Menu

Raffinerie
Port Arthur Texas

Qu'est-ce que le vilebrequin d'un moteur ? Fonctionnement et types

Qu'est-ce que le vilebrequin d'un moteur ? Fonctionnement et types

Le vilebrequin est un composant des machines thermiques et des moteurs alternatifs en général. Le vilebrequin est l'arbre de transmission de puissance qui sert de manivelle pour l'ensemble bielle-manivelle. Sa fonction est de transformer des mouvements alternatifs en mouvements de rotation ( moteurs thermiques par exemple), ou inversement (presses mécaniques excentriques).

Dans les moteurs thermiques, le vilebrequin récupère les efforts générés lors de l'explosion et transforme, par l'intermédiaire de la bielle, le mouvement linéaire alternatif du piston en mouvement rotatif. Il transmet le mouvement et la force motrice aux éléments de transmission qui lui sont couplés. Il est soumis à des contraintes de torsion et de flexion, et possède une structure solide et très résistante.

Les vilebrequins sont constitués de supports, normalement cinq pour un moteur à quatre cylindres en ligne, qui sont fixés au support de bloc. Ils ont également des coudes appelés souches où les bielles sont fixées. Dans le prolongement de chaque coude se trouvent les contrepoids, qui servent à équilibrer le vilebrequin. Le pignon de distribution est monté à une extrémité du vilebrequin et le volant moteur à l'autre.

Les moteurs thermiques sont des exemples de moteurs qui utilisent un vilebrequin pour transformer des mouvements alternatifs en mouvements de rotation. Les presses mécaniques excentriques, quant à elles, sont des exemples de mécanismes utilisés par les vilebrequins pour transformer les mouvements de rotation en mouvements alternatifs.

Comment fonctionne un vilebrequin ?

Le vilebrequin a un coude pour chaque bielle de la machine ou du moteur. Le coude reçoit la bielle sur le tourillon, qui tourne hors du centre autour de l'axe de rotation du vilebrequin. Le tourillon qui constitue l'axe de rotation du vilebrequin est le col ou support principal. Le bras est la partie du vilebrequin qui relie le tourillon et le col. Il y a généralement un bras de chaque côté du moignon et un cou pour chaque bras. Pourtant, il existe des vilebrequins de compresseur qui n'ont qu'un col, un bras et le tourillon, et des vilebrequins de moteurs légers à deux, quatre ou six cylindres qui ont les tourillons groupés deux par deux, avec un seul bras intermédiaire et sans col entre deux souches consécutives.

Pour compenser les effets de balourd produits par la rotation excentrée du tourillon et de la bielle, des contrepoids opposés au tourillon sont installés aux extrémités des bras. Ces contrepoids peuvent être solidaires du vilebrequin ou être serrés fermement sur les bras. Dans les vilebrequins à plusieurs coudes, les coudes sont disposés de manière à ce que les masses excentrées d'un coude soient compensées par les masses excentrées d'un autre, afin d'obtenir un éventuel équilibre.

Cette disposition des coudes détermine la position des cylindres, la succession des explosions et l'ensemble de la distribution. Les vilebrequins sont obtenus par forgeage, puis usinage, en une seule pièce à partir de cols, bras et tourillons séparés et assemblés par pression pour accouplement à chaud. Cela permet le montage de roulements à billes ou à rouleaux sur le tourillon. La même technique est appliquée aux très gros vilebrequins, pour les moteurs marins par exemple, afin d'éviter la difficulté d'obtenir des pièces forgées ou coulées trop lourdes.

Le vilebrequin est la partie du moteur qui doit supporter les plus grands efforts de fatigue et d'usure. Dans les moteurs d'aviation, ou dans les moteurs où les conditions de poids, de sécurité et de charge sont très sévères, les traitements thermiques et la trempe superficielle par nitruration, trempe à la flamme ou trempe par induction sont très répandus.

Caractéristiques des vilebrequins : Matière et technologie

Les matériaux et la technologie de fabrication sont souvent étroitement liés. Dans le cas de la fabrication de vilebrequins, les arbres en acier (pour obtenir la résistance et la ténacité les plus élevées) sont obtenus par forgeage et coulée.

vilebrequins en acier

Les vilebrequins sont fabriqués à partir de carbone, de chrome-manganèse, de chrome-nickel-molybdène et d'autres aciers, ainsi que de pièces moulées spéciales à haute résistance. L'avantage des arbres en acier est une résistance accrue, la possibilité d'obtenir une dureté élevée des cols par nitruration, les arbres en fonte sont moins chers.

Le choix de l'acier est déterminé par la dureté superficielle des cols à obtenir. La dureté d'environ 60 HRC (nécessaire à l'utilisation de roulements à rouleaux) ne peut être obtenue, en règle générale, que par un traitement chimico-thermique (cémentation, nitruration, cyanuration). À ces fins, en règle générale, les aciers à faible teneur en carbone au chrome-nickel ou au chrome-nickel-molybdène conviennent, et pour les arbres de moyennes et grandes tailles, un alliage supplémentaire avec du molybdène coûteux est nécessaire. Tout en maintenant la viscosité du noyau, une dureté inférieure suffisante pour un fonctionnement fiable des paliers lisses peut être obtenue en trempant HDTV sous forme de carbone moyen Leu et de fonte grise.

Les clavettes de vilebrequin en acier de taille moyenne dans la production à grande échelle et en série sont fabriquées en forgeant des moules fermés dans des marteaux ou des presses, tandis que le processus de fabrication des billettes passe par plusieurs opérations. Après le forgeage préliminaire et définitif du vilebrequin dans les matrices, la bavure est taillée dans la presse à chants et redressée à chaud au poinçon sous le marteau.

En raison des exigences élevées de résistance mécanique de l'arbre, l'emplacement des fibres du matériau lors de la réception de la pièce à usiner est d'une grande importance pour éviter de les couper lors de l'usinage ultérieur. Pour cela, des joints avec des courants de flexion spéciaux sont utilisés. Après emboutissage avant usinage, les ébauches d'arbres sont traitées thermiquement (normalisation) puis décalaminées par décapage ou grenaillage.

Les gros vilebrequins, tels que les vilebrequins de bateaux, ainsi que les vilebrequins de moteur de carter de tunnel, sont pliables et boulonnés. Les vilebrequins peuvent être installés non seulement dans des paliers lisses, mais également dans des rouleaux (bielle et principal), à billes (principal dans les moteurs de faible puissance). Dans ces cas, des exigences plus élevées sont imposées à la fois à la précision de fabrication et à la dureté. Ces arbres sont toujours en acier.

Vilebrequins en fonte

Les vilebrequins coulés sont généralement en fonte ductile modifiée au magnésium. Par rapport aux arbres "emboutis" obtenus par fonderie de précision (dans des moules de carter), les arbres présentent plusieurs avantages, dont un taux d'utilisation du métal élevé et un bon amortissement des vibrations de torsion, ce qui permet souvent d'abandonner l'amortisseur externe à la pointe de l'avant essieu. Dans les billettes coulées, diverses cavités internes peuvent également être obtenues lors de la coulée.

La tolérance pour l'usinage des cols des arbres en fonte n'est pas supérieure à 2,5 mm par côté avec des écarts selon les classes de précision 5-7. Moins de fluctuation des stocks et moins de déséquilibre initial affectent favorablement le fonctionnement de l'outil et de "l'équipement", en particulier dans la production automatisée.

Types de vilebrequins

Le vilebrequin peut être de deux types :

  • Composites/séparables, ces arbres sont séparables, dans le sens où l'axe qui abrite la tête de la barre de liaison peut coulisser, afin de loger la barre de liaison avec la tête en une seule pièce et son support, afin d'améliorer la fiabilité des supports et réduire la dispersion des frottements, cependant, ce type de construction est très difficile à réaliser, compte tenu des innombrables facteurs qu'il faut respecter pour ne pas tomber dans les vibrations ; ainsi son utilisation dans les véhicules civils est généralement rejointe par le moteur à deux cylindres au maximum.
  • Monolithiques, ces arbres sont parmi les plus utilisés, car ils permettent une moindre attention à l'ensemble et peuvent avoir un poids moindre que les modèles séparables étant donné qu'ils sont constitués d'un seul élément.

De plus, selon les caractéristiques du moteur, cela peut être simple, lorsqu'un seul arbre moteur est utilisé pour le moteur, multiple, lorsqu'il y a un besoin de plus d'arbres, plus d'arbres par cylindre moteur peuvent également être nécessaires, comme dans le cas des moteurs Vilebrequins opposés ou DUA à piston, où ils ont deux arbres mis en rotation dans des directions opposées par le piston pour minimiser les forces latérales sur le piston.

Auteur :

Date de publication : 18 novembre 2016
Dernier examen : 27 février 2020