Vilebrequins pour Vespa et Lambretta
Les vilebrequins : Généralités
Plus de puissance grâce à un couple plus élevé et/ou un régime plus élevé ? La puissance est égale au couple multiplié par le régime auquel ce couple est délivré. Comment les moteurs de course peuvent-ils atteindre une telle puissance ? La seule façon d'y parvenir est d'augmenter le couple ou le régime auquel le couple est appliqué.
P=Md * (r)
P = puissance (kW)
Md = couple (Nm)
(r) = vitesse de rotation (rad/s)
Si l'on souhaite calculer cette formule à l'aide de son scooter, il faut encore ramener les unités de mesure à un dénominateur. La formule est valable lorsque la vitesse de rotation est exprimée dans la dimension particulière rad/s. Il faut savoir qu'une minute correspond à 60 secondes et un tour à 6,28 rad. Si l'on part du moment maximal de 15 Nm à 6000 tr/min, la puissance est ici de :
P = 15 Nm * 6000 tr/min * 1 min/60 s * 6,28 = 9420 Nm/s.
1 Nm/s = 1 watt, 1000 watts = 1 kilowatt, le moteur Vespa décrit ici a donc une puissance de 9,4 kW *1,36 = 12,8 CV à 6000 tr/min.
Le couple résulte plus ou moins de la cylindrée. Le couple est limité vers le haut, car pour chaque course du piston, le volume complet du cylindre peut au mieux être rempli d'un mélange d'air et d'essence frais et brûlé (sans compter la suralimentation par turbo, gaz hilarant ou autre). Nous ne pouvons que veiller à ce que le cylindre soit le mieux rempli possible grâce à une bonne coordination de tous les composants et à ce que la cylindrée soit la plus grande possible. Et pour cela, il faut augmenter la course et l'alésage. On obtient plus de course avec des arbres à longue course, plus d'alésage avec des cylindres de tuning. La vitesse de rotation du couple délivré est l'autre paramètre qui permet d'augmenter la puissance. Si elle est doublée, la puissance est également doublée. Si les moteurs de course tournent aussi vite, c'est parce qu'ils doivent brûler plus de cylindres dans le même temps.
Il est important de faire tourner le moteur aussi haut en utilisant des poids plus légers et des ressorts de contre-pression plus durs, car il est difficile de trouver de la puissance dans les bas régimes d'un moteur de course.
Les joues de vilebrequin - le type approprié
Pour un remplissage optimal des cylindres à haut régime, le mélange doit s'écouler le plus rapidement possible à travers les canaux de décharge, et cela se fait le mieux lorsque la pression dans le carter est la plus élevée possible lors de l'ouverture des canaux de décharge. Comme cette pression est d'autant plus élevée que le rapport entre le volume du carter et la position la plus haute et la plus basse du piston est faible, on essaie de maintenir le volume mort (volume d'air dans le carter) aussi bas que possible. On y parvient notamment en utilisant des vilebrequins avec des joues de vilebrequin pleines, qui remplissent le carter autant que possible. Il est toutefois possible d'exagérer le jeu de l'élimination de l'espace mort, car il existe une mesure optimale pour la pré-compression. Si cette limite est dépassée, les effets négatifs l'emportent et on réduit les performances du moteur au lieu de les augmenter. Outre l'arbre à joues pleines, on peut se servir dans le domaine du tuning d'une multitude d'autres types d'arbres, chacun étant optimisé pour une certaine utilisation.
Les arbres à lèvres et les arbres en cloche (ou en champignon) optimisés pour l'écoulement sont adaptés - en tant qu'évolution de l'arbre à joues pleines - aux moteurs à admission directe ou à membrane. La forme des joues n'entrave pas inutilement le flux de gaz entrant et crée plus de volume utile dans le carter. La pré-compression diminue ainsi légèrement, davantage de gaz frais peut entrer et un taux de remplissage plus élevé est atteint. Cette interaction permet d'obtenir une plage de vitesses plus large et la puissance atteignable augmente.
Vilebrequins et vannes rotatives
Les pilotes de palettes, en revanche, ont volontiers recours à des arbres à lèvres de course ou à longue course. Les arbres de course possèdent non seulement un temps d'admission nettement plus long, ce qui a un effet positif sur le taux de remplissage, mais aussi des joues de vilebrequin polies et adaptées à l'écoulement, ce qui réduit les tourbillons et les décrochages. Les nouveaux arbres à lèvres de course pour moteurs à palettes présentent en outre les mêmes avantages que les arbres à lèvres à membrane.
Les arbres de haute qualité se caractérisent par un équilibrage fin (voir ci-dessous "Plein d'équilibre") et une grande précision de rotation - donc pas de "choc" dans une direction - (= arbre dirigé). Cela les rend particulièrement silencieuses.
Les joues ou les bielles polies offrent une moindre résistance à l'écoulement.
Pour les moteurs Smallframe haut de gamme, les vilebrequins sont proposés avec des joues de lima de 87 mm de Ø (au lieu de 82 mm d'origine). Ceux-ci offrent plus de sécurité contre la torsion, car il y a plus de matériau au-dessus du boulon et la cote de compression peut donc être choisie plus élevée. Toutefois, le carter doit être forgé à 88 mm.
Plein d'équilibrage
Lorsque nous utilisons le terme "équilibré", cela signifie "équilibré à 12 heures" ou "équilibré statiquement". L'œil de bielle oscille à 12 heures (en haut) lorsque l'arbre est suspendu librement et horizontalement. Toutes les masses en rotation sont ici équilibrées à 100 % grâce à des alésages de compensation. Les pistons, segments, axes, etc. sont les masses en translation "en va-et-vient". L'ensemble du système ne peut malheureusement jamais être équilibré à 100%, c'est pourquoi il n'existe pas de moteurs monocylindres sans vibrations. Cela est lié à l'accélération et au freinage aux points morts et à l'excentricité des masses entre les deux.
L'équilibrage dynamique impliquerait d'équilibrer l'ensemble du système, y compris le piston et l'arbre. Malheureusement, cet effort n'est pas réalisable dans la pratique. En fait, on essaie de bien équilibrer le piston et l'arbre, ce qui est décrit par le "facteur d'équilibrage". Il décrit le rapport de poids entre les masses en rotation et les masses en oscillation (en translation). L'expérience montre qu'une valeur d'environ 40 % donne de bons résultats.
L'outil de contrôle de l'équilibrage est très utile pour vérifier ou modifier l'équilibrage. chevalet d'équilibrage NIK.
La course
Une course plus longue est obtenue en éloignant le tourillon de l'axe de rotation du vilebrequin. Cet effet est également obtenu par exemple avec un tourillon excentrique. 1 mm de plus par rapport à l'axe signifie 2 mm de plus de course. Le piston se déplace alors de 1 mm au-delà du point mort haut et de 1 mm en dessous du point mort bas. Pour que le piston ne heurte pas la tête, il faut installer un joint de pied ou de tête plus épais de 1 mm. En outre, la jupe du piston doit être légèrement raccourcie en bas afin de ne pas entrer en collision avec le corps au point mort bas. Les temps de commande changent dans tous les cas.
Compensation par le joint de pied : les temps d'échappement sont plus longs, les temps de débordement sont nettement plus longs. Si l'échappement est encore un peu surélevé par fraisage, on optimise le moteur pour des vitesses de rotation plus élevées.
Compensation par le joint de culasse : les temps d'échappement et de suralimentation ne sont que légèrement prolongés - le temps de suralimentation changeant davantage que le temps d'échappement (= moins de pré-alimentation). Optimisation pour un couple plus élevé à des vitesses moyennes.
Les vilebrequins : Plus d'alésage ou plus de course ?
La course longue est la méthode la plus coûteuse, mais aussi la meilleure en termes de puissance, pour augmenter la cylindrée, car 5 % de cylindrée en plus (que l'on peut obtenir en augmentant la course de 5 %) signifient 5 % de millimètres carrés de surface de fenêtre en plus, si l'on ne modifie pas les temps de distribution. La cylindrée et la surface de fenêtre augmentent donc dans la même proportion. En revanche, avec 5 % de cylindrée en plus en modifiant l'alésage (réalisable avec 2,46 % d'alésage en plus, car l'alésage est pris en compte de manière quadratique dans le calcul de la cylindrée), on n'obtient que 2,46 % de surface de fenêtre en plus. C'est aussi la raison pour laquelle les deux-temps hautes performances Grand Prix sont le plus souvent des moteurs à cylindrée carrée (rapport course/alésage à peu près identique).
Nous, les conducteurs de scooters, devons cependant faire des réglages sur la base de moteurs de série et ne pouvons pas choisir librement la cylindrée et le rapport course/alésage. Il est très facile et peu coûteux d'obtenir un alésage plus important en remplaçant les cylindres, c'est pourquoi c'est la solution la plus souvent choisie. Même si cela ne permet malheureusement que de construire un moteur à faible cylindrée.
Des temps de commande très longs de l'échappement et de la surintensité, et donc une puissance élevée, ne peuvent être obtenus qu'en augmentant la course du piston. Toutefois, le vissage autour du carter moteur impose des limites étroites à la course supplémentaire possible et il faut usiner le carter, c'est-à-dire le fendre, pour offrir suffisamment de place au diamètre d'un arbre à longue course. Comme la vitesse critique des pistons de 20 m/s peut tout à fait être atteinte avec des arbres excentriques à longue course, il convient de travailler ici aussi avec une extrême précision lors du réglage du carburateur et de l'allumage. Mais si l'on se donne la peine d'adapter en plus les temps de commande du cylindre de manière optimale, on est récompensé par un moteur très puissant et des performances de plus de 40 CV/40 Nm sont tout à fait possibles.
De quoi a besoin un vilebrequin à faibles vibrations ?
Le vilebrequin joue un rôle important dans l'intensité des vibrations d'un moteur. Les fortes vibrations n'ont pas seulement un effet négatif sur le confort de conduite, elles influencent également la durabilité des différents composants d'un scooter et, enfin, la puissance d'un moteur.
Plusieurs facteurs sont importants pour que le vilebrequin fonctionne avec peu de vibrations :
Orientation du vilebrequin: un vilebrequin doit toujours être parfaitement droit entre les paliers. Les deux joues du vilebrequin sont reliées entre elles par le maneton. Si le vilebrequin est tordu au niveau de cette jonction, des vibrations se produisent.
Lesvilebrequins de qualité particulièrement élevée, comme les arbres SIP Performance, sont alignés à la main avec une grande précision.
Position d'équilibrage: un vilebrequin doit avoir un contrepoids par rapport aux masses oscillantes (pistons, etc.). Cela signifie qu'un vilebrequin non monté, reposant sur ses surfaces d'appui, oscille autour de ce contrepoids. Le point le plus lourd du vilebrequin est orienté vers le bas. Pour que ce centre de gravité constitue un contrepoids utile au mouvement du piston, le maneton doit se trouver à 12 heures ou (si le vilebrequin tourne dans le sens des aiguilles d'une montre) à 1 heure.
De nombreux vilebrequins de course pour Vespa étaient autrefois grossièrement usinés afin d'offrir plus de place pour les gaz frais dans la zone d'admission. Cela a souvent entraîné une position inclinée du contrepoids. Un bon arbre moderne compense cette inclinaison par la forme de l'usinage ou par des poids d'équilibrage.
Facteur d'équilibrage: le contrepoids que le vilebrequin oppose au piston doit être adapté au poids du piston. Le facteur idéal de ce poids est appelé facteur d'équilibrage en pourcentage. Le facteur d'équilibrage idéal pour un moteur dépend à nouveau de nombreux autres facteurs. Par exemple, de la position du cylindre.
Le problème est qu'il n'existe pas un seul facteur d'équilibrage absolument correct. Chaque constructeur a sa propre philosophie en la matière. De plus, chaque fabricant utilise un poids de piston différent pour déterminer le facteur d'équilibrage. La plupart du temps, il s'agit de celui de ses propres produits pour lesquels le vilebrequin a été conçu.
Que signifie "finement équilibré" ?
Équilibré finn'est pas vraiment un terme technique clair. Il s'agit plutôt d'une expression familière pour désigner un vilebrequin particulièrement bien équilibré. Nous avons néanmoins décidé d'utiliser ce terme comme information sur un vilebrequin.
Nous désignons par "finement équilibrés" les vilebrequins qui répondent aux trois points mentionnés ci-dessus :
Ils sont alignés avec une précision particulière.
Ils s'équilibrent à 12 heures ou à 1 heure.
Le fabricant a mis en œuvre un certain facteur d'équilibrage lors de la construction.
Cela ne garantit malheureusement pas que l'équilibrage de chaque arbre soit parfaitement adapté au moteur prévu. Mais il s'agit d'un critère de qualité clair, ce qui augmente considérablement la probabilité d'un moteur silencieux.
La bielle
Une bielle plus longue ne modifie certes pas la course, mais le cylindre doit tout de même être surélevé en conséquence. L'avantage de la bielle plus longue est qu'elle est moins inclinée à mi-course et que le piston exerce donc moins de force latérale sur la paroi du cylindre, ce qui réduit les frottements. Cet avantage se paie toutefois par une augmentation drastique du volume du carter : Il augmente de la valeur de la surface incluse par le bord intérieur du joint de pied, multipliée par sa hauteur.
Les temps de commande varient également avec une bielle longue. Mais seulement légèrement, car la courbe de soulèvement du piston change légèrement.
Comme les joues de vilebrequin sont maintenues ensemble par le tourillon de bielle, il est souhaitable que la cote de pression soit la plus élevée possible afin d'éviter une torsion des deux joues. Le pivot de bielle, sur lequel repose la bielle et le palier, est pressé à haute pression dans les deux joues de l'arbre. Si les trous dans les joues sont trop grands ou le diamètre du tourillon trop petit, l'assemblage par pression ne peut pas développer une résistance suffisante et cède. Le moteur peut alors subir des dommages importants. C'est pourquoi, sur les moteurs plus puissants, on a souvent tendance à souder les tourillons de bielle aux joues afin d'exclure d'emblée toute torsion.
On distingue les bielles standard et les bielles à couteaux polis, dont l'écoulement est optimisé.
La longueur de la bielle est toujours mesurée de centre à centre de l'œil. Pour les moteurs Smallframe haut de gamme, il existe par exemple des arbres spéciaux de POLINI avec une longueur de bielle de 102 mm au lieu de 97 mm.
Sur les anciens modèles de Vespa, des coussinets de bielle en laiton ont été montés pour minimiser les frottements. Grâce à une forte teneur en huile dans le mélange et à des régimes très bas, il était autrefois possible de rouler de manière tout à fait fiable. Mais comme les moteurs modernes atteignent des régimes plus élevés et que l'on y ajoute moins d'huile, on utilise aujourd'hui des roulements à aiguilles en haut et en bas de la bielle. Ceux-ci supportent des vitesses de rotation plus élevées et, dans le cas des arbres de course, sont alimentés en mélange par des trous ou des fentes de lubrification supplémentaires. Cela permet d'éviter qu'un roulement ne fonctionne "à sec", ne chauffe trop et ne se grippe sur l'axe du piston ou de la bielle. Sur les roulements en argent de haute qualité, la cage de roulement est argentée, ce qui réduit le frottement et l'usure et prolonge la durée de vie.
Smallframe : cône, palier et siège de la bague d'étanchéité de l'arbre
On distingue principalement trois variantes de vilebrequins pour les smallframes :
Les anciens modèles de smallframe (V50/PV/ET3) sont équipés en série d'un vilebrequin avec un cône 'pointu' (bague d'étanchéité d'arbre Ø 19 mm, siège de palier Ø 20 mm) sur lequel repose la roue du ventilateur. Toutefois, celui-ci n'est pas très résistant et peut donc se cisailler même en cas de léger réglage.
En revanche, le cône du modèle suivant est beaucoup plus stable : le vilebrequin de la PK XL possède un cône plus émoussé avec un siège de bague d'étanchéité d'arbre de 20 mm (le Ø du siège de palier reste le même), qui convient non seulement de manière optimale à toutes les fins de tuning, mais constitue également la base idéale pour une transformation en allumage électronique. Les arbres avec une course de 51 mm (montés d'origine sur les PK125XL/ETS) possèdent la structure la plus stable avec un logement de bague d'étanchéité d'arbre encore renforcé (24 mm) et un siège de palier de 25 mm. Elles sont parfaites pour les projets de tuning ambitieux. Toutefois, ils ne peuvent être montés dans les boîtiers V50 et PK50 d'origine qu'en combinaison avec un palier de conversion et une bague d'étanchéité.
En bref, il existe trois tailles de sièges de bague à lèvres et deux tailles de sièges de palier sur les Vespas Smallframe.
Vilebrequins et Lambretta
Les arbres standard des séries 1-3 LIS/SX/TV DL/GP ont chacun une course de 58 mm et une bielle de 107. Seule la TV175 est livrée de série avec une bielle de 116.
Il est possible de monter un vilebrequin avec une bielle de 110 mm au lieu d'une bielle de 107 mm. Cela devrait permettre un fonctionnement plus silencieux du moteur. Dans ce cas, la bielle plus longue devrait être compensée par un joint de pied de 3 mm. Toutefois, la différence entre 107 et 110 mm est très faible. Il est préférable de passer à un vilebrequin avec une bielle de 116 mm. La bielle plus longue peut être idéalement compensée par un piston avec une hauteur de compression plus faible. Pour la plupart des cylindres Lambretta, il existe des pistons avec une hauteur de compression de 30 mm au lieu des 39 mm d'origine. De cette manière, un progrès est vraiment perceptible en termes de silence de fonctionnement.
Dans le secteur du tuning, on distingue les arbres de course et les arbres à longue course. Comme les moteurs Lambretta disposent d'une admission directe dans le cylindre, la forme du vilebrequin n'est pas influencée par les exigences d'une admission dans le carter moteur. Les arbres de course se distinguent par des matériaux particulièrement résistants, des roulements de haute qualité, des bielles particulières, un équilibrage ou un poids spécial. Les arbres à longue course sont disponibles dans les variations les plus diverses. Les courses de 60 mm sont de loin les plus populaires, car les arbres de 60 mm peuvent généralement être montés sans modification du boîtier. Les arbres à longue course de plus de 60 mm nécessitent un carter de vilebrequin au diamètre élargi.
Contrairement à la Vespa, le cône de la Lambretta n'existe qu'en deux versions, qui sont interchangeables. Le grand cône de 25 mm (mesuré directement après le siège de la bague d'étanchéité de l'arbre) n'était à l'origine présent que dans le moteur de la DL/GP. Le petit cône de tous les autres modèles se rétrécit à 21 mm directement après le siège de la bague d'étanchéité de l'arbre. Sous une charge maximale ou à des vitesses de rotation élevées, des forces énormes s'exercent sur l'ensemble du cône, auxquelles la pointe étroite du cône de 21 mm ne peut pas toujours résister de manière fiable. Le principe est le même ici : Plus le cône est épais, plus il est stable et plus il est adapté au tuning. En fonction du cône, il faut bien sûr prévoir les roues de ventilateur correspondantes.
