Les types de vilebrequins
Le vilebrequin est la pièce mécanique centrale dans un moteur thermique. Il transforme le mouvement linéaire des pistons en rotation, permettant ainsi le mouvement du véhicule. Selon la disposition des cylindres et le type de vilebrequin utilisé, l'impact sur la sonorité, l'agrément de conduite et même le coût de fabrication d'un moteur peut varier considérablement. Voici un aperçu des principaux types de vilebrequins et de leurs caractéristiques.
A lire : fonctionnement et éléments qui composent le vilebrequin
Le vilebrequin à plat (Flat-plane)
Le vilebrequin à plat est souvent utilisé dans les moteurs en V, notamment dans les V8 à caractère sportif. Sa particularité est d'avoir deux bielles par maneton, disposées sur un plan plat. Cela permet une alternance régulière des explosions dans les cylindres. La séquence d'allumage est donc très équilibrée, favorisant un comportement moteur plus linéaire et une montée en régime rapide.
Sonorité : Les moteurs équipés de ce type de vilebrequin produisent une sonorité plus aiguë, perçante et sans saccade, caractéristique des moteurs de compétition ou des supercars comme certaines Ferrari (notamment 458). Le rythme d'allumage des cylindres, qui est très régulier, confère une sonorité proche d'un moteur en ligne, ce qui peut manquer de profondeur pour certains amateurs.
Agrément : Ce type de vilebrequin permet une réactivité moteur de premier ordre, et il est aussi parfait pour les hauts régimes (avec, la Temerario arrive à atteindre près de 10 000 tours/min malgré la présence d'un turbo !) car sa masse est généralement plus réduite. Cependant, il génère également plus de vibrations (une hélice à deux pales vibre plus qu'une hélice à 4 pales par exemple), ce qui peut rendre le moteur moins confortable au quotidien.
Coût : La conception du vilebrequin à plat est relativement simple, ce qui peut réduire les coûts de fabrication. En revanche, les vibrations supplémentaires peuvent nécessiter des compensations au niveau de l'équilibrage moteur, et donc potentiellement accroître les coûts.
Le vilebrequin à croix (Cross-plane)
Contrairement au vilebrequin à plat, le vilebrequin à croix est plus couramment utilisé dans les moteurs en V8 des voitures américaines et certaines sportives européennes. Les manetons sont disposés à 90° les uns des autres, ce qui génère un décalage dans la séquence d'allumage.
Sonorité : Ce type de vilebrequin est connu pour produire une sonorité grave et vibrante (glougloutement), avec un "ronronnement" distinct qui plaît à beaucoup d'amateurs de muscle cars. Le rythme d'allumage irrégulier crée cette tonalité unique, qui est souvent associée à des moteurs plus puissants et plus "masculins" (un peu façons Harley Davidson). On peut aussi citer comme exemple les moteur AMG (6.3 et 3.9).
Agrément : Les moteurs équipés de vilebrequins à croix sont plus doux en termes de vibrations car la forme de profil est plus régulière (sur les vilebrequins plats c'est comme une hélice à deux pales, ici c'est comme si on avait trois pales). Cependant, ils sont légèrement moins réactifs en raison de la masse supplémentaire à faire tourner, ce qui ralentit légèrement la montée en régime et induit plus d'inertie moteur. De plus, l'allumage des cylindres moins régulier peut amener des vibrations (à ne pas confondre avec les vibrations d'un vilebrequin au profilage moins homogène comme on l'a dit au début)..
Coût : La conception est plus complexe que celle du vilebrequin à plat, ce qui augmente le coût de fabrication. Cependant, l'amélioration du confort et de la souplesse moteur en fait un choix fréquent pour les voitures de performance grand tourisme qui recherchent un peu plus le compromis.
Influence des vilebrequins sur la sonorité et l’agrément
La disposition des vilebrequins influence profondément la sonorité d’un moteur. Les moteurs avec un vilebrequin à plat ont une sonorité plus régulière, tranchante et métallique, tandis que ceux avec un vilebrequin à croix génèrent des sons plus graves et vibrants.
La forme du vilebrequin joue un rôle crucial dans le rythme d’allumage des cylindres d’un moteur. Chaque maneton du vilebrequin est connecté à une bielle qui relie un piston, et la disposition des manetons détermine la séquence d’allumage des cylindres. En fonction de l’angle entre les manetons et leur disposition sur le vilebrequin, on peut influencer le moment où chaque piston atteint le sommet de sa course (PMH – Point Mort Haut), où l’allumage se produit. Par exemple, dans un vilebrequin à plat (flat-plane), souvent utilisé dans les moteurs en V8 sportifs, les manetons sont disposés de façon à ce que les explosions soient régulièrement espacées, ce qui donne un rythme d'allumage linéaire et équilibré, favorisant des montées en régime rapides. En revanche, un vilebrequin à croix (cross-plane) utilisé dans les V8 classiques a les manetons disposés à 90°, ce qui génère un décalage dans la séquence d'allumage et produit un rythme plus irrégulier mais mieux équilibré en termes de vibrations. Dans les moteurs en ligne, comme les moteurs à 4 ou 6 cylindres, la disposition régulière des manetons sur le vilebrequin assure un cycle d’allumage très fluide, avec des intervalles constants entre les explosions, favorisant la douceur de fonctionnement. Ainsi, la géométrie du vilebrequin est directement liée à l'ordre et au rythme d'allumage des cylindres, influençant à la fois la performance, la sonorité et l'équilibrage du moteur.
Longue course ? Course courte ?
Les vilebrequins doivent être adaptés selon qu'il s'agit de moteurs à courte course ou longue course, en fonction du rapport entre l'alésage (diamètre du cylindre) et la course (distance parcourue par le piston). Un vilebrequin à courte course a des manetons qui permettent un déplacement vertical réduit des pistons, favorisant des régimes moteurs élevés et une réponse rapide. Cela se traduit par une sonorité plus aiguë et nerveuse, souvent associée aux moteurs de performance. À l'inverse, un vilebrequin à longue course permet un déplacement plus important des pistons, générant plus de couple à bas régime, mais au prix de régimes maximaux plus bas.
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Plus les manetons vont haut par rapport à l'axe, plus la course est logiquement longue
Nombre de manetons et tourillons ?
Le nombre de manetons sur un vilebrequin peut différer du nombre de tourillons, en fonction de la conception du moteur et de la disposition des cylindres. Les manetons sont les parties du vilebrequin où les bielles des pistons sont attachées, tandis que les tourillons sont les sections du vilebrequin qui reposent dans les paliers de vilebrequin pour assurer son maintien et sa rotation dans le bloc moteur. Il est possible d'avoir un nombre de manetons inférieur au nombre de tourillons. Par exemple, dans certains moteurs en V ou en ligne, deux pistons peuvent partager un même maneton, ce qui permet de réduire le nombre de manetons sans compromettre le fonctionnement du moteur. En revanche, le nombre de tourillons est généralement lié à la stabilité et à l’équilibrage du vilebrequin. Un plus grand nombre de tourillons permet de mieux soutenir le vilebrequin sur toute sa longueur, réduisant ainsi les risques de flexion sous de lourdes charges ou à haut régime.
Moteurs en V (comme les V6, V8, etc.) :
Vilebrequin à plat (Flat-plane) :
- Utilisé principalement dans les V8 sportifs, le vilebrequin à plat a les manetons disposés sur un même plan, ce qui signifie que les bielles sont connectées de manière à former un angle de 180 degrés. Cette configuration est simple et permet un allumage régulier et une montée en régime rapide, idéale pour les performances à haut régime.
- Avantages : Moins de masse en mouvement, donc montée en régime rapide et réponse immédiate.
- Inconvénients : Génère plus de vibrations, ce qui peut affecter le confort.
- Exemples : V8 de certaines Ferrari (comme la Ferrari 458) et voitures de course.
Vilebrequin à croix (Cross-plane) :
- Ce type de vilebrequin est couramment utilisé dans les V8, notamment sur les muscle cars américains et certaines sportives européennes. Les manetons sont disposés à 90 degrés les uns des autres, créant une séquence d'allumage décalée, ce qui permet un meilleur équilibrage des vibrations.
- Avantages : Moins de vibrations, donc meilleur confort et douceur de conduite.
- Inconvénients : Plus de masse, montée en régime plus lente, et complexité mécanique accrue.
- Exemples : Moteurs V8 de muscle cars américains, certains moteurs AMG.
Moteurs en ligne (comme les 4 et 6 cylindres en ligne) :
Vilebrequin régulier :
- Dans les moteurs en ligne, chaque maneton reçoit une seule bielle et est disposé à des intervalles réguliers, ce qui permet une séquence d’allumage équilibrée. Dans un moteur 4 cylindres en ligne, les manetons sont généralement espacés de 180 degrés. Dans un moteur 6 cylindres en ligne, les manetons sont espacés de 120 degrés.
- Avantages : Douceur de fonctionnement et équilibrage naturel (surtout pour les 6 cylindres en ligne). Les vibrations sont minimisées, offrant un excellent confort de conduite.
- Inconvénients : Moins de compacité par rapport aux moteurs en V.
- Exemples : Moteurs 4 et 6 cylindres en ligne utilisés dans des voitures comme les BMW avec des moteurs 6 cylindres en ligne.
Vilebrequin forgé ?
Un vilebrequin forgé est fabriqué à partir d'une pièce de métal solide, généralement de l'acier, qui est chauffée à haute température puis compressé pour donne lieu à une sorte de cube métallique (qui sera ensuite taillé et forgé pour obtenir la pièce souhaitée, c'est en quelque sorte faire de la sculpture avec du métal). Ce processus modifie la structure interne du métal, alignant les grains du matériau, ce qui renforce la pièce et la rend plus résistante aux contraintes mécaniques. Grâce à cette densité accrue et à l'absence de défauts internes majeurs (comme des bulles ou des fissures), un vilebrequin forgé est capable de résister à des régimes moteurs élevés et à des charges importantes sans se déformer ou se fissurer.
A lire : utilité et avantages des pièces forgées
Le vilebrequin forgé est donc plus résistant et durable que le vilebrequin moulé, mais le processus de fabrication est plus complexe et coûteux.
En revanche, un vilebrequin moulé est produit par moulage, un procédé où du métal en fusion est coulé dans un moule pour créer la forme désirée. Ce type de vilebrequin est plus économique à fabriquer et convient aux moteurs standards destinés à un usage quotidien.
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