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RÉSUMÉ
Une analyse détaillée des excitations appliquées au vilebrequin est fournie dans cet article. Les efforts du piston sur la bielle, du maneton sur la bielle et de la chemise sur le piston sont explicités. Les couples produits sur le vilebrequin par la force de la chemise sur le piston ainsi que par la force de la bielle sur le maneton sont formulés de façon exacte et approchée. Ils sont décomposés en une composante liée à l’inertie et une composante liée aux gaz. Une analyse harmonique de ces composantes est fournie. L’impact de l’inertie de la bielle est mis en évidence ainsi que la contribution de l’accélération angulaire du vilebrequin, le régime moteur n’étant pas constant.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jean-Louis LIGIER : Ingénieur-Docteur - Professeur de Mécanique - HEIG-VD - Yverdon, Suisse
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Elian BARON : Ingénieur-Docteur - Expert Chaîne Cinématique - Renault Automobiles - Guyancourt, France
INTRODUCTION
De façon générale, de nombreux sujets d’étude mécanique d’un moteur thermique nécessitent la connaissance des excitations temporelles de vilebrequin. Il peut s’agir d’analyses d’acyclisme à bas régime, à haut régime, ou bien encore d’analyse de stabilité. Ces analyses nécessitent ou non la prise en compte de la description précise des efforts d’excitation, de l’élasticité ou non du vilebrequin. En fonction du type d’analyse, on a recours à différentes représentations :
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des excitations qui s’appliquent soit sur le vilebrequin lui-même, soit sur les pistons, les bielles et le vilebrequin. Ces excitations sont décomposées par la suite en une composante inertielle et une composante directement liée à la poussée des gaz de combustion sur les pistons. Suivant la précision recherchée, on peut dans certains cas se contenter d’une seule composante harmonique d’excitation au lieu de la représentation exacte donnée par les séries de Fourier de l’excitation temporelle ;
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du modèle considéré, qui intègre ou non l’embiellage ainsi que l’élasticité du vilebrequin. Selon les besoins de l’analyse, l’inertie des éléments de l’attelage mobile nécessite d’être décrite exactement ou une simple inertie globale de l’ensemble est suffisante.
L’originalité de cet article est :
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de donner les formules exactes et approchées du couple sur le vilebrequin ;
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de permettre de distinguer la part liée aux gaz et celle liée aux inerties ainsi que leurs différents harmoniques ;
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de montrer l’impact de l’inertie de la bielle en calculant le couple de deux façons différentes ;
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de montrer la contribution de l’accélération angulaire selon le régime en prenant en compte la dérivée seconde du régime, ce que l’on ne fait habituellement pas car on considère généralement que le régime est constant.
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1. Situations d’analyse d’un vilebrequin
Afin de donner un panorama des cas d’études de systèmes vibratoires comprenant le vilebrequin, les cases bleues du tableau 1 présentent les situations les plus courantes.
Dans la première colonne sont énumérés les sujets que le motoriste peut être amené à traiter. Ainsi, sont différenciés :
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la stabilité et les régimes critiques. Bien que le sujet de la stabilité soit particulièrement délicat à traiter dans sa globalité, il est important de le mentionner car il fait apparaître une dépendance des régimes critiques en fonction des niveaux de charge du moteur ;
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les fréquences propres. Par rapport au cas précédent, il s’agit uniquement de trouver les fréquences où le système entre en résonance. Toutefois, lorsqu’il y a instabilité à ces fréquences, celles-ci sont les plus critiques et donc les plus utiles à identifier pour le motoriste ;
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les amplitudes des résonances. Par rapport au sujet précédent, on prend en compte, pour les systèmes linéaires, les divers amortissements et, pour les systèmes non linéaires, l’intensité de l’excitation. Cela conduit à obtenir des amplitudes de résonance (ou surtensions) non infinies ;
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l’acyclisme à bas régime. En fait, cela se résume à supposer que le vilebrequin est rigide et que ses vibrations angulaires sont l’unique résultat des excitations inertielles et des efforts dus à la poussée des gaz ;
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l’acyclisme à haut régime. Par rapport au cas précédent, les vibrations propres du vilebrequin interviennent. Cet aspect est particulièrement important lorsque l’on doit estimer l’acyclisme à l’extrémité du vilebrequin située côté face distribution ;
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les couples d’excitation conditionnant la tenue mécanique de certaines pièces. Bien souvent, les niveaux des accélérations angulaires sont tels qu’ils conditionnent la conception et la définition des moyens de liaison des pièces entraînées en rotation par le vilebrequin (serrage d’une poulie, chaîne entraînant des arbres d’équilibrage…).
Parmi les principaux paramètres présents dans le tableau 1, il est fait mention de :
- ...
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BIBLIOGRAPHIE
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Moteurs alternatifs à combustion interne – Performances – Partie 3 : mesurages pour les essais. - NF ISO 3046-3 - (2006)
ANNEXES
Comatec, Heig-Vd, 1 route de Cheseaux, 1400 Yverdon-les-Bains, Suisse, Analyse harmonique et acyclisme.
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