Bielle (mécanique)
Une bielle est une pièce mécanique reliant deux articulations d'axes mobiles et permettant la transmission d'une
force. On l'associe à la manivelle dans le système bielle manivelle qui permet la transformation d'un mouvement de rotation continue en mouvement alternatif de rotation ou translation.Origine
Le système bielle manivelle représente sans doute la plus importante
innovation du XVe siècle. La pensée technique allemande de cette époque nous a légué un manuscrit anonyme, daté des environs de 1430, dit "Anonyme de la guerre hussite"(1). Celui-ci comporte plusieurs dessins de moulins à bras qui constituent la première représentation figurée certaine de ce mécanisme : on y distingue parfaitement les bielles manœuvrées à bras, et les manivelles.Par ailleurs, les techniciens se sont probablement très vite rendu compte qu'il existe deux points morts qui peuvent bloquer le système, de sorte qu'ils ont rapidement associé un
volant d'inertie sur l'axe en rotation, volant constitué d'une roue ou de barres en équerre munies de maillets et qui constituent l'ancêtre du régulateur à boulesGénéralité
La bielle est la pièce qui transmet le mouvement du piston au vilebrequinUtilisées dans les moteurs thermiques, les bielles transforment le mouvement alternatif rectiligne des
pistons en un mouvement rotatif continu (ou presque !) du vilebrequin.Une bielle de
moteur automobile comporte deux alésages circulaires, l'un de petit diamètre, appelé pied de bielle', et l'autre de grand diamètre, appelé tête de bielle.Le pied de bielle est engagé autour de l'axe du
piston. L'axe de piston peut être libre dans le piston et serré dans le pied de bielle, serré dans le piston et libre dans le pied de bielle ou encore libre dans le piston et libre dans le pied de bielle (montage le plus répandu). La friction entre la bielle et l'axe est réduite par l'interposition entre les deux pièces mobiles d'une bague circulaire recouverte ou constituée de métal antifriction (bronze, par exemple), ou de roulements (à aiguilles le plus souvent).La tête de bielle, elle, enserre le
maneton du vilebrequin. Pour permettre le montage dans le cas d'un vilebrequin assemblé, la tête est coupée en deux dans un plan diamétral perpendiculaire à l'axe général de la pièce. La partie coupée s'appelle le chapeau de bielle. Après montage, le chapeau (ou pontet) est ré assemblé au reste de la bielle par des boulons. À l'inverse, la bielle peut être d'une seule pièce si le vilebrequin est constitué de parties assemblées après montage de la bielle ; c'est la cas du moteur à 2 cylindres des 2CV qui est assemblé par emmanchements serrés. L'embiellage (manivelle et bielle) n'est plus démontable.La friction entre l'ensemble bielle/chapeau et maneton est réduite par l'interposition entre les pièces mobiles de deux demi coussinets en acier recouverts sur leurs faces internes de métal anti-friction (généralement métal rose ou régule), ou de roulements.
Par suite d'un manque de
lubrification ou d'un échauffement trop important, le métal antifriction peut fondre, et sa disparition entre les pièces mobiles provoque un jeu engendrant cognements et chocs destructeurs: on dit que la bielle est coulée, (en fait c'est le métal tendre qui a fondu et coulé)... . La bielle subit aussi des chocs lorsque le moteur subit le phénomène de cliquetis. Cela peut entraîner le bris de la bielle Pour éviter ces désagréments, encore assez fréquents il y a quelques années, têtes et pieds de bielles sont percés de petits conduits qui permettent à l'huile moteur de circuler, de lubrifier et de refroidir les faces métalliques en contact. La conception moderne des chambres de combustion limite le phénomène de cliquetis. Ceux-ci peuvent, toutefois, réapparaître lorsque l'on utilise un système de compresseur sur les moteurs à essence (les moteurs Diesel ne sont pas affectés).Conception
La bielle doit être la plus légère possible pour diminuer les effets de balourd sur les axes. L'ensemble bielle + piston nécessite une masse d'équilibrage qu'on trouve sur la manivelle. Comme elle agit en transmetteur d'effort, la bielle est soumise à des sollicitations de traction/compression (le plus souvent compression). Sa longueur est limitée par des considérations de résistance au
flambage. Sa section est donc la plus élancée possible (grand moment d'inertie). D'autre part, elle doit être la plus longue possible pour que le mécanisme bielle-manivelle observe un mouvement suffisamment régulier. Évidemment, tout est un savant dosage : une longue bielle rend aussi le moteur moins compact et sera forcément plus lourde. On cherche donc la forme optimale permettant la légèreté, la longueur et la résistance. Ce travail se fait en même temps que le développement du piston pour permettre une longueur maximale de la bielle sans sacrifier la solidité du piston.Construction
La bielle est une pièce de
forge. Le piston est, quant à lui, moulé. Une matrice emboutit la bielle avec ses œilletons sous dimensionnés. Les œilletons sont usinés, la tête de bielle est alors coupée avec l'aide d'une guillotine pour permettre la fixation sur le vilebrequin (bielle démontable seulement). On peut ensuite fixer les coussinets. L'expression couler une bielle concerne ces coussinets qui, par défaut de lubrification, chauffent et fondent. On notera aussi que, sur un moteur thermique monté dans le sens habituel (culasse en haut), la tête de bielle est en bas !Système bielle manivelle
Le système bielle manivelle est un modèle de mécanisme qui doit son nom aux deux pièces qui le caractérisent. Il apparaît à l'aube de la
Renaissance et constitue une innovation de rupture qui vient s'ajouter aux cinq chaînes cinématiques simples héritées des mécaniciens grecs. Sa cinématique, apparemment triviale, cache de vrais problèmes techniques : après plus d'un siècle d'existence, le moteur thermique n'a pu trouver d'autre alternative pour la variation de volume dans la chambre de combustion[1]. D'ailleurs les constructeurs automobiles rechignent à abandonner ce bas moteur qui marche et concentrent tous leurs efforts sur l'admission et l'échappement. Le bielle manivelle tournera donc encore un peu...Origine
Le système bielle manivelle représente sans doute la plus importante
innovation du XVe siècle. La pensée technique allemande de cette époque nous a légué un manuscrit anonyme, daté aux environs de 1430, dit Anonyme de la guerre hussite[2]. Celui-ci comporte plusieurs dessins de moulins à bras qui constituent la première représentation figurée certaine de ce mécanisme : on y distingue parfaitement les bielles manœuvrées à bras, et les manivelles.Par ailleurs, les techniciens se sont probablement très vite rendu compte qu'il existe deux points morts qui peuvent bloquer le système, de sorte qu'ils ont rapidement associé un
volant d'inertie sur l'axe en rotation, volant constitué d'une roue ou de barres en équerre munies de maillets et qui constituent l'ancêtre du régulateur à boules.Le système bielle manivelle a permis l’apparition d’un machinisme d’un genre nouveau, d’abord de petite taille avec les machines à pédales qui libèrent la main de l’ouvrier, comme le
tour, la meule ou encore le rouet (1470). L’interdiction de ce dernier, longtemps inscrite dans les règlements de corporations montre combien cette innovation était pertinente parce que déstabilisante. Viendront ensuite des machines de plus grande taille actionnées par les roues des moulins, comme la scie hydraulique (Francesco di Giorgio Martini), la pompe aspiranteDescription
C'est, avant tout, un système mécanique de transformation de mouvement ; il est constitué de 4 pièces principales :
la
la
manivelle appelée aussi vilebrequin.l'oscillateur.
le bâti.
La manivelle et l'oscillateur constituent les deux pièces d'entrée et sortie du mécanisme. La transformation de mouvement concerne donc ces éléments. La manivelle (motrice ou réceptrice) est supposée tourner continûment dans le même sens autour de son axe, alors que l'oscillateur est animé d'un mouvement alterné.
La bielle est liée par deux articulations à, d'un côté la manivelle et, de l'autre l'oscillateur qui peut être guidé dans le bâti par deux types de liaisons :
Liaison autorisant une translation : C'est le cas des machines à piston (pompes hydrostatiques, moteur).
Liaison autorisant une rotation : Ce cas est alors répertorié comme mécanisme à 4 barres (liées entre elles par 4 articulations). Il s'agit par exemple du système de tringle rie d'essuie-glace de véhicules automobiles. On trouve le mécanisme inverse sur les voitures à pédales pour enfants.
Exemples d'applications
Pour la suite de l'étude on ne considérera que des systèmes avec oscillateurs en translation. on distinguera cependant deux grandes familles :
les
les
pompes hydrostatiques (la manivelle est alors motrice) : un couple moteur appliqué à la manivelle anime l'ensemble, le piston propulse alors le fluide contenu dans la chambre.Commande de certaines
barrières (péages ou parking). La lisse étant l'oscillateur, l'intérêt du dispositif réside dans la commande du moteur animant le mécanisme qui tourne dans le même sens pour la levée ou la descente de la lisse. La manivelle effectue donc exactement un demi-tour pour chaque mouvement.les
automates des vitrines des grands magasins: Toutes les pièces animées d'un mouvement alternatif sont entraînées par des moteurs électriques tournant en continu. Simplicité et effet garanti.QUELQUES PHOTOS PRESENTER SI DESSOUS
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BIELLE A MANIVELLE
http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/meca/bielle.html http://www.mecamedia.info/index/flash_biellemanivellev3Piston
En mécanique, le piston est une pièce rigide coulissant dans une chemise de forme complémentaire assurant la variation du volume de la chambre et la conversion d'une pression.
En
Dans le langage familier, le
piston est un avantage obtenu grâce à l'appui de certaines relations dans une entreprise ou une administration. On dit aussi « se faire pistonner ».En
mécanique, un piston est une pièce rigide coulissant dans une chemise de forme complémentaire. Le déplacement du piston induit une variation de volume de la chambre située derrière ce piston. Une différence de pression positive entre l'extérieur et l'intérieur de la chambre provoque le déplacement du piston vers l'extérieur, a contrario une différence de pression négative provoque un déplacement du piston vers l'intérieur de la chambre.L'utilisation du piston est très variée. Une des utilisations les plus couramment rencontrées est celles des moteurs thermiques. On en trouve aussi dans les seringues médicales ou dans certaines pompes.
La plupart des pistons sont d'une conception simple (un piston plat est tiré ou poussé par une tige) hormis dans les moteurs où ils connaissent une étude poussée. Ces derniers diffèrent par leur forme, leurs fonctions et leurs dimensions, leur gamme est illimitée. Néanmoins, des « grandes classes » peuvent être distinguées selon le type de moteur (forme de la tête, matériaux utilisés, ...).
Dans un moteur thermique, les pistons sont soumis à des
contraintes mécaniques résultant de la pression de combustion des gaz et de la dynamique du déplacement cyclique, et à des contraintes thermiques, en raison de la différence de température entre le piston et les gaz brûlés. Ces contraintes expliquent le choix, en général, de l'acier.Principe physique
Une pression est égale à une force sur une surface. On a donc
Avec, en
norme :P la pression (en
F la force (en
newton);S la surface (en m2).
Ainsi une force de 1
newton exercée sur une surface de 1 m2 est égale à une pression de 1 pascal. De même qu'une pression de 1 Pa sur une surface de 1 m2 engendre une force de 1 newton.Le piston fonctionne grâce à cette loi physique. La différence de pression entre la chambre et l'extérieur fait que les parois sont soumises à une force. Le piston n'étant pas solidaire de la chambre il se déplace, sous l'action de cette force jusqu'à obtenir
une pression égale entre la chambre et l'extérieur. À l'inverse, un déplacement du piston par l'action d'une force extérieure fait varier la pression à l'intérieur de la chambre. Le fonctionnement du piston repose sur ce principe d'une différence de pression induisant un mouvement rectiligne du piston ou inversement le mouvement rectiligne du piston induisant une différence de pression.
Anatomie du piston
La tête du piston
Piston d'une automobile Nissan dont la tête est inclinée et creusée diamétralement.La tête de piston est la partie en contact avec le fluide (les
gaz dans un moteur) à comprimer ou détendre. Dans un moteur, cette dernière peut prendre plusieurs formes selon le type de combustion réalisées. La tête est généralement plate, surtout sur les moteurs 2 temps, et sur les moteurs 4 temps de faible performance. Elle est parfois convexe, permettant d'avoir des chambres de combustion plus performantes assurant la meilleure inflammation des gaz, une évacuation plus rapide, un meilleur refroidissement de la bougie (dans le cas des moteurs à essences) et des compressions plus élevées.Avec des empreintes en regard avec les
soupapes, on évite au piston et aux soupapes de se toucher, même lors d'un affolement de soupapes ou d'un léger déréglage de la distribution, tout en conservant un taux de compression élevé. Pour supporter les explosions, les têtes de piston subissent un traitement de surface (ex : traitement avec nickel, graphite, ...). Pour obtenir une meilleure évacuation de la chaleur, on pratique également des nervures sur leur verso augmentant la surface d’échange thermique.La jupe du piston
Tout comme le piston, le cylindre est stries pour faciliter la lubrification.Présentation
La jupe du piston est la partie assurant le guidage du piston dans le cylindre. Elle peut être complète ou réduite dans le cas des moteurs. Le but de cette réduction est de diminuer le poids du piston et les
frottements de la jupe sur le cylindre afin d'améliorer les performances du moteur à haut régime. Elle est d'autant plus importante que les pistons peuvent subir des accélérations très importantes : de 1 200 g sur un moteur V8 de 500 ch jusqu'à 8 500 g sur une formule 1Dans un
moteur deux temps, c'est la jupe du piston qui détermine le diagramme d'ouverture/fermeture des lumières en obturant ou découvrant ces dernières à chaque mouvement. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle le piston ne possède que deux segments (pas de segments racleur)Tribologie
D'un point de vue
tribologie, l'état de surface de la jupe est donc primordial pour assurer une bonne lubrification. Contrairement à l'opinion générale, un état de surface lisse n'est pas le plus optimal. En effet, il est important que la jupe du piston soit rugueuse (« ondulations ») afin de maintenir une quantité minimale d'huile nécessaire à la lubrification. Cette rugosité doit être néanmoins « contrôlée » pour ne pas contenir trop d'huile. Un traitement de surface peut être parfois appliqué sur le piston ou uniquement sur la jupe ; celle-ci prendra alors une coloration grise foncée voire noire. Le cylindre est également strié de façon caractéristique pour augmenter sa rugosité : des stries fines et stries profondes disposées à 67°Ces contraintes d'état de surface vont provoquer, lors du déplacement du piston dans la chemise, l'« ouverture et la fermeture de multiples zones convergentes et
divergentes de films » d'huile qui complique l'optimisation de la lubrification. Une modélisation de la lubrification de la jupe consiste à considérer l'
équation de Reynolds auquel des termes de dérivation croisées sont ajoutés. Un expression du type suivant, où φ(x,y) est un facteur de flux, P(x,y) la pression et la constante de Planck peut être ajouté à l'équation de films mincesL’axe du piston
L'axe du piston permet de relier la bielle au piston.L'axe du piston est une pièce mécanique qui permet de relier le piston aux autres pièces mécaniques en mouvement. Dans les moteurs thermiques il permet aussi d'offrir à la
bielle une liberté de mouvement par rapport au piston, liberté de mouvement nécessaire à la rotation du vilebrequin. L’axe doit être extrêmement résistant de par ses dimensions et les matériaux utilisés, car il subit et transmet les efforts mécaniques consécutifs aux explosions. Il est aussi parfaitement poli pour tourner dans la bielle et/ou dans le piston. La plupart du temps, l’axe du piston est creux pour diminuer le poids de l'équipage mobile sans diminuer sa résistance Les alésages du logement d'axe dans le piston doivent être coaxiaux ou coniques pour éviter des contacts localisés où s'exercent en fonctionnement des pressions élevéesL'axe du piston est généralement maintenu latéralement par des
joncs d'arrêt dans le piston, et peut être monté libre (glissant) ou serré dans la bielle. Dans ce dernier cas, pour le montage, il faut chauffer la bielle, refroidir l'axe ou associer les deux méthodes. Dans le cas de cir clips, il faut prendre garde à ne pas serrer plus que de rigueur pour ne pas diminuer leur élasticité et compromettre leur appui dans le fond de leur logementUn montage défectueux de l'axe peut provoquer « la fissuration du piston dans la zone des bossages, la détérioration des gorges de cir clips, la déformation de la bielle et l'usure anormale ou le grippage du piston »
Histoire
Assemblage d'un piston destiné à une utilisation sur un moteur Diesel de bateau.C'est réellement en
1873, grâce à l'américain Brayton, que la forme générale actuelle du piston, ainsi que l'utilisation de segments élastiques logés dans des gorges creusées dans le piston, prend ses origines[5].La
fonte est le matériau constitutif du piston et le demeure durant de nombreuses années. En 1911, Hispano-Suiza inaugure un piston en aluminium offrant bien plus de légèreté. Néanmoins, en raison du coefficient de dilatation trois fois supérieur pour l'aluminium, engendrant de ce fait un risque de grippage plus important, la plupart des constructeurs automobiles conservent la fonte. Il faut donc attendre les années 1920 pour voire l'aluminium s'imposer. Par la suite, les progrès réalisés en termes de résistance des matériaux (utilisation d'alliages de cuivre, de nickel ou de silicium ainsi qu'en termes de « perfectionnement des techniques de coulage et d'usinage » ont permis la généralisation de l'acier dans les moteurs automobilesRôle du piston dans un moteur thermique
Un ensemble bielle-piston-vilebrequin assure la rotation du moteurLe piston est l'élément mobile assurant la variation de volume de la chambre de combustion d'un cylindre. Généralement lié à une
bielle, il assure la compression des gaz de combustion et subit leur détente, engendrant ainsi un mouvement rotatif du vilebrequin. Lorsque la chambre est ouverte par une soupape, il expulse les gaz brûlés ou aspire le mélange du cycle suivant[15].Le piston est une pièce généralement
cylindrique, parfois légèrement conique, et dans certains cas en forme de tonneau. Ces formes et le jeu dans son ajustement avec la chemise confèrent à l'ensemble une liaison mécanique moins contraignante pour le montage et le fonctionnementEn raison des forces et pressions exercées lors de la combustion, le piston doit être capable de transmettre les efforts sans se déformer et sans se fissurer, et ce même après des milliers d'heures d'utilisation à des températures élevées. Le matériau constitutif du piston doit donc posséder un
module de Young E et un allongement à la rupture A% aussi élevés que possible dans les températures de fonctionnement du moteur. C'est la raison pour laquelle l'acier (Acier = 176 500 N/mm2 à 400 °C) est privilégiée à l'aluminium (Alu = 75 500 N/mm2 à 20 °C)[15].Pistons de contrôle thermique
Hormis la forme de la tête du piston qui illustre la volonté de brûler au mieux les gaz frais, les pistons peuvent se distinguer par les solutions techniques utilisées dans le contrôle de la dilatation. On distingue ainsi deux grandes classes :
Pistons monométalliques
Les roues d'une locomotive à vapeur sont mises en rotation par le piston.La solution la plus simple et donc la plus utilisée concerne les pistons monométalliques à jupe pleine. La jupe subit une relative importante dilatation ce qui exige « des
jeux importants et de fortes ovalisations compensatrices »[16]. Il arrivait donc, sur d'anciens modèles, qu'une entaille verticale ou oblique soit pratiquée octroyant une plus grande élasticité de la jupe et permettant d'absorber les dilatations. L'inconvénient de cette solution réside dans l'affaiblissement de la résistance de la jupe ce qui provoque la rupture dans certains casLes pistons sont pourvus au plus de 3 segments étant donné que la jupe, n'assurant qu'un rôle de guidage, est de taille restreinte. En raison du nombre de tours minute élevé d'un moteur à allumage commandé, les
forces d'inertie mises en jeux sont très importantes ce qui oblige à diminuer la masse des pistons. Les pistons monométalliques possèdent donc des échancrures très prononcéesPistons à dilatation thermique contrôlée
Pour améliorer leur résistance à la dilatation, les pistons à dilatation thermique contrôlée reçoivent à la coulée des plaquettes d'
acier. En effet, le coefficient de dilatation de l'acier étant plus faible que l'aluminium (αacier = 11x10-6 ; αalu = 22x10-6), cette association permet des performances bien plus élevées. En Allemagne, Mahle GmbH développe des pistons de ce type, dénommés Autothermik et Autothermatik présentant de surcroit une entaille (respectivement des perçages de refroidissement) dans la gorge du segment racleur améliorant le transfert de chaleur de la tête à la jupe.La société allemande
Karl Schmidt quant à elle, propose des anneaux de dilatation plutôt que des plaquettes. Il s'agit d'une pièce en acier circulaire lisse ou dentée sur sa partie extérieure et placée lors de la fabrication dans le piston. Cette solution technique permet de réduire fortement la dilatation de la partie supérieure de la jupe. Les Duotherrn proposent d'adopter les deux solutions précédentes.Piston du moteur Wankel
Le piston du moteur Wankel n'est pas cylindrique.Contrairement aux pistons équipant les
moteurs à allumage commandé (essence) ou automatique (Diesel), le piston d'un moteur Wankel, inventé par Wankel dans les années 1960, n'est pas cylindrique mais prend la forme d'un « triangle arrondi ». Il permet la transformation d'un mouvement cyclique en un mouvement circulaire. Les trois côtés du piston sont légèrement creusés, constituant ainsi les chambres de combustion. En effet, chaque côté du piston est tour à tour en contact avec la bougie d'allumage mettant feu aux gaz préalablement comprimésLe piston rotatif, parfois nommé rotor, déplace ses sommets dans le stator (l'équivalent du carter) le long d'une
courbe trochoïde. Chacune des faces s'écartent et se rapprochent deux fois par tour de cette courbe permettant de créer des chambres à volume variable. Ce sont dans ces chambres que se réalisent les opérations de compression et de détenteUn moteur Wankel est dépourvu de
soupapes ; ces dernières sont remplacées par des « lumières ». C'est donc au piston de jouer le rôle (tout comme dans un moteur deux temps) de soupapes. En effet, le piston obstrue ou libère les lumières lors de sa rotation laissant entrer/sortir ou pas, les gazFormes de la tête du piston
Généralement, la forme des
chambres de combustion est déterminée par l'empreinte réalisée dans la culasse, si bien que la tête du piston est habituellement plate. Parfois, il s'avère au contraire que le piston soit creusé et forme, totalement ou partie, la chambre de combustion. Néanmoins, la tête du piston est creusée, notamment sur les automobiles de course, pour une toute autre raison. Il s'agit en effet de réaliser une forme particulière permettant de répartir et de diriger au mieux le mélange air/essence injecté dans la chambreOn distingue généralement deux grandes techniques d'injection. Dans le cas d'une injection dite « tumble », le jet de fluide produit par l'
injecteur est dévié (par la forme de la tête du piston) vers la bougie d'allumage permettant de produire une explosions plus « performantes » et stratifiée. Dans le cas d'une injection dite « swirl », le carburant agit comme un tourbillon, permettant ainsi d'homogénéiser le mélange dans toute la chambre. Il est également possible de combiner les deux types d'injection. D'ailleurs, physiquement, il est impossible de générer un swirl sans tumble alors que l'inverse est possibleDe nombreuses raisons poussent les constructeurs à utiliser ces types d'injection. Un niveau élevé de
turbulences dans le fluide admis favorise une meilleure propagation du front de flamme dans la chambre lors de l'explosion ainsi qu'une meilleure combustion, notamment lorsque le mélange est pauvre[. Les injections swirl et tumble se dispersent en effet en produisant davantage de turbulence qu'une injectionsimple
Un coefficient (sans
dimension) de swirl (Rs) et de tumble (Rt) est généralement pris en compte. Celui ci est de 1,0 ou 2,0 sur les moteurs produits en série mais peut atteindre jusqu'à 6,0. Ces coefficients prennent en compte les vitesses angulaires des jets de fluides ωs et ωt en fonction de la vitesse angulaire du vilebrequin 2πNPompe à piston
Rôle du piston dans une pompe
Contrairement à un moteur dans lequel la pression générée par l'explosion des gaz frais suscite une force sur le piston, une
pompe fonctionne sur le principe inverse. Le piston permet dans ce cas la transformation d'une force exercée par un moteur ou un utilisateur sur un fluide en une pression utile permettant d'imprimer une vitesse au fluide ou d'aspirer le fluide hors d'un conteneur. Plus généralement, une pompe à piston est une pompe volumétrique permettant la conversion d'une énergie mécanique en une énergie de pressionQUELQUES PHOTOS CI-DESSOUS
