ARCHITECTURES ET SONS DE MOTEURS

Sources de vibrations des moteurs à pistons :

• mouvements du vilebrequin et de chaque ensemble piston + bielle, créant en fonction de l'architecture du moteur des forces d'inertie rotatives et alternatives, et/ou des moments d'inertie (couples de forces)
• acyclisme du vilebrequin (oscillation de la vitesse angulaire et du couple instantané) en fonction de l'architecture du moteur, de l'ordre et des intervalles d'allumage, entraînant des déformations élastiques  du vilebrequin (torsion et flexion) et des à-coups dans la transmission

Les forces d'inertie rotatives (ou centrifuges) appliquées sur les manetons du vilebrequin sont constantes et peuvent être éliminées à l'aide de contrepoids. 

Lorsque le mouvement alternatif du piston et de la bielle n'est pas compensé par le mouvement opposé d'un autre piston et bielle, le moteur est soumis à des forces d'inertie alternatives variables (mouvement de pilon et/ou de tamis), comme par exemple sur un monocylindre ou bicylindre parallèle à 360°. Ces forces d'inertie dépendent à la fois de de la masse des pièces en mouvement alternatif (pistons + bielles), du carré de la vitesse angulaire, de l'obliquité maximale et du décalage angulaire des manivelles. On distingue les forces de 1er et de 2ème ordre, ces dernières étant des harmoniques d'ordre 2 de fréquence double mais d'une intensité beaucoup plus faible. Sur les 2 et 4 cylindres en ligne avec calage des manetons à 180°, les forces de 2ème ordre sont dues au fait que les pistons dont le sens de déplacement est opposé n'ont pas les mêmes valeurs instantanées de vitesse et d'accélération sauf à mi-course et aux points morts haut et bas (voir article sur les 4 cylindres en ligne à vilebrequin plat).

Sur les multicylindres dont les pistons extrêmes ne sont pas ensemble au point mort haut ou s'ils se déplacent suivant une direction différente (équipage mobile non symétrique par rapport au plan médian du vilebrequin), le moteur est soumis à un moment d'inertie tendant à le faire osciller sur lui-même (mouvement de basculement, de galop, ou de lacet). Ces moments d'inertie concernent la plupart des moteurs à plat ou en V (sauf Honda 1200 VFR), et ceux en ligne avec un nombre pair de cylindres mais avec un rythme d'explosion irrégulier (bicylindre non calé à 360°, 4 cylindres crossplane) ou avec un nombre impair de cylindres (sauf 3 cylindres Laverda à 180° et 5 cylindres Honda 125 RC 149 dont les pistons extrêmes sont alignés).

Les forces et moments d'inertie peuvent être neutralisés par les contrepoids de vilebrequin ou par un système d'équilibrage annexe généralement par arbre(s) rotatif(s), et par un montage du moteur sur silent-blocs.

Sur un monocylindre ou un bicylindre en ligne calé à 360° sans arbre d'équilibrage, le contrepoids va compenser l'inertie due au mouvement alternatif du piston dans une proportion que l'on appelle le facteur d'équilibrage et qui est souvent proche de 60% des masses alternatives avec axe de cylindre vertical pour éviter d'avoir un balourd de vilebrequin trop important avec des forces d'inertie alternatives horizontales excessives lorsque le piston est à mi course.

Le facteur d'équilibrage optimal varie suivant la position du cylindre dans le véhicule, la longueur de bielle, et les réactions du châssis. En moto,  les vibrations les plus ressenties par le pilote sont celles de direction horizontale.

Sur certaines motos de cylindrée importante avec bicylindre vertical calé à 360° sans arbre d'équilibrage, les vibrations à l'arrêt ont tendance à déplacer la roue avant d'avant en arrière et même l'ensemble de l'engin lorsqu'on accélère à vide sur la béquille latérale, avec un mouvement de tamisage longitudinal (par exemple Yamaha XS 650 des années 70 à 80).

Les architectures ci-après sont équilibrées naturellement pour les forces d'inertie alternatives de 1er ordre :

    - 2 cylindres en ligne ou à plat ou V4, avec vilebrequin à 2 manetons calés à 180°

    - 4 cylindres en ligne ou à plat avec vilebrequin plat

    - 4 cylindres en ligne avec vilebrequin en quadrature (crossplane)

    - 3 cylindres en ligne avec vilebrequin à 120°

    - 5 cylindres en ligne avec vilebrequin à 72°

    - 6 cylindres et plus, en ligne, en V, ou à plat                       

Les moteurs en V à nombre pair de cylindres sont équilibrées avec des contrepoids pour les forces d'inertie

alternatives de 1er ordre si l'angle entre les manetons de bielles de chaque banc est égal 

à 180 - 2 fois l'angle d'ouverture des 2 bancs :

    - moteurs en V à 90° avec 2 bielles sur le même maneton

      (V2 Ducati, Moto Guzzi, Suzuki; V4 Honda VFR sauf 1200, V4 Ducati, etc...)

    - moteurs en V à manetons décalés (V2 Honda à 52° avec manetons à 76°, 

      1200 Honda V4 à 76° avec manetons à 28°, etc...)

Les architectures ci-après sont équilibrées naturellement pour les moments d'inertie :

   - monocylindres

   - V2 avec bielle à fourche type Harley Davidson

   - 2 cylindres en ligne avec vilebrequin calé à 360°

   - 3 cylindres en ligne avec vilebrequin calé à 180°

   - 4 cylindres en ligne avec vilebrequin plat

   - V4 à vilebrequin symétrique type Honda 1200 VFR

   - 6 et 8 cylindres en ligne

Les architectures définies ci-après ont à la fois un cycle d'explosion régulier et un bon équilibrage naturel :

   - Les 6 et 8 cylindres en ligne ainsi que les V12 et V16 qui en sont dérivés sont  équilibrés 

     pour les forces alternatives et les moments d'inertie mais la torsion du vilebrequin peut engendrer

     certaines vibrations, ce qui impose un ordre d'allumage n'entraînant pas d'explosions successives

     sur des cylindres côte à côte (ordre d'allumage 1-5-3-6-2-4 pour un 6 cylindres en ligne).

   - Les moteurs à plat de type boxer à manetons opposés sont équilibrés pour les forces alternatives

     de 1er et de 2ème ordre et les moments diminuent en fonction du nombre de cylindres, l'ordre 1 n'étant

     présent que sur les bicylindres (ex moto BMW R 1200 de 2013 équipée d'un arbre d'équilibrage).

   - Les V8 à 90° avec vilebrequin en quadrature (crossplane)  sont équilibrés pour les forces alternatives

     de 1er et de 2ème ordre, et les moments sont éliminés avec des contrepoids assez lourds.

    - Les V8 à 90° et 4 cylindres en ligne avec vilebrequin plat sont équilibrés pour les forces alternatives

      de 1er ordre et pour les moments d'inertie, les forces de 2ème ordre peuvent toutefois nécessiter 

      2 arbres d'équilibrage sur les plus gros 4 cylindres (au delà de 1000 cm3 en moto et 2 l en automobile)

      pour éviter les mouvements de pilon de 2ème ordre.

Un nombre de cylindres en ligne important permet le plus souvent un meilleur équilibrage et une réduction de l'acyclisme, mais entraîne des vibrations de torsion plus importantes du long vilebrequin et le cas échéant une vitesse critique lorsque la fréquence de rotation devient égale à la fréquence propre du vilebrequin, avec des résonances pouvant être destructrices (rupture de fatigue) si non amorties. Les vilebrequins en acier forgé permettent de repousser la vitesse critique par rapport aux vilebrequins en fonte moins rigide et plus lourd, la fréquence propre étant proportionnelle à la raideur (rigidité) et inversement proportionnelle à la masse.

Ces moteurs sont généralement équipés en bout de vilebrequin (côté opposé du volant d'inertie réduisant l'acyclisme du vilebrequin) d'un amortisseur ou équilibreur d'harmoniques (ou amortisseur de torsion ou de vibrations) avec liaison élastique en rotation par élastomère, silicone, ressorts, ...

Les moteurs d'automobiles sont équipés de systèmes d'amortissement des acyclismes :

• poulie damper pour l'entraînement des accessoires (qui est aussi l'amortisseur d'harmoniques)
• volant d'inertie classique avec amortisseur par ressorts sur disque d'embrayage monodisque à sec, ou volant bi-masse (double volant amortisseur) pour réduire à la fois l'inertie, les contraintes sur le vilebrequin (flexion, torsion) et pertes de rendement, l'acyclisme sur la transmission, le bruit de grenaille et l'usure prématurée de la boîte, les bourdonnements et résonances de caisse, et permettre une utilisation à très bas régime sans à-coups tout en conservant un acyclisme de vilebrequin plus important qu'avec un volant classique plus lourd, avec possibilité de suppression des autres amortisseurs de torsion (amortisseur harmonique en bout de vilebrequin et ressorts sur disque d'embrayage monodisque à sec), mais avec nécessité d'une mise au point pour passer la zone de résonance au démarrage en dessous du régime de ralenti et de limiter les pics de couple très important lors d'une manoeuvre trop rapide de réembrayage (par exemple avec un limiteur de couple ou un système hydraulique augmentant la durée de patinage).