E 3.2 D'ou viennent les vibrations ?

Du moteur. Ces vibrations peuvent venir des mouvements de différentes pièces.

Mouvements rotatifs : Le vilebrequin tourne autour de son axe principal, mais n’est pas une pièce de révolution. Les manetons par exemple, qui sont les axes d'attache des bielles, sont excentrés par rapport à l'axe de rotation du vilebrequin. Ces excentriques, ou balourds, déplacent le centre de gravité (g1 déplacé en g2) qui n’est alors plus sur l’axe de rotation. C’est cette distance (d) entre le centre de gravité et l’axe de rotation du vilebrequin qui crée les forces et les couples responsables des vibrations. Elles sont accentuées si la distance est grande, si le vilebrequin est lourd et si la vitesse de rotation est élevée.

Mouvement de translation : Le piston suit un mouvement de va-et-vient, ce qui veut dire en partant du point mort bas : accélération du piston dans son mouvement vers le haut jusqu’à la vitesse maximum puis décélération jusqu’au point mort haut (vitesse nulle), réaccélération dans le mouvement opposé jusqu’à vitesse maximum puis décélération jusqu’au point mort bas (vitesse nulle), et ainsi de suite. L’inertie du piston (et des masses attachées) qui accélère et décélère dans un sens et dans l’autre crée des efforts responsables de vibrations. Elles sont accentuées si le piston et sa masse attachée sont lourds et si la vitesse moteur est élevée. De même lors de ce mouvement de translation, la bielle pousse le piston latéralement contre le cylindre. L’intensité de cette force (A) varie avec la position de la bielle pendant un tour de rotation. Le point d’application de cette force monte et descend le long du cylindre avec le piston.

En rouge : variation de l'intensité des frottements du piston sur le cylindre En Bleu : Point d'application de la Force A En vert : Variation de l'intensité de la Force A

Les vibrations sont donc générées par toutes ces forces dont l’intensité, la direction et le point d’application varient à une vitesse très élevée. Lorsqu’un moteur de moto tourne à 15000 tr/min (soit 250 tr/sec), on imagine aisement l’énorme impact de ces forces.

E 3.3 Pourquoi les vibrations sont néfaste ?  

Un matériau soumis aux vibrations, surtout si elles sont intenses, se fatiguera beaucoup plus vite et sa durée de vie sera réduite. Elles sont souvent à l’origine de craquelures qui se propagent ensuite et créent de vrais points fragiles.

De plus, tout système possède une fréquence propre. Cela signifie que si ce système est soumis à une fréquence particulière, son amplitude va augmenter et peut mener si elle est entretenue jusqu’à la casse d’un des éléments. Cette fréquence propre est à éviter.
C’est pourquoi lorsqu’on concoit une moto de compétition par exemple, il faut éviter que les vibrations du moteur quand celui-ci tourne à fond soient à la fréquence propre de ce moteur. Autrement quand le pilote met les gaz à fond sur une longue ligne droite, il risquerait tout simplement de la casser avec les conséquences que ca implique. On essaye généralement que la fréquence propre du moteur soit théoriquement à un régime moteur supérieur à la zone rouge. Une autre alternative est de la localiser à un régime moteur transitoire ou le pilote ne reste jamais longtemps, et donc les vibrations n’ont pas le temps d’amplifier.

Une anecdote en construction automobile sur ce sujet :
La banquette arrière d’une voiture est montée sur ressorts pour le confort des passagers. Or la plupart des passagers arrières d’une même marque de voiture avaient mal au coeur et tombaient malades. Les ingénieurs qui ont travaillé à la conception de ce véhicule ont poussé l’étude et il s’est avéré que la fréquence de vibration de la banquette arrière quand la voiture roulait a environ 80 km/h était la fréquence propre de l’estomac humain, qui se trouvait donc soumis à de fortes amplitudes vibratoires, d’ou le malaise des passagers.

 

E 3.4 Comment limiter les vibrations ?

On parle alors d’équilibrage. C’est possible pour certaines vibrations mais pas pour toutes. C’est pourquoi elles sont toujours la quand on démarre un véhicule, aussi minimes soient-elles. Selon l’architecture moteur (nombre de cylindres et leurs positions relatives, angle entre les manetons,…), il sera plus ou moins facile de les équilibrer. Parfois les vibrations générées par un piston équilibrent celles générées par un autre piston.

Pour comprendre pourquoi on ne peut jamais équilibrer parfaitement un moteur tel que celui de votre voiture/moto, il faut comprendre ce qu’est l’ordre de vibration.

L’ORDRE DE VIBRATION

A chaque cycle moteur (2 tours pour un 4-temps, un seul pour un 2-temps), toutes les pièces moteur reproduisent le meme mouvement, produisent les meme forces et donc les vibrations se répètent également, ceci pour un régime moteur stable. Mais au sein d’un même cycle, les vibrations ont une amplitude très variable, comme déja expliqué. Si on trace l’amplitude des forces vibratoires dans une direction donnée en fonction du temps sur un cycle, on obtient une courbe plus ou moins complèxe. Cette complèxite se retrouve aussi mathématiquement.

C’est un peu comme une couleur qui se compose d’une couleur majoritaire (vibration d’ordre1) mélangée à un peu d’autres couleurs (vibrations d’ordre n, n entier positif). La vibration d’ordre 1 est la plus importante (de grande amplitude) et la plus simple à équilibrer. Les ordres supérieurs sont d’amplitude plus faible mais plus difficiles à équilibrer. Au même titre qu’il est facile d’identifier la couleur principale mais plus dur de trouver quelles sont les autres couleurs ajoutées.

Un ingenieur va donc s’occuper prioritairement des vibrations d’ordre 1, les plus néfastes.