Equilibrage des moteurs

[GSX-R]

Bonjour,

Je reprend ici un débat entammé sur le post sorti à l'occasion de la mise en ligne du dossier technique du moteur boxer. Ce sujet fait une part importante à l'équilibrage moteur.

Pensant que ce sujet passionnant bien que complexe merite un sujet général, je l'initie ici.

Biensûr il y a déjà des élements de réponse dans des posts sur les meilleures architecures moteurs, comparaison V/en ligne.

Mais le sujet est complexe que ce soit du mono au W12. Alors, amateurs d'équilibrages dynamiques, de force du premier ordre, du second ordre, de couple instantanné, soyez les bienvenus.

[GSX-R]

Suite du post "boxer"

</font><blockquote>citation:</font><hr />Débat lancé par spyseb:
Ouh là là, le mot expert me semble largement surfait!! Enfin, merci tout de même Iguane

J'aime beaucoup ça, l'équilibrage des moteurs. Ca c'est vrai.

Je suis désolé mais je pourrai pas répondre trop maintenant, pour cause de vacances imminentes!! [img]graemlins/applause.gif[/img] [img]graemlins/applause.gif[/img] Mais ce sera avec plaisir de participer à ce débat sûrement très intéressant...

Donc rapidement,

</font><blockquote>citation:</font><hr />Est-ce que le couple d'inertie correspond bien au couple engendré par l'explosion dans un cylindre</font>[/QUOTE]Non, ce sont deux choses bien distinctes. Ce sont d'ailleurs les deux sources d'efforts dans les moteurs.

D'une part la combustion engendre une montée de pression dans le cylindre. Cette pression, appliquée sur la surface du piston, donne une force dirigée vers le bas. C'est la force de combustion, qui engendre (via le système bielle-manivelle) une couple de combustion sur le vilebrequin.

D'autre part le fait que le vilebrequin, la bielle et le piston tournent (et qu'ils aient une certaine masse) fait que des efforts d'inertie sont présents dans l'attelage mobile. Ces efforts, selon qu'on les considère dans l'axe de la bielle ou par rapport au vilebrequin, seront soit des forces soit des couples d'inertie. Mais la source est la même; le mouvement de masses liées entre elles dans l'espace.

Les efforts totaux que verra le vilebrequin (et l'ensemble du moteur) sera simplement la somme des efforts d'inertie et de combustion. Donc en entraînant le moteur à vide, sans culasse, on a bien que la composante inertielle.

Concernant l'équilibrage statique, ce n'est sûrement pas celui qui prend en compte les forces d'inertie, puisque ces dernières n'apparaissent par définition que si on a une masse en mouvement (et donc pas statique!)

Bon voilà déjà un début d'élément de réponse... </font>[/QUOTE]Merci d'avoir fait la lumière sur la distinction force et couple qui m'a je dois dire un peu embrouillé. Ce n'est pas que je ne connaisse la distinction en physique mais dans ce texte les conclusions étant difficile à tier, cela finissait par laisser des doutes sur les termes utilisés. D'autre part, l'équilibrage statique semble donc plus se contenter de la balance. Là aussi j'ai pu parfois penser à une utilisation usurpée du terme sur un équilibre dynamique sans charge.

Je dois dire que la fin de l'article sur le moteur boxer me laisse perplexe faute d'illustrations. Je ne sais pas de quelle façon l'auteur continue dans l'encyclopédie et si il est correctement illustré par la suite. Mais il semble dire que le boxer peut être plus tolérable que le moteur en ligne sur certains points mais cela reste floue.

Sur un autre plan :

Ayant entamé la conversation sur d'autres forums qui s'est terminée en queue de poisson faute de participants, j'ai entendu certains rapporter que par exemple un 3 en ligne pouvait avoir un meilleur équilibrage qu'un 4 en ligne ce qui me semble assez louche, de même qu'un 6 en ligne par rapport à un 8 en Ligne. Quelqu'un a une explication ou n'est pas d'accord ?

Une autre question que je me pose (il y en a beaucoup c'est certain) c'est si de façon générale à V6 à 60° a, de par l'utilisation de contre poids sur le villebrequin une inertie généralement plus importante qu'un 6 en ligne ? C'est une caractéristique que je n'ai jamais vue mise en avant sur un 6 en ligne.


Existe-t-il savez vous sur les bi-cylindre à plat un système breveté d'embiellage qui permet d'éviter le décalage dans le plan des cylindres, celui-ci induisant souvent des vibrations dans l'axe du lacet du moteur ?

Connaissez-vous une particularité de l'angle de 90° dans un bicylindre calé à 360° sur le plan de l'équilibrage ? A mon sens non, mais certains encore m'ont rapporté cela pour le choix de l'angle sur les moteurs de moto Ducati. Là aussi je suis plus que perplexe sur un angle "magique" à cette valeur.


Pour terminer en guise d'amuse gueule. Quelques articles que j'ai trouvés. Malheureusement en Anglais sur l'équilibrage sous plusieurs formes.

La théorie sur l'accélération de l'quipage mobile standard par ducati :

http://www.ducati.com/bikes/techcaf...cle&part=global


Un petit exposé sur le couple instantanné (malheureusement sur les moteurs d'avion mais malgré tout très intéressant) et facilement compréhensible qui devrait interessé pas mal:

http://www.epi-eng.com/ET-PistonExcit.htm

un site commercial sur ses travaux d'équilibrage :

http://www.babcox.com/editorial/ar/eb10330.htm

bonne journée

[size="1"][ 09.07.2004, 11:48: Message édité par : GSX-R ][/size]

[Invité]

"Ayant entamé la conversation sur d'autres forums qui s'est terminée en queue de poisson faute de participants, j'ai entendu certains rapporter que par exemple un 3 en ligne pouvait avoir un meilleur équilibrage qu'un 4 en ligne ce qui me semble assez louche, de même qu'un 6 en ligne par rapport à un 8 en Ligne. Quelqu'un a une explication ou n'est pas d'accord ?"

oula !!! voici un sujet pour les vrais experts dont j'aimerais bien faire parti
tout ce que je voulais dire, c'est que j'ai également entendu qu'un 3 est mieux équilibré qu'un 4 et qu'un 5 est mieux équilibrés qu'un 6 ! info ou intox ?? pourquoi ? là je n'ai pas de réponse

[Invité]

"tout ce que je voulais dire, c'est que j'ai également entendu qu'un 3 est mieux équilibré qu'un 4 et qu'un 5 est mieux équilibrés qu'un 6 ! info ou intox ??"

Complètement faux ! Le 6 en ligne est parfaitement équilibré en ce qui concerne les couples et les forces d'inertie libres de 1er et 2e ordre.

Le 4 en ligne est équilibré pour les forces de 1er ordre et les couples de 1er et 2 ordre. En pratique ils se passent d'arbres auxiliaires d'équilibrage des forces d'inertie de 2e ordre jusqu'à environ 2 litres de cylindrée sans vibrer excessivement.

Les 3 et 5 en ligne ne sont pas équilibrés pour les couples de 1er et 2 ordre alors qu'ils le sont pour les forces d'inertie. Les 3 en ligne sans arbre d'équilibrage sont un vrai désastre, les 5 un plus petit désastre…

[Invité]

quelqu'un pourrait expliquer simplement ce que sont "les forces du 1ER et 2EME ordre" ? merci !
très intéressant.

en tout cas, les 5 cylindres, quelle mélodie si particulière...

[GSX-R]

</font><blockquote>citation:</font><hr />Débat lancé par GACQV:
quelqu'un pourrait expliquer simplement ce que sont "les forces du 1ER et 2EME ordre" ? </font>[/QUOTE]http://www.ducati.com/bikes/techcafe...le&part=global

peut être un début de réponse. La décomposition mathématique de la formule d'accélération, du moins pour les forces d'inertie (restent ensuite les couples) se réalise sous forme d'une suite de facteurs de divers degrés. L'intensité d'une force de l'ordre n ayant une intensité bien supérieure à celle du degré n+1. Il semble que l'on ne prenne que les 2 premiers en compte dans les applications numériques de ce style de mécanique, négligeant ainsi les suivantes de faible intensité aux régimes usuels (on notera au passage que les forces de second ordre sont proportionnelles à la longueur de la bielle par rapport à la course du moteur). Cela fonctionne un peu, pour prendre une analogie, comme une onde avec ses harmoniques dont on négligerait les composantes en fréquence trop élevée.

La formule donnée dans le lien ci-dessus est par exemple la dérivée seconde de la fonction qui donne la position du piston dans le cylindre. Il y a des composantes qui sont fonctions de la vitesse angulaire (f(w)), d'autres du double de la vitesse angulaire f(2w)) comme dans l'exemple ducati.

Ainsi, et si j'ai bien tout saisi, les forces d'inertie du premier ordre du piston et d'une partie de la bielle peuvent être assez facilement compensées (mais grossièrement seulement ) par des masses sur un unique arbre tournant à la même vitesse que le moteur (souvent le vilebrequin lui même ou un contre arbre (?)). Je pense notamment aux mono ou bi-cylindre non boxer. Les forces des ordres suivants doivent faire appel à un ou plusieurs arbre tournant à des vitesses différentes du villebrequin (souvent vitesse 2x pour les systèmes standard d'équilibrage du second ordre?) et, en contre partie, apportent accessoirement un supplément d'inertie globale au moteur; inertie supplémentaire dont je ne mesure guère l'impact sur le caracète moteur d'où ma question à ce sujet dans une précédente intervention.

Mais hormis un "hypothétique" système d'arbre(s) d'quilibrage(s) complexe, seuls les moteurs bi à plat, 3 cylindres, 4 à plat et ensuite 6 ligne et V et boxer et 12 en V, boxer etc ..auraient un équilibre "parfait" des forces d'inertie (?)

Qu'un spécialiste me confirme si mon analyse est correcte car j'entame mon intérêt dans le domaine.

En ce qui concerne la résultante des couples d'inertie je n'ai encore eu le temps de m'y interesser.

En espérant que j'ai pas trop dit de bêtises de débutant.

[size="1"][ 10.07.2004, 10:53: Message édité par : GSX-R ][/size]

[GSX-R]

</font><blockquote>citation:</font><hr />Débat lancé par Iguane:
[Complètement faux ! Le 6 en ligne est parfaitement équilibré en ce qui concerne les couples et les forces d'inertie libres de 1er et 2e ordre.

Le 4 en ligne est équilibré pour les forces de 1er ordre et les couples de 1er et 2 ordre. En pratique ils se passent d'arbres auxiliaires d'équilibrage des forces d'inertie de 2e ordre jusqu'à environ 2 litres de cylindrée sans vibrer excessivement.

Les 3 et 5 en ligne ne sont pas équilibrés pour les couples de 1er et 2 ordre alors qu'ils le sont pour les forces d'inertie. Les 3 en ligne sans arbre d'équilibrage sont un vrai désastre, les 5 un plus petit désastre… [/QB]</font>[/QUOTE]Est-ce qu'un V6 à 60° calé de façon standard à 120° avec contrepoids sur vilo est assez proche d'un 6 en ligne dans la pratique, dans la théorie ?


Existe-t-il à votre connaissance des documents/ouvrages récents sur le thème dont il est question ici ?
J'ai trouvé ça qui devrait coller mais c'est hélas payant :
http://www.techniques-ingenieur.fr/a...p?nGcmId=B2770

ou encore ça http://www.amazon.fr/exec/obidos/ASI...419125-7269740
On dirait le même exposé à 62€ quand même et plus de 300 pages abordant presque toutes les architectures.

[size="1"][ 10.07.2004, 10:55: Message édité par : GSX-R ][/size]

[Invité]

Oops ! Spyseb a du partir en vacances… je vais donc tenter de répondre à sa place… et d'abord à GACQV car ta question est unique et moins complexe !

"quelqu'un pourrait expliquer simplement ce que sont "les forces du 1ER et 2EME ordre" ? merci !"

On en avait déjà parlé et j'ai retrouvé par hasard ma réponse dans mon bordel informatique:

C'est la fréquence rotatoire des forces ou des couples d'inertie par rapport à régime du vilebrequin. Les forces et les couples d'inertie du 1er ordre ont une fréquence qui est celle du régime du moteur et elles changent de sens à chaque course du piston. Les forces d'inertie du 2e ordre ont une fréquence double mais elles sont moins fortes; elles sont dues à la dissymétrie entre les courses montantes et descendantes du piston (la mi-course du piston ne correspond pas à un position du vilebrequin à 90° en raison de l'obliquité de la bielle).

Sur un 4cyl.en ligne, il y a deux solutions: soit une pour éliminer ces forces, et une autre pour les équilibrer. La première consiste à monter des bielles de longueur infinie (ce qui n'est pas très pratique pour loger le moteur sous le capot). L'autre est de monter deux arbres d'équilibrage munis de contrepoids et qui tournent en sens inverse l'un de l'autre et à 2 x le régime du vilebrequin.

Les forces et couples des ordres plus grand que le 2e peuvent être négligés parce qu'insignifiants.

Ensuite, GSX-R…

"Mais hormis un "hypothétique" système d'arbre(s) d'quilibrage(s) complexe, seuls les moteurs bi à plat, 3 cylindres, 4 à plat et ensuite 6 ligne et V et boxer et 12 en V, boxer etc ..auraient un équilibre "parfait" des forces d'inertie (?)"

D'après le Memento de Technologie Automobile de Bosch (voir :
http://boutique.auto-innovations.com/ ), toutes les configurations mentionnées ont un équilibrage parfait des forces d'inertie libres de 1er et 2 ordre sauf les 4 cylindres en ligne, qui sont de plus en plus souvent équilibrés par des arbres contrarotatifs Lanchester tournant à 2 x le régime du vilebrequin (lorsqu'il font au moins 2 litres de cylindrée). Les mono et bi-cylindres en ligne ne sont pas mentionnés, mais ils ne sont bien entendu pas équilibrés à ce point de vue. Par contre les V6, V8, V10, V12 et V16 le sont.

Concernant les couples de 1er et 2e ordres, le moteurs en ligne de 3 et 5 cylindres ne sont pas équilibrés, les V6 à 60° et 90° non plus et les Boxer 4 pas pour le 2 ordre. Pour les V6 à 120°, je n'ai pas trouvé de données, mais en tous cas on obtient des espacements égaux entre les cylindres avec deux bielles sur un maneton commun, ce qui est déjà une bonne chose ! Mais j'avais mal lu la question:

" Est-ce qu'un V6 à 60° calé de façon standard à 120° avec contrepoids sur vilo est assez proche d'un 6 en ligne dans la pratique, dans la théorie ?"

Non, en tous cas pas en théorie.

Pour plus de détails, j'ai composé un dossier – malheureusement payant aussi… mais pas cher étant donné que ça m'a donné au moins deux semaines de boulôt :
http://www.auto-innovations.com/site...uissance3.html

Cordialement,

[GSX-R]

</font><blockquote>citation:</font><hr />Débat lancé par Iguane:
Pour plus de détails, j'ai composé un dossier – malheureusement payant aussi… mais pas cher étant donné que ça m'a donné au moins deux semaines de boulôt :
http://www.auto-innovations.com/site...uissance3.html

Cordialement, [/QB]</font>[/QUOTE]aparte : C'est 1,68€ la page ou pour tout le dossier ? L'explication laisse entendre par page.

Le memento bosch ce sont juste des rappels de concept et des conclusions ou il y a des dossiers complets ?

[Invité]

1,68 Euro tout le dossier !

Le Memento Bosch est un bouqin format de poche mais très complet avec ses 962 pages. Ce 'est pas spécialement sur l'équilibrage, mais il il a une dizaine de pages sur les disposition des cylindres et l'équilibrage, très clair et précis comme tout le reste du bouquin.

[GSX-R]

Vendu. Dossier très interessant qui m'a appris en autres que même les moteurs naturellement équilibrés sur le plan des 2 premiers ordres (le 6 en ligne en particulier) ont de toute façon des villebrequin avec des contre-poids pour limiter les contraintes sur des pièces qui ne sont il est évident 100% rigide. Ma question sur l'inertie d'un 6 en ligne par rapport à un V6 perd donc j'imagine en grande partie son sens... Quoi que..

Pour revenir à ma question sur le système breveté d'embiellage qui permettrait d'éviter le décalage dans le plan des cylindres d'un bicylindre à plat. Je pensais à un villebrequin à 3 mannetons dont les 2 extérieurs calés à une valeur identique relié à un cylindre avec 2 doubles fines bielles jumellées et judicieusement équilibrées à la bielle standard opposée ? Toujours est-il qu'à à ce propos, BMW dans son département moto sur le nouveau bi-boxer 1200 a récemment adapté un arbre d'équilibrage pour le problème de couple d'quilibrage dans le plan horizontal. Je ne sais ps si c'est un inédit.

Je suis plutôt convaincu par la conclusion d'Iguane qu'un V12 est plutôt superflu par rapport au V12. En revanche je m'intérroge en ce qui concerne les courbes de couple dynamique que j'ai cité plus haut ( http://www.epi-eng.com/ET-PistonExcit.htm ). Je ne sais pas vraiment si ces courbes peuvent faire état de cas d'école ou sont des cas finalement particuliers. En tout cas les variations de couples instantannés sont considérablement lissées en passant du V8 au V12. Je ne sais pas si certaines applications peuvent vraiment tirer profit de cette caractèristique (montées en égime, usure des pièces) mais c'est sur ce cas remarquable : le couple reste dans la tranche 60 à 140% du couple moyen alors que le V8 oscille entre 10 et près de 200% !

[size="1"][ 13.07.2004, 13:07: Message édité par : GSX-R ][/size]

[Invité]

"Je suis plutôt convaincu par la conclusion d'Iguane qu'un V12 est plutôt superflu par rapport au V12"

En fait, c'est " qu'un V12 est plutôt superflu par rapport au V8"! Oui, je pense qu'un V8 est largement suffisant pour catapulter la plus lourde des voitures, les Américains l'ont largement démontré.

http://www.epi-eng.com/ET-PistonExcit.htm
Oui, très bien cette page, merci. J'ai enregistré le site dans mes favoris. Que ce soit relatif aux moteurs d'avion ne change rien, le principe est exactement le même, sauf que ces variations de couple instantané sont joliment lissées par la masse du volant sur une voiture, en plus de celle du vilo. Bien sur, un V12 tourne encore mieux, mais au prix d'un fractionnement de la cylindrée indésirable (consommation), de plus de complexité et d'encombrement en longueur. Jusqu'à 500 ch au moins, un V8 atmosphérique suffit, et je dois dire que 500 ch dans ma bagnole me suffiraient, même en Allemagne !

Que les V12 d'avion aient été construits en grande série pendant la guerre (150 000 exemplaires pour le RR Merlin), c'est normal, ces moteurs développaient déjà plus de 1000 ch en 1939 et certains dépassaient les 2000 ch en 1945 avec des cylindrées allant jusqu'à 44,5 litres pour le DB 603 et même 45,9 litre pour le V12 soviétique AM-38.

"…un vilebrequin à 3 manetons dont les 2 extérieurs calés à une valeur identique relié à un cylindre avec 2 doubles fines bielles jumelées et judicieusement équilibrées à la bielle standard opposée"

Là le problème, il me semble, c'est que les deux fines bielles extérieures ne passeraient pas dans le cylindre.

Cordialement,

[GSX-R]

</font><blockquote>citation:</font><hr />Débat lancé par Iguane:
Là le problème, il me semble, c'est que les deux fines bielles extérieures ne passeraient pas dans le cylindre.

Cordialement, </font>[/QUOTE]Humm même avec les toutes dernières bielles avec des côtes super carrées et de longue bielles ?

En ce qui concerne le 3 cylindres en ligne :

Je trouve son cas particulièrement intéressant dans le cadre de l'utilisation moto (usage routier) en terme de couple, de compacité et pour tout dire assez délaissé pour être aujourd'hui plutôt qualifié de marginal. C'est notamment sur l'aspect équilibrage que ma curiosité s'oriente.

Quels sont les axes des déséquilibres de couple de ce moteur ? Sont-ils d'ordre purement inertiels ou liés au couple des cylindres en explosion/compression..etc ?

Quelle est l'efficacité des arbres d'équilibrage sur un 3 cylindres ?

Hormis les qualités mesurables, il faut reconnaitre aux moteurs 3 cylindres une sonorité particulièrement attachante ,un air de famille certain avec les autres multiples de 3. Avec les problèmes d'accords dans ces belles mécanique, il y a forcemment des acousticiens qui ont dû en plus de travailler sur l'accord à l'admissionsur l'apect mélomane. Du moins chez Ferrari

[size="1"][ 12.07.2004, 12:09: Message édité par : GSX-R ][/size]

[Emerson]

j'ai vu une fois un moteur de moto 3 cyl. ou l'arbre d'équilibrage était décalé suite a un mauvais remontage - il était impossible de dépasser 3000 trs

[GSX-R]

Bon j'ai trouvé ça de très bien notamment sur le 3 cylindres qui coinçait un peu dans ma tête :

http://autozine.kyul.net/technical_s...ne/smooth1.htm

en Anglais mais qui décrit bien la vibration dans le plan de la longueur des cylindres s'exerçant sur le villebrequin. c'est bien une onde de couple qui se déplace d'une extrémité à l'autre du villebrequin. Ce qui m'avait troublé c'est que cette onde doit aussi exister dans le 4 en ligne à cause des temps moteurs mais l'ordre d'allumage (1-4-3-2) doit vraissemblablement rendre le phénomène largement moins sensible que sur un 3 pattes.

Pour les V6 malheureusement la démonstration est moins claire.

Vous noterez la nuance entre les 2 types de V8 (calage à 90° ou à 180°). A ce propos l'explication sur le contre poids du modèle calé à 90° (cross plane) apporte en partie une répons à ma question sur l'équilibrage des V2. Il faudrait que je regarde une analyse complète pour voir si vibrations sur des angles différents de 90° en V2 sont beaucoup plus difficiles à atténuer que sur d'autres moins ouverts (V2 72° voxan par exemple ou moins avec Harley etc..).

N.B : Attention je crois avoir repéré des négligences sur certaines architectures comme le boxer 4 où on omet de citer les vibrations de couples du second ordre par exemple.

N.B 2 : Bon je dois dire que je sais pas si je vais pas quand même commander le bouquin de Bernard Swoboda qui est essentiellement une anlyse vectorielle avec des applications numériques (parait-il). Voici sa table des matières disponible sur un autre site pour ceux que cela intéresse : http://www.techniques-ingenieur.fr/a...p?nGcmId=B2770 Sinon on ne voit malheureusement pas d'extraits ni sur alapage ni sur amazon. Mais il m'a l'air d'être un bon bouquin de référence faut de trouver mieux du moins en Français.

[size="1"][ 13.07.2004, 13:11: Message édité par : GSX-R ][/size]