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Oct 30, 2023

Matériaux et sélection des roulements du moteur

Une chose que tous les constructeurs de moteurs et même les non-constructeurs de moteurs savent, c'est que

Une chose que tous les constructeurs de moteurs et même les non-constructeurs de moteurs savent, c'est que le contact métal sur métal n'est pas bon. C'est tellement grave que les constructeurs de moteurs feront tout leur possible pour l'empêcher de se produire. Les fabricants de roulements et les entreprises de revêtement travaillent également dur pour s'assurer que leurs produits peuvent résister à des abus extrêmes sans détruire des composants coûteux.

Les coquilles de roulement sont conçues pour protéger les composants critiques avec lesquels elles interagissent, comme la manivelle et les tiges, mais leurs performances sont bien plus importantes que ce que les gens pensent.

Les meilleurs constructeurs de moteurs qui installent des roulements pour gagner leur vie savent une ou deux choses sur la façon d'en tirer le meilleur parti. Un constructeur dit qu'il suit les réglages de dégagement recommandés pour les roulements du milieu, mais les tourillons à l'arrière, il ouvre un peu plus le dégagement pour l'empêcher de saisir l'extrémité de la manivelle pendant qu'elle se tortille.

Le vilebrequin est la pièce mobile la plus lourde du moteur, et on peut donc supposer qu'il ne se plie ni ne fléchit, mais les pressions de combustion et les exigences de la transmission signifient que la manivelle est continuellement sollicitée à la limite, en particulier dans les applications de course.

Le choix du roulement approprié pour votre application est essentiel pour les performances et la durabilité de la construction du moteur, car le roulement joue un rôle vital dans le support du vilebrequin, ce qui influence également la durée de vie du moteur. La dernière chose qu'un constructeur de moteurs souhaite est d'avoir une fatigue des roulements, ce qui permet à des flocons de métal de pénétrer dans le système de lubrification.

Les fabricants de roulements affirment que le jeu est toujours un problème et que pour la plupart des applications, vous devez utiliser les spécifications de jeu recommandées. Dans les applications de stock, les jeux sont importants, mais les besoins en matériaux sont pris en charge par les fabricants de roulements lorsqu'ils spécifient une application. Cependant, si vous effectuez une mise à niveau d'une manière ou d'une autre, en essayant d'obtenir plus de puissance, vous devrez peut-être opter pour des matériaux plus robustes par rapport à ce qui est sorti de cette application s'il s'agissait d'un moteur de voiture de tourisme standard.

Si vous cherchez à extraire plus de puissance, les roulements en cuivre/plomb sont les plus solides. Alors que les ingénieurs de roulements disent qu'ils sont principalement concernés par la charge unitaire du roulement par opposition aux nombres de puissance pour évaluer la résistance d'un roulement ou d'un matériau spécifique, ce sont plus ou moins les pressions du cylindre qui déterminent les besoins en roulement. Les pressions de cylindre qui atteignent 9 000 psi sont considérées comme la limite pour l'aluminium, selon nos experts en roulements, et tout ce dont vous avez besoin pour regarder le tri-métal.

Pour les applications de stock, les équipementiers ont depuis longtemps opté pour des roulements bimétalliques en aluminium car ils sont peu coûteux à produire et peuvent durer des milliers de kilomètres de plus que les roulements trimétalliques typiques. Aujourd'hui, les moteurs de série devraient durer 200 000 miles ou plus, donc un roulement en aluminium est le plus logique pour ces applications.

Mais du côté des performances, les roulements tri-métal sont toujours rois en raison de leur capacité de charge et de leur conformabilité. Ces roulements doivent être durables tout en étant capables de gérer le film d'huile lorsque le vilebrequin est tordu.

Les roulements en aluminium peuvent durer beaucoup plus longtemps dans les applications à faible charge en raison de la capacité d'usure et de la dureté du composite de silicium qui polit le vilebrequin et efface tous les nœuds ou débris ou les évacue. Mais il existe une grande différence dans les taux d'usure des roulements trimétalliques en cuivre/plomb et des roulements bimétalliques en aluminium.

Les roulements doivent marcher sur une corde raide car, d'une part, vous avez besoin de matériaux résistants pour la durabilité, la capacité de charge et la résistance à l'usure, mais d'autre part, vous avez besoin de matériaux souples pour la conformabilité lorsque les choses ne sont pas alignées. L'incorporation est une caractéristique de phase douce ainsi que les propriétés de glissement. Ainsi, lors de la sélection des styles de roulements, vous devez examiner l'application du moteur et essayer de décider quelle est la chose la plus importante dont le moteur a besoin.

La couche de cuivre/plomb dans un palier tri-métal fournit une capacité de charge jusqu'à 12 000 psi ou plus et convient bien aux moteurs qui produisent 800 chevaux ou plus. Le cuivre, en revanche, manque de résistance au grippage, de sorte que les roulements tri-métalliques ont également une fine couche de Babbitt. Cette couche est un mélange de 87 % de plomb, 10 % d'étain et 3 % de cuivre. Le revêtement offre un pouvoir lubrifiant, une résistance au grippage et une capacité d'incorporation. La couche Babbitt n'a généralement que 0,001˝ à 0,0005˝ d'épaisseur.

Alors que les roulements trimétalliques sont souvent le choix pour les applications hautes performances, le revêtement Babbitt a tendance à s'user plus rapidement. Il y a toujours un compromis. Les roulements bimétalliques peuvent durer éternellement et ne s'usent pas, mais ils ne peuvent pas supporter une charge aussi élevée que le cuivre/plomb. C'est toujours un exercice d'équilibre pour les constructeurs de moteurs qui doivent décider quelles caractéristiques sont les plus importantes pour votre application.

Les conceptions de moteurs d'aujourd'hui entraînent de nouvelles réflexions et de nouveaux matériaux de roulement. Par exemple, avec les modèles hybrides, il y a beaucoup de fonctionnement start-stop. Cela change l'offre des fabricants de roulements. Les fabricants se tournent davantage vers des matériaux résistants à l'usure que même ce que propose l'aluminium. Les fabricants ajoutent plus de particules dures à l'aluminium (c'est-à-dire plus de silicium) ou ils enduisent les roulements pour gérer l'augmentation du contact métal sur métal.

Un fabricant de roulements affirme qu'un revêtement principalement polymère sur le roulement en aluminium a montré des avantages positifs et est actuellement en production. Le matériau anti-usure est appliqué par pulvérisation. Ce revêtement polymère contient également de nombreux autres éléments, tels que des particules dures pour la résistance à l'usure, etc. Les constructeurs de moteurs peuvent utiliser ces roulements comme police d'assurance supplémentaire. La résistance du film d'huile d'usure peut être un problème.

La conception des moteurs étant en constante évolution, la « conception » et la « fabrication » sont devenues de plus en plus importantes. Ceci est principalement dû à l'augmentation de l'efficacité du moteur, ce qui entraîne des charges de roulement plus élevées et des températures de fonctionnement de roulement plus élevées tout en utilisant des huiles moteur à faible viscosité. Le résultat a généralement été une diminution de l'épaisseur du film d'huile entre le tourillon et le roulement. Comme les épaisseurs minimales de film d'huile peuvent être de 0,0004˝, la forme (conception) et la précision de fabrication sont essentielles pour aider à la génération de films d'huile stables et assurer la séparation arbre-roulement dans toutes les conditions de fonctionnement.

Bien que les roulements de qualité aient des propriétés inhérentes qui compensent un certain degré de désalignement (conformité) et protègent des contaminants durs dans l'huile (enrobage), le constructeur du moteur peut assurer la durabilité du système de roulement en accordant une attention particulière à la préparation du vilebrequin et du logement ainsi qu'à la propreté générale. .

En comparant globalement les bimétaux aux trimétaux, il convient de faire preuve de prudence. Les matériaux doivent équilibrer un large éventail de capacités, et nous ne pouvons donc que donner un aperçu général des différences entre les deux familles de matériaux. Il est presque impossible pour un reconstructeur de juger, à première vue, comment n'importe quelle marque de roulement va fonctionner sur une gamme de caractéristiques. Les experts en roulements disent qu'il est préférable de s'appuyer sur des roulements de marques réputées et établies. Cela garantit que le matériau a été évalué et testé selon les normes de durabilité les plus exigeantes.

La propreté est le problème le plus important à résoudre lors de l'installation des roulements. La plupart des dommages prématurés aux roulements sont causés par des grains de rodage, des billes de verre ou d'autres débris qui n'ont pas été nettoyés des passages d'huile ou des pièces correctement lavées avant l'assemblage final. L'utilisation d'eau chaude savonneuse et d'une bonne sélection de brosses à poils est la meilleure méthode pour nettoyer les blocs-cylindres, les vilebrequins et les autres pièces du moteur avant de remonter le moteur. N'oubliez pas que tous les débris restant après une reconstruction seront récupérés par le système d'huile et acheminés vers les roulements.

La déviation du vilebrequin est typique dans les applications de course et de performance et peut entraîner une distorsion de l'alésage du boîtier de bielle et une épaisseur de film d'huile plus fine par rapport aux moteurs d'origine. Le revêtement Babbitt plus doux permet à la face du roulement de "bouger" légèrement avec le vilebrequin pour éviter le grippage lors de situations de charge et de régime élevés, ce qui fait des roulements tri-métalliques le choix préféré pour les moteurs de performance et de course.

Une règle générale pour les jeux de roulement sur la plupart des applications est entre 0,00075˝ et 0,0010˝ de jeu par pouce de diamètre d'arbre. Dans ce cas, un diamètre d'arbre de 2,000˝ nécessiterait un jeu de roulement de 0,0015˝ à 0,0020˝. L'utilisation de cette formule fournit un point de départ sûr pour la plupart des applications de stock. Pour les moteurs hautes performances, il est recommandé d'ajouter 0,0005˝ à la valeur maximale déterminée par le calcul ci-dessus. Ainsi, la recommandation pour un arbre de 2.000˝ deviendrait .0025˝ de dégagement.

L'excentricité est un autre facteur qui doit être pris en compte; il s'agit de l'épaisseur du roulement, le centre étant généralement plus épais que la zone près de chaque ligne de séparation. La quantité d'excentricité pour un roulement d'origine va de 0,0002˝ à 0,0008˝ par rapport à 0,0006˝ à 0,0012˝ pour un roulement de performance. Certains roulements de course utilisent l'épaisseur pour contrôler la formation du coin d'huile entre le roulement et la manivelle tandis que d'autres auront plus d'excentricité pour maintenir le film d'huile à des régimes plus élevés. De nombreuses manivelles de course ont un rayon de congé plus grand sur les côtés des tourillons pour améliorer la résistance. Cela nécessite des roulements chanfreinés sur les côtés pour dégager le plus grand rayon.

De nombreuses variables doivent être prises en compte lors de la sélection du roulement approprié pour votre application. Nous n'avons fait qu'effleurer la surface des matériaux de roulement et de la sélection. Les fabricants de roulements offrent de nombreux conseils et guides utiles pour choisir la bonne pièce pour votre prochaine construction, alors n'ayez pas peur de contacter votre fournisseur préféré pour obtenir de l'aide et des conseils.