🧰 Le coup d'écrou#13 - Le moteur 4 temps / Les parties mobiles (Partie 1)

Les parties mobiles du moteur 4 temps - 1ère partie

Après avoir vu les parties fixes, nous nous attaquons aujourd'hui aux parties mobiles du moteur 4 temps !

Les principales pièces mobiles d’un moteur sont les pistons, les bielles, le vilebrequin, les soupapes et leurs organes de commande.

Le piston

Le piston constitue une paroi mobile du cylindre. Le piston assure l’admission des gaz, leur compression et leur échappement, et au temps moteur le piston reçoit la poussée des gaz pour la transmettre au vilebrequin par l’intermédiaire de la bielle.

Le piston doit être parfaitement étanche. Cette étanchéité doit être assurée aussi bien lorsque le piston est froid que lorsqu’il est chaud. Cette condition est difficile à réaliser car sous l’action de la température, le piston se dilate et il ne faut pas qu’il se coince dans le cylindre.

Outre une bonne étanchéité, le piston doit avoir une autre qualité ; celle d’être léger afin d’opposer la plus faible inertie possible au cours de ses déplacements.

Le piston doit également être très résistant. En effet, il supporte au temps moteur une pression considérable atteignant plusieurs centaines de kilogrammes sur un moteur de voiture de tourisme (environ 30000 newtons sur un piston de 80 mm de diamètre, pour un taux de compression de 8).

Comme la chaleur qui règne au-dessus du piston est très élevée (environ 1800°C) au moment de la combustion, il faut aussi que la chaleur se diffuse rapidement à travers le piston, de sa partie la plus chaude vers la plus froide. Le piston doit avoir pour cette raison une bonne conductibilité thermique.

Un piston se présente sous la forme apparente d’un cylindre.

On y distingue essentiellement deux parties :

●    La tête ou porte-segments
●    La jupe 

Le porte-segments

Cette partie, qui comporte le fond du piston, est d’un diamètre plus faible de plusieurs dixièmes de millimètres que l’alésage du cylindre, en raison de sa forte dilatation.

Elle est creusée sur son pourtour de gorges circulaires dans lesquelles sont logés les segments. Les parties séparant les gorges sont appelées cordons.

La gorge la plus éloignée du fond, destinée au segment racleur, est percée de trous qui la font communiquer avec l’intérieur du piston. Ces trous permettent à l’huile ramassée par le segment de passer à l’intérieur du piston pour le graissage de l’articulation du piston sur le pied de bielle. Sous la gorge du segment, il existe parfois une rainure percée elle aussi de trous dans le même but.

Le fond du piston est généralement plat, mais on trouve des pistons dont le fond est légèrement bombé. Cette forme permet de réduire judicieusement le volume de la chambre de compression et d’augmenter le taux de compression.

La jupe

La jupe est la partie du piston qui fait suite à la tête. C’est elle qui assure le guidage de la pièce. Elle s’ajuste dans le cylindre avec un jeu très faible. La jupe est fendue sur tout ou partie de sa hauteur d’une fente dont les bords se rapprochent lorsque la dilatation devient excessive.

Sur certains pistons, la jupe est isolée de la tête, au point de vue thermique, par une fente circulaire qui n’est interrompue qu’au droit des trous de l’axe.

Parfois la fente horizontale s’étend de part et d’autre de la fente verticale ; les deux formant un T.

La jupe est renforcée intérieurement par deux bossages diamétralement opposés dans lesquels sont percés les trous de l’axe. Le fond est renforcé par des nervures qui viennent rejoindre les bossages des trous d’axes à la manière des cintres d’une voûte. Ainsi la force de pression qui s’exerce sur le dessus du piston se transmet aux extrémités de l’axe par les bossages qui facilitent en outre, par leur masse, l’écoulement de la chaleur entre le fond du piston et la jupe.

Sur certains pistons, la jupe est creusée à sa partie inférieure d’une gorge destinée au logement d’un segment racleur.

Certains pistons présentent également des jupes à profil très complexe étudié en fonction des dilatations propres à chaque moteur.

Les segments

Segments d’étanchéité

Le porte-segments est d’un diamètre nettement plus faible que l’alésage, en vue de sa dilatation importante.

Le rôle des segments est d’assurer l’étanchéité entre la tête du piston et le cylindre. Ce sont des anneaux, généralement en fonte, parfois en acier, fendus pour pouvoir les faire passer par-dessus les cordons et les mettre en place dans leurs gorges respectives.

Lorsqu’ils sont libres, les segments ont un diamètre extérieur plus grand que l’alésage. Lorsqu’ils sont en place sur le piston, dans le cylindre, leur élasticité les applique contre la paroi de celui-ci. Ils doivent avoir dans leurs gorges un jeu suffisant pour pouvoir se détendre librement, mais ils ne doivent pas y battre en hauteur. Entre le segment et le fond de sa gorge, il doit y avoir un jeu (jeu à fond de gorge) afin que les gaz qui arrivent à franchir les segments puissent se détendre et qu’il n’y ait pas coincement du segment entre le piston et le cylindre.

La coupe des segments peut être :

●    droite 
●    oblique 
●    en baïonnette

La coupe droite est fréquemment adoptée. Il doit toujours exister à froid un jeu de dilatation entre les extrémités du segment. Ce jeu, appelé jeu à la coupe, varie suivant l’alésage du cylindre, la nature du segment, le mode de refroidissement du moteur. Ce jeu est plus important lorsque la coupe est droite que lorsqu’elle est oblique. Certains segments ont une coupe dite en baïonnette. Le segment le plus près du fond est appelé segment de feu ou parfois segment coup de feu.

Suivant la valeur du taux de compression, on utilise des pistons à deux ou trois segments d’étanchéité.

Segment racleur

Il a pour rôle de racler l’excès d’huile qui est projetée à l’intérieur du cylindre en cours de fonctionnement et de l’empêcher d’atteindre les gorges des segments d’étanchéité et la chambre de compression. Cependant, il faut qu’une certaine pellicule d’huile subsiste entre le piston et le cylindre pour le graissage de ces parties.

Le rôle de la rainure circulaire qui se trouve sous la gorge du piston est d'entraîner, lors de la remontée du piston, une certaine quantité d’huile qui est ensuite ramassée par le segment racleur lors de la descente du piston.
Le segment racleur est placé immédiatement sous les segments d’étanchéité.

Note : Sur les pistons de certains moteurs, il existe un deuxième segment racleur à la partie inférieure de la jupe.

Il existe plusieurs formes de segments racleurs. Les segments les plus utilisés sont ceux à gorge circulaire au fond de laquelle sont percées des fentes qui communiquent avec les trous pratiqués dans le fond de la gorge du piston afin que l’huile raclée puisse passer à l’intérieur de ce dernier et retomber ensuite dans le carter.

Certains segments racleurs n’ont pas de gorge circulaire, c’est alors leur arête inférieure qui ramasse l’huile.

Il existe également des segments racleurs à plusieurs éléments de fonte ou d’acier logés dans la gorge.

Comme les segments d’étanchéité, les segments racleurs doivent avoir un certain jeu à la coupe.

Pour augmenter le contact entre les segments multiples et le cylindre, certains constructeurs montent dans le fond des gorges un ressort constitué par une bande d’acier pliée en forme de polygone. Lorsqu’ils sont montés avec des segments racleurs, ces ressorts sont échancrés de place en place pour laisser passer l’huile de graissage dans le fond de la gorge (segment racleur Ondulex).

Les axes de piston

Les axes des pistons sont en acier traité. Ils doivent résister aux efforts de flexion qui leur sont imposés, surtout au temps moteur.

Ils sont évidés à l’intérieur en vue de la réduction de leur poids, mais on donne parfois à l’évidement une forme qui n’affecte pas la rigidité de la pièce.

La bielle

La bielle transmet au vilebrequin la poussée exercée par le piston. Les efforts auxquels elle est soumise étant considérables, la bielle doit être à la fois très rigide et aussi légère que possible pour avoir une inertie réduite.

Une bielle comprend trois parties principales :

●    le corps
●    la tête
●    le pied

Le corps de bielle

C’est la partie médiane de la bielle. Il se présente sous la forme d’un barreau dont la section a généralement la forme d’un “I”. Il existe également des bielles ayant un corps tubulaire. La forme en I est celle qui présente le plus de rigidité pour le plus faible poids.

Le corps de bielle peut être percé dans toute sa longueur d’un conduit faisant communiquer la tête et le pied en vue du graissage de l’articulation du pied de bielle sur l’axe de piston. Cette solution ne se rencontre que sur certains moteurs très poussés.

Le pied de bielle

Le pied de bielle est constitué par une douille. Celle-ci est garnie intérieurement dans la plupart des moteurs par une bague de bronze dans laquelle tourillonne l’axe du piston.

Lorsque le corps de bielle n’est pas percé d’un conduit de graissage, le pied de bielle est percé à sa partie supérieure d’un trou à l’orifice évasé qui recueille une partie de l’huile provenant de la gorge du segment racleur.

La tête de bielle

C’est la partie par laquelle la bielle se rattache au maneton du vilebrequin. Elle est formée d’un épanouissement semi-cylindrique du corps de bielle sur lequel se fixe le chapeau de bielle.

L’intérieur de la tête de bielle est garni d’alliage antifriction. Celui-ci peut être coulé directement sur la bielle mais le plus souvent l’alliage antifriction est coulé en couche très mince sur la face interne de coquilles en acier de faible épaisseur.

Ces coussinets s’ajustent parfaitement à l’intérieur de la tête de bielle et sont immobilisés en rotation. L’alliage antifriction peut étre coulé sur des demi-coussinets de bronze amovibles. A l’intérieur des coussinets sont parfois pratiquées des rainures de graissage dont le rôle est de répartir l’huile de graissage sur tout le pourtour du coussinet.

Sur certains coussinets, on trouve, au voisinage du plan de joint des deux parties de la tête, un chanfrein appelé bain d’huile qui constitue une capacité dans laquelle séjourne un peu d’huile.

Note : Dans le but de réduire les frottements entre les manetons et les têtes de bielles et d’augmenter le rendement mécanique du moteur, les têtes de bielles sont parfois montées sur roulement à billes ou à galets. Ce montage nécessite un vilebrequin démontable afin de pouvoir mettre les roulements en place, ce qui rend cette solution coûteuse et la fait réserver des moteurs hors-série.

Sur certaines bielles un trou de faible diamètre appelé gicleur d’huile est percé dans l’épaisseur de la tête, la base du corps. Son rôle est de laisser jaillir l’huile qui graisse le maneton, pour la lubrification du fût du cylindre.

Montage du piston sur la bielle

Il existe de nombreux modes de montage du piston sur la bielle.

Axe flottant

C’est le montage le plus fréquent. L’axe tourne à la fois dans la bague en bronze du pied de bielle et dans le piston. Pour empêcher l’axe de se déplacer longitudinalement et de venir rayer la paroi du cylindre, sont utilisés soit :

●    des joncs d’arrêt 
●    des circlips 
●    des pastilles de friction

Les alliages antifriction

Ce sont alliages qui doivent présenter les qualités suivantes :

●    Faible coefficient de frottement pour ne pas diminuer le rendement mécanique du moteur.
●    Plasticité suffisante pour leur permettre d’épouser la forme des pièces avec lesquelles ils sont en contact.
●    Dureté suffisante toutefois pour résister aux pressions importantes auxquelles ils sont soumis.

En plus de ces qualités, les alliages antifriction doivent avoir un point de fusion assez bas. De cette manière, lorsqu’un défaut de graissage se produit, l’élévation de température qui suit, amène l’alliage à son point de fusion et le bruit dû au martèlement de la bielle sur le maneton avertit le conducteur de l’avarie. C’est le classique accident de la bielle coulée, devenu beaucoup moins fréquent en raison des progrès réalisés dans la lubrification.

Plusieurs antifrictions peuvent être utilisés en automobile :

●    L’antifriction à l’étain ou régule 
●    L’antifriction au plomb 
●    L’antifriction Bronze au plomb

Le vilebrequin

Le vilebrequin est un arbre coudé en acier spécial, obtenu par forgeage (estampage) et trempé. Le vilebrequin, qui est l’arbre moteur, transforme avec les bielles le mouvement rectiligne alternatif des pistons en mouvement de rotation continu. Il supporte des efforts répétés et très importants surtout au moment des explosions. Tournant à grande vitesse sur les moteurs modernes, il doit être parfaitement équilibré.

Le vilebrequin comprend les parties suivantes :

●    les portées ou tourillons 
●    les manetons 
●    les flasques ou bras de manivelle
●    le volant 
●    les paliers

Les portées (ou tourillons)

Ce sont des parties cylindriques usinées, alignées avec une précision de l’ordre du centième de millimètre. Elles assurent le guidage en rotation du vilebrequin.

Il faut distinguer la portée avant et la portée arrière, constituant les portées extrêmes, et les portées intermédiaires. Des deux portées extrêmes, la portée arrière est la plus longue, en raison de la présence du volant et des forces qu’il engendre. Les portées intermédiaires sont en nombre variable suivant la longueur du vilebrequin.

Sur le vilebrequin d’un moteur quatre cylindres, il y a généralement une portée intermédiaire.

A l’extrémité de la portée arrière, le vilebrequin se termine par un plateau servant à la fixation du volant.

Dans le prolongement du palier avant, se trouve une partie cylindrique de diamètre plus faible, destinée à recevoir le pignon d'entraînement de la distribution et la poulie du ventilateur.

Sur les moteurs à démarrage par manivelle, cette partie se termine par un filetage sur lequel se visse la pièce appelée noix de lancement ou dent de loup u en raison de sa forme, qui reçoit la manivelle de lancement. Grâce à la forme en crocs des dents de cette pièce, la manivelle est rejetée hors du vilebrequin dès que le moteur a démarré.

Les manetons

Ce sont les parties cylindriques sur lesquelles se fixent les têtes de bielle. Le nombre de manetons est évidemment égal celui des pistons. Les manetons sont, comme les portées, soigneusement usinés par rectification.

Sur les moteurs quatre cylindres, les manetons sont opposés deux à deux dans un même plan (manetons 1 et 4 d’une part ; manetons 2 et 3 d’autre part). Il y a toujours deux pistons au PMH lorsque les deux autres sont au PMB.

Les flasques (ou bras de manivelle)

Ils réunissent les manetons aux portées du vilebrequin.

Sur certains vilebrequins, les flasques se prolongent par des épanouissements constituant des masses d’équilibrage. Ces masses sont parfois percées de trous borgnes représentant des enlèvements de métal destinés à parfaire l’équilibrage. Les masses peuvent être rapportées ; elles sont alors fixées sur les flasques par des vis.

A l’intérieur des portées et des flasques, sont percés des canaux destinés à amener aux manetons l’huile venant des paliers. En général le palier arrière communique avec le 4e maneton, le palier avant avec le 1er maneton et le palier intermédiaire, lorsqu’il existe, avec les 2e et 3e manetons. Lorsqu’il n’y a pas de palier intermédiaire les paliers extrêmes communiquent avec deux manetons.

Le volant

Le volant ne fait pas partie du vilebrequin sur lequel il est boulonné mais les deux pièces sont équilibrées ensemble.
Le rôle du volant est d’emmagasiner aux temps moteurs une énergie cinétique assez grande pour que le moteur continue de tourner aux temps résistants (Echappement / Admission / Compression), sans chute de vitesse sensible.

Il est constitué par un disque massif de fonte ou d’acier. Sur sa face avant il présente un évidement circulaire dans lequel s’encastre le plateau du vilebrequin, cette disposition assurant le centrage parfait des deux pièces. Sur sa face arrière le volant est évidé et le fond de cet évidement constitue la face de friction du disque d’embrayage.

A la périphérie de sa face arrière le volant est percé de trous servant la fixation de la cloche d’embrayage. Le volant porte, sur sa périphérie, la couronne dentée servant au lancement du moteur à l’aide du démarreur.

Note : Le volant d’un moteur est d’autant plus lourd que le nombre des cylindres est plus petit en raison de la moindre régularité du couple moteur.

Les paliers de vilebrequin

Les paliers sont des coquilles rapportées, en bronze ou en acier, garnies intérieurement d’alliage antifriction. La face interne est rainurée circulairement dans le but de répartir l’huile arrivant au palier sur tout le pourtour de la portée.
Sur les demi-coquilles du bloc se raccordent celles des chapeaux de palier. Dans le palier est creusée une gorge dans laquelle est logée la collerette casse-goutte du vilebrequin. En tournant, la collerette renvoie l’huile constamment dans le fond de la gorge qui communique avec le carter dans lequel l’huile retombe ensuite.

Merci à Alexandre Degrandcourt pour cet article ! 

Crédits photos : Document Peugeot, Panhard, Ondulex, Salmson