Plan croisé - Crossplane

Le crossplane ou cross-plane est une conception de vilebrequin pour moteurs à pistons avec un angle de 90° (phase de rotation de manivelle) entre les coups de manivelle. Le vilebrequin à plan croisé est la configuration la plus populaire utilisée dans les voitures de route V8.

Outre le V8 déjà mentionné, d'autres exemples de configurations utilisant de telles phases de piston à 90° incluent les moteurs droits-2 , droits-4 , V2 et V4 .

Les vilebrequins à plan croisé pourraient être utilisés avec un grand nombre d'autres configurations de cylindres, mais les avantages et les inconvénients décrits ci-dessous peuvent ne pas s'appliquer à tout ou partie d'entre eux et doivent être considérés au cas par cas.

Modèle 3D d'un vilebrequin à plan croisé démontrant l'angle de 90 degrés entre les coups de manivelle.

Vilebrequin Crossplane V8

Vilebrequin Ford V8

Concevoir

Le vilebrequin à plan transversal le plus courant pour un moteur V8 à 90° comporte quatre manetons , chacun desservant deux cylindres sur des rives opposées, décalés à 90° des manetons adjacents. Le premier et le dernier des quatre manetons sont à 180° l'un par rapport à l'autre comme le sont le deuxième et le troisième, avec chaque paire à 90° l'un de l'autre, de sorte que vu de l'extrémité le vilebrequin forme une croix.

Les manetons sont donc dans deux plans croisés à 90°, d'où le nom de crossplane . Un vilebrequin V8 crossplane peut avoir jusqu'à neuf paliers principaux dans le cas d'une conception à huit tours, et a généralement cinq paliers supportant quatre tours chacun avec un maneton commun.

La conception à plan croisé a été proposée pour la première fois en 1915 et développée par Cadillac et Peerless , qui ont tous deux produit des V8 à plan plat avant d'introduire la conception à plan croisé . Cadillac a introduit le premier crossplane en 1923, suivi par Peerless en 1924.

Équilibre et douceur

Toute la motivation pour le développement du crossplane V8 était d'améliorer la sensation bourdonnante de la conception de l'avion plat. Étant donné que quatre pistons s'arrêtent et démarrent ensemble dans le même plan sur les deux rives, les forces de second ordre inhérentes à la conception du plan plat s'accumulent et deviennent perceptibles dans les moteurs de grande cylindrée. Chaque banque du moteur crossplane a quatre phases de piston distinctes qui annulent entièrement les forces libres de second ordre, il n'y a donc pas de vibration de ce type, à moins de variations dans les poids alternatifs dues aux méthodes de production.

Cependant, la disposition à 180 ° des tours de manivelle d'extrémité et du milieu entraîne un couple de basculement primaire (vitesse de manivelle), qui heureusement dans le cas en V à 90 ° peut facilement être contré en pondérant le vilebrequin de manière appropriée, un peu comme un V-Twin. D'autres angles en V nécessitent généralement un arbre d'équilibrage pour garder les choses aussi lisses.

En raison des contrepoids lourds à chaque tour de manivelle, la plupart des V8 à plan croisé ont des vilebrequins très lourds, ce qui signifie qu'ils ne tournent pas aussi librement en régime que leurs homologues à plan plat. Les premiers Chrysler Hemi V8 avaient des contrepoids lourds, mais les deux positions centrales des deux côtés du palier principal central (le troisième des 5 principaux) n'avaient pas de contrepoids. Parce que ces positions sont situées près du centre du moteur, elles contribuent moins à contrer les mouvements de bascule - d'où l'utilisation de masselottes externes (par exemple dans la poulie de nez de manivelle), qui nécessite moins de masse supplémentaire pour le même effet d'équilibrage.

Malheureusement, le tir inégal dans chaque banque (voir ci-dessous), ainsi que les phases de piston à 90 ° elles-mêmes, contribuent à la torsion dans le vilebrequin qui peut être perceptible - c'est pour cette raison que les V8 crossplane ont des amortisseurs de masse adaptés. , à nouveau généralement sur l'extrémité libre du vilebrequin. Coventry Climax a découvert qu'un moteur plat à course suffisamment courte était plus doux et plus puissant à un régime plus élevé, probablement en partie à cause d'une absence relative de ces vibrations de torsion, et est passé à cette conception avec leur Mk.III FWMV en 1963. BRM a fait le même commutateur à peu près au même moment, et cela s'est reporté sur leur voiture P261 F1 de 1964 .

Intervalles de tir

Les moteurs V8 crossplane à quatre temps ont même des intervalles d'allumage de 90 degrés, mais des schémas d'allumage inégalement espacés dans chaque rangée de cylindres .

L'ordre d'allumage sur la L auche et les banques de droite sont en général L R LL R L RR ou R L RR L R LL , chaque « L » ou « R » allumage étant séparé par rotation de la manivelle 90 ° pour un total de 720 ° pour huit allumages. Comme on peut le voir en comptant quatre caractères à droite de chaque 'L' ou 'R' (4 x 90° = 360°), les cylindres qui s'allument (et donc s'épuisent) à une différence de phase de 360° résident dans des rangées opposées dans un crossplane V8.

Les intervalles réels dans chaque banque sont de 180-90-180-270 degrés de vilebrequin, dans divers ordres selon le moteur, et généralement pas dans le même ordre dans chaque banque. Les combinaisons exactes dépendent de la "maniabilité" du vilebrequin, du sens de rotation et de la paire de 360° qui est allumée en premier dans l'ordre.

1963 BRM P578 avec cheminées d'échappement individuelles.
Il s'agit d'une version de rue moderne et moins serpentine de l'échappement crossover d'une Ford GT40.

Sonner

Le "burble" caractéristique d'un V8 crossplane provient de la conception du collecteur d' échappement , qui fusionne généralement les quatre orifices d'échappement de chaque rangée de quatre cylindres en une seule sortie pour plus de commodité. Cela accentue le modèle décrit ci-dessus, parfois décrit comme « pomme de terre-pomme de terre », imitant l'intervalle séquentiel alterné et l'écart plus long.

L'ordre d'allumage spécifique du moteur et la configuration de l'échappement peuvent entraîner des variations subtiles qui peuvent ou non être perceptibles par les passionnés.

D'autres sons sont possibles en regroupant soigneusement les impulsions d'échappement, mais les exigences d'emballage (espace) rendent généralement cela impossible dans les machines de route.

Un moteur NASCAR V8 avec échappement Tri-Y

Réglage

Rappelez-vous que même les paires de tir sont disposées dans des rives opposées, de longs tuyaux d' échappement de même longueur sont donc nécessaires pour fusionner ces paires et obtenir un balayage uniforme.

L'un des premiers exemples d'un tel échappement réglé pour un V8 crossplane était celui qui équipait les moteurs Coventry Climax FWMV Mk.I et Mk.II de 1,5 litre au début des années 1960 - ceux-ci étaient connus pour entraver l'entretien du moteur lui-même. , toutefois.

De nombreux moteurs V8 crossplane de course (comme le V8 Ford 4.2L DOHC pour les courses Indy) avaient des orifices d'échappement à l'intérieur de l'angle en V pour raccourcir ces longueurs de tuyau d'échappement et faciliter les fusions sans causer de problèmes d'emballage. La Ford GT40 a rendu célèbre le concept des V8 de production avec un arrangement élaboré de longs tuyaux d'échappement surnommés "Bundle of Snakes". De tels systèmes sont aussi parfois appelés « en-têtes à 180 degrés », faisant référence aux intervalles de 180 ° collectés dans chaque branche, similaire à un V8 à plat.

Auparavant, des "tuyaux de cheminée" individuels droits étaient parfois utilisés (par exemple BRM) pour éviter l'impact négatif des interférences d'impulsions d'échappement inégales sur le balayage, au prix de ne pas bénéficier des effets d'extraction positifs de la fusion, comme ci-dessus. Même par la suite, à de nombreuses reprises, le déficit de performance a été accepté et des systèmes 4 en 1 ordinaires par banque ont été utilisés pour plus de commodité. Une partie de l'écart peut être comblé par des échappements 4-en-2-en-1 orientés performances, ou "Tri-Y", par exemple ceux utilisés dans les Supercars NASCAR et V8.

Vilebrequin à quatre plans croisés en ligne

L'orientation de la manivelle est haut-gauche-droite-bas dans ce dessin contrairement au plan haut-bas-bas-haut

Contrairement à un V8, la disposition transversale des moteurs à quatre cylindres en ligne entraîne un schéma de tir inégalement réparti, de sorte que l'utilisation a tendance à être limitée aux moteurs à très haut régime. Dans de tels moteurs, l'avantage d'un moindre déséquilibre secondaire l'emporte sur l'inconvénient de l'intervalle d'allumage irrégulier. Cette conception, n'ayant pas de pistons disposés à 90° les uns des autres dans des rangées séparées, nécessite un arbre d'équilibrage pour contrer les inconvénients des vibrations de bascule résultant des déséquilibres plans sur la masse alternative et la masse tournante. Veuillez consulter l' article sur l' équilibrage du moteur pour plus de détails.

2009+ Yamaha YZF-R1

La moto Yamaha YZF-R1 2009 utilise un vilebrequin à plan croisé, utilisant un arbre d'équilibrage à vilebrequin pour contrer la vibration de basculement inhérente (couple de basculement principal) décrite ci-dessus.

Cela a été inspiré par les modèles de course Yamaha M1 MotoGP , qui continuent à utiliser des manivelles crossplane à ce jour en raison de leur avantage de couple d'inertie significatif au fonctionnement à régime extrêmement élevé que ces moteurs voient. Yamaha affirme que les progrès des technologies de forgeage des métaux en ont fait une sportive de production pratique.

Moteur URS

Le soi-disant moteur quatre cylindres en ligne Fath- Kuhn, utilisé pour le succès relatif dans les courses de motos et de side-cars à partir de 1968 par l'équipe de course privée URS, était également de type crossplane. C'était une configuration différente de celle normalement utilisée dans un V8 ou même dans la Yamaha ci-dessus, avec deux des lancers échangés - c'est-à-dire que les lancers peuvent être décrits comme étant à des angles absolus de 0, 90, 180 et 270 degrés, par rapport aux 0, 90, 270, 180 plus habituels. Cela se traduit par un couple de bascule primaire légèrement réduit, mais introduit des couples d'ordre supérieur de magnitude beaucoup plus faible.

La disposition différente a été principalement choisie pour réduire l'impact de la torsion inertielle inhérente aux coups de manivelle espacés de 90 ° en raison de l'accélération des pistons (mouvement start-stop), étant donné que ce moteur était censé être à régime élevé et que les forces d'inertie le carré du régime moteur. La réduction de la torsion a été obtenue en divisant la manivelle en deux parties distinctes, reliées ensemble, à partir de leurs points médians respectifs, via un contre-arbre, à partir duquel la puissance était fournie à la boîte de vitesses.

Il est probable que cette torsion inertielle dans la manivelle soit la raison pour laquelle Yamaha cite les améliorations de forgeage de manivelle comme raison pour laquelle la manivelle à plan croisé est viable dans un vélo de route. C'est moins problématique dans le V8 car chaque course est partagée par deux pistons déjà décalés de 90°.

Intervalles de tir

Les vilebrequins à plan croisé utilisés dans un moteur à quatre temps et quatre cylindres entraînent un allumage inégal, car la séparation naturelle des événements d'allumage est (720°/4 =) 180° dans un tel moteur (d'où la popularité du vilebrequin plat à 180° ). Les intervalles de tir (l'espace entre les événements d'allumage) pour les moteurs crossplane R1 et URS sont de 90-180-270-180 (degrés de manivelle), mais d'autres intervalles sont possibles, notamment ceux dus aux ordres de tir dits big-bang . Le tir inégal est la cause du son distinctif de cette configuration, qui est superficiellement une combinaison du 270-450 (90° V-Twin), 180-540 (180° straight twin) et 90-630 (" twingled " V -Twin) intervalles, l'intervalle dominant étant perceptuellement celui de 270°.

La séparation de la portée de 90 ° ferait de la manivelle à plan croisé un choix naturel pour un quatre cylindres en ligne à deux temps, offrant les avantages d'un tir uniformément espacé et de moins de vibrations secondaires lorsque les vibrations de bascule accrues sont contrecarrées par un arbre d'équilibrage à vitesse de manivelle.

Manivelles jumelées droites

Les moteurs de motos jumelés droits (alias "jumeau parallèle" et "jumeau vertical") étaient historiquement de deux types, dont aucun n'était "plan croisé": manivelles à 360 ° avec leurs pistons se déplaçant en tandem, ou manivelles à 180 ° avec leurs pistons se déplaçant en phase opposée.

À partir de la Triumph Speed ​​Twin d' Edward Turner , la plupart des roadsters anglais classiques à 4 temps (Triumph, BSA, Norton, Royal Enfield, etc.) utilisaient les manivelles à 360° ; mais dans les années 1960, Honda a adopté les manivelles à 180° pour ses bicylindres parallèles OHC à 4 temps, tels que les 450cc "Black Bomber" et CB500T. Sur un vélo de petite cylindrée, le couple de basculement était acceptable sans arbre d'équilibrage, en particulier par rapport à un jumeau à 360 ° de taille similaire sans arbre d'équilibrage. Le 400cc Dream/Hawk CB250/400T a remplacé le 4 cylindres CB400F, et pour obtenir un fonctionnement plus doux, il avait un jumeau à 360 ° avec un arbre d'équilibrage - le tir régulier de la manivelle à 360 ° est nettement plus fluide que la manivelle à 180 ° inégale.

En 1995, Yamaha a installé un vilebrequin à 270° sur son TRX850 et en 1996 sur le TDM850 MK2, ainsi qu'un arbre d'équilibrage pour contrer la combinaison résultante de forces libres et de couples oscillants. La manivelle 270° a des forces libres plus petites que la manivelle 360° (mais beaucoup plus grande que la manivelle 180°) et des couples de basculement plus petits que la manivelle 180° (la manivelle 360° n'a pas un tel couple). Alors que le tir était aussi inégal qu'un V-Twin à 90°, la manivelle à 270° n'était pas aussi inégale que celle à 180°. La configuration 270° représente un compromis réussi et a été adoptée pour les Honda NC700 et Africa Twin 2016 , les Scrambler et Thunderbird cruiser de Hinckley Triumph , les MT-07 / FZ-07 de Yamaha et bien d'autres.

Certains ingénieurs de personnalisation ont modifié les motos bicylindres parallèles britanniques et Yamaha XS 650 pour en faire des moteurs à 277°, proches des vilebrequins à plans croisés (alias vilebrequin décalé ou vilebrequin rephasé ) avec succès en réduisant les vibrations des bicylindres verticaux à 360 °. De tels moteurs modifiés n'ont pas reçu de systèmes d'équilibrage supplémentaires, mais ils peuvent avoir des volants d'inertie plus légers car les pistons ne sont jamais simultanément stationnaires, de sorte que l'élan de rotation n'a pas besoin d'être autant stocké pour compenser, il est simplement transféré entre les pistons directement (par le vilebrequin). Ceci est apparemment inspiré par les travaux antérieurs de Phil Irving .

Il s'agit d'un principe similaire à celui des moteurs à quatre cylindres crossplane de Yamaha, où les deux cylindres supplémentaires expliquent la non-symétrie du mouvement du piston dans les moitiés supérieure et inférieure de leurs courses, ce qui réduit davantage le couple d'inertie causé par les changements de moment de rotation.

Sur les moteurs bicylindres parallèles à 2 temps , la configuration à manivelle à 180 ° a été presque universellement adoptée, donnant deux temps de puissance à chaque tour. Les exemples incluent des vélos de très grande capacité tels que le 598cc Scott Squirrel ou le 498cc Suzuki T500 . Deux exceptions avec des vilebrequins à 360° sont le Yankee et l'édition militaire du Jawa 350 .

Voir également

Les références

Liens externes