mesure des épaisseurs de film d'huile dans les paliers de moteur automobile

Mécanique & Industries 3 (2002) 607–617

Mesure des épaisseurs de film d’huile dans les paliers de moteurautomobile

Measurements of oil film thickness in automotive engine bearings

Hervé Moreaua, Patrick Maspeyrotb,∗, Jean Freneb

a Peugeot S.A., 18, rue des Fauvelles, 92252 La Garenne Colombes, BP 16, Franceb Laboratoire de mécanique des solides, Université de Poitiers, UMR CNRS 6610, bd Pierre et Marie Curie, BP 30179,

86962 Futuroscope Chasseneuil cedex, France

Reçu le 20 novembre 2001; accepté le 6 septembre 2002

Résumé

Les paliers de moteur automobile sont soumis à des efforts de plus en plus importants alors que leurs dimensions, tant en diamètre qu’enlongueur, sont de plus en plus faibles. Ces deux paramètres associés font apparaître des déformations élastiques des solides de plus en plusimportantes et du même ordre que l’épaisseur du film lubrifiant. Pour évaluer l’influence des paramètres de fonctionnement des moteurs surles épaisseurs de film d’huile, un moteur de la société PSA Peugeot Citroën, en fonctionnement réel, a été instrumenté. Ces épaisseurs ontété mesurées dans les paliers de vilebrequin et dans un palier de tête de bielle. Nous pouvons ainsi observer et comprendre l’importance desparamètres de fonctionnement (régime et couple moteur, viscosité de l’huile, jeu des paliers de vilebrequin, température) sur ces épaisseurs. 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved.

Abstract

Today, automotive engine bearings are required to be light and compact; however, combustion pressures and load applied to the bearing areincreasing. These two associated parameters generate significant solid elastic deformations compared with the oil film thickness. To evaluatethe influence of these operating parameters on the oil film thickness, an engine of the PSA Peugeot Citroën company was instrumented. Oilfilm thicknesses are measured in crankshaft bearings and in one big-end connecting-rod bearing. Thus, we can observe and understand theimportance of the operating parameters (speed and applied load, oil viscosity, radial clearance, temperature) on these thicknesses. 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved.

Mots-clés :Paliers de vilebrequin ; Palier de tête de bielle ; Lubrification hydrodynamique ; Capteurs à courant de Foucault

Keywords:Crankshaft bearings; Big-end connecting-rod bearing; Hydrodynamic lubrication; Eddy current gap sensors

1. Introduction

Les évolutions continues des moteurs à combustion in-terne ont permis d’améliorer le rendement énergétique totald’un moteur qui se traduit par une diminution de la consom-mation pétrolière et de la pollution automobile. Ce rende-ment reste faible puisqu’il est estimé actuellement à environ30 %. Pour augmenter ce rendement énergétique, d’impor-

* Correspondance et tirés à part.Adresses e-mail :[email protected] (H. Moreau),

[email protected] (P. Maspeyrot),[email protected] (J. Frene).

tants efforts de recherche sont consacrés afin notamment dediminuer la masse des pièces constituant les moteurs et deréduire la puissance perdue par frottement entre les piècesen contact.

Les trois principales sources de pertes par frottement dansun moteur à combustion interne sont les paliers moteurs, lasegmentation et la distribution. Les pièces en mouvementles unes par rapport aux autres sont séparées par un filmlubrifiant permettant de réduire les pertes par frottement etles usures.

Pour les moteurs actuels, la recherche continuelle d’aug-menter les performances et de diminuer les pertes par frotte-ments impose aux paliers de moteurs d’être de plus en plus

1296-2139/02/$ – see front matter 2002 Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. All rights reserved.PII: S1296-2139(02 )01208-3

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compacts et légers tout en étant sollicités par des charges deplus en plus élevées. Ces sollicitations importantes font ap-paraître à l’intérieur du contact des problèmes spécifiquesdus à des épaisseurs du film lubrifiant très faibles et despressions hydrodynamiques très élevées. Les déformationsélastiques des solides deviennent alors du même ordre quel’épaisseur du film lubrifiant, et peuvent, dans certains cas,provoquer le contact entre les surfaces.

L’étude présentée ici concerne la mise en œuvre demoyens expérimentaux permettant de mesurer les épaisseursdu film d’huile dans les paliers de vilebrequin et de têtede bielle d’un moteur XU10J4R de la société PSA Peu-geot Citroën en fonctionnement réel. L’analyse du compor-tement des paliers permettra de maîtriser les épaisseurs dufilm d’huile afin de diminuer les pertes par frottements etd’améliorer le rendement mécanique. De plus, la conceptiondes moteurs actuels et futurs s’effectue avec l’aide de logi-ciels de calcul. Ces logiciels sont la plupart du temps utili-sés très tôt dans la définition des pièces de moteur. Afin deconnaître les limites d’utilisation de chacun de ces outils nu-mériques, il est indispensable d’obtenir des résultats expéri-mentaux fiables et précis permettant d’évaluer la capacité dechaque outil à représenter correctement le fonctionnementdu palier.

2. Bibliographie

Cette analyse bibliographique ne concerne que les étudesexpérimentales dans lesquelles les auteurs ont observé l’in-fluence de différents paramètres sur les valeurs mesuréesdes épaisseurs du film d’huile dans les paliers de moteur.Certains expérimentateurs ont mesuré l’épaisseur minimaledans le palier (méthode capacitive ou résistive), d’autres lesépaisseurs en différents points du palier (capteurs capacitifs,inductifs à courant de Foucault, inductifs à variation de ré-luctance ou à fibres optiques).

A notre connaissance, les premiers résultats expérimen-taux relatifs au comportement dynamique des paliers [1] da-tent de 1963 et ont été réalisés indépendamment par Rader-macher [1] et Carl [2]. Le premier auteur mesure les épais-seurs du film par l’intermédiaire de trois capteurs électriquesde type capacitif. Les paliers expérimentés sont soumis à descharges imposées en utilisant trois vérins disposés à 120◦ quitransmettent au coussinet les efforts désirés. Les résultats ex-périmentaux montrent que les épaisseurs de film obtenuespar la méthode de Holland sont surestimées d’environ 15 %pour les excentricités maximales. Le second auteur utilisedes capteurs inductifs pour relever les trajectoires du centrede l’arbre des paliers de vilebrequin d’un moteur diesel mo-nocylindre. Dans cette étude, l’importance des déformationsélastiques du palier pour de fortes charges a été mise en évi-dence.

Une méthode utilisant quatre capteurs de distance à in-ductance a été proposée par Hiruma et Furuhama pour me-surer expérimentalement la trajectoire du centre de l’arbre

d’un palier de tête de bielle d’un moteur essence sous desvitesses de rotation élevées [3]. Les liaisons entre les cap-teurs et la chaîne d’acquisition se font par câbles. Afin desupporter et guider ces câbles, un système de biellettes avecfixation sur une des vis du chapeau de bielle a été réalisé.Cette étude a montré qu’en augmentant la vitesse de rotationde l’arbre et par conséquent les efforts d’inertie, l’épaisseurdu film lubrifiant diminuait ; le même phénomène se produi-sant lorsque la température du film augmente. Les mesuresde température effectuées en différents points du coussinetde tête de bielle montrent que les écarts de température nedépassent pas 8◦C.

Une technique de mesure de l’épaisseur du film lubrifiantdans un palier a été élaborée en 1982 [4] par Charron quiutilise des capteurs de déplacement à variation de réluctance.Ces capteurs sont placés dans l’épaisseur du coussinet dupalier central et du palier intermédiaire d’un gros moteurdiesel. Les mesures permettent d’obtenir les trajectoires dutourillon dans le palier et la variation du mésalignement del’arbre par rapport au coussinet.

Une autre technique a été développée la même annéepar Filowitz et al. [5] pour mesurer l’épaisseur minimale dufilm d’huile d’un palier de vilebrequin d’un monocylindre.Le coussinet est isolé électriquement du reste du bloc etun faible voltage (1,5 V) est appliqué entre le coussinet etl’arbre. Lorsque l’épaisseur du film devient inférieure à unevaleur critique, il se produit une série de décharges élec-triques. L’épaisseur minimale du film d’huile est déterminéepar l’amplitude des décharges électriques.

Une méthode originale, développée par Craig, utiliseune mesure capacitive globale [6]. Le palier est considérécomme un condensateur dans lequel l’arbre et le coussinetsont chacun une électrode et l’huile le diélectrique. La ca-pacité déterminée à l’instantt permet de calculer l’épaisseurminimale du film d’huile à cet instant. La précision de cettenouvelle technique est assez bonne et la sensibilité est suf-fisante pour détecter cycle par cycle les variations des picsde pression, ainsi que les cliquetis, dus à l’avance d’allu-mage et les ratés. Dans les conditions où le cliquetis appa-raît, associé à une faible vitesse de rotation et à une très fortecharge, l’épaisseur minimale du film lubrifiant devient trèsfaible et le contact peut avoir lieu entre l’arbre et le coussi-net. Les valeurs expérimentales de l’épaisseur minimale dufilm lubrifiant en fonction de la charge, de la vitesse et dela viscosité correspondent à celles prédites par la théorie. Lamesure résistive globale du film d’huile a aussi été effec-tuée [7]. La mesure globale de la capacité du film d’huileest plus précise que la mesure globale de sa résistance [8].Cette différence est due au fait que la constante diélectriqueest mesurée plus précisément que la conductivité de l’huile.Spearot et Murphy donnent une méthode pour calculer la ré-sistance et la capacité du film l’huile lorsque la cavitationapparaît et étudier son effet sur la précision des deux me-sures.

L’acquisition en continu des épaisseurs du film lubrifiantd’un palier de tête de bielle est très difficile. En 1985 [9],

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Bates utilise un système de biellettes avec fixation sur lechapeau de bielle pour guider les fils des capteurs dans unmoteur à essence fonctionnant à haut régime. Les auteursdéterminent numériquement les deux positions angulairesoù l’épaisseur du film lubrifiant doit être minimale afin d’yplacer deux capteurs capacitifs. L’avantage de ces capteursest que l’amplitude du signal augmente lorsque l’épaisseurdu film d’huile diminue et que le signal de sortie des capteursest pratiquement insensible à la température. La qualitédes mesures, tant en précision qu’en répétabilité a permisd’étudier les effets des paramètres rhéologiques des huilessur les performances des paliers.

En 1990, Bates et al. étudient expérimentalement etthéoriquement le comportement élastohydrodynamiqued’unpalier de tête de bielle d’un moteur V6 2,8 L essence [10]. Lecalcul théorique, effectué pour un palier rigide et élastique,permet d’évaluer l’effet du système de mesure embarquésur les résultats expérimentaux. Des comparaisons sonteffectuées entre la théorie et les mesures expérimentales afind’étudier les effets de la vitesse de rotation et de la viscositésur l’épaisseur du film. Les différences très importantesnotées sur les valeurs des épaisseurs du film sont expliquéespar la non prise en compte de la cavitation. De plus, leshypothèses faites par le modèle de calcul théorique (régimeisotherme, fluide isovisqueux et incompressible, palier court,déformations planes) ne permettent pas d’obtenir de solutionrigoureuse.

La même année, la trajectoire du centre de l’arbre dansle milieu d’un palier de vilebrequin d’un moteur essencea été déterminée par Takehara et al. grâce à deux capteursà inductance décalés de 90◦ [11]. Ces capteurs ont étéchoisis car la mesure n’est pas sensible au vieillissement(variation de la caractéristique diélectrique), à la cavitationet à l’aération de l’huile. Les auteurs se sont en particulierintéressés aux effets du rodage du palier sur la trajectoire ducentre de l’arbre. Une diminution des excentricités de l’arbreavec le rodage du palier est observée pour des vitesses derotation inférieures à 2400 tr·min−1.

En 1992, Torii et al. ont développé une machine desimulation pour connaître l’épaisseur du film d’huile etdéterminer la position du centre de l’arbre d’un palier detête de bielle [12] sous charge statique. Les auteurs ontplacé dans l’arbre quatre capteurs de déplacement à courantde Foucault situés à 90◦ les uns des autres. De plus, ilsont évalué les déformations élastiques du palier de têtede bielle à l’aide de jauges de déformation. La théoriehydrodynamique est utilisée pour calculer la position ducentre de l’arbre et les autres paramètres en incorporant lesdéfauts de forme et les déformations élastiques du coussinet.Ils analysent l’effet de la forme de l’arbre et des vitessesde rotation sur la position de son centre et sur l’épaisseurminimale du film d’huile. Des thermocouples, placés àcôté des capteurs inductifs (un par capteur), permettent decompenser la dérive en température de ces capteurs.

Les déformations élastiques de la bielle et l’épaisseurdu film lubrifiant ont aussi été mesurées par Ozasa et al.

[13] dans un palier de tête de bielle d’un moteur diesel àl’aide de capteurs inductifs et de jauges de déformations.Les capteurs inductifs sont étalonnés de 60 à 120◦C. Lesthermocouples placés à côté des capteurs inductifs (un parcapteur) permettent de connaître la température des capteurset de compenser la dérive du zéro de ces derniers. Le systèmede guidage des fils est fixé sur le piston et les effets d’inertiede ce système sont réduits.

L’épaisseur du film d’huile dans un palier peut aussiêtre déterminée en utilisant un capteur à fibre optique [14].Jaloszynski et Evers ont montré que ce type de capteur estcapable de mesurer des épaisseurs de film d’huile de 0 à25 µm. La méthode fonctionne sous de sévères conditionsd’utilisation et elle peut devenir un excellent outil pour defutures recherches sur les performances des paliers.

En 1998, Paranjpe et al. ont déterminé la capacité globaledu film d’huile afin de mesurer l’épaisseur minimale du filmlubrifiant dans un palier de vilebrequin et dans un palierde tête de bielle d’un moteur à essence [15]. Le systèmede biellettes utilisé pour guider les fils des capteurs estsemblable à celui développé dans [8]. L’inertie du systèmede biellettes est assez importante ce qui limite la vitessemaximale de rotation du moteur à 1500 tr·min−1.

Une alternative à la transmission des données a étéproposée par Goodwin et al. [16]. Les capteurs inductifssont directement implantés dans le vilebrequin. Les câblesde liaison sont guidés à l’intérieur du vilebrequin par letrou d’alimentation d’huile. Ils sont ensuite reliés à lachaîne d’acquisition qui est montée sur le volant d’inertie.Des bagues collectrices sont employées pour fournir unealimentation en énergie aux capteurs et pour extraire lesignal de déplacement.

Cette revue bibliographiquemontre que la mesure d’épais-seur de film d’huile dans un moteur en fonctionnement esttrès difficile et a surtout été réalisée dans les paliers de têtede bielle. De plus, des études paramétriques montrant l’in-fluence des paramètres de fonctionnement n’ont jamais étéréalisées.

Nous avons donc choisi d’instrumenter un moteur enfonctionnement réel (plutôt que de réaliser un banc de si-mulation) pour mesurer en particulier les épaisseurs defilm d’huile dans ces paliers. Ainsi, nous pouvons obser-ver et comprendre l’importance de ces paramètres (régime etcouple moteur, viscosité de l’huile, jeu des paliers de vilebre-quin, température) sur ces épaisseurs. Le banc élaboré chezle constructeur pourra être utilisé par la suite pour d’autresétudes (influence de l’équilibrage du vilebrequin. . . ).

Nous ne présentons dans cette étude qu’une partie desrésultats obtenus sur le banc d’essais. Dans l’étude générale,plusieurs paramètres ont été étudiés. Le jeu diamétral despaliers a été caractérisé par trois classes de coussinetsdéfinies par des jeux diamétraux verticaux de 35, 45 et 55 µm(le constructeur utilise chacun de ces trois jeux diamétrauxdans ses moteurs). Trois huiles standards et une huile àviscosité HTHS spécifique (viscosité dynamique sous fortcisaillement et à haute température) ont été testées pour


analyser l’influence de la viscosité. Les autres paramètrespris en compte sont le régime moteur, qui peut varier entre1000 et 5500 tr·min−1, et la charge du moteur (à vide, demi-charge, pleine charge).

3. Le moteur support

Le moteur support de l’expérimentation est un moteurXU10J4R de la société PSA. C’est un moteur de quatrecylindres et seize soupapes à injection indirecte d’essencede 2 litres de cylindrée. La course et l’alésage valent tousles deux 86 mm. La puissance maximale du moteur est de97,4 kW à 5500 tr·min−1 et le couple maximum est de180 N·m à 4250 tr·min−1.

Le vilebrequin, constitué de huit contrepoids, est supportépar cinq paliers. Ces paliers sont numérotés de 1 à 5 enpartant du côté du volant d’inertie. Les paliers instrumentéssont les paliers de vilebrequin 1, 2 et 3. L’instrumentationdes paliers 4 et 5 n’a pas été envisagée. En effet, ilsont un comportement équivalent au palier 1 et 2 ; deplus l’encombrement réduit due aux nervures à l’intérieurdu carter ne permettait pas de positionner facilement lescapteurs.

Les paliers ont des dimensions identiques : 60 mm dediamètre et 18,4 mm de largeur de portée. Ces palierspossèdent des chapeaux de palier indépendant les uns desautres (Fig. 1). Le carter cylindre et les chapeaux de paliersont en fonte GL. Le vilebrequin est en fonte GS. Le supportdes demi-coussinets est en acier XC10 (épaisseur 1,6 mm) etl’alliage antifriction des coussinets est en aluminium – étainAS15.

Le palier de tête de bielle instrumenté est situé entre lespaliers 1 et 2 du vilebrequin. Son diamètre vaut 50 mmet sa largeur 19,2 mm. La bielle et son chapeau sont enacier 45M5UA2. Le support des demi-coussinets est en acierXC10 (épaisseur 1,6 mm) et l’alliage antifriction est enaluminium-étain AS124.

Fig. 1. Photographie de l’instrumentation vue du côté du carter d’huile.

Fig. 1. Photography of the instrumentation seen towards the crankcase.

4. La mesure des épaisseurs de film d’huile

4.1. Mesure des épaisseurs du film d’huile pour les paliersde vilebrequin

Sur chacun des paliers de vilebrequin 1, 2 et 3 nousavons fixé dans le même plan quatre capteurs de mesurede déplacement sans contact à courant de Foucault blindésayant pour dimensions 4 mm de diamètre et 13 mm delong (M4× 0,35). Nous avons choisi ces capteurs pour leurinsensibilité aux propriétés du milieu qui les sépare de lacible (vieillissement de l’huile, impuretés, suies). De plus, ilssont extrêmement précis (incertitude sur la mesure±1 µm),d’une grande résolution et de dimensions très réduites.

Les capteurs sont étalonnés par le fabricant à 20◦C tousles microns. Au-delà de 80◦C, une carte de compensationthermique est utilisée. Ces capteurs ont une plage de mesurede 500 µm avec une résolution de 0,01 % soit 0,05 µm.

Nous mesurons ainsi l’épaisseur du film d’huile en quatrepoints par palier et nous en déduisons la trajectoire dutourillon correspondant. L’épaisseur mesurée tient comptedes déformations du carter, la déformation propre du capteurétant négligeable. Il faut préciser que l’acquisition se faittous les 2 degrés d’angle de vilebrequin pour chaque cycleet que les résultats sont obtenus en faisant la moyenne survingt cycles.

Dans la largeur des paliers et pour des raisons defaisabilité, les capteurs sont placés sur le bord à causede la rainure sur les demi-coussinets du carter, nommésaussi demi-coussinets supérieurs. De plus, des trous oblongsont été usinés dans les demi-coussinets afin de permettreleur remplacement sans démonter les capteurs (Fig. 2). Cescapteurs sont associés à une électronique permettant decompenser la dérive du zéro en température des capteursentre 20 et 180◦C.

Fig. 2. Capteurs de mesure d’épaisseur du film d’huile des paliers 1, 2 et 3avec et sans le demi-coussinets sur le carter.

Fig. 2. Eddy current gap sensor location.


Fig. 3. Schéma de l’instrumentation pour le vilebrequin.

Fig. 3. The 12 eddy current gap sensors.

La Fig. 3 présente le descriptif du fonctionnement du mo-teur à quatre cylindres à quatre temps, ainsi que la positiondans l’axe vilebrequin (axez) des capteurs sur les paliers.Les capteurs sont numérotés de 1 à 4 pour le palier 1, de 5 à 8pour le palier 2 et de 9 à 12 pour le palier 3. La position desdeux thermocouples sur le palier 2 a aussi été repérée. Lespressions dans les cylindres 1 et 2 sont aussi mesurées avecdes bougies spéciales instrumentées en capteur de pression.

L’instrumentation utilisée a été très satisfaisante tant surla qualité des résultats – répétitivité des mesures – que sur ladurée de vie des capteurs (300 heures d’essais avec le mêmematériel).

4.2. Mesure des épaisseurs du film d’huile pour les paliersde tête de bielle

L’instrumentation du palier de tête de bielle comportequatre capteurs de déplacements sans contact à courant de

Foucault blindés (capteur miniature de diamètre 3 mm etde longueur 4 mm) placé sur deux axes à 40◦ par rapportà l’axe de la bielle et dans le même plan au milieu ducoussinet (Fig. 4). Ces capteurs sont compensés en dérive entempérature jusqu’à 150◦C. Pour ne pas gêner les lignes dechamps générées par chacun des capteurs, des trous de 6 mmde diamètres ont été réalisés dans les deux demi-coussinetspuis rebouchés par de la résine. Un système de biellettespermettant de guider les câbles des capteurs pour transmettreles informations recueillies (épaisseurs et températures) dela bielle en mouvement vers l’extérieur du moteur a étédéveloppé.

4.3. Définition du système de biellette

Les capteurs installés sur la bielle sont en mouvementpar rapport à la chaîne d’acquisition qui est fixe. Il est doncnécessaire d’utiliser un système permettant la transmission


Fig. 4. Schéma de l’instrumentation du palier de tête de bielle.

Fig. 4. Schematic representation of the big-end connecting-rod bearing.

d’informations entre les capteurs et la chaîne d’acquisition.Avec des capteurs inductifs à courant de Foucault, la seulesolution est d’utiliser un système de biellettes (Fig. 5). Lescapteurs étant fixés sur la bielle, nous avons donc choisi defixer le système de biellettes sous l’axe du piston.

Ce système a été optimisé d’une part sur les débattementsangulaires des biellettes (articulations 5, 6 et 7) et d’autrepart sur les masses en mouvement. Cela permet d’avoirune très faible influence du système de biellettes sur lepalier de tête de bielle qui peut être quantifiée en calculantl’augmentation des efforts sur le palier provoquée par lesinerties des biellettes en mouvement (Fig. 6).

Le débattement angulaire de l’axe 7 est de 16◦, de 35◦pour l’axe 6 et de 39◦ pour l’axe 5. Les biellettes ont étéréalisées en titane (TA6V). La biellette 1 (courte) a unemasse de 21 g et la biellette 2 a une masse de 56 g.

5. Analyse des résultats – paliers de vilebrequin

Les variations des épaisseurs de film d’huile, mesuréespar les capteurs, en fonction de l’angle de vilebrequin (le0◦ d’angle de vilebrequin correspond au point mort hautdu cylindre 1 avant sa phase de détente), sont présentéesFigs. 7–12. Les résultats sont obtenus pour la configurationsuivante :

• À vide, pleine charge.• Jeu diamétral : 45 mm (classe C).• Huile : 10W40.

À 1000 tr·min−1 à vide (Fig. 7), les épaisseurs du filmd’huile données par deux capteurs opposés sont symétriques.Cela indique qu’il n’y a pas de déformations élastiques despaliers. La somme des épaisseurs du film d’huile de deuxcapteurs opposés donne donc le jeu diamétral dans l’axe deces derniers. On peut remarquer que cette somme n’est pasconstante (Fig. 8). Ces variations d’amplitude représententla non-circularité des tourillons (confirmée par la mesure dela circularité en métrologie) qui vaut 5 µm pour le palier 1.

De plus, en comparant les jeux diamétraux dans dif-férentes conditions de fonctionnement à ceux obtenus à1000 tr·min−1 à vide, la variation du jeu diamétral du cous-sinet pourra être déterminée.

À 1000 tr·min−1 pleine charge, les combustions descylindres 1 et 2 créent une dissymétrie des épaisseurs du film

Fig. 5. Photographie et schéma du système de biellettes vu du côté volant.

Fig. 5. Description of the mechanical linkage.


Fig. 6. Efforts sur le palier de tête de bielle avec et sans le système debiellette à 6000 tr·min−1.

Fig. 6. Load applied on the big-end connecting-rod bearing with or withoutthe mechanical linkage, 6000 rev·min−1.

d’huile entre deux capteurs opposés par rapport à l’axe desymétrie. Les allures des courbes sont modifiées par rapportà celles obtenues à vide (à 260 et 620◦ d’angle de vilebrequinpour les capteurs 1 et 4 (Fig. 7(a)) et 220 et 580◦ pour lescapteurs 2 et 3 (Fig. 7(b))). Les efforts dus aux combustionssont dirigés vers les chapeaux et génèrent des déformationsélastiques du palier 1 atteignant 5 µm (Fig. 8).

À 5000 tr·min−1, la combustion dans le cylindre 1(Pcyl1max = 6,57 MPa à 17◦ d’angle de vilebrequin –Fig. 9(b)) modifie les épaisseurs du film jusqu’à 120◦d’angle de vilebrequin (Fig. 10). A cette vitesse, les épais-seurs du film d’huile les plus faibles, entre 1 et 3 µm, sontobservées par le capteur 4 (c’est-à-dire sur le demi-coussinetinférieur) à 240 et 600◦ d’angle de vilebrequin (Fig. 10(a)).Ce sont les effets d’inertie des pièces en mouvement (bielle,vilebrequin) qui sont prépondérants à cette vitesse (l’effortvertical dû aux inerties est supérieur à celui généré lors de lacombustion des gaz dans le cylindre).

La Fig. 11 permet d’évaluer l’influence de la vitesse derotation à pleine charge sur les épaisseurs du film d’huileet sur le jeu diamétral du palier. On constate d’une part(Fig. 11(a)) que l’augmentation de la vitesse de rotationentraîne des diminutions importantes d’épaisseurs pour lecapteur 1 (par exemple plus de 50 µm à 480◦ d’angle devilebrequin). Les différentes explosions dans les cylindressont identifiables sur le graphe pour chaque régime moteur :260 et 620◦ d’angle de vilebrequin à 1000 tr·min−1 ; 100 et

(a)

(b)

Fig. 7. Variations des épaisseurs du film d’huile dans (a) l’axe 1–4 et(b) l’axe 2–3 du palier 1 à 1000 tr·min−1, à vide et à pleine charge.

Fig. 7. Oil film thickness variations versus crank angle, (a) axis 1–4,(b) axis 2–3, bearing 1, 1000 rev·min−1, without load or full load.

(a)

(b)

Fig. 8. Variations des jeux diamétraux dans (a) l’axe 1–4 et (b) l’axe 2–3 dupalier 1 à 1000 tr·min−1, à vide et à pleine charge.

Fig. 8. Diametrical clearance variations versus crank angle, (a) axis 1–4,(b) axis 2–3, bearing 1, 1000 rev·min−1, without load or full load.

460◦ à 5000 tr·min−1. Dans le premier cas, il y a diminutionde l’épaisseur du film lors de l’explosion ; dans le second casil y a augmentation de l’épaisseur du film.

Le jeu diamétral (Fig. 11(b)) dans la direction descapteurs 1 et 4 permet d’évaluer l’ovalisation des palierssous l’effet des efforts auxquels ils sont soumis. Cetteovalisation est peu importante de 1000 à 3000 tr·min−1, maiselle devient élevée à haut régime (diminution de 8 µm à 80


(a)

(b)

Fig. 9. Variations de la pression des gaz dans le cylindre 1 (a) à2500 tr·min−1 et (b) à 1000, 3000 et 5000 tr·min−1, à vide et à pleinecharge.

Fig. 9. Gas pressure variations in cylinder 1 (a) at 2500 rev·min−1 and(b) at 1000, 3000 and 5000 rev·min−1, without load or full load.

(a)

(b)

Fig. 10. Variations des épaisseurs du film d’huile dans (a) l’axe 1–4 et (b)l’axe 2–3 du palier 1 à 5000 tr·min−1, à vide et à pleine charge.

Fig. 10. Oil film thickness variations versus crank angle, (a) axis 1–4,(b) axis 2–3, bearing 1, 5000 rev·min−1, without load or full load.

et 460◦ d’angle de vilebrequin et augmentation de 10 µm à220 et 580◦ d’angle de vilebrequin).

Afin de connaître l’influence de la viscosité sur lesépaisseurs du film d’huile, des essais supplémentaires ontété effectués avec des huiles 5W30 et 10W20 pour unetempérature de l’huile à l’entrée du moteur de 80◦C. La

(a)

(b)

Fig. 11. (a) Variations des épaisseurs du film d’huile dans le palier 1 à 1000,3000 et 5000 tr·min−1, pleine charge. (b) Variations du jeu diamétral dupalier 1 dans l’axe 1–4 à 1000, 3000 et 5000 tr·min−1, pleine charge.

Fig. 11. (a) Oil film thickness variations versus crank angle, bearing 1, 1000,3000 and 5000 rev·min−1, full load. (b) Diametrical clearance variationsversus crank angle, bearing 1, 1000, 3000 and 5000 rev·min−1, full load.

Fig. 12. Variations des épaisseurs du film d’huile vue par le capteur 12 à5000 tr·min−1, pleine charge.

Fig. 12. Oil film thickness variations versus crank angle, sensor 12,5000 rev·min−1, and full load.

comparaison entre ces huiles montre que pour l’ensembledes régimes les allures des courbes sont identiques.

On peut observer sur la Fig. 12, qui présente les variationsdes épaisseurs du film d’huile en fonction de l’angle devilebrequin, la bonne répétabilité des mesures puisque les


(a)

(b)

Fig. 13. Variations des épaisseurs du film d’huile dans (a) l’axe 1–4 et(b) l’axe 2–3 du palier de tête de bielle à 1250 et 2500 tr·min−1, à vide.

Fig. 13. Oil film thickness variations versus crank angle, connecting-rodbearing, (a) axis 1–4, (b) axis 2–3, 1250 and 2500 rev·min−1, without load.

petites fluctuations d’épaisseur sont identiques d’une courbeà l’autre alors que seule la viscosité change.

Pour le capteur 12, on observe une diminution de l’épais-seur du film d’huile de 2 à 3 µm entre l’huile 10W40 etl’huile 10W20 de 210 à 390◦ d’angle de vilebrequin et de570 à 30◦ d’angle de vilebrequin. Les épaisseurs du filmd’huile mesurées avec l’huile 5W30 se situent entre leshuiles 10W40 et 10W20.

6. Analyse des résultats – paliers de tête de bielle

Les mesures ont été effectuées à 1250, 2000 et 2500tr·min−1 à vide et à pleine charge. Nous n’avons paspu réaliser de mesure au-delà de 2500 tr·min−1 suite àun incident qui a entraîné la détérioration du système debiellettes à 2750 tr·min−1. Le jeu diamétral est de 50 µmet avec une huile 5W30. La température de l’huile à l’entréedu moteur est de 80◦C.

L’influence du régime moteur à vide sur les épaisseursdu film d’huile du palier de tête de bielle est présentée. Cesmesures ont été effectuées entre 1250 et 2500 tr·min−1.

Les variations des épaisseurs du film d’huile obtenuespour les différents régimes vues par les capteurs 2 et 3 ontune allure similaire sur tout le cycle du moteur (Fig. 13(b)).Pour les signaux donnés par les capteurs 1 et 4 la similaritédes courbes n’est vraie que pour la partie du cycle compriseentre 120 et 660◦ d’angle de vilebrequin. De 660 à 720◦

(a)

(b)

Fig. 14. Variations du jeu diamétral dans les axes 1–4 et 2–3 (a) à1250 tr·min−1 et (b) à 2500 tr·min−1, à vide.

Fig. 14. Housing bearing diameter variations versus crank angle, con-necting-rod bearing, axis 1–4 and 2–3, (a) 1250 rev·min−1 and(b) 2500 rev·min−1 without load.

et de 0 à 120◦ d’angle de vilebrequin, l’augmentation durégime moteur provoque des changements d’allures pourles épaisseurs du film d’huile mesurées par ces capteurs.Les épaisseurs du film d’huile les plus faibles, de l’ordrede 3 µm, sont celles données par le capteur 1, de 180 à260◦ d’angle de vilebrequin et autour de 620◦ d’angle devilebrequin (Fig. 13(a)).

Les déformations élastiques sont observables par la non-symétrie des épaisseurs du film d’huile par rapport à l’axe desymétrie (Fig. 13). La position de l’axe de symétrie est donnépar le jeu radial mesuré dans l’axe des capteurs lorsque lemoteur est arrêté. Le jeu radial est de 25 µm dans l’axe 1–4et de 27 µm dans l’axe 2–3. Il faut noter les différencesentre ces valeurs et celles obtenues en métrologie (27,5 µmdans l’axe 1–4 et de 30 µm dans l’axe 2–3). Les raisonsde ces écarts sont dues aux incertitudes de mesure et auxfrettages des coussinets qui sont différents lors des serragessuccessifs.

On peut observer les déformations élastiques du palierdans les directions des axes 1–4 et 2–3 à 1250 (Fig. 14(a))et 2500 tr·min−1 (Fig. 14(b)) à vide. Le Tableau 1 permetde quantifier les variations diamétrales du jeu pour deux va-leurs d’angle de vilebrequin. Les efforts d’inertie génèrentdes déformations qui s’amplifient avec la vitesse et qui peu-vent être positives ou négatives (ovalisation du coussinet).À 600◦ d’angle de vilebrequin, la variation de régime mo-teur entraîne une augmentation du jeu diamétral de 8 µmdans l’axe 1–4. A 120◦, on constate une diminution de 7 µm.


Tableau 1Influence des inerties et du régime moteur sur les variations du jeu diamétral du coussinet, à vide

Variation du jeu Due aux efforts d’inertie Due à l’augmentation de la vitesse

Angle de vilebrequin 120◦Vitesse (tr·min−1) 1250 2500Variation selon l’axe 1–4 +3 µm −4 µm −7 µmVariation selon l’axe 2–3 −1,5 µm +1 µm +2,5 µm

Angle de vilebrequin 600◦Vitesse (tr·min−1) 1250 2500Variation selon l’axe 1–4 +5 µm +13 µm +8 µmVariation selon l’axe 2–3 −2 µm −4,5 µm −2,5 µm

(a)

(b)

Fig. 15. Variations des épaisseurs du film d’huile dans (a) l’axe 1–4 et(b) l’axe 2–3 du palier de tête de bielle à 2500 tr·min−1, à vide et à pleinecharge.

Fig. 15. Oil film thickness variations versus crank angle, connecting-rodbearing, (a) axis 1–4, (b) axis 2–3, 2500 rev·min−1, without load or fullload.

L’influence du couple moteur à 2500 tr·min−1 sur lesmesures effectuées est présentée. La charge du moteur nemodifie pratiquement pas l’allure des courbes. Ainsi dansune zone, nommée P1, les valeurs sont quasiment les mêmes.Pour les capteurs 1 et 4 (Fig. 15(a)), cette zone est compriseentre 180 et 600◦ d’angle de vilebrequin et de 120 à660◦ pour les capteurs 2 et 3 (Fig. 15(a)). Dans la zonecomplémentaire du cycle, nommée P2, les différences notéescorrespondent à la fin de la phase de compression, puis àla combustion du mélange air – essence et enfin à la phasede détente des gaz brûlés. C’est pendant cette période quela bielle exerce une poussée sur le maneton selon l’axe

(a)

(b)

Fig. 16. Variations du jeu diamétral dans (a) l’axe 1–4 et (b) l’axe 2–3 à2500 tr·min−1, à vide et à pleine charge.

Fig. 16. Housing bearing diameter variations versus crank angle, connect-ing-rod bearing, (a) axis 1–4, (b) axis 2–3, 2500 rev·min−1, without load orfull load.

vertical y. Celle-ci est due à la pression appliquée sur lepiston (Fig. 9(a)). Durant cette période, lorsque la chargemoteur est plus importante, l’épaisseur du film d’huile vuepar le capteur 1 diminue et celle vue par le capteur 4augmente.

La Fig. 16 présente les déformations élastiques du palierdans les axes des capteurs 1–4 (a) et 2–3 (b) à 2500 tr·min−1

à vide et à pleine charge. Au cours de la période P1,les efforts d’inertie exercés par le vilebrequin génèrentdes déformations élastiques supérieures à celles obtenuespendant la période P2. Lorsque le moteur fonctionne à pleinecharge, on constate durant la période P2 des écarts, avec lefonctionnement à vide, pouvant atteindre 13 µm. Pendant lapériode P1, les déformations élastiques à pleine charge sonttrès légèrement supérieures à celles obtenues à vide (écartinférieur à 4 µm).


7. Conclusions

La mesure des épaisseurs du film d’huile dans les pa-liers de vilebrequin et surtout dans les paliers de tête debielle d’un moteur thermique en fonctionnement est diffi-cile à mettre en œuvre car les pièces sont en mouvement etl’implantation des capteurs de déplacements ne doit pas per-turber le film d’huile. Un moteur de série en fonctionnementréel a été instrumenté afin de mesurer les épaisseurs du filmd’huile dans trois paliers de vilebrequin et dans un palier detête de bielle. La répétabilité des mesures des épaisseurs dufilm d’huile au cours des différentes phases d’essais est trèsbonne (de l’ordre de±1 µm).

L’instrumentation permettant de mesurer les épaisseursdans les paliers de vilebrequin a été très satisfaisante tant surla qualité des résultats des mesures que sur la durée de viedes capteurs. Elle a permis d’analyser l’influence du régimeet couple moteur, de la viscosité de l’huile et du jeu despaliers de vilebrequin sur les épaisseurs du film lubrifiant.Une bonne connaissance de l’influence de ces paramètres surles épaisseurs du film d’huile a pu ainsi être obtenue dans lecas du moteur étudié.

La mesure des épaisseurs du film d’huile dans un palierde tête de bielle est délicate à mettre en œuvre car lescapteurs de déplacement sont en mouvement par rapport à lachaîne d’acquisition. Pour résoudre ce problème, un systèmede biellettes permettant de guider les câbles des capteursa été réalisé. Ce système a été optimisé d’une part sur lesdébattements angulaires des biellettes et d’autre part sur lesmasses en mouvement. Le système de biellette a ainsi unetrès faible influence sur le fonctionnement du palier de têtede bielle. Malgré une durée de vie limitée du système debiellettes qui n’a pas permis d’effectuer des mesures à desvitesses élevées, les résultats obtenus sur le palier de tête debielle sont eux aussi très satisfaisants.

Les efforts d’inertie et les amplitudes de variation desépaisseurs du film d’huile deviennent de plus en plus im-portants avec l’augmentation du régime moteur. Ces effortsd’inertie génèrent des déformations élastiques du palier detête de bielle pouvant atteindre 15 µm à 2500 tr·min−1.La comparaison entre un fonctionnement à vide et à pleinecharge a permis de mettre en évidence les effets de la com-pression et de la combustion du mélange air–essence sur lesépaisseurs du film d’huile dans les paliers de vilebrequinpour les régimes inférieurs à 3000 tr·min−1.

Remerciements

Ce travail a été réalisé grâce à l’appui technique etfinancier de la Société PSA Peugeot Citroën. Les auteurs

remercient très vivement cette société pour son soutien etpour avoir permis la publication de ce travail.

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mesure des épaisseurs de film d'huile dans les paliers de moteur automobile

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