Après avoir illustré la structure de la douille (ici la première partie), je m’attarde en particulier sur un événement critique qui se produit dans ce type d’accouplements lubrifiés lorsque des conditions de lubrification inadaptées sont créées. Or les conditions de fonctionnement, les forces en action et les vitesses de rotation sont très élevées et non prévues a priori pour le dimensionnement des douilles. Cet événement ou dysfonctionnement est appelé : cavitation.
La criticité des douilles
D’une manière générale et aussi dans mon expérience de concepteur de moteurs de course avec des vitesses moyennes de piston élevées (supérieures à 24 m/sec et jusqu’à 27 m/sec), les bagues les plus délicates et critiques dans leur fonctionnement sont celles du maneton. ou simplement appeler les coussinets de bielle (montés dans les roulements de tête de bielle, en anglais big end bearings). Pour assurer une lubrification constante des coussinets de bielle, dans toutes les conditions de fonctionnement, démarrage, RPM minimum (tours moteur) et RPM maximum, la pression de refoulement de la pompe à huile doit être supérieure à la somme des pertes de charge (comprises comme pression) prévues dans le moteur.
Force centrifuge
En plus de ces pertes, il faut tenir compte du fait que la force centrifuge agit comme une perte de charge importante surtout à haut régime et donc à haute vitesse moyenne des pistons. En effet, lorsque l’alimentation en huile des bielles s’effectue par le diamètre du tourillon principal, on peut se retrouver dans des conditions de pression proche de zéro “0” ou très faible au centre du vilebrequin du fait d’avoir surmonté le force centrifuge qu’il agit sur l’huile le long du canal à l’intérieur de ce maneton de vilebrequin. Même si la pression en question est évaluée comme positive, il faut toujours tenir compte d’effets tels que le Ra du canal d’huile, la présence d’imperfections d’usinage dans l’alésage, le désalignement du palier principal et de son canal circonférentiel par rapport au trou dans l’arbre et toutes les conditions thermiques pouvant entraîner une aggravation des jeux de fonctionnement qui augmentent certainement à la température de fonctionnement.
Fluide Neutronien
De plus, dans les simulations de calcul, l’huile est considérée comme un fluide newtonien, non compressible, de structure homogène et sans impuretés dues aux résidus d’usure des métaux, appelé “débris“. De plus, les résidus de combustion tels que les gaz imbrûlés, la présence de pourcentages d’essence imbrûlée et de tout résidu à base d’eau, peuvent réduire considérablement les caractéristiques de lubrification de l’huile. Même la présence de bulles d’air peut faire chuter localement la densité de l’huile dans les raccords concernés, aggravant les conditions aux limites dans le conduit d’huile que l’on estime lorsque le calcul est intact et régulier sur la largeur de la traversée.
La température de l’huile
Lorsque la température à l’intérieur du carter ou du réservoir d’huile, d’où la pompe aspire, dépasse 100 ° C, le faible pourcentage d’eau dans l’huile s’évapore, libérant de l’oxygène qui, s’il n’est pas séparé avec des séparateurs huile / air appropriés tels que des centrifugeuses ou des dispositifs mécaniques similaires instruments, il atteint les douilles réduisant la capacité portante du méat. Il y aura ensuite des phases de contact entre métal et overlay (troisième couche indiquée ci-dessus) avec usure et laminage métallique. De l’air peut également être présent par manque de « tirage » lorsque les accélérations du véhicule provoquent un déplacement désordonné de la masse d’huile dans le carter et que la zone d’aspiration de la pompe est découverte.
Cavitation
Comme on le sait, l’épaisseur du film d’huile et donc la répartition de la pression est également générée par l’effet de pompage dû à la rotation excentrée du tourillon principal ou manivelle à l’intérieur de la douille. Il est donc immédiat de penser qu’il existe une zone de haute pression et une zone de basse pression. Dans la zone divergente, la pression chute rapidement et, si cette variation est très brutale, elle provoque la dissolution de l’essence ou de l’huile. La pression dans le méat va dépasser la pression de saturation et on va avoir le phénomène appelé : cavitation.
Pourquoi la cavitation se produit
Deux phénomènes conduisant à la cavitation ont donc été présentés. Le premier est lié à l’air ou aux gaz (résidus de combustion) présents dans l’huile déjà présente dans le puisard ou dans le réservoir d’aspiration. Ce type de cavitation est moins problématique pour les coussinets car une partie des gaz présents dans l’huile est éliminée lorsque la pompe, en comprimant le mélange d’huile, (ainsi appelée parce que non seulement l’huile de densité nominale atteint la pompe) élimine une partie de excès de mélange dans la vanne de recirculation de pression. En moyenne, la recirculation est de 20% – 30% par rapport au débit d’aspiration.
Vaporisation
Le second est lié à un phénomène de fonctionnement et dans le détail est lié à la vaporisation. Étant un phénomène qui fait passer l’état physique du fluide de liquide à gazeux et vice versa, il est certainement plus dangereux et crée des dommages mécaniques importants, en particulier dans un accouplement tel que celui du maneton dans lequel les forces changent considérablement liées aux charges de combustion et d’inertie. A haut régime, comme ceux des moteurs de course, la fréquence à laquelle ce changement de phase se produit est très élevée et la durée si courte que la pression dans l’huile chute rapidement et que l’essence dissoute peut s’évaporer rapidement. Au fur et à mesure que la pression augmente à nouveau, les bulles causées par l’évaporation vont s’effondrer et vous reviendrez à l’étape initiale. Cette nature cyclique se traduit par une fatigue par usure des surfaces d’appui.
La difficulté de la simulation
Les anomalies sur les coussinets de bielle sont l’un des sujets les plus difficiles à simuler dans leur fonctionnement et aussi à traduire en actions de conception. En effet, souvent lorsqu’il y a une anomalie importante, les coussinets usés sont très abîmés et difficiles à analyser. Cependant, il existe des méthodes de comparaison que les fabricants de coussinets fournissent aux concepteurs et expérimentateurs de moteurs, afin de remettre en cause la vision d’un effet ou d’un endommagement sur ces composants.
La première partie de la leçon est publiée ici
