Voici un article que
Jean François Robert a écrit et m'a très gentiment fait parvenir. Merci à lui!
Ecrit à l'époque des 990cc (et oui, c'est pas tout neuf, le "Big Bang", dixit les frères Bogdanoff), il est toujours d'actualité.
La Théorie du big bang.
Voilà plus de 10 ans que les ingénieurs travaillent sur le « big-bang » pour améliorer la motricité des motos de GP deux ou quatre temps. Aujourd’hui, en plongeant au cœur du moteur, vous allez enfin comprendre l’incidence du « calage » sur le patinage…
Définitions :Le calage : On appelle calage d’un moteur l’espace qui sépare les passages successifs de ses pistons au point mort haut (PMH), c’est à dire au sommet de leur course. Sur un moteur en ligne, cela dépend uniquement de la forme du vilebrequin et de la position relative de ses maneton (axe où s’accroche les bielles). Sur un moteur en V, le calage dépend aussi de l’angle d’ouverture du moteur, puisque le PMH n’est atteint que lorsque le maneton passe à la verticale des cylindres.
Le calage est exprimé en degrés, car on parle d’une pièce en rotation (le vilebrequin en l’occurrence). Le cycle 4 temps s’étalant sur 2 tours, soit 720°, on parle d’un twin à 360° quand les deux pistons montent simultanément, l’un étant en compression, l’autre en échappement.
Moteur BIG BANG : C’est le terme consacré pour désigner un moteur dont les explosions ont été rapprochées par modification du calage pour lisser la courbe de couple instantané et ainsi diminuer les micro-glissements du pneu AR.
La valse à 4 tempsNota : Pour simplifier l’exposé et être plus à la page, nous nous concentrerons sur le 4 temps.
Comme chacun sait, le cycle à 4 temps se décompose en 4 phases, admission, compression, combustion/détente puis échappement. Ces différentes étapes se traduisent par des variations de pression importantes à l’intérieur du cylindre et donc particulièrement sur la calotte du piston. Cette évolution est représentée par la courbe tracée ci-contre, avec la pression sur l’axe vertical et la position du vilebrequin (exprimée en degrés) sur l’axe horizontal.
Appliquée sur la calotte du piston, cette pression se traduit par une force communiquée à la bielle. C’est cette force qui est à l’origine du couple moteur.
Le couple instantané du monocylindre (le soir au fond des bois):
Un couple se définit comme le produit d’une force par une distance. C’est le fameux « effet levier ». L’exemple courant c’est la clé plate que l’on utilise pour visser. A effort fourni égal, plus elle est longue, plus le couple de serrage appliqué sur l’écrou est grand. S’agissant du vilebrequin, la distance par rapport à l’axe évolue en fonction de la position du piston. Ainsi, au point mort haut, tous les axes étant exactement alignés, la distance est nulle et donc le couple instantané itou. (C’est seulement grâce à son inertie que le vilebrequin franchit cette phase délicate). Le levier le plus important quant à lui arrive un peu avant la mi-course. Le produit de l’effort transmis par la bielle avec le « bras de levier » nous permet donc de connaître le couple instantané du moteur sur un cycle complet.
En fonction de la position du piston et de la pression qu’il rencontre, le couple recueilli peut être positif ou négatif, autrement dit « moteur » ou « résistant ». Ainsi en phase de compression, le couple est négatif, alors qu’en phase de détente il est positif. La moyenne de toutes ces valeurs détermine le couple « maxi » que l’on mesure sur un banc d’essais classique, et que l’on trouve sur une fiche technique. L’évolution du couple instantané sur deux tours est visible sur la courbe N°2. Elle représente le cas d’un monocylindre de 247,5 CC unitaire. Tout ce qui dépasse la ligne zéro est un couple moteur, tout ce qui est en dessous est un couple résistant.
Le but que poursuit l’ingénieur consiste à combiner au mieux la succession des temps moteurs pour lisser au maximum la courbe de couple instantané. Du mono au multicylindrePour en arriver au MotoGP, il faut examiner le cas du multicylindre. En réunissant côte à côte 4 monocylindres de 247,5 CC, on obtient un 4 cylindres de 990 CC. Pour commencer voyons ce qui se passe sur un 4 cylindres en ligne conventionnel avec des manetons calés à 180° (Les deux pistons extérieurs montent, alors que les 2 du milieu descendent). Il présente une répartition régulière des explosions tous les ½ tour.
Le couple instantané du 4 cylindres en ligne est en dents de scies. Il varie successivement 4 fois de 50 mkg en 55 millième de secondes !!! Voilà qui favorise le décrochage du pneu AR.Nous voyons donc ici l’évolution du couple transmis à la roue arrière. Le couple maxi du moteur figure en rouge. Il est ici de 13 mkg, une valeur qu’il faut réduire d’environ 15% pour prendre en compte les pertes mécaniques.
On remarque 4 variations successives, atteignant 50 mkg , (pertes mécaniques 15% incluses). Sachant que 2 tours, soient 720°, durent 1/100 de seconde à 12 000 tr/mn, un tel phénomène se produit donc en 55 millième de seconde et intervient 4 fois par cycle! Des variations extrêmes et très rapides qui provoquent des micro-décrochements répétés du pneumatique. Or, en calant le moteur dans un autre ordre, on modifie la succession des temps moteurs. Ainsi, on peut réduire l’amplitude des creux et des bosses du couple instantané, sans changer pour autant sa valeur moyenne, et par conséquence la puissance du moteur. La courbe obtenue devient alors plus « lisse », ce qui réduit les décrochages du pneu arrière. Le V4 ouvert à 90° s’avère nettement moins saccadé que le 4 en ligne comme le montre sa courbe de couple instantané :
Moins saccadé, le couple instantané du V4 à 90 ° permet au pneumatique de reprendre son souffle, c’est à dire de l’adhérence.L’un gagne l’autre disparaît.En regroupant les cylindres en deux paires décalés de 50° on obtient une courbe encore plus progressive car la compression du deuxième cylindre se produit juste au moment de la combustion du premier. Cela adoucit la progression du couple comme on peut le voir sur la courbe N°3.
Cependant il faut tenir compte d’autres phénomènes tels que les vibrations (un balancier ne peut pas tout équilibrer) et les efforts dans les paliers de vilebrequin. Conséquence, à priori, il semble que les configurations retenues sont toujours des variations sur le thème du décalage de 90° (ou de multiples). Il va de soit que peu d’informations filtrent dans les paddocks. Mais ce qu’il faut aussi retenir c’est qu’en utilisant 5 cylindres comme Honda, on minimise la hauteur des crêtes de couple (un 200 CC en délivre moins de couple qu’un 250 ). Par contre, on se rattrape en ayant 5 explosions sur 2 tours au lieu de 4. La courbe est donc déjà plus lisse au départ. Ainsi, sans artifice particulier, Honda bénéficie d’une meilleure régularité cyclique et d’une meilleure motricité.
Au contraire, on comprend mieux les insolubles problèmes rencontrés par le 3 cylindres Aprilia avec ses gros paquets de couple qui n’arrivaient qu’en 3 fois sur 2 tours (et même sur un tour, car l’ordre d’allumage d’un trois pattes calé à 120° est 1,2,3, avec un tour « blanc ») . Moralité en moto GP il vaut mieux un grand nombre de cylindres pour lisser naturellement la façon dont le moteur délivre sa puissance. On économise ses pneus et on décroche plus progressivement. Séduisant sur le papier, le 3 cylindres est désavantagé dès le départ. Il est donc logique qu’Aprilia ait abandonné cette architecture inadaptée aux très fortes puissances.
A quand les les big-bang de série ?Yamaha TRX :
Pour lui donner un goût deV2, les ingénieurs Yamaha avaient décalé les manetons de cette japonaise en treillis. Une très bonne moto mais un côté « Canada dry » qui n’a pas séduit les clients.
En fait ils existent déjà depuis longtemps. Sur les V4 Honda par exemple. Les VFR ont les manetons calés à 180° pour plus de souplesse et de douceur. Par contre les versions plus sportives RC 30 et 45 étaient calées à 360°. (tout comme la fameuse 750 RVF de 1991 victorieuse à Suzuka, qui affichait 130 kg et 150 CV !).
Autre variation sur ce thème, la Yamaha 850 TRX. Son twin parallèle disposait d’un vilebrequin aux manetons décalés de 90° pour offrir le caractère du V-twin Ducati lui aussi ouvert à 90°. Aujourd’hui encore, Triumph applique la recette à ses Bonneville América et scrambler pour leur donner plus de caractère. Extérieurement, ces moteurs sont des twins parallèles, mais ils ont les caractéristiques et le bruit de fonctionnement d’un moteur en Vé. Un choix judicieux sur le plan industriel puisqu’il permet d’adapter une mécanique à différentes applications avec très peu d’investissements nouveaux. Relativement proches des motos GP, les 1000 hypersports y échappent pour l’instant, sans doute pour des questions de vibrations (voir encadré équilibrage). Cependant, le développement du superbike et les puissances atteintes risque d’en favoriser l’essor à moyen terme, d’autant plus que certaines machines de série sont déjà pourvues de balanciers d’équilibrage (Honda et Suzuki)
Décalage et bonne vibrations.Sur un moteur multicylindre, l’équilibrage naturel des masses en mouvement se fait par la combinaison des mouvements relatifs. Exemple sur le 4 cylindres en ligne on a toujours deux pistons qui montent et 2 qui descendent au même moment. Au final les efforts s’annulent, dans le plan horizontal tout du moins. En décalant les manetons, on rompt cet équilibre, ce qui provoque des vibrations obligeant à implanter des balanciers d’équilibrage sur des moteurs qui n’en n’ont théoriquement pas ou peu besoin. C’est d’autant plus indispensable que les régimes atteints aujourd’hui sont énormes et que les efforts en jeu sont proportionnels à leur carré…
Illustrations :Moteur M1.
Extérieurement semblable à un 4 cylindres en ligne, la M1 cache un vilebrequin aux manetons décalés depuis l’arrivée de Valentino Rossi. C’est un des gros changements qui a rendu la M1 compétitive.
Honda SBK :
On verra peut-être bientôt des 4 cylindres de route « big-bang » pour améliorer la motricité des machines de superbikes qui dépassent désormais les 200 CV… Cette Honda dispose d’ailleurs déjà d’un balancier d’équilibrage en série…
Honda RCV :
Avec son 5 cylindres, la Honda RCV délivre son couple plus linéairement et rencontre donc moins de problèmes de motricité.
Aprilia : Abandon logique :
Le trois cylindres est naturellement défavorisé par les arrivées de couples peu nombreuses espacées de seulement 120° et importantes en raison de sa forte cylindrée unitaire. A puissance égale, il rencontre donc plus de problèmes de motricité que les 4 et à fortiori les 5 cylindres.
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