Problemauto, le portail de l’expertise automobile et des experts en automobile indépendants

Accueil > Français > AUTOMOBILE > Voitures particulières > Mécanique > Rappel et notions d’équilibrage des moteurs

Rappel et notions d’équilibrage des moteurs

mercredi 1er décembre 2004

Quelques notions d’équilibrage en rappel.

Si on admet un moteur dont toutes les masses des parties en mouvements alternatifs ont le même poids avec la plus faible tolérance possible (bielles, pistons) et dont le vilebrequin est équilibré, les vibrations d’un moteur prennent naissance lors de son fonctionnement. Ces forces sont proportionnelles aux masses en mouvement alternatif et au carré de la vitesse de rotation du vilebrequin.
Lorsqu’une force d’inertie n’est pas équilibrée par une autre dans le même plan et de direction opposée, on parle de "force libre" ou "force parasitaire" dont le caractère alternatif crée les vibrations.

Un moteur mono-cylindrique est le siège de forces libres qui agissant dans l’axe du cylindre. Ces forces du premier ordre peuvent être partiellement diminuées par des contrepoids intégrés au vilebrequin, mais ceux-ci génèrent des forces libres agissant dans le plan perpendiculaire à l’axe du cylindre (le mieux est l’ennemi du bien).

Dans un moteur à deux cylindres comportant un vilebrequin dont les manetons sont décalés de 180 degrés, les forces d’inertie du premier ordre sont équilibrées car les deux pistons travaillent en sens inverse et arrivent ensemble à leurs points mord haut et bas. Mais comme ils sont décalés l’un par rapport à l’autre, les forces d’inertie de sens opposé engendrées créent un couple faisant osciller le moteur suivant un plan perpendiculaire à l’axe du vilebrequin. Cela est valable tant pour un moteur à deux cylindres parallèles que pour un moteur à cylindres opposés, sauf, dans ce dernier cas, si les deux cylindres sont sur le même axe, c’est à dire exactement l’un en face de l’autre. Dans tout autre cas de figure, forces et couples du premier ordre ne sont équilibrés que dans un moteur possédant au moins 4 cylindres.

Moins gênant parce que plus faibles sont les forces et couples du deuxième ordre prenant naissance dans les moteurs classiques à 4 cylindres ainsi que les V8 utilisant un vilebrequin "plat", c’est à dire un vilebrequin semblable à celui d’un 4 cylindres (manetons à 180 degrés l’un par rapport à l’autre), mais recevant deux bielles par manetons, utilisé seulement dans des voitures de course ou de sport comme la FERRARI MODENA 360. Les forces et couples parasitaires du deuxième ordre sont ceux dont la fréquence est double de celle de la rotation du vilebrequin.

JPEG - 33.3 ko
Vitesse du piston

Si on prend le cas d’un moteur classique à quatre cylindres en ligne, les manetons sont calés à 180 degrés l’un par rapport à l’autre, deux pistons arrivent en même temps au point mort haut, les deux autres au point mort bas. Mais lorsque le vilebrequin tourne, la vitesse instantanée (vitesse linéaire) des pistons ascendants et descendants n’est pas la même, sauf lorsqu’ils se trouvent exactement à mi-course. En effet, les pistons atteignent leur vitesse maximale lorsque la bielle forme un angle de 90 degrés avec son maneton, ce qui pour les pistons descendants se produit avant la mi-course, pour les pistons ascendants après la mi-course.

Lorsque les pistons descendant atteignent leur vitesse maximale, les pistons ascendants ne l’ont pas encore atteinte. L’accélération des pistons descendants a donc nécessité une force supérieure à celle requise, dans le même temps, pour accélérer les pistons ascendants qui, à ce moment ont une vitesse moindre. Il en résulte une force de réaction différentielle tendant à soulever le moteur. Cette force différentielle s’annule lorsque tous les pistons sont à mi-course et s’inverse dans la seconde moitié de leur course. Ces forces parasitaires sont d’autant plus grandes que le rapport Longueur de bielle / Course du piston est plus petit et elles augmentent proportionnellement à la masse des pièces en mouvement, comme le carré de la vitesse en rotation.

Elles peuvent être équilibrées en dotant le moteur de deux arbres à contrepoids tournant en sens inverse l’un de l’autre et à une vitesse double de celle du vilebrequin. Cette invention est due à LANCHESTER, un pionnier britannique de l’automobile. Sa version moderne est due à MITSUBISHI et fut utilisée dans les moteurs quatre cylindres des PORSCHE 944 et 968. Il faut savoir que les forces du deuxième ordre sont nulles dans les moteurs à quatre cylindres à plats : Dans ce type de construction, la vitesse instantanée des pistons opposés est toujours égale. En revanche, le désaxage des deux rangées de cylindres entre elle donne lieu à un couple parasitaire du deuxième ordre.

En fonction de tout ce qui précède, nous retiendrons pour les moteurs les plus couramment utilisés en automobile, les seuls exempts de force ou de couples parasitaires du premier et du deuxième ordre, avec ou sans l’aide de contrepoids incorporés au vilebrequin, sont les 4 cylindres avec arbres d’équilibrage, neutralisant les forces du deuxième ordre, les 6 cylindres en ligne ou à plat, les V8 à 90 degrés avec manetons calés à 90 degrés et les V12 à 60, 120 ou 180 degrés. En liminaire, retenons que ces moteurs ont en outre l’avantage d’avoir une séquence d’allumage régulière.

En aparté, n’oublions pas qu’il ne faut pas confondre architecture d’un moteur et calage d’un moteur. En effet, le calage dépend du positionnement des manetons sur le vilebrequin. Ainsi, on peut avoir un moteur avec un V de 60 degrés et des manetons décalés de 30 degrés, ce qui fait que le calage du moteur correspond à un V à 90 degrés. Dans ce cas, l’architecture est modifiée par réduction de l’angle pour des raisons d’encombrement du moteur ( Cf V6 PRV).
Dans la même idée, suivant sont calage, un moteur douze cylindres à plat peut être soit un boxer ou un V à 180 degrés.

Pour exemple, si les arbres d’équilibrage d’un moteur 4 cylindres en ligne (qui en est équipé) ne sont pas calés correctement, il en résulte des forces parasitaires. Dans le cas ou les arbres d’équilibrage seraient décalés, en plus, l’un par rapport à l’autre, il en résulte des forces parasitaires de premier et de deuxième ordre qui se traduisent en outre, par des vibrations sur les arbres eux-mêmes, ce peut expliquer des traces de grippages en conséquence de la contrainte appliquée par le fonctionnement avec ces vibrations.

Yori SPACCAPELO