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

Les parties mobiles du moteur 4 temps - 1Ăšre partie

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

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

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Le piston

Le piston constitue une paroi mobile du cylindre. Le piston assure l’admission des gaz, leur compression et leur Ă©chappement, et au temps moteur le piston reçoit la poussĂ©e des gaz pour la transmettre au vilebrequin par l’intermĂ©diaire de la bielle.

Le piston doit ĂȘtre parfaitement Ă©tanche. Cette Ă©tanchĂ©itĂ© doit ĂȘtre assurĂ©e aussi bien lorsque le piston est froid que lorsqu’il est chaud. Cette condition est difficile Ă  rĂ©aliser car sous l’action de la tempĂ©rature, le piston se dilate et il ne faut pas qu’il se coince dans le cylindre.

Outre une bonne Ă©tanchĂ©itĂ©, le piston doit avoir une autre qualitĂ© ; celle d’ĂȘtre lĂ©ger afin d’opposer la plus faible inertie possible au cours de ses dĂ©placements.

Le piston doit Ă©galement ĂȘtre trĂšs rĂ©sistant. En effet, il supporte au temps moteur une pression considĂ©rable atteignant plusieurs centaines de kilogrammes sur un moteur de voiture de tourisme (environ 30000 newtons sur un piston de 80 mm de diamĂštre, pour un taux de compression de 8).

Comme la chaleur qui rÚgne au-dessus du piston est trÚs 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.

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Un piston se prĂ©sente sous la forme apparente d’un cylindre.

On y distingue essentiellement deux parties :

●    La tĂȘte ou porte-segments
●    La jupe 

Le porte-segments

Cette partie, qui comporte le fond du piston, est d’un diamĂštre plus faible de plusieurs dixiĂšmes de millimĂštres que l’alĂ©sage 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 Ă©loignĂ©e du fond, destinĂ©e au segment racleur, est percĂ©e de trous qui la font communiquer avec l’intĂ©rieur du piston. Ces trous permettent Ă  l’huile ramassĂ©e par le segment de passer Ă  l’intĂ©rieur 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 percĂ©e elle aussi de trous dans le mĂȘme but.

Le fond du piston est gĂ©nĂ©ralement plat, mais on trouve des pistons dont le fond est lĂ©gĂšrement bombĂ©. Cette forme permet de rĂ©duire 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 Ă  la tĂȘte. C’est elle qui assure le guidage de la piĂšce. Elle s’ajuste dans le cylindre avec un jeu trĂšs 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 isolĂ©e de la tĂȘte, 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 renforcĂ©e intĂ©rieurement par deux bossages diamĂ©tralement opposĂ©s dans lesquels sont percĂ©s les trous de l’axe. Le fond est renforcĂ© par des nervures qui viennent rejoindre les bossages des trous d’axes Ă  la maniĂšre des cintres d’une voĂ»te. Ainsi la force de pression qui s’exerce sur le dessus du piston se transmet aux extrĂ©mitĂ©s 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 creusĂ©e Ă  sa partie infĂ©rieure d’une gorge destinĂ©e au logement d’un segment racleur.

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

Les segments

Segments d’étanchĂ©itĂ©

Le porte-segments est d’un diamĂštre nettement plus faible que l’alĂ©sage, en vue de sa dilatation importante.

Le rĂŽle des segments est d’assurer l’étanchĂ©itĂ© entre la tĂȘte du piston et le cylindre. Ce sont des anneaux, gĂ©nĂ©ralement 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 diamĂštre extĂ©rieur plus grand que l’alĂ©sage. Lorsqu’ils sont en place sur le piston, dans le cylindre, leur Ă©lasticitĂ© les applique contre la paroi de celui-ci. Ils doivent avoir dans leurs gorges un jeu suffisant pour pouvoir se dĂ©tendre 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 Ă  fond de gorge) afin que les gaz qui arrivent Ă  franchir les segments puissent se dĂ©tendre et qu’il n’y ait pas coincement du segment entre le piston et le cylindre.

La coupe des segments peut ĂȘtre :

●    droite 
●    oblique 
●    en baïonnette

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La coupe droite est frĂ©quemment adoptĂ©e. Il doit toujours exister Ă  froid un jeu de dilatation entre les extrĂ©mitĂ©s du segment. Ce jeu, appelĂ© jeu Ă  la coupe, varie suivant l’alĂ©sage 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 baĂŻonnette. Le segment le plus prĂšs du fond est appelĂ© segment de feu ou parfois segment coup de feu.

Suivant la valeur du taux de compression, on utilise des pistons Ă  deux ou trois segments d’étanchĂ©itĂ©.

Segment racleur

Il a pour rĂŽle de racler l’excĂšs d’huile qui est projetĂ©e Ă  l’intĂ©rieur du cylindre en cours de fonctionnement et de l’empĂȘcher d’atteindre les gorges des segments d’étanchĂ©itĂ© 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 rĂŽle de la rainure circulaire qui se trouve sous la gorge du piston est d'entraĂźner, lors de la remontĂ©e du piston, une certaine quantitĂ© d’huile qui est ensuite ramassĂ©e par le segment racleur lors de la descente du piston.
Le segment racleur est placĂ© immĂ©diatement sous les segments d’étanchĂ©itĂ©.

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

Il existe plusieurs formes de segments racleurs. Les segments les plus utilisĂ©s sont ceux Ă  gorge circulaire au fond de laquelle sont percĂ©es des fentes qui communiquent avec les trous pratiquĂ©s dans le fond de la gorge du piston afin que l’huile raclĂ©e puisse passer Ă  l’intĂ©rieur de ce dernier et retomber ensuite dans le carter.

Certains segments racleurs n’ont pas de gorge circulaire, c’est alors leur arĂȘte infĂ©rieure qui ramasse l’huile.

Il existe Ă©galement des segments racleurs Ă  plusieurs Ă©lĂ©ments de fonte ou d’acier logĂ©s dans la gorge.

Comme les segments d’étanchĂ©itĂ©, les segments racleurs doivent avoir un certain jeu Ă  la coupe.

Pour augmenter le contact entre les segments multiples et le cylindre, certains constructeurs montent dans le fond des gorges un ressort constituĂ© par une bande d’acier pliĂ©e en forme de polygone. Lorsqu’ils sont montĂ©s avec des segments racleurs, ces ressorts sont Ă©chancrĂ©s 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 Ă©vidĂ©s Ă  l’intĂ©rieur en vue de la rĂ©duction de leur poids, mais on donne parfois Ă  l’évidement une forme qui n’affecte pas la rigiditĂ© de la piĂšce.

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La bielle

La bielle transmet au vilebrequin la poussĂ©e exercĂ©e par le piston. Les efforts auxquels elle est soumise Ă©tant considĂ©rables, la bielle doit ĂȘtre Ă  la fois trĂšs rigide et aussi lĂ©gĂšre que possible pour avoir une inertie rĂ©duite.

Une bielle comprend trois parties principales :

●    le corps
●    la tĂȘte
●    le pied

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Le corps de bielle

C’est la partie mĂ©diane de la bielle. Il se prĂ©sente sous la forme d’un barreau dont la section a gĂ©nĂ©ralement la forme d’un “I”. Il existe Ă©galement des bielles ayant un corps tubulaire. La forme en I est celle qui prĂ©sente le plus de rigiditĂ© pour le plus faible poids.

Le corps de bielle peut ĂȘtre percĂ© dans toute sa longueur d’un conduit faisant communiquer la tĂȘte 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 trĂšs poussĂ©s.

Le pied de bielle

Le pied de bielle est constituĂ© par une douille. Celle-ci est garnie intĂ©rieurement 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 percĂ© d’un conduit de graissage, le pied de bielle est percĂ© Ă  sa partie supĂ©rieure d’un trou Ă  l’orifice Ă©vasĂ© qui recueille une partie de l’huile provenant de la gorge du segment racleur.

La tĂȘte de bielle

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

L’intĂ©rieur de la tĂȘte de bielle est garni d’alliage antifriction. Celui-ci peut ĂȘtre coulĂ© directement sur la bielle mais le plus souvent l’alliage antifriction est coulĂ© en couche trĂšs mince sur la face interne de coquilles en acier de faible Ă©paisseur.

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Ces coussinets s’ajustent parfaitement Ă  l’intĂ©rieur de la tĂȘte de bielle et sont immobilisĂ©s en rotation. L’alliage antifriction peut Ă©tre coulĂ© sur des demi-coussinets de bronze amovibles. A l’intĂ©rieur des coussinets sont parfois pratiquĂ©es des rainures de graissage dont le rĂŽle est de rĂ©partir l’huile de graissage sur tout le pourtour du coussinet.

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Sur certains coussinets, on trouve, au voisinage du plan de joint des deux parties de la tĂȘte, un chanfrein appelĂ© bain d’huile qui constitue une capacitĂ© dans laquelle sĂ©journe un peu d’huile.

Note : Dans le but de rĂ©duire les frottements entre les manetons et les tĂȘtes de bielles et d’augmenter le rendement mĂ©canique du moteur, les tĂȘtes de bielles sont parfois montĂ©es sur roulement Ă  billes ou Ă  galets. Ce montage nĂ©cessite un vilebrequin dĂ©montable afin de pouvoir mettre les roulements en place, ce qui rend cette solution coĂ»teuse et la fait rĂ©server des moteurs hors-sĂ©rie.

Sur certaines bielles un trou de faible diamĂštre appelĂ© gicleur d’huile est percĂ© dans l’épaisseur de la tĂȘte, la base du corps. Son rĂŽle est de laisser jaillir l’huile qui graisse le maneton, pour la lubrification du fĂ»t 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 frĂ©quent. L’axe tourne Ă  la fois dans la bague en bronze du pied de bielle et dans le piston. Pour empĂȘcher l’axe de se dĂ©placer longitudinalement et de venir rayer la paroi du cylindre, sont utilisĂ©s soit :

●    des joncs d’arrĂȘt 
●    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 mĂ©canique du moteur.
●    PlasticitĂ© suffisante pour leur permettre d’épouser la forme des piĂšces avec lesquelles ils sont en contact.
●    DuretĂ© suffisante toutefois pour rĂ©sister aux pressions importantes auxquelles ils sont soumis.

En plus de ces qualitĂ©s, les alliages antifriction doivent avoir un point de fusion assez bas. De cette maniĂšre, lorsqu’un dĂ©faut de graissage se produit, l’élĂ©vation de tempĂ©rature qui suit, amĂšne l’alliage Ă  son point de fusion et le bruit dĂ» au martĂšlement de la bielle sur le maneton avertit le conducteur de l’avarie. C’est le classique accident de la bielle coulĂ©e, devenu beaucoup moins frĂ©quent en raison des progrĂšs rĂ©alisĂ©s dans la lubrification.

Plusieurs antifrictions peuvent ĂȘtre utilisĂ©s en automobile :

●    L’antifriction Ă  l’étain ou rĂ©gule 
●    L’antifriction au plomb 
●    L’antifriction Bronze au plomb

Le vilebrequin

Le vilebrequin est un arbre coudĂ© en acier spĂ©cial, obtenu par forgeage (estampage) et trempĂ©. 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 rĂ©pĂ©tĂ©s et trĂšs importants surtout au moment des explosions. Tournant Ă  grande vitesse sur les moteurs modernes, il doit ĂȘtre parfaitement Ă©quilibrĂ©.

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Le vilebrequin comprend les parties suivantes :

●    les portĂ©es ou tourillons 
●    les manetons 
●    les flasques ou bras de manivelle
●    le volant 
●    les paliers

Les portées (ou tourillons)

Ce sont des parties cylindriques usinĂ©es, alignĂ©es avec une prĂ©cision de l’ordre du centiĂšme de millimĂštre. Elles assurent le guidage en rotation du vilebrequin.

Il faut distinguer la portĂ©e avant et la portĂ©e arriĂšre, constituant les portĂ©es extrĂȘmes, et les portĂ©es intermĂ©diaires. Des deux portĂ©es extrĂȘmes, la portĂ©e arriĂšre est la plus longue, en raison de la prĂ©sence du volant et des forces qu’il engendre. Les portĂ©es intermĂ©diaires sont en nombre variable suivant la longueur du vilebrequin.

Sur le vilebrequin d’un moteur quatre cylindres, il y a gĂ©nĂ©ralement une portĂ©e intermĂ©diaire.

A l’extrĂ©mitĂ© de la portĂ©e arriĂšre, le vilebrequin se termine par un plateau servant Ă  la fixation du volant.

Dans le prolongement du palier avant, se trouve une partie cylindrique de diamÚtre plus faible, destinée à recevoir le pignon d'entraßnement 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 piÚce appelée noix de lancement ou dent de loup u en raison de sa forme, qui reçoit la manivelle de lancement. Grùce à la forme en crocs des dents de cette piÚce, la manivelle est rejetée hors du vilebrequin dÚs que le moteur a démarré.

Les manetons

Ce sont les parties cylindriques sur lesquelles se fixent les tĂȘtes de bielle. Le nombre de manetons est Ă©videmment Ă©gal celui des pistons. Les manetons sont, comme les portĂ©es, soigneusement usinĂ©s par rectification.

Sur les moteurs quatre cylindres, les manetons sont opposĂ©s deux Ă  deux dans un mĂȘme 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 Ă©panouissements constituant des masses d’équilibrage. Ces masses sont parfois percĂ©es de trous borgnes reprĂ©sentant des enlĂšvements de mĂ©tal destinĂ©s Ă  parfaire l’équilibrage. Les masses peuvent ĂȘtre rapportĂ©es ; elles sont alors fixĂ©es sur les flasques par des vis.

A l’intĂ©rieur des portĂ©es et des flasques, sont percĂ©s des canaux destinĂ©s Ă  amener aux manetons l’huile venant des paliers. En gĂ©nĂ©ral le palier arriĂšre communique avec le 4e maneton, le palier avant avec le 1er maneton et le palier intermĂ©diaire, lorsqu’il existe, avec les 2e et 3e manetons. Lorsqu’il n’y a pas de palier intermĂ©diaire les paliers extrĂȘmes communiquent avec deux manetons.

Le volant

Le volant ne fait pas partie du vilebrequin sur lequel il est boulonné mais les deux piÚces sont équilibrées ensemble.
Le rĂŽle du volant est d’emmagasiner aux temps moteurs une Ă©nergie cinĂ©tique assez grande pour que le moteur continue de tourner aux temps rĂ©sistants (Echappement / Admission / Compression), sans chute de vitesse sensible.

Il est constituĂ© par un disque massif de fonte ou d’acier. Sur sa face avant il prĂ©sente un Ă©videment circulaire dans lequel s’encastre le plateau du vilebrequin, cette disposition assurant le centrage parfait des deux piĂšces. Sur sa face arriĂšre le volant est Ă©vidĂ© et le fond de cet Ă©videment constitue la face de friction du disque d’embrayage.

A la pĂ©riphĂ©rie de sa face arriĂšre le volant est percĂ© de trous servant la fixation de la cloche d’embrayage. Le volant porte, sur sa pĂ©riphĂ©rie, la couronne dentĂ©e servant au lancement du moteur Ă  l’aide du dĂ©marreur.

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

Les paliers de vilebrequin

Les paliers sont des coquilles rapportĂ©es, en bronze ou en acier, garnies intĂ©rieurement d’alliage antifriction. La face interne est rainurĂ©e circulairement dans le but de rĂ©partir l’huile arrivant au palier sur tout le pourtour de la portĂ©e.
Sur les demi-coquilles du bloc se raccordent celles des chapeaux de palier. Dans le palier est creusĂ©e une gorge dans laquelle est logĂ©e 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