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Les hauts et les bas

septembre 17, 2021

Cet article fournit une description des éléments essentiels impliqués dans la conception d’une bielle 2 temps en aluminium. Nous commençons par décrire ce qu’est une bielle, les enjeux historiques liés à la conception d’une bielle 2 temps et pourquoi cette bielle est pertinente. Le lecteur est initié aux principaux composants de la conception d’une bielle, des processus d’usinage aux nouvelles technologies disponibles, y compris la sélection des matériaux, les considérations de lubrification, les progrès du revêtement et les traitements des matériaux. De plus, tout au long du document, vous entendez des experts dans le domaine qui donnent leur avis sur la possibilité de construire et d’utiliser cette canne avec les avancées d’aujourd’hui.

Les hauts et les bas de la conception d’une bielle 2 temps

C’était la course du championnat, une course qui conférerait le titre de champion du monde et un million de dollars au vainqueur. Rodney Steele était prêt et disposait d’une arme secrète : une bielle révolution-naire en alliage d’aluminium MSV Racing qui avait été installée sur sa moto de course CR500R à deux temps. Cette technologie innovante permettrait à son moteur de tourner plus rapidement, de produire plus de puissance en raison de la réduction du poids du mouvement alternatif, ainsi que de réduire les vibrations, ce qui ralentirait la fatigue de Steele pendant la course.

Les coureurs étaient sur la ligne de départ, faisant tourner leurs moteurs – “braap braaaaapp !”

Steele avait confiance en ses capacités et en sa machine. Le drapeau vert est tombé et la course était lancée ! Steele a été capable d’entrer dans la bande de puissance instantanément, dépassant son adversaire au premier virage, prenant l’avantage. Les coureurs ont pris le premier virage et, encore une fois, il a été en mesure de dépasser ses concurrents. Au fur et à mesure de la course, il a continué à augmenter son avance.

Au dernier tour de la course, Steele avait une avance d’un demi-tour sur ses compagnons de course. Il a franchi la ligne d’arrivée en levant le poing en signe de victoire. Lors de la conférence de presse du vainqueur, Steele a remercié la fédération, ses collaborateurs, ses sponsors, et surtout MSV Racing, pour avoir fourni sa moto qui domine le monde.

Les passionnés de motos, en particulier de motos à deux temps, sont toujours à la recherche de moyens de personnaliser, d’améliorer et de renforcer les performances de leurs motos. Il y a environ 10 ans, cet auteur se demandait pourquoi personne ne fabriquait de bielles en aluminium pour les moteurs à deux temps de grande taille.

En faisant des recherches sur le sujet en ligne et en se renseignant auprès d’amis et de connaissances dans l’industrie, le consensus était que cela ne pouvait pas être fait à l’époque.comme le dit Ensign {2015), “le frottement, la dilatation thermique et la résistance de l’extrémité de la tige sont les considérations les plus importantes…”. “De nombreuses années ont passé et des connaissances sont devenues disponibles sur les progrès récents dans les alliages d’aluminium, les revêtements et les processus de traitement des métaux. Cela a soulevé la vieille question : Une personne peut-elle concevoir une bielle en aluminium pour moteur 2 temps qui fonctionnerait pendant une durée déterminée ? Millar {2015) affirme que ” les revêtements, les alliages et les traitements cryogéniques progressent rapidement, il y a certainement une bonne chance qu’avec ces processus avancés, ce soit réalisable. “Ensign {2015) est d’accord et déclare : “Oui, je pense que la science des matériaux progresse chaque jour, il existe de nombreux alliages d’aluminium à très haute résistance facilement accessibles au grand public, ainsi que des options de traitement secondaire des matériaux. Il semble qu’une combinaison des technologies modernes

les matériaux, les revêtements et/ou les finitions qui permettraient d’obtenir une bielle 2 temps en aluminium utilisable”. Ces connaissances étant désormais disponibles, l’idée de créer cette bielle peut maintenant se concrétiser.

Qu’est-ce qu’une bielle ? Dans un moteur à piston à combustion interne, la bielle est le lien qui transforme le mouvement de va-et-vient du piston en un mouvement de va-et-vient au niveau de la manivelle. Ce mouvement de rotation passe ensuite de la manivelle à l’embrayage, puis est multiplié dans la boîte de vitesses. Enfin, ce mouvement sort du moteur pour atteindre les roues arrière via la chaîne et les pignons. En fonction du poids de la bielle, la façon dont le moteur réagit peut être radicalement modifiée. Worbes {2015) affirme que ” le poids est évidemment le plus grand avantage à utiliser une bielle en aluminium. ” Millar {2015)estime que ” les caractéristiques de performance du moteur seraient l’avantage de la bielle en Al. L’allègement du poids de la bobine réduirait l’inertie et l’harmonique du moteur. La tige pourrait également amortir l’effet de détonation.” Ensign {2015) est d’accord et note : ” Je pense qu’il serait raisonnable de s’attendre à des améliorations de la réponse à l’accélérateur, ainsi qu’à une augmentation de la puissance du moteur en raison d’une masse alternative plus faible “. “Une bielle légère réduit le poids du mouvement alternatif, ce qui permet au moteur de tourner plus rapidement et d’absorber moins de puissance pour faire tourner le vilebrequin. Cela permet au moteur de produire plus de puissance plus rapidement sans autre changement.

La plupart des bielles sont fabriquées en acier cémenté. Dans les applications à très hautes performances et à haut régime, il est nécessaire de réduire le poids, c’est pourquoi l’aluminium (Al), le titane (Ti) ou les composites à matrice métallique (MMC) sont utilisés.
(MMC) sont les matériaux de prédilection. L’aluminium est le métal préféré dans de nombreux cas. Il est solide, plus léger et beaucoup moins cher que le titane et le MMC, et beaucoup plus facile à usiner. L’aluminium est 60% plus léger que l’acier, 40% plus léger que le titane et 15% plus léger que le MMC. Cet énorme gain de poids réduit considérablement le poids du mouvement alternatif, ce qui peut conduire à une conduite plus rapide et plus efficace.

Cependant, l’aluminium pur pose également des problèmes. Il est considéré comme un métal mou et ne peut être utilisé dans la plupart des applications sans que d’autres métaux y soient ajoutés, comme le cuivre, le magnésium et le zinc, pour n’en citer que quelques-uns, créant ainsi des alliages d’aluminium. Les alliages d’aluminium n’étant pas aussi solides que l’acier, il faut généralement une plus grande quantité d’alliage d’aluminium pour compenser la résistance et des considérations particulières sont prises en compte lorsque la dureté est requise. Cela permet tout de même d’obtenir une tige beaucoup plus légère, mais qui prend plus de place.

La plupart des bielles en alliage d’aluminium sont fabriquées en 7075-T6511. Il s’agit d’un alliage d’aluminium très durable utilisé dans de nombreuses applications de transport, depuis les voitures, les motos et les avions à hautes performances jusqu’à l’aérospatiale, où un poids léger et une grande résistance sont nécessaires. Lorsqu’on utilise un alliage d’aluminium pour les bielles, un traitement thermique spécial est nécessaire pour renforcer la résistance et des inserts sont généralement installés pour protéger l’aluminium à l’endroit où il est fixé au piston et à la manivelle. Il est également courant de soumettre les bielles en alliage d’aluminium à un traitement cryogénique. Ce procédé consiste à faire descendre lentement la bielle à moins 300 degrés Fahrenheit à l’aide d’azote liquide pendant une durée déterminée, puis à la ramener lentement à la température ambiante. Ce processus aligne les molécules d’aluminium dans un cadre moléculaire beaucoup plus serré, ce qui ajoute considérablement plus de force et de dureté. Roger {2015) déclare : ” Le type de traitement cryogénique des tiges que je fais rendra le revêtement, la tige et les autres parties plus solides et améliorera la résistance de la tige. ”

Pour la tige d’aluminium de Rodney Steele, un nouveau type d’alliage d’aluminium – 7068-T6511 – a été utilisé. Cet alliage d’aluminium est considérablement plus résistant et plus dur que le 7075-T651. La publicité de Kaiser Aluminum (2000) informe les utilisateurs potentiels que “les données industrielles documentées montrent que le 7068-T6511 a une résistance à la traction finale typique de 103 ksi par rapport à un produit similaire fabriqué à partir du 7075-T6511 qui aurait une résistance à la traction finale typique de 93 ksi”. Et comme le matériau 7068-T6511 a besoin de moins de matière pour sa résistance et sa durabilité, la tige est encore plus petite et plus légère qu’une tige 7075-T6511 comparable. La tige de Steele a également été traitée par cryogénie.

Pour que la bielle 7068-T6511 puisse fonctionner comme une bielle 2 temps, ses alésages doivent être recouverts d’un revêtement DLC (Diamond Like Carbon). Le DLC est un matériau en carbone qui présente certaines des caractéristiques du diamant. Les principaux facteurs du DLC sont la dureté, la planéité et la résistance à l’usure. Tous les revêtements DLC ne sont pas identiques et la tige en alliage d’aluminium de Steele présentait une version spéciale. Bikram (2015) explique que ” les DLC (revêtements très durs) ne conviennent généralement pas aux substrats mous comme l’aluminium. Le DLC spécial de Richter a été conçu pour minimiser les contraintes internes et améliorer l’adhérence aux substrats comme l’aluminium “.

Les bielles en alliage d’aluminium sont utilisées depuis de nombreuses années dans les applications 4 temps. La moto de course de Steele a été la première à l’utiliser avec succès dans une application de course à deux temps. Cette nouvelle conception de bielle en alliage d’aluminium pour les moteurs à deux temps a la capacité d’améliorer considérablement les performances de toutes les applications à deux temps, y compris, mais sans s’y limiter, le Supermoto, le Motocross, les courses de sable, les courses sur glace, le Circle Track, le karting et les courses de motoneiges.

Il y a de nombreux obstacles à surmonter lors de la conception d’une bielle pour moteur 2 temps. Tout d’abord, il est nécessaire de comprendre comment fonctionne le système de lubrification d’un moteur 2 temps. Un moteur 2 temps n’a pas d’huile moteur dans un carter qui est forcé à travers le moteur avec une pompe à huile comme un moteur 4 temps.comme le note Ensign (2015), ” le carter ne dispose pas d’un système de galère d’huile sous pression. ” Les segments de piston, l’alésage du cylindre, les coussinets de bielle et les roulements de vilebrequin d’un moteur à deux temps sont tous lubrifiés par l’huile mélangée au carburant. Le Two Stroke Tuner’s Handbook (1973) fournit des informations sur l’amélioration de la lubrification des coussinets de bielle en déclarant : “… on peut parfois améliorer la fiabilité des coussinets en ouvrant légèrement les canaux d’huile aux extrémités de la bielle et en chanfreinant les bords des canaux d’huile”.

Une bielle normale de moteur 2 temps est fabriquée en acier cémenté et comporte des roulements à aiguilles à l’extrémité de fixation du piston (axe de poignet) et à l’extrémité de fixation de la manivelle (maneton). Millar (2015) déclare : ” la résistance du matériau pour supporter les roulements à aiguilles dans l’aluminium peut également poser un problème. ” La bielle de Stee le s’est débarrassée de ces roulements en utilisant un revêtement DLC spécial sur les alésages des roulements de la bielle, le pivot de poignet et le maneton, ce qui rend la bielle plus solide et capable de faire face aux 11 000 tr/min que son moteur allait connaître. Le matériau 7068- T6511 devait être utilisé en raison de sa grande résistance et était suffisamment dur après son traitement cryogénique pour servir de support au DLC extrêmement dur, mais fragile.
L’obstacle suivant à considérer est la construction de la tige. Doit-elle être coulée, billette ou forgée ? Dans le cas du moulage, l’aluminium est versé dans un moule, laissé à refroidir, puis usiné selon les spécifications. Ce système fonctionne

Ils sont parfaits pour construire un grand nombre de composants en aluminium avec un budget limité. Cependant, l’inconvénient est qu’ils ont tendance à ne pas être aussi solides que les pièces forgées ou les billettes. On parle de forgeage lorsqu’un morceau d’aluminium chauffé est martelé dans la forme souhaitée par une matrice de forgeage qui utilise des centaines de milliers de livres de force. Cette méthode permet de créer des pièces très solides en conservant la structure des grains d’aluminium intacte, mais elle est très coûteuse. La tige de Steele est une billette. La tige en aluminium a été usinée à partir d’un bloc solide de 7068-T6511. Ce procédé permet un usinage extrêmement précis et détaillé.

Un autre obstacle à la création d’une bielle Al 2 temps est le manque de place pour la bielle dans le moteur. Ensign (2015) explique que “l’espace très restreint pourrait s’avérer un problème”. Dans un moteur 2 temps, l’espace entre le bas de la bielle et le carter du moteur au point mort bas (PMB), (où le piston est le plus éloigné de la bougie) n’est que de quelques millimètres. C’est une autre raison pour laquelle il est très difficile d’utiliser l’Al et c’est la raison principale pour laquelle il faut retirer les roulements à aiguilles. Les alésages des roulements de la tige sont ainsi plus petits, ce qui permet d’ajouter plus de matériau en aluminium et d’augmenter la résistance.

Le dernier point, mais non le moindre, est la croissance de la tige d’Al. Maley (2015) affirme que “les taux d’expansion seront un énorme problème”. Lorsque l’alliage Al s’échauffe, il se dilate beaucoup plus que l’acier. Une grande attention est prise pour s’assurer que le jeu entre la tige et l’axe du piston, la tige et l’axe du vilebrequin et la longueur totale de la tige est suffisante pour ne pas créer un ajustement hors spécifications, et que le piston ne se rapproche pas trop de la culasse. Un avantage du moteur à deux temps est que la tige ne chauffe pas autant qu’un moteur à quatre temps, car elle n’entre pas en contact avec l’huile moteur chaude et elle est refroidie par le mélange air frais/carburant qui se produit à chaque autre course du piston.

Le taux calculé pour la dilatation thermique de l’Al 7068-T6511, pour trouver la croissance globale de la longueur de la tige est de 0,000014 pouce (dilatation thermique de l’Al)/pouce (longueur de la tige centre à centre) F.(température moyenne de la tige). En général, ce calcul utilise 200*F pour une tige à 4 temps, mais pour une tige à 2 temps, on utilise 160*F. Cela signifie que pour le calcul de la tige de Steele, 0,000014″ x 5,67 “x 160*F = 0,012” de croissance globale de la tige. Ceci a été vérifié en plaçant la tige en alliage AL de Steele dans un four à 160*F pendant 1 heure et en prenant des mesures de la longueur totale de la tige et de la croissance des alésages des roulements. Cela a permis à MSV Racing de calculer de près et de concevoir la tige pour qu’elle fonctionne au mieux, assurant une longue durée de vie et des performances maximales. Worbes (2015) note également : “…Je pense que l’aluminium est à nouveau un avantage car il dissipe la chaleur plus rapidement. Je ne pense pas qu’il verra des températures aussi élevées qu’un moteur 4 stokes.”

La conception et la construction de la bielle MSV Racing Al de Steele ont été réalisées dans Solid Works, un programme de modélisation et de dessin assisté par ordinateur (DAO) qui permet de construire et de tester la bielle via un logiciel de simulation. Grâce au logiciel de simulation appelé analyse par éléments finis (FEA), des contraintes programmées peuvent être appliquées à la bielle virtuelle et l’ordinateur effectue des simulations pour trouver les points faibles. Cela permet de concevoir et de tester la tige avant qu’elle ne soit usinée et installée dans le moteur, ce qui réduit considérablement les risques de défaillance. Ensign (2015) donne un aperçu de son processus de conception d’une bielle en déclarant : “Je passerais beaucoup de temps à travailler sur n’importe quel résultat de conception qui donne la conception la plus solide à l’extrémité vilebrequin de la bielle.”

La victoire de Rodney Steel avec la bielle innovante MSV Racing en alliage d’aluminium pour moteur 2 temps a prouvé qu’il est possible d’ajouter des performances imbattables à un moteur 2 temps. Des brevets seront déposés, le marketing sera exploré et MSV Racing vendra ce produit aux masses en créant une entreprise de plusieurs millions de dollars. Avec tous les obstacles associés à la construction d’une bielle en alliage d’aluminium pour moteur 2 temps de cette manière, il est possible qu’avec les nouvelles avancées technologiques, cette nouvelle bielle puisse voir le jour.

Références

  • Ensign, J. (2015, 29 juillet). Les hauts et les bas de la conception d’une bielle en aluminium pour moteur à deux temps [entretien par courrier électronique].
    Jacob Ensign, propriétaire de Rogue Energies, est ingénieur en mécanique, machiniste, propriétaire d’un atelier d’usinage et spécialiste de la recherche et du développement. Il faisait partie de l’équipe SAE de l’Institut des technologies de l’Oregon et était capitaine de l’équipe moteur. Ensign conçoit et construit à peu près tout, des pièces de moto spécialisées, notamment des roues de course sur mesure, des bras oscillants et des systèmes de refroidissement spécialisés, aux paniers d’embrayage et aux volants d’inertie en billettes, pondérés et allégés, sans oublier les motos et les VTT électriques. Il est également impliqué dans le sport automobile en concevant et en fabriquant de nombreuses pièces personnalisées, notamment des culbuteurs en billettes pour des moteurs de course hautement spécialisés, et en construisant des véhicules hybrides diesel.
  • Jennings, G. (1973). The Crank Train. Dans Two-Stroke Tuner’s Handbook (1ère éd., Vol. 1, p. 29). Tucson, Arizona : H.P. Books.
    Ce livre de Gordon Jennings, gourou mondialement connu des moteurs à deux temps, est la bible définitive pour tous ceux qui veulent apprendre à connaître et à régler leur moteur à deux temps pour obtenir des performances maximales. Il a été écrit en 1973, mais la plupart des informations sont toujours d’actualité.
    Kaiser Aluminum . (2000). Alliage 7068 à haute résistance et à faible poids. Kaiser, dont le siège social est situé à Foothill Ranch, en Californie, possède 12 usines de fabrication en Amérique du Nord, emploie plus de 2 000 personnes, expédie plus de 500 millions de livres de produits par an et a réalisé un chiffre d’affaires de plus de 1,3 milliard de dollars en 2012.
  • Kamboj, B. (2015, 28 juillet). Les hauts et les bas de la conception d’une canne de connexion en aluminium à 2 temps [Entretien par courrier électronique].
  • Bikram Kimboj, P.Eng, est vice-président des opérations (Richter Precision Inc.). Richter Precision a été créée en 1978 et est un leader de l’industrie dans le domaine des revêtements par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et par dépôt physique en phase vapeur (PVD). Richter dispose de nombreux revêtements DLC spécialisés et est la seule société de revêtement DLC dont le revêtement DLC peut être utilisé avec succès sur les alésages de roulements en aluminium.
  • Maley, J. (2015 , 28 juillet). Les hauts et les bas de la conception d’une bielle en aluminium pour moteur à deux temps [entretien par courriel].
  • Justin Maley est titulaire de plusieurs championnats nationaux et d’État de moto dans de nombreuses disciplines différentes, et a passé plus de 14 ans comme coureur professionnel. Maley a acquis l’expérience nécessaire pour tester des motos et des moteurs au plus haut niveau pour de nombreux fabricants d’équipements d’origine et de pièces détachées. Dans le passé, il a travaillé avec des équipementiers tels que KTM NA et KTM Sport Motorcycle AG, HRC en Europe, Yamaha Motor Co, American Suzuki et Suzuki Canada, ainsi qu’avec des sociétés d’après-vente comme Akrapovic en Slovénie, Rocket Exhaust, Race Tech, Tric Carbon et Bell Helmets. Maley a également travaillé avec MTV et Discovery Channel sur divers programmes et a construit des engins pour Nitro Circus et Nit ro Circus Live. Il a passé de nombreuses années à construire et à t unir des moteurs pour certaines des meilleures équipes de course du monde. Maley est actuellement le directeur du développement des produits pour American Motorsports Company (A.R.M.) et propriétaire de Maley Motorsports.
  • Millar, A. (2015, 28 juillet). Les hauts et les bas de la conception d’une bielle en aluminium pour moteur 2 temps [entretien par courriel].
  • Adam Millar, de Millar Auto Machine Company, a grandi autour de moteurs de course, notamment de tracteurs de traction. La plupart de ces moteurs étaient des Chevrolet big block soufflés. L’entreprise familiale avait travaillé directement avec les fabricants de composants de moteurs qui avaient fait d’énormes progrès en termes de puissance et de durabilité, ce qui impliquait une quantité substantielle de recherche et de développement. En participant non seulement à la manipulation des pièces, mais aussi à l’étude de la théorie avec son père et d’autres personnes impliquées, il a acquis une grande compréhension de ce qui fonctionne. Grâce à son travail de service dans le domaine des sports motorisés et à son implication dans le développement des moteurs à deux temps, les clients viennent le voir après avoir été battus par ses moteurs ou après avoir été témoins de leur utilisation. Adam a fait des moteurs basés sur le Honda CRS00 pour des courses à haute vitesse sur les salt flats, les beach drags en Australie, des motos de conversion Timbersled au Canada et aux USA, supermoto, MX, hillclimb, drag racing, woods racing et d’innombrables autres clients dans le monde entier.
  • Schiradelly, R. (2015, 28 juillet). Les hauts et les bas de la conception d’une bielle en aluminium pour moteur 2 temps [entretien par courrier électronique].
  • Roger Schiradelly, de Controlled Thermal Processing, Inc. est un spécialiste de la technologie de course, avec plus de quarante-cinq ans d’expérience dans ce domaine. Il a de nombreuses innovations à son actif et plus de 20 ans d’expérience dans le domaine du traitement cryogénique. Il a construit et conçu de nombreux moteurs à tige en aluminium suralimentés (top fuel), et a également travaillé sur de petits moteurs de course, des moteurs à 2 et 4 temps avec plusieurs types de tiges en aluminium et en acier. Il est également un outilleur-ajusteur certifié.
  • Worbes, M. (2015, 27 juillet). Les hauts et les bas de la conception d’une bielle en aluminium pour moteur 2 temps [interview par courrier électronique].
    Matt Worbes, propriétaire de M-Tech, compte de nombreuses années d’expérience dans le domaine des sports motorisés et présente un curriculum vitae impressionnant. Il est facile de comprendre pourquoi Worbes a été consulté pour ce document. Il a été impliqué dans de nombreuses équipes de course de haut niveau, notamment en tant que mécanicien de course pour l’usine Yamaha, technicien en recherche et développement pour les deux-temps et les suspensions, Pro-Tee Performance Products, 1992-1996, mécanicien pour Chris MacCluggage, Watercraft Racing avec plusieurs victoires, mécanicien de course pour l’usine Kawasaki, 1999 pour Doug Chandler avec trois victoires et une deuxième place au championnat AMA ; Chef d’équipe d’Eric Bostrom (Kawasaki Factory Team) en 2001 et 2002, plusieurs victoires et podiums, deuxième place au championnat AMA 750SB, première place au championnat 600SS et de nombreuses courses de World Superbike ; directeur de la recherche et du développement pour le programme de moto de dragster NHRA de Muzzy ; technicien en recherche et développement pour le développement du moteur MotoGP à quatre temps de l’équipe Proton KR VS ; consultant pour l’équipe de course Rockwall Honda en 2008 dans les domaines de l’électronique et des moteurs avec Aaron Gobert, obtenant des places dans le top 10 en AMA Formula Extreme et 600 Supersport. Matt a construit le moteur de la Honda CBR 1000 2008 pilotée par Leslie Port erf ield. La Honda CBR 1000 de Porterfield a établi un nouveau record du monde de la moto de série la plus rapide.

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