Le vilebrequin est un dispositif mécanique qui permet, par l’intermédiaire d'une bielle, la transformation d'un mouvement rectiligne alternatif en un mouvement de rotation continu, ou inversement.
Avant l'apparition des moteurs à piston, le vilebrequin est utilisé dans des scieries à vent ou à eau pour transformer la rotation de l'élément moteur en mouvement rectiligne appliqué à des lames de scie.
La plupart des moteurs thermiques à piston, quant à eux, sont équipés d'un vilebrequin qui est mis en rotation par le mouvement alternatif des pistons. Dans un tel moteur, le vilebrequin constitue l'arbre moteur : il est l'élément principal du système bielle-manivelle et entraîne la transmission primaire mais aussi d'autres mécanismes fonctionnels : alternateur, pompe à eau et à huile, distribution, arbres à cames, etc.
Les premiers vilebrequins : les moulins à scier vignette|Scierie de Hiérapolis, la plus ancienne machine connue utilisant un système de bielles et vilebrequin.Les moulins à eau, connus depuis le 1er siècle avant notre ère, comme ceux à vent, connus depuis au moins le , sont des moteurs entraînant la rotation d'un axe. Il semble que, dès le de notre ère, un moulin à eau romain, la scierie de Hiérapolis, ait utilisé un système de bielles et manivelles, ancêtre du vilebrequin, pour transformer ce mouvement rotatif en mouvement linéaire alternatif actionnant des lames de scie. Plusieurs ouvrages ultérieurs mentionnent des mécanismes s'apparentant au vilebrequin comme le "Livre de la connaissance des procédés mécaniques" au . À la fin du , le néerlandais Cornelis Corneliszoon van Uitgeest (Corneille Van Uitgust) améliore le principe du vilebrequin et l'adapte à un nouveau modèle de scierie à vent industrielle qui est construite à plusieurs centaines d'exemplaires aux Pays-Bas.
Conception thumb|Usine Volkswagen de fabrication de vilebrequins. Manetons et tourillons
thumb|Le maneton, partie du vilebrequin portant la bielle, est muni d'un contrepoids.
Généralités Le vilebrequin est composé de plusieurs portées (tourillons) alignées guidant l'axe central en rotation par l’intermédiaire de paliers. Entre ces paliers se trouvent des manivelles équipées de manetons excentrés sur lesquels sont montées les bielles. L'excentricité , distance entre l'axe du maneton et l'axe du tourillon, définit la course du piston. Cette distance détermine en partie la cylindrée du moteur : et la cylindrée d'un moteur à cylindres identiques de surface unitaire est : .
La nombre et la géométrie des manivelles dépendent de plusieurs paramètres : nombre de cylindres, nombre de paliers de ligne d'arbre, processus de fabrication, taille des masselottes d'équilibrage, etc. En augmentant le nombre de cylindres et, par conséquent, celui des manivelles, .
Disposition Les moteurs dont les cylindres sont disposés en ligne ne comportent en général qu'un seul vilebrequin équipé d'autant de manivelles que de cylindres. Dans les moteurs à cylindres opposés ( boxer), le nombre de manivelles peut être égal au nombre de cylindres ou à la moitié. Les moteurs en V sont en général équipés avec une manivelle pour deux cylindres.
Efforts résultants et contraintes Le diamètre des manetons doit être suffisant pour s'opposer à l'effort de cisaillement de la bielle, notamment lorsque le piston est au PMH. L'effort de cisaillement que subit le maneton est d'autant plus important que le diamètre du piston est grand. En effet, la force exercée sur le maneton est donnée par la formule suivante, où est la pression des gaz et , le diamètre du pistonRaymond Brun (1984), Efforts sur le vilebrequin, (consulté le 19 avril 2009). :
La section des bras de manivelle doit également être dimensionnée en conséquence.
Les pièces du dispositif d’embiellage (vilebrequin, bielles), du fait de leurs masses, augmentent le moment d'inertie de l'arbre moteur. Leur sur-dimensionnement freine, par la même, la montée en régime et limite les hauts régimes moteurs.
Nombre de paliers Le vilebrequin est guidé en rotation par deux paliers au moins. En multipliant le nombre de paliers, on diminue les efforts sur le vilebrequin mais on complexifie le carter moteur. Le choix relève d'un compromis entre considérations techniques et économiques. Une diminution du nombre de paliers réduit les coûts de fabrication mais limite les performances (régimes plus faibles et puissance réduite). Autre conséquence, un nombre de paliers réduit augmente la distance entre les portées du vilebrequin. Le moment de flexion exercé par la poussée de la bielle sur la manivelle devient plus important et le vilebrequin en est fragilisé. Beaucoup de moteurs modernes à quatre cylindres sont équipés d'au moins trois paliers, voire cinq. Il en est de même pour les moteurs comportant un grand nombre de cylindres (6,8 ou plus). Cette solution plus coûteuse permet d'atteindre des puissances spécifiques plus élevées et de réduire le poids total du moteur. Des forces d'extension s'exercent également sur les tourillons, notamment lorsque deux manivelles adjacentes sont dans le même plan d'où la nécessité de contrepoidsRaymond Brun (1984), Efforts sur le vilebrequin, (consulté le 19 avril 2009)..
Masses d'équilibrages (contre-poids) Les manivelles peuvent être munies de masses d'équilibrages appelées contre-poids. Ces masses permettent l'équilibrage dynamique du vilebrequin. Leur but est de réduire les vibrations dues au mouvement alternatif des pistons et à la dissymétrie éventuelle du système de manivelle (moteur 3- et 6-cylindres).
Ces masses ne sont pas toujours présentes. Les moteurs anciens n'ont bien souvent pas de contre-poids. Les moteurs à combustion de nos jours en sont généralement pourvus. Ces masses offrent un balancement local. Si on considère un moteur 4-cylindres en ligne, avec les masses, le moteur se retrouve à avoir quatre balancements locaux. Si l'on regarde le moteur en entier, ces balancements locaux ne sont pas nécessaires, ainsi, un moteur dépourvu de ces masses peut ne pas vibrer, mais le vilebrequin ainsi que les coussinets subissent davantage de contraintes.
Certains moteurs comme le F20A fabriqué par Honda sont équipés d'un arbre d'équilibrage latéral entraîné par une courroie qui va compenser les vibrations produites à bas régime.
Extrémités Le vilebrequin comporte, à une extrémité une bride destinée à transmettre la puissance mécanique. Cette bride cale un volant qui porte à son tour l'embrayage. À l'autre extrémité, une forme adéquate permet d'assurer le montage et le calage d'une roue dentée pilotant le système de distribution (arbre à cames) et des poulies entraînant par courroies des organes auxiliaires tels que la pompe à eau, le générateur électrique ou le ventilateur.
Équilibrage Principe Comme tout élément tournant, un vilebrequin doit être équilibré de façon statique et dynamique. L'équilibrage du vilebrequin est nécessaire pour réduire les vibrations du moteur causées par les forces et moments produits par la pression des gaz dans les cylindres et par les pièces en mouvement alternatif et de rotation, et pour diminuer les charges exercées sur les coussinets de la ligne d'arbre.
Les forces provoquées par les pièces en mouvement liées au vilebrequin sont de deux types : les forces centrifuges et les forces alternatives qui provoquent les vibrations. Il est cependant impossible d'obtenir un équilibrage parfait : on fait donc appel à des contre-arbres d'équilibrage (l'ajout de contrepoids) qui annuleront tout ou partie des vibrations.
« Forces » centrifuges L'équilibre statique du vilebrequin est obtenu lorsque le centre de gravité se trouve sur son axe de rotation. Un équilibrage statique parfait n'implique pas nécessairement un bon équilibre dynamique. En effet, le vilebrequin peut donner lieu à un moment de flexion dû aux forces centrifuges d'autant plus élevées que le mouvement de rotation est important.
Équilibre statique Les forces centrifuges, qui s'exercent sur le vilebrequin à deux manivelles d'un moteur 4-temps boxer, sont dans des plans différents et séparés par une distance égale à la distance des axes des cylindres. Étant donné que le moment résultant est le produit de la force centrifuge par cette distance, le vilebrequin est équilibré dynamiquement par un moment égal et opposé par l'ajout de contrepoids.
L'équilibrage ne pose pas de problème quand il s'agit de vilebrequins possédant un nombre de manivelles supérieur à deux. La structure fait que les manivelles ont « une disposition angulaire telle que les combustions se produisent à distances égales les unes des autres ». Par conséquent, la disposition des manivelles réalise l'équilibre statique sans l'ajout de contrepoids.
Équilibre dynamique L'équilibre dynamique est obtenu sans adjonction de poids si le vilebrequin, équilibré statiquement au préalable, admet un plan de symétrie perpendiculaire à l'axe de rotation, « par rapport auquel les manivelles sont symétriques en nombre, position et dimensions ». Pour les autres cas, l'équilibrage nécessite des contrepoids. La plupart des vilebrequins équilibrés dynamiquement dans leur ensemble ont également leurs manivelles équilibrées individuellement par des contrepoids. En munissant de contrepoids chacune des manivelles, on réduit ou annule les moments de flexion individuelle qui, en agissant sur les diverses parties du vilebrequin, tendraient à le faire fléchir.
Forces alternatives Les manetons subissent également des forces dues aux masses animées d'un mouvement alternatif. Ces forces, causées par les variations de vitesse du piston et de la bielle, se subdivisent en
Les premiers ordres atteignent leur maximum à chaque fois que le piston se trouve au point mort haut et au point mort bas. Une force du premier ordre peut être équilibrée par la composante suivant l'axe des cylindres d'une force centrifuge produite par une masse égale à celle de la masse alternative et appliquée au vilebrequin en opposition avec le maneton considéré. Il apparaît cependant une force de même amplitude et de même fréquence, normalement à l'axe du cylindre. La moitié de la masse alternative est équilibrée par des contrepoids. Il reste donc, exercée sur l'axe du cylindre, la moitié de la force alternative du premier ordre, tandis que l'autre moitié est transformée en une force perpendiculaire à l'axe du cylindre. Pour les moteurs multi-cylindriques, l'équilibre statique du vilebrequin engendre l'équilibre des forces alternatives du premier ordre. De même, l'équilibre dynamique engendre l'équilibre des moments dus aux forces alternatives du premier ordre.
Les deuxième ordres varient avec une fréquence double de celle des premières. Il n'existe donc pas par conséquent de possibilité de les réduire au niveau de la fabrication du vilebrequin puisqu'elles varient avec une fréquence double du régime de rotation. Dans les voitures automobiles, les vibrations causées par les forces du deuxième ordre sont absorbées par des dispositifs spéciaux de suspension du moteur, ou bien par l'ajout de deux axes supplémentaires tournant à des vitesses opposées et deux fois plus rapides que le vilebrequin.
Architectures Chaque architecture est illustrée schématiquement, voir ci-dessous.
Vilebrequin de moteur monocylindre
Le calage est à 360°.
Vilebrequin de moteur bicylindre
Sur les moteurs à deux cylindres, les deux manetons peuvent être alignés (calage à 360°) ou en opposition (calage à 180°). La présence d'un tourillon entre les deux manetons n'est pas obligatoire, mais souhaitable dans le cas du calage à 360°. Sur les moteurs bicylindres à plat ( boxer), les deux manetons sont diamétralement opposés (calage à 180°) ; il en va de même pour les 4-cylindres (flat four) et les 6-cylindres à plat (flat six).
Sur les motos à moteurs bicylindre en ligne, on trouve de plus en plus souvent des moteurs calés à 270° comme sur la Honda NC700, la Triumph Street Twin 900 ou encore les et .