Ainsi, l’énergie thermique dégagée par combustion est convertie en l’énergie mécanique nécessaire pour que le véhicule fonctionne.
Les gaz brûlés sont ensuite expulsés via la sortie d’échappement. Ces gaz d’échappement sont à l’origine de la grande pollution des zones urbaines, raison pour laquelle les constructeurs automobiles cherchent à développer de nouvelles alternatives, notamment électriques et hybrides.
Mais c’est également l’assemblage d’environ ~ 230 pièces mécaniques provenant de process différents : fonderie, forge, fritté, formage réalisé avec des matériaux différents : aluminium, fonte, acier, plastique, métallurgie des poudres, tuyau en acier ou autre matériau, maillons assemblés et encore quelques spécificités.
En interne on parle ou parlait très souvent des 5C, pièces usinées en interne puis assemblées :
- Carter-cylindres, culasse, vilebrequin, arbre à cames, bielle.
Le carter cylindres peut être réalisé en fonderie de fonte mais cela tend à disparaître. Ce matériau garanti une meilleure tenue à haute température. Les carters des moteurs à essence sont réalisés en aluminium et en fonderie sous pression. Il faut également dire qu’il y a également une notion de référence pour chaque constructeur.
Ils sont réalisés en fonte à graphite lamellaire quelquefois vermiculaire dont une des caractéristiques importante sera l’usinabilité.
Un carter-cylindres peut être « jupé ou non jupé » cela dépend de sa géométrie. S’il est jupé sa hauteur dépassera le plan de l’axe vilebrequin (ex Moteur F) et par conséquent il n’y aura pas besoin d’avoir de carter chapeau entre celui-ci et le carter d’huile, s’il est non jupé, sa hauteur s’arrêtera au plan de l’axe vilebrequin (ex Moteur G) et il y aura un carter chapeau entre les deux afin de rigidifier l’ensemble.
En fonderie de fonte un carter cylindres nécessite un noyautage massif très important, très souvent il y aura entre dix et douze noyaux réalisés en procédé « Ashland » et dont près des deux tiers seront très massifs.
Le moulage est réalisé sur machine à mouler horizontale à deux ou quatre carters par moule ou bien sur machine à joint horizontal limitant à un carter la possibilité d’obtention.
Je pourrai ajouter que l’une des difficultés est le niveau de circularité entre la partie fût des noyaux de corps et la chambre d’eau : il s’agit de garantir une épaisseur de matière avec le moins possible d’écart d’épaisseur matière.
Autre difficulté la géométrie des chambres de bielles garantissant le passage de l’attelage mobile : là également il s’agit d’une contrainte dimensionnelle élevée compte tenu de l’empilage de noyaux.
Les carters cylindres réalisés en aluminium sont produits en sous-pression : compte tenu les dimensions cela nécessite d’avoir des presses très importantes, une pièce pouvant peser ~ 30 kg. Le moule est la pièce maîtresse pour l’obtention de ce type de produit . C’est un ensemble très complexe dans sa conception et dans sa réalisation. Là également le seuil de fuite acceptée sera très bas. Le montage du moule sur la presse est une opération très lourde nécessitant un temps assez long ce pour une période de production longue.
Les culasses sont exclusivement fabriquées en aluminium et quelquefois en aluminium de première fusion, par le passé certaines culasses étaient réalisées en fonte.
Certaines sont ouverts et d’autre pas, mais elles nécessitent toutes un noyautage très délicat pour la circulation d’huile et la circulation d’eau, noyaux en véritable dentelle. En principe les culasses ont besoin de cinq à sept noyaux pour être produites.
Les culasses sont coulées en gravité dans des moules métalliques ou bien en basse pression afin de ne pas dégrader les noyaux.
Au fil des années carters cylindres et culasses sont devenus des pièces très exigeantes dimensionnellement, métallurgiquement avec une demande qualité très élevée : le nombre de ppm accepté s’est très considérablement réduit.
Concernant les vilebrequins il y eut pendant très longtemps cette distinction : moteur diesel en acier forgé et moteur à essence en fonte moulée. Dans ce dernier cas plusieurs process étaient aptes à produire : moulage à vert, carapaces « croning », depuis quelques années une large majorité est réalisée en acier donc forgé.
En fonderie ils peuvent être produit par quatre, six ou huit alors qu’en forge je pense qu’ils ne sortent que par deux ou trois (à confirmer)
Les arbres à cames sont souvent réalisés en moulage à vert : cette petite pièce est d’une difficulté à ne pas sous-estimer car elle présente une spécificité particulière : la dureté des têtes de cames est différente de celle du corps de la pièce ce qui amène à avoir un process très adapté pour satisfaire cette demande.
Ils peuvent être produit en moulage à vert intégrant dans les moules des refroidisseurs afin d’obtenir sur la pièce les écarts de dureté attendus.
Depuis un certain nombre d’années montons également une majorité d’arbres assemblés : tube + came forgée selon un brevet Thorington
Les bielles sont quasiment toujours réalisées en acier forgé, aujourd’hui on parle de bielles sécables c’est-à-dire que l’on forge l’ensemble bielle et tête et que l’on sépare l’ensemble par cassage. Toutefois l’ensemble est bien sûr repéré pour être réassemblé après usinage.
Le moteur D à bénéficié d’une bielle moulée, néanmoins les exigences produit nécessitaient un poste de contrôles final assez complexe.
L’ensemble vilebrequin-bielle-piston est ce que l’on nomme l’attelage mobile.
De mémoire le vilebrequin est une pièce équilibrée après usinage, alors que les bielles sont rangées par classe de poids, ceci afin d’obtenir le meilleur équilibrage possible de l’attelage. Je pense que les pistons nécessitent également un tri spécifique pour apporter sa contribution à la spécificité de l’ensemble.
Lorsque l’on conçoit un moteur, on part des caractéristiques souhaitées, cylindrée, puissance, taux de compression . . . ce qui amène à le concevoir du centre vers l’extérieur de façon à intégrer l’attelage mobile, garantir un volume d’huile suffisant, le volume ce circulation d’eau adaptée à son refroidissement mais également à respecter un dimensionnement extérieur permettant de le mettre en place dans l’habitacle sous capot.
Pour la petite histoire lors de la conception d’un moteur, une équipe des méthodes centrales forge ou fonderie était détachée au bureau d’études afin d’intégrer les spécificités de chaque métier dans les pièces à obtenir par la suite.
A cela viendra s’ajouter dans certain cas un carter chapeau qui sera la demi partie inférieur du carter cylindres. Il peut être réalisé en fonte ou aluminium dans un souci de limiter le poids du groupe motopropulseur. Lui aussi sera une pièce très noyautée.
L’ensemble inférieur sera fermé par un carter d’huile réalisé en aluminium sous pression voir en plastique chez certains constructeurs.
Dans tout cet assemblage une exigence qualité importante : dimensionnellement, métallurgiquement avec peut-être deux voir trois facettes pour garantir les caractéristiques mécaniques mais également l’usinabilité ainsi que la santé matière. Cette dernière sera l’assurance qu’un moteur ne présente pas de fuites.
Autre organe devenu un incontournable des moteurs actuels : le turbocompresseur appelé turbo.
Le turbocompresseur augmente les performances de la combustion interne du moteur. En effet, le moteur tient sa puissance de la combustion entre un mélange d’air et de carburant. Plus le moteur est alimenté par ce mélange, plus il gagne en puissance. Pour augmenter la capacité volumique du moteur, le volume des cylindres est souvent augmenté ou un cylindre supplémentaire est ajouté. On obtient le même résultat en injectant davantage d’air dans les cylindres. C’est le rôle du turbocompresseur.
Plusieurs pièces de fonderie le constituent, chacune avec des exigences métallurgiques et dimensionnelles élevées.
Carter de compresseur, carter d’échappement, roues de turbines en matériaux spécifiques, carter central entre les deux morceaux.
Schéma de principe d’un turbo
Turbo et collecteur d’échappement
On trouve également d’autres pièces de fonderie sur les moteurs comme les collecteurs d’échappement souvent en fonte alliée voir très alliée comme une Ni-Résist et quelquefois même en acier afin de résister à de très hautes températures.
Un autre type de collecteur vient s’ajouter c’est le collecteur d’admission devenu depuis quelques années un répartiteur d’admission. Il est généralement en aluminium souvent sous-pression.
Pour les moteurs je pourrai ajouter l’existence de cassettes d’arbres d’équilibrage se fixant dans la partie inférieur du moteur et dont le rôle est de minimiser les vibrations lors du fonctionnement.
Dans ceux que nous avons étudié et très peu monté, il y avait un petit carter en fonte noyauté ou en aluminium pour la circulation d’huile et recevant un assemblage arbre piston le tout entraîné par un pignon denté fixé sur le vilebrequin. Néanmoins dans un souci d’économie nous avons très vite abandonné cet organe que l’on doit rouver en série chez d’autres.
Pour ce qu’il s’agit des boîtes de vitesses :
Concernant les boîtes mécaniques nous avons deux gros carters, embrayage et mécanisme, qui viennent enfermés tout le système arbre – pignons – baladeurs et tringlerie. Ils sont en aluminium obtenus en fonderie sous pression. Là également ce sont des pièces exigeantes en termes de respect du niveau de fuite.
Les boîtes automatiques étant achetées je ne développerai pas ce que je connais très peu, ce que je peux malgré tout commenter c’est qu’il s’agit d’un produit lui aussi exigeant en terme de qualité.
Je terminerai ce tour d’horizon par une fonction le boitier de différentiel :
Le différentiel permet aux roues motrices de tourner à des vitesses différentes l’une par rapport à l’autre. … Cette roue extérieure doit donc pouvoir tourner plus vite que la roue intérieure. Le différentiel est enfermé dans un boîtier boulonné sur la grande couronne.
Globalement deux process utilisés : forge pour les planétaires et les satellites et fonderie pour le boitier réalisé en fonte GS.
Une couronne de pont forgée sera boulonnée ou frettée sur le diamètre extérieur du boitier de différentiel.
