilebrequins composites ou séparables : Dans ces vilebrequins, des composants tels que l'axe de bielle peuvent coulisser, ce qui améliore la fiabilité et réduit les frottements. Ce type de vilebrequin est plus courant dans les moteurs à deux cylindres en raison de la complexité de sa construction.
- Vilebrequins monolithiques : Ce sont les plus couramment utilisés dans les moteurs plus gros. Ils sont fabriqués d'une seule pièce, ce qui facilite la fabrication et réduit le poids global du vilebrequin. Ils sont plus simples à fabriquer que les vilebrequins composites.
Traitements thermiques et durcissement
En raison des contraintes auxquelles le vilebrequin est soumis, il est courant qu'il subisse des traitements thermiques pour améliorer sa durabilité et sa résistance. Ces traitements peuvent inclure la nitruration, la trempe à la flamme ou la trempe par induction, qui augmentent la dureté de la surface et la résistance à l'usure.
Entretien du vilebrequin
Le vilebrequin est un composant essentiel au fonctionnement de tout moteur, et un entretien approprié est essentiel pour garantir la longévité et les performances du moteur. L'entretien peut inclure des inspections régulières pour détecter l'usure ou les dommages aux tourillons, contrepoids et supports.
Il est également essentiel de vérifier que les roulements du vilebrequin sont en bon état, car un roulement usé peut entraîner un fonctionnement inefficace, voire une défaillance mécanique.
Un vilebrequin présentant une usure inégale ou un tourillon endommagé peut provoquer des vibrations du moteur, qui non seulement affectent les performances, mais peuvent également endommager d'autres composants. C'est pour cette raison que dans certains moteurs hautes performances, il est nécessaire d'effectuer un équilibrage dynamique du vilebrequin, notamment dans les moteurs de course ou d'aviation.
Relation avec les autres composants du moteur
Le vilebrequin est étroitement lié à plusieurs autres composants clés du moteur, tels que :
- Le système de distribution : Le vilebrequin est relié au pignon de distribution, qui contrôle le temps d'ouverture et de fermeture des soupapes. Un timing précis entre le vilebrequin et l'arbre à cames est crucial pour des performances efficaces du moteur.
- Le système de lubrification : Le vilebrequin doit être correctement lubrifié pour réduire l'usure par frottement. Le système de lubrification, qui comprend la pompe à huile, garantit que le vilebrequin et les autres composants critiques reçoivent suffisamment d’huile pour fonctionner sans frottement excessif.
- La bielle : La bielle transfère la force générée par l'explosion du carburant du piston au vilebrequin. Ce composant doit être parfaitement aligné et capable de résister aux forces de compression et de torsion.
Efficacité et performances du moteur
Le vilebrequin influence directement l'efficacité du moteur, car un vilebrequin bien équilibré et de haute qualité réduit les vibrations et améliore le bon fonctionnement. Les vilebrequins légers et équilibrés permettent au moteur de fonctionner plus efficacement, ce qui peut améliorer les performances globales et réduire la consommation de carburant.
De plus, le vilebrequin a un impact significatif sur les émissions d’échappement du moteur. Un vilebrequin mal équilibré peut entraîner un fonctionnement moins efficace, entraînant une augmentation des émissions en raison d'une combustion incomplète ou irrégulière. Un vilebrequin optimisé contribue à un moteur plus propre et plus efficace.
Progrès technologiques dans les vilebrequins
Aujourd’hui, les progrès technologiques ont permis aux vilebrequins d’être plus légers et plus résistants, en utilisant des matériaux tels que le titane dans les moteurs hautes performances ou les moteurs électriques dans les véhicules de sport.
De plus, la technologie de fabrication a évolué, l’impression 3D étant utilisée pour créer des modèles complexes de vilebrequins et d’autres composants, permettant de réduire les coûts de production et d’améliorer la précision.