Qu'est-ce qu'une bielle ? Types, matériaux et fabrication

Qu'est-ce qu'une bielle

Qu'est-ce qu'une bielle ? En termes simples, c'est un composant du moteur qui convertit le mouvement de va-et-vient du piston en mouvement de rotation. Voici comment fonctionne exactement votre roues de voiture courir. La bielle convertit le mouvement et le transmet au vilebrequin, la manivelle fournit des entrées à la boîte de vitesses, et la boîte de vitesses transmet à l'arbre de transmission de votre voiture. 

Des matériaux tels que l'acier au carbone, l'aluminium, le titane et les alliages d'acier sont utilisés dans la fabrication des bielles. Ils offrent une résistance élevée, une bonne résistance à la fatigue, une bonne rigidité et une bonne résistance à l'usure, permettant de supporter les contraintes continues du moteur. 

En tant que composant essentiel des moteurs automobiles (ou de tout moteur alternatif), la bielle doit être conçue, fabriquée et finie en tenant compte de plusieurs considérations. Voyons cela en détail.

Qu'est-ce qu'une bielle ?

Commençons par la définition de la bielle : il s'agit d'un élément structurel reliant le piston au vilebrequin et convertissant le mouvement alternatif du piston en mouvement de rotation. Elle supporte des charges cycliques de traction et de compression tout en résistant au flambage et à la flexion.

Ce composant mécanique a un impact direct sur les performances, les vibrations et la durabilité du moteur. Des bielles faibles et lourdes réduisent le couple de sortie, et une conception et une longueur incorrectes peuvent entraîner une défaillance. 

De plus, il existe diverses pièces de bielle, comme la petite extrémité, la tige, la grosse extrémité, la bague métallique et le maneton.

Pièces d'une bielle

• Palier de petite extrémité : Il s'agit de la plus petite partie circulaire qui contient soit une bague, soit un roulement à rouleaux, et l'axe de piston relie le piston et la bielle à cette extrémité. 
• Largeur: On l'appelle également tige ou corps, généralement une section transversale en I ou en H entre deux extrémités.
• Roulement de bielle : L'extrémité la plus large relie le vilebrequin à la bielle. Le chapeau extérieur est boulonné à l'aide d'un maneton. 
• Écrou et boulon : Fixations qui relient le gros embout au corps de la bielle autour du maneton. 

Comme la bielle est associée au piston et au vilebrequin, Comprendre la fonction du vilebrequin et les facteurs de coût, et les caractéristiques du piston sont essentielles. L'optimisation de l'ensemble des composants (bielle, vilebrequin, piston et culasse) contribue au bon fonctionnement du moteur. Pour en savoir plus, consultez Amélioration des performances du moteur grâce à l'usinage des culasses en cliquant sur le lien ici. 

Comment fonctionne la bielle et ses fonctions

Fonctionnement de la bielle

La bielle est composée de deux extrémités circulaires et d'un corps de bielle. Le palier de pied de bielle est relié au piston, et le palier de grand pied au vilebrequin. La bague métallique (roulement à rouleaux) située sur le palier de pied de bielle est reliée au piston par l'axe de piston. D'autre part,

Le coussinet de bielle est divisé en deux parties et boulonné au maneton du vilebrequin. Les coussinets de la bielle contribuent à son alignement correct avec le piston. 

Lorsque le piston descend après la combustion, les bielles transmettent la force au maneton selon un angle. Le décalage du maneton convertit la force descendante en force de rotation lors de sa transmission à l'arbre. La manivelle pousse ensuite le piston vers le haut en tournant.

Outre la conversion de mouvement, les autres fonctions des bielles sont : 

• Il résiste à des contraintes élevées de traction, de compression et de flexion. 
• Il aligne le piston et le vilebrequin en permettant un chemin stable pour le piston. 
• Il réduit les vibrations.
• La bielle permet également d'obtenir un calage et une synchronisation précis du moteur avec le arbre à cames. 
• En tant que l'un des composants de sortie de puissance, les bielles optimisées contribuent à l'efficacité du moteur.

Quels sont les types de bielles ? 

Types de bielles

Chaque type de bielle présentant des caractéristiques et des utilisations spécifiques, il est essentiel de choisir la bonne bielle pour optimiser ses performances et sa durabilité. Le choix dépend des exigences fonctionnelles, telles que la limite de poids, la résistance à la flexion et la résistance à la traction.

Vous pouvez trouver trois types de bielles en fonction de la section transversale de la poutre utilisée dans la tige : poutre en I, poutre en H et poutre en X. 

Développons-les davantage.  

Bielles à poutre en I 

Ce nom s'explique par la section transversale en I de la tige. Ces bielles légères et économiques sont de conception simple, mais offrent une bonne résistance à la fatigue, à la traction et à la compression. C'est pourquoi elles sont utilisées dans diverses marques de motos, de voitures et de véhicules de tourisme. Outre les moteurs thermiques, elles conviennent également à d'autres machines et systèmes de moins de 1000 XNUMX chevaux. 

Bielles à poutre en H 

Dans la poutre en H, une poutre centrale entre deux poutres verticales forme un « H ». Cette géométrie rend la bielle plus lourde, plus rigide et plus résistante. Les bielles en H sont performantes en cas de pression extrême, de régime élevé et de charges de torsion. Cependant, en cas de désalignement, les roulements doivent supporter des charges plus élevées. 

Ils sont généralement utilisés dans les moteurs hautes performances et les machines lourdes, notamment les moteurs diesel industriels, les voitures particulières, les motos de sport, les voitures de course, les voitures turbocompressées et les V8 suralimentés. 

De plus, l'acier, le titane ou les alliages à haute résistance sont des options de matériaux standard pour les bielles à poutre en H. 

Bielles à poutre en X 

La section transversale en X permet de tirer parti des avantages des poutres en I et en H. Cette conception réduit le poids tout en offrant une résistance élevée, une bonne résistance aux fissures et une grande flexibilité. Elles conviennent aux moteurs performants et performants. De plus, elles conviennent aux bas régimes et aux couples élevés.  

Certains cas d'utilisation typiques des bielles à poutre en X sont les moteurs de course, les voitures haut de gamme et les moteurs diesel personnalisés. 

Matériaux des bielles 

La bielle pouvant modifier le fonctionnement et l'efficacité du véhicule (ou du système), le matériau doit être choisi avec soin. Comparez les propriétés physiques et mécaniques, l'usinabilité et le coût des options disponibles pour sélectionner le matériau optimal en fonction de vos besoins.

Matériaux des bielles 

Les matériaux les plus courants pour les tiges sont l'acier, les alliages d'acier, la fonte, les alliages d'aluminium et le titane. Le tableau ci-dessous illustre leurs principales caractéristiques et des exemples d'application. 

Méthodes de fabrication des bielles 

Une fois le matériau de bielle choisi, il faut déterminer la méthode de fabrication la plus adaptée. Il est parfois nécessaire d'appliquer plusieurs procédés de fabrication pour obtenir des résultats optimaux.

Les méthodes courantes de fabrication des bielles comprennent le forgeage, l'usinage CNC et le moulage. De plus, elles peuvent nécessiter une finition de surface et un traitement thermique final. 

1. Forger

Bielles forgées

Lors du forgeage, des billettes d'aluminium ou d'acier inoxydable sont pressées dans un moule ayant la forme de la bielle souhaitée. Les métaux sont également chauffés pour améliorer l'écoulement et la structure du grain des pièces forgées. Cette méthode améliore également la résistance mécanique. 

Les bielles forgées sont parfois usinées pour une meilleure précision et une meilleure finition. Elles conviennent aux charges lourdes, comme les moteurs de course.

2. Usinage CNC 

Usinage de bielles 

Cette méthode utilise des codes informatiques pour découper avec précision les bielles à la forme souhaitée à partir de blocs de matériau. Si vous avez besoin de tolérances strictes et d'une excellente répétabilité, la CNC est la meilleure option. De plus, elle permet de réaliser des prototypes de bielles de manière économique.

Le mouvement précis de l'outil permet de façonner les alésages finaux avec précision. La CNC offre également une meilleure finition que les autres méthodes. 

3. Coulée sous pression 

Bielle moulée sous pression 

En règle générale, les alliages d’aluminium sont moulé sous pression On utilise parfois d'autres matériaux pour fabriquer des bielles. Le procédé consiste d'abord à fabriquer un moule avec une cavité, en veillant à ce que la géométrie de la cavité soit identique à celle de la bielle. Ensuite, le métal en fusion est coulé sous haute pression dans la cavité, où il s'écoule et épouse la forme. Enfin, le moule est ouvert pour éjecter la bielle. 

Vous pouvez utiliser cette méthode pour des bielles légères répondant à divers besoins, comme les moteurs de moto économes en carburant. Cependant, les bielles moulées sous pression ne sont pas aussi résistantes que les bielles forgées.

4. Traitement thermique 

Processus de traitement thermique

Le traitement thermique modifie les propriétés physiques et mécaniques du matériau en modifiant légèrement sa microstructure. Pour les bielles, un traitement thermique de trempe et de revenu est effectué pour en augmenter la dureté et la résistance.

Les bielles traitées thermiquement supportent des contraintes mécaniques et thermiques plus élevées. Elles deviennent ainsi plus résistantes à l'usure et aux fissures.  

Si vous souhaitez en savoir plus sur la fabrication d'autres composants automobiles, cliquez sur Usinage CNC pour une direction haute performance et Usinage CNC pour pièces de voitures classiques et vintage ici. 

Considérations sur la conception des bielles 

Conception de la bielle

La conception et la fabricabilité sont les principales exigences pour produire des bielles précises. Durant cette phase initiale, vous pouvez personnaliser la forme, la taille et les caractéristiques. Une bonne conception permet également de réduire le poids et d'améliorer la durabilité.

Les principales considérations comprennent la charge, la résistance, le type de poutre, le rapport longueur/manivelle et le frottement, qui sont brièvement développés ci-dessous ; 

• Spectre de charge et résistance

La bielle étant soumise à des contraintes cycliques, assurez-vous que votre conception présente une intégrité structurelle lui permettant de résister aux charges de compression et de traction sur le long terme. Pour cela, vous pouvez réaliser des essais de fatigue par analyse par éléments finis (AEF). 

• Type de faisceau 

Selon les exigences de votre application, choisissez une poutre en I, en H ou en X, selon le rapport résistance/poids souhaité. La tige doit pouvoir supporter la poussée du piston. 

• Rapport longueur/manivelle

Une longueur plus importante augmente le poids de la bielle, ce qui peut limiter le régime moteur. Il est donc nécessaire d'optimiser le rapport longueur/manivelle. Il est défini par le rapport entre la longueur de la bielle et la course du vilebrequin. Ce rapport peut être compris entre 3.5 et 4.5. 

• Choix des matériaux

Le choix du matériau de bielle idéal garantit non seulement la fonctionnalité souhaitée, mais joue également un rôle clé dans la réduction du poids. Pour les applications hautes performances, vous pouvez choisir Ti-6Al-4V. 

• Friction 

Tenez compte du frottement aux points de jonction des bielles lors de la conception. Assurez-vous d'une conception, d'une finition et d'un système de lubrification de qualité pour réduire le frottement.

Conclusion 

Une bielle influence directement le fonctionnement, l'efficacité, la fiabilité et la durée de vie de tout moteur alternatif. Comprendre sa structure et ses différents types, choisir le bon matériau, une fabrication soignée et un traitement thermique garantissent les caractéristiques souhaitées de la bielle. Il est essentiel de savoir distinguer les variations et les caractéristiques pour un choix optimal. 

Si vous avez besoin de plus d'informations sur les bielles et comment les fabriquer, vous pouvez Contactez nos expertsNotre équipe d'ingénieurs et de professionnels du secteur possède plus de dix ans d'expérience dans la fabrication automobile. Ils peuvent vous accompagner sur tous vos projets, de l'optimisation DFM à la fabrication en passant par le traitement thermique. Pour commencer, téléchargez votre conception et obtenez un Devis rapide et gratuit . 

FAQ 

A quoi sert une bielle ?

Il s'agit d'un composant structurel des moteurs qui relie le piston et le vilebrequin pour la conversion du mouvement linéaire en mouvement de rotation.  

Qu'est-ce qui relie le piston au vilebrequin ? 

Le piston est relié au vilebrequin par la bielle. Le pied de bielle relie le piston par l'intermédiaire de l'axe de piston.

Que se passe-t-il lorsqu'une bielle tombe en panne ?

Une bielle défectueuse se manifeste par des cognements, un faible rendement et des bruits de roulement. Elle doit être remplacée après cela, sinon le moteur risque de compromettre ses performances, voire de tomber en panne. 

Combien coûte le remplacement d'une bielle ?

Le coût de remplacement d'une bielle dépend de facteurs tels que la taille, la fonction et le type de moteur. Pour les moteurs de moto, le coût peut varier de 50 $ à 300 $, tandis que pour les moteurs de poids lourds, il peut atteindre plus de 2000 XNUMX $. 

La bielle et la tige de piston sont-elles la même chose ?

Bien que ces deux termes soient utilisés de manière interchangeable dans les derniers moteurs à combustion interne, la tige de piston est explicitement mentionnée plus souvent dans les moteurs à vapeur, les compresseurs et les cylindres hydrauliques. 

Lisez aussi:
Qu'est-ce qu'un arbre à cames : la clé du succès des moteurs et de l'industrie