Bmw E30 Power

DIMINUER LES FROTTEMENTS

«Le Delage 1 ,5 litre à 8 cylindres en ligne fut indiscutablement l'un des plus extraordinaires moteurs de son époque. Ses caractéristiques les plus étonnantes étaient d'avoir le bloc et la culasse fondus d'une seule pièce, et que tout soit monté sur roulements à billes ou à rouleaux. Ce moteur ne comptait pas moins de 62 roulements ...(1926).

Nous nous attaquons là au rendement mécanique. Nous l'avons vu, 10 à 15 % de l'énergie fournie sous forme de combustible se perdent dans les frottements mécaniques internes du moteur. Ces frictions se transforment en chaleur évacuée par l'huile de graissage. Aussi verrons-nous que cette dernière joue un rôle non négligeable dans le bilan énergétique, surtout dès que les sollicitations mécaniques deviennent sévères.

Réduire les frottements, c'est récupérer du couple sur l'arbre moteur, et gagner en régime. On obtient une courbe de puissance plus gonflée, avec un gain sensible en régime maxi. L'agrément moteur s'en ressent et les accélérations deviennent plus vives. On ne peut toutefois s'attendre à des miracles. Les progrès en la matière existent, mais ils sont lents et souvent freinés sur les moteurs de production par les coûts de fabrication qu'ils imposent, souvent incompatibles avec la réalisation en grande série. Nous voulons parler de précision d'usinage, de qualité des états de surface et des ajustements, d'utilisation de matériaux nobles.
Le bon vieux moteur à pistons et manivelles possède, on le sait depuis des lustres, beaucoup trop de pièces en mouvement, et surtout en mouvement alternatif. Il est en effet plus difficile de combattre le frottement pour des pièces en translation alternative que pour celles mues d'un mouvement de rotation continue. Et ce, essentiellement pour une question de graissage. Obtenir un graissage hydrodynamique (c'est-à-dire avec interposition permanente d'un film d'huile sous pression entre les surfaces à lubrifier) des premières s'avère impossible dans l'absolu, compte tenu de la discontinuité du mouvement (et du changement de direction des charges). Ce qui n'est pas le cas des pièces tournantes (vilebrequin, arbre à cames ... ) dont la rotation continue favorise la formation d'un coin d'huile dans les paliers. Une chose est sûre: la majeure partie (environ 40 %) des pertes par friction trouve son origine dans le contact segments/cylindre, dans une moindre mesure dans le contact jupe de piston/ cylindre. C'est à ce niveau qu'il faut limiter les calories naissantes pour gagner quelques pourcents. Ailleurs, c'est beaucoup moins probant et bien des préparateurs estiment que le jeu n'en vaut pas l'électrode. Excepté peut être dans le cadre d'une préparation « Groupe N}) où tout « pouillème » de cheval est bon à prendre ...

L'augmentation de la puissance du moteur se traduit nécessairement par des sollicitations mécaniques plus élevées entre pièces en mouvement. Vouloir réduire les frottements, sous-entendu la puissance perdue par frottement, n'est pas chose aisée puisque ces pertes sont proportionnelles à la fois aux charges transmises entre pièces (qui seront plus fortes) et à la vitesse de déplacement de celles-ci, donc du régime moteur ... régime que l'on désire précisément augmenter. Pas simple.
Mais rappelons quelques principes de base sur le frottement. Prenons une pièce 1 glissant sur une pièce 2 fixe:

Ce peut être par exemple un segment de piston (1) coulissant dans son cylindre (2).
Ces 2 pièces sont appuyées l'une sur l'autre avec un effort F perpendiculaire à la surface de contact; cet effort F peut correspondre:

- à la tension du segment, pour reprendre notre exemple,

- mais aussi à l'effort latéral qu exerce le piston sur le cylindre à cause de l'obliquité

de la bielle (revoir le chapitre concernant l'augmentation de la course), - ou encore à la poussée de la bielle sur le maneton, - etc ...

Si la pièce 1 se déplace à une vitesse V par rapport à la pièce 2, la puissance perdue par frottement s'exprime ainsi P = Fi x V où Ff représente la force de frottement naissant au contact et qui s'oppose au déplacement de 1.
Cette force Ff résulte en fait du produit de la force de pression F par le coefficient de frottement f existant entre les 2 pièces en contact: Ff = f x F d'où : P = f x F x V

L'expérience montre que le coefficient f varie avec:

-la nature des matériaux en contact (acier, fonte, bronze ... )

- la qualité d'usinage de leurs états de surface (f augmentant avec la rugosité),

- le type de frottement: sec ou lubrifié (la qualité de la lubrification faisant chuter f)

- la vitesse de glissement relative V dans le cas d'un contact lubrifié.
On le voit, bien des critères entrent en ligne de compte, et seule l'expérience permet de comprendre ce phénomène complexe et d'évoluer.

En ce qui nous concerne, on ne pourra « limiter» la puissance perdue par frottement qu'en tentant de réduire ce fameux coefficient f, puisque F et V iront logiquement en augmentant. On remarquera que l'étendue des surfaces de contact n'intervient pas dans le calcul de ces pertes
L'aire de contact est quant à elle directement liée à la pression de contact (p), cette dernière conditionnant l'usure. Nous avons en effet F=pxS

ce qui signifie que diminuer S pour un effort presseur donné F revient à augmenter la pression de contact entre les pièces. La puissance consommée par les frictions reste théoriquement la même (F inchangé), mais l'usure s'accélère.
Toutefois; en milieu lubrifié, la modification de la surface de contact peut entraîner une variation du coefficient f une pression de contact élevée rend plus difficile la formation du film d'huile, elle tend donc à augmenter f. L'exemple des segments frottant dans leur cylindre illustre parfaitement ce propos. L'étanchéité de la segmentation dépend, outre de la qualité d'usinage des surfaces entrant en jeu, de la pression de contact qu'exercent les segments sur les parois du cylindre. Cette pression résulte de la tension (F) du segment rapportée à sa surface de contact propre. Si l'on diminue cette surface par réduction de la « hauteur» du segment (mesurée suivant l'axe du cylindre, 1'« épaisseur » d'un segment correspondant à la différence entre ses rayons extérieur et intérieur ... ), la pression devient plus forte, ce qui améliore l'étanchéité ... sans pour autant réduire les frictions. Aussi ce que proposent, de plus en plus, les fabricants de segments, ce sont des segments minces à tension réduite. Mais ces réductions parallèles de tension et de hauteur sont elles définies conjointement afin d'assurer une pression de contact segment/paroi identique, gage d'une étanchéité toujours satisfaisante. Malgré une formation du film d'huile rendue plus difficile, de nombreux essais ont prouvé que ces segments minces « consommaient» moins d'énergie (voir fig. 44). C'est une des raisons pour lesquelles sur les moteurs préparés on utilise désormais des segments très étroits: 1 mm devient une hauteur courante pour le premier segment de compression; on rencontre même moins: jusqu'à 0,7 mm sur les moteurs FI. La hauteur des lèvres des segments racleurs s'est aussi considérablement réduite.

Influence de la hauteur du segment de compression sur la puissance perdue par frottement, pour une pression de surface constante: avec la diminution de la hauteur du segment, jusqu'à 0,4 mm, le frottement se réduit pour augmenter ensuite; cela provient du fait que jusqu'à environ 1 mm de hauteur, c'est la diminution de la surface de contact qui est prépondérante, alors qu'ensuite, c'est la réduction de l'épaisseur du film d'huile qui prend de plus en plus d'influence. Les segments minces apportent un autre avantage : les pistons, aux gorges devenues plus
étroites supportent beaucoup mieux les accélérations fortes. En revanche, pour des questions de sollicitations mécaniques accrues aux fortes vitesses, l'acier remplace souvent la fonte sur les segments de très faible hauteur (inférieure à 1,5 mm) ; les propriétés anti-friction de l'acier n'égalant pas celles de la fonte, il faut avoir recours à des traitements de surfaces (voir plus loin). D'autre part, les segments minces sont aussi davantage sollicités thermiquement: leur minceur rend plus ardu le transfert des calories développées sur la tête de piston. Il y a risque de brûlure de leur surface frottante. On pallie ce problème là encore par des traitements de surface appropriés qui améliorent dans le même temps les conditions de frottement. L'un des plus en vogue et des plus efficaces : le revêtement de molybdène par projection plasma ; soit une gorge pratiquée dans le segment est remplie de molybdène, soit toute sa surface portante est revêtue ; on obtient une couche très résistante dont la structure poreuse, très efficace en tant que réserve d'huile, ajoute à l'action lubrifiante de l'oxyde de molybdène qui se forme lors du processus de frottement. A signaler aussi le plus classique revêtement de chrome, qui offre une excellente résistance à l'usure comme aux brûlures, ce à quoi on le réserve surtout pour le segment « coup de feu }) dont les conditions de frottement sont particulièrement mauvaises (frottement mi-sec, mi-fluide). Enfin, on travaille énormément actuellement sur des revêtements à base de céramiques, difficiles d'emploi mais très performants en matière de frottement.

Revenons sur la question de l'étendue du contact entre deux pièces frottantes La théorie ne tient pas compte de cette surface de contact (liée à la pression comme nous venons de le voir) dans le calcul des pertes. Car elle considère des surfaces de liaisons idéales, parfaitement planes ou parfaitement cylindriques dans l'ajustement des pièces coulissantes. C'est loin d'être le cas, surtout sur notre moteur à pistons qui chauffe beaucoup de surcroît, surtout au niveau du guidage piston/cylindre grand consommateur d'énergie.
Prenez une chemise. Elle n'a plus rien d'un cylindre une fois le serrage de la culasse effectué (déformation en tonneau) ; pire encore lorsque le moteur monte en température : la dilatation de la culasse provoque un glissement entre celle-ci et le bloc, ayant pour effet d'ovaliser les chemises dans le sens longitudinal. Dans le sens transversal lors du refroidissement. Et dans ce soit-disant cylindre doit coulisser sans gripper un piston qui « grossit» plus vite que sa chemise sous l'action de la chaleur, mais d'une façon complètement déséquilibrée étant donné sa forme complexe, non homogène, aux épaisseurs variables. D'ailleurs, à froid, nous l'avons déjà souligné, un piston possède une forme complètement « patatoidale » pour tenir compte de cette dilatation non uniforme (déséquilibrée essentiellement par la présence des bossages d'axe), forme conçue pour se rapprocher du cylindre quasi parfait à chaud ... alors que la chemise n'y est plus. Un casse-tête fameux. On compte d'ailleurs beaucoup sur la e conformabilité » du segment (capacité d'épouser la surface avec laquelle il est en contact). Et nous ne parlons pas des dispersions de forme dues aux inévitables tolérances d'usinage.

On comprend que dans ces conditions peu favorables et pour le moins « tordues» la multiplication des zones de contact introduise des contraintes néfastes à l'origine de frottements parasites, voire de grippage. On comprend mieux l'évolution donnée à la forme des pistons avec en particulier une hauteur de jupe en constante régression (gain de poids simultané). On pourrait craindre une perte de précision dans la guidage des pistons, mais il faut aussi savoir que la meilleure maîtrise des phénomènes de dilatation, combinée à l'introduction incessante de nouvelles nuances de matériaux (ne serait-ce que dans le domaine des alliages d'aluminium) permettent de faire fonctionner ces pistons « courts» avec des jeux réduits.

Ça va, vous suivez toujours? Bien. Mais que ressort-il concrètement de tout ceci? Trois points essentiels:
- 1 : les sollicitations mécaniques, les vitesses relatives entre les pièces en mouvement du moteur, vont augmenter; on ne pourra combattre efficacement les frictions nocives qu'en recherchant un coefficient de frottement (f) le plus bas possible. Cela implique un choix judicieux des matériaux, aussi rares que chers, des traitements de surface de plus en plus savants ou rusés, pas donnés non plus. Des astuces propres au caractère mystique de la préparation ... - 2 : il ne sert à rien de braquer une nième banque pour s'offrir des matériaux et traitements révolutionnaires si l'on fait fi de toute rigueur et précision dans les guidages et ajustements des pièces en mouvement. Là, la notion de métrologie prend toute son importance : contrôle de la géométrie des surfaces usinées (rectitude des lignes d'arbre, équerrage des bielles, etc ... ), contrôle des jeux d'assemblage, des jeux de dilatation. Au besoin, il faudra rectifier certaines surfaces ou sélectionner les meilleures pièces. Ça, les préparateurs de moteur « Groupe N » connaissent bien.

- 3 : la qualité de la lubrification joue un rôle primordial. Cela sous-entend une adhérence optimale du film d'huile, une résistance maximale à l'écrasement et au cisaillement des molécules lubrifiantes, une tenue extrême aux fortes températures. Dans les paliers soumis à des charges radiales importantes, la pression de lubrification devra être à la hauteur de l'augmentation de ces charges.

Les frottements? Où ? Que faire?

a. Frottement piston-segments/cylindre *l'ajustement piston/cylindre: Il a une extrême importance. Les fabricants de piston préconisent le jeu de fonctionnement à respecter. Souvent poinçonné sur le piston, ce jeu permet à partir du diamètre de la jupe d'usiner le diamètre du cylindre en conséquence. Il est déterminé en tenant compte du coefficient de dilatation du matériau constituant le piston, ce coefficient pouvant même varier très sensiblement entre deux alliages d'aluminium de nuances différentes. En moyenne, un piston en aluminium se dilate deux fois plus qu'un cylindre en fonte. Il est donc important de respecter ce jeu pour assurer un guidage correct du piston (guidage assuré par la jupe) en toutes circonstances * Certains préparateurs n'hésitent pas à augmenter le jeu préconisé. On gagne un peu en frottement au niveau des segments, qui, légèrement libérés, exercent une pression de contact moins élevée sur le cylindre. Un jeu de fonctionnement plus grand est certes meilleur que le contraire (risque de grippage), mais un jeu excessif entravera par trop l'échange thermique piston-cylindre, provoquera un claquement du piston et une usure plus rapide de sa jupe (pressions de contact plus élevées car localisées), tout comme il favorisera la consommation d'huile. Il parait raisonnable, pour des questions de longévité, de ne pas augmenter de plus de 20 à 25 % le jeu prescrit.

*La qualité d'usinage des cylindres
Des parois de cylindre trop lisses peuvent être aussi néfastes que des parois présentant une trop forte rugosité. Principalement lors de la période de rodage, les segments n'assurant pas encore une étanchéité parfaite, il arrive que le film d'huile disparaisse localement (enlevé par les segments), si les parois sont trop lisses; il se produit alors des frottements directs métal sur métal, entraînant des brûlures de segments localisées, jusqu'à des fissions internes ; dans le pire des cas, sous forte charge, cela peut conduire au grippage pur et simple du piston. D'un autre côté, une rugosité trop élevée des parois de cylindre se traduira par des frottements importants, un rodage plus long et difficile avec échauffement exagéré des segments.

La rugosité arithmétique (Ra) conseillée par les fabricants de pistons et cylindre se situe entre 0,6 et 1,2 microns. Afin d'optimiser la lubrification piston-cylindre, on pratique sur les parois de cylindre, en travail de finition, ce qu'on appelle le « honage » (ou pierrage). Il consiste en la réalisation de stries fines, obliques et croisées, dont le but est de créer après ajustement des surfaces frottantes (rodage) de multiples et microscopiques cavités de retenue d'huile. A noter que dans ce même but, nous l'avons déjà souligné, les pistons possèdent également des stries d'usinage circulaires très fines. Pou
r que le honage soit correctement réalisé, les stries doivent avoir une coupe franche et un angle de croisement compris entre 40 et 70°. Les ateliers de rectification bien équipés utilisent désormais des pierres à honer en céramique, avec effet auto-affûteur, plus efficaces que les pierres-diamant.

* Matériaux et traitements de surface:

- des cylindres ...

La fonte est un bon matériau de frottement, elle offre de ce point de vue de meilleurs résultats que l'acier. C'est pourquoi, on l'utilise pour la réalisation des chemises (ou blocs non chemisés), en association avec des pistons en aluminium. Mais les conditions de frottement peuvent être améliorées, surtout s'il s'agit de cylindres en acier, par l'apport, soit d'un traitement superficiel, soit d'un revêtement de surface des parois de cylindre, Citons essentiellement:

- la sulfonitruration (enrichissement en soufre par chauffage ou électrolyse en bain de sels) qui améliore considérablement le frottement (autolubrification sèche) et la résistance à l'usure (présence d'aiguilles de nitrure) ;

- le revêtement de chrome

- le revêtement de « Nikasil » (Nickel) + carbure de silicium) par dépôt électrolytique:

très grande dureté, résistance à l'usure, faculté de retenir l'huile. Un brevet « Mahle » appliqué depuis longtemps chez Porsche, puis chez Ferrari. Coûteux, mais très en vogue aujourd'hui. A noter que le « Nikasil » s'emploie essentiellement sur des chemises en aluminium et qu'il ne supporte pas la compression. Il doit donc être utilisé sur des chemises « pendues» (en appui sur le haut du bloc et pincées).

- des segments ...

Il faut savoir en effet que le chrome et l'acier font très mauvais ménage du point de vue frottement. Des segments chromés dans des chemises acier, ou des segments acier dans des chemises chromées sont des mariages à éviter. En revanche, une association segments chromés - cylindre fonte donne d'excellents résultats : des essais ont montré qu'un simple segment chromé placé dans la première gorge réduisait l'usure du cylindre d'environ 50 %.
De série, le matériau le plus usité en 'matière de segment est la fonte grise à graphite lamellaire (d'un meilleur pouvoir anti-friction que sa soeur fonte GS). Par contre, et en raison des sollicitations dynamiques plus élevées on utilise en compétition soit la fonte GS, soit l'acier dont les nuances sont aussi nombreuses que tenues secrètes, surtout pour le segment « coup de feu » de faible hauteur. Mais dans ce cas on apporte à ces segments des revêtements de surface comme le chromage dur ou mieux, le molybdène, déjà cités plus haut. * Les segments leur tension, leur forme ...

Un jeu plus important que la normale du piston dans son cylindre permet de détendre légèrement les segments et donc de diminuer les pressions de contact, et par suite les frictions. Nous avons souligné cette possibilité comme nous en avons précisé les nombreux inconvénients.

Il est également possible de réduire la tension propre des segments en leur faisant subir un traitement de recuit. Mais ce procédé est à réserver aux professionnels. Il nécessite des fours appropriés, le recuit devant être mené par paliers de température, segments comprimés. La réduction de tension peut atteindre les 1 0 % de la valeur initiale, mais là encore l'expérience compte énormément. Nous ne saurions conseiller à l'amateur de s'engager dans cette voie qui risque d'apporter plus de déboires que de réelles satisfactions. De façon beaucoup plus économique, infiniment plus rapide, et sans courir de très gros risques, on pourra par contre diminuer sensiblement la tension des segments racleurs gros consommateurs d'énergie. La méthode? Couper quelques spires (ou anneaux suivant le type) du ressort d'expansion. Mais attention, il faut être raisonnable maximum 2 ou 3 spires, sinon c'est la consommation d'huile à outrance.

Quelques mots sur la forme de la section des segments simplement pour savoir que celle-ci peut prendre des allures très diverses, et que des progrès constants sont réalisés dans ce domaine. Pour ne parier que des segments d'étanchéité, citons les segments à section rectangulaire (les plus économiques et les plus répandus), conique (pour accélérer le temps de rodage), ou encore avec chanfrein de torsion (prenant la forme d'une « assiette» au montage, ils améliorent l'étanchéité et à l'huile et aux gaz). En ce qui concerne plus particulièrement la réduction des frottements, il existe des segments à surface de friction bombée (à peine visible) qui favorise la formation du film d'huile, sans oublier les déjà classiques mais performants segments en « L ». Le segment à section en « L » (voir schéma fig. 45) est utilisé comme premier segment d'étanchéité, dans une gorge de section semblable. Sa forme particulière lui permet de laisser pénétrer les gaz comprimés à l'intérieur de la gorge, ce qui a pour effet d'augmenter considérablement la pression du segment sur la paroi du cylindre. Cette singularité autorise ce type de segment à avoir une tension initiale inférieure, ce qui réduit les frictions pendant la descente du piston, ainsi que durant les phases basse pression. Le segment en L offre aussi l'avantage d'une meilleure résistance au battement à haut régime. Il fut utilisé avec succès sur des moteurs illustres 0/8 1500 Climax, V12 Matra ... ) et il équipe encore aujourd'hui de nombreux moteurs de compétition.
Terminons sur le cas des segments en ajoutant que leur nombre par piston influence tout naturellement les pertes par friction. De 5 puis 4 segments très hauts, on est passé depuis longtemps maintenant à 3 segments qui deviennent de plus en plus minces. Deux de compression et un racleur semble représenter le meilleur compromis étanchéité-consommation d'huile-frottement.

Il n'y a guère que sur les moteurs très poussés, Fi et moto que l'on rencontre des pistons à 2 segments ... et même à un seul segment en moto depuis ... une vingtaine d'années. Parions d'ailleurs que les nouveaux moteurs Fi atmosphériques et leurs régimes de 14/15 000 tr/mn nous apporteront leur lot de progrès en matière de qualité de segment, matériaux et traitements de surface.

b. Frottement dans l'embiellage

*articulation piston-bielle:
Actuellement on ne rencontre plus que deux types de montage pour l'axe de piston: - axe serré dans le pied de bielle, le piston s'articulant autour de l'axe,

- axe monté «flottant», c'est-à-dire avec jeu à la fois dans le pied de bielle et le piston.
Au contraire du deuxième montage, le premier bien que présentant un gain de poids relatif (pied de plus faibles dimensions puisque dépourvu de bague), exige un graissage parfait (canalisation de l'huile vers les bossages d'axe) en toutes conditions, un grippage de l'axe dans le piston entraînant le grippage immédiat de la jupe dans le cylindre. En outre le montage de l'axe est plus délicat. Le montage « flottant », plus fiable et plus performant sous sollicitations sévères, est donc recommandé. La majorité des pistons spéciaux sont d'ailleurs prévus pour ce mode d'assemblage.

Pour réaliser un montage « flottant» de l'axe on pourra éventuellement modifier les bielles d'origine, si les dimensions du pied le permettent:
- réalésage du pied de bielle (veiller à respecter l'équerrage, c'est-à-dire au parallélisme des axes de pied et de tête de la bielle),mise en place d'une bague en bronze (coussinet), montée serrée dans la bielle, le jeu de l'axe du piston dans la bague doit être compris entre 0,1 et 0,2 % de la valeur de son diamètre; par exemple: axe diamètre 20 mm, jeu compris entre 0,02 et 0,04 mm, perçage d'un trou conique de lubrification au sommet du pied de bielle.

En association avec les pistons, beaucoup de préparateurs proposent des bielles ainsi retravaillées dîtes « baguées».

* Articulation bielle-vilebrequin et guidage vilebrequin-paliers du bloc:

A ces deux niveaux, comme à celui du guidage de l'arbre à cames dans le bloc ou la culasse, les charges mécaniques augmentent, on s'efforcera de limiter les pertes par friction en veillant:

1. A la qualité anti-friction, au taux de charge (pression maxi admissible) des coussinets employés: voir « les coussinets»
2.A la qualité des états de surface rectification des manetons et tourillons,

3.Au contrôle géométrique:

- de la ligne d'arbre du vilebrequin (alignement des paliers),

- du parallélisme des alésages de la bielle (équerrage).
4. A la qualité de l'assemblage: contrôle des jeux radiaux et axiaux, appariement des pièces, propreté, respect des couples de serrage, etc ... 5. A la qualité de la lubrification : ce problème concernant l'ensemble des surfaces frottantes, nous lui réservons un peu plus loin un paragraphe particulier ...

Le terme « qualité », comme on peut le constater, revient souvent. Maître-mot qu'il faut avoir constamment à l'esprit, c'est l'un des préceptes fondamentaux de cette science qu'est la préparation.
Nota: nous aurions pu ajouter aux cinq points évoqués ci-dessus le critère « rigidité ». Nous en avons déjà parlé à propos de l'équilibrage dynamique du vilebrequin et du nombre de ses paliers de guidage. Une déformation importante sous charge du vilebrequin, essentiellement en flexion, créera des frictions supplémentaires dans les paliers, entraînant surcharge et détérioration des coussinets (non uniformément réparties, les pressions de contact augmentent localement et dépassent le taux de charge admissible). L'insuffisance de rigidité du bloc-moteur et donc la déformation de la ligne d'arbre, aura les mêmes conséquences. Elle peut d'ailleurs limiter le développement en puissance dudit moteur.

c. Frottement dans la distribution

* Guidage arbre à carnes bloc ou culasse:

Même chose que pour le guidage du vilebrequin. Rappelons que l'emploi de ressorts de soupapes de raideur exagérée se traduira par une charge en flexion excessive de l'AC et par un gaspillage d'énergie.

*Soupape - guide:

Les soupapes se meuvent alternativement dans des guides relativement longs. Les surfaces de contact sont donc importantes et les différences de rectitude entre la queue de soupape et l'alésage du guide introduisent à elles seules des frictions. Les raisons de cette longueur de guidage sont les suivantes:
- La soupape reçoit, surtout dans les distributions à culbuteurs (le problème est moindre avec les commandes par ACT à attaque directe), un effort latéral tendant à faire fonctionner obliquement la soupape dans son guide. Pour réduire l'amplitude de ce « basculement » qui, à la longue, crée l'ovalisation des guides, on augmente la longueur du contact.
- Autre raison d'importance : l'évacuation des calories. La tête de la soupape les évacue par son siège, la tige, elle, par son guide. Une surface de contact importante favorise donc ce transfert de chaleur, surtout pour les soupapes d'échappement.
Pour tenter de réduire les frictions on pourra:
- remplacer les guides d'origine en fonte par des guides en bronze (ces derniers sont de plus en plus fréquents, sur les moteurs de série sportifs, principalement allemands), le coefficient de frottement entre acier et bronze étant en effet meilleur que celui entre acier et fonte. Citons aussi le bronze fritté, plus performant par son effet autolubrifiant.
- diminuer légèrement la longueur des guides, en restant prudent côté échappement. Ce travail se fera obligatoirement côté conduit, ce qui améliorera en même temps l'écoulement des gaz (voir fig. 47).
- supprimer éventuellement les joints à lèvre racleurs d'huile fixés sur la partie haute des guides.
Par ce travail il faudra s'attendre à une consommation d'huile (par les guides d'admission) sensiblement accrue et à un gommage accéléré (huile carbonisée) des tiges de soupapes d'échappement.

*Culbuteur - axe (ACL)
Peu de chose à faire, sinon:
- Vérifier leur bonne rotation Geu diamétral) et corriger si nécessaire par un bon polissage de l'alésage du culbuteur concerné ou de l'axe entier,
- remplacer les ressorts de séparation, qui freinent la rotation des culbuteurs, par des bagues en aluminium montées libres Geu axial des bagues: 0,1 à 0,3 mm).
Partout ailleurs (contacts poussoir-guide, came-poussoir ... ), il s'avère difficile et peu rentable de gagner sur les frictions autrement que par un traitement de surface ou revêtement spécial. Les poussoirs pourront subir par exemple une sulfonitruration (voir traitement des chemises) ou un traitement au molybdène

Une nitruration de l'arbre à cames est recommandée, davantage pour augmenter sa résistance à l'usure par frottement et éviter l'écaillage des cames.
Aussi faut-il savoir que l'expérience personnelle, l'importance de l'enjeu dans l'optique d'une préparation pour la compétition, et donc des moyens financiers, comptent pour une large part dans le choix des solutions. Pour la course au top niveau, là où l'on ne recule devant aucun sacrifice, on n'hésite pas à employer matériaux rares et traitements dernier cri, empruntés dans la majorité des cas aux techniques aéronautiques. En matière de traitements des pièces frottantes, il existe une multitude de procédés pour le moins peu connus, qui améliorent à la fois le coefficient de frottement, la résistance au grippage et la dureté superficielle du matériau. Et ce quelle que soit la nature de ce dernier.
Ce sont généralement des traitements de diffusion métallique : les pièces en titane peuvent recevoir en surface une couche d'oxyde de titane (traitement de diffusion par oxydation contrôlée « Tifran ») avec dopage possible au bisulfure de molybdène, composé bien connu pour ses excellentes propriétés autolubrifiantes. La métallisation plasma d'oxyde de chrome ou de molybdène dont nous avons parlé pour les segments, s'étend de plus en plus aux paliers et manetons de vilebrequin. Mais le degré d'efficacité de ces traitements est bien souvent proportionnel à leur coût... prohibitif. Néanmoins, tout, ou presque, est possible.
Sur certains moteurs « Groupe N », pour lesquels le prix de la préparation est inversement proportionnel à ce que le règlement autorise, on en arrive à traiter toutes les surfaces frottantes, sans exception aucune, par bombardement au four de particules de silicone. Même les pignons et synchros de boîte de vitesses peuvent subir le même sort. Ainsi sur un moteur de Renault 5 GT Turbo, le gain en frottement peut atteindre 15 %, ce qui représente un gain d'environ 2 à 3 ch. C'est toujours ça de pris ... moyennant un minimum de 3 500 F.
Les coussinets
Au cours des vingt dernières années, les progrès enregistrés en matière de coussinet ont été spectaculaires. Actuellement, on arrive à leur faire supporter des pressions de 4 000 bars (4 000 daN/cm2), soit 4 fois plus qu'il y a 15 ans! Dans le même temps, leur durée de vie s'est considérablement rallongée. Pour atteindre ce haut niveau de performance, les recherches ont porté sur deux fronts: la qualité des matériaux réalisant la couche antifriction et l'épaisseur de cette couche. Cette dernière s'est progressivement considérablement réduite, l'expérience prouvant que la tenue du coussinet dans le temps dépendait fondamentalement de l'épaisseur du dépôt antifriction. Ainsi, le simple fait de réduire celle-ci par 5 multiplie par 4 la longévité du coussinet à charge identique.
L'amélioration de la qualité de filtration de l'huile a participé avantageusement à cette évolution. Il est vrai qu'il y a à peine plus d'un quart de siècle, on ne comptait guère que sur la crépine de pompe pour filtrer l'huile des moteurs encore dépourvus de cartouches filtrantes.
Cette filtration grossière ne suffisait évidemment pas à stopper les particules d'usure, lesquelles s'incrustaient alors dans les coussinets, grâce à un revêtement anti-friction particulièrement mou et épais! Les coussinets étaient prévus pour cela ...
Aujourd'hui, suite à l'augmentation grandissante des charges sur les paliers et des régimes moteur, les coussinets se sont sévèrement amincis et, sur une coquille d'acier, l'épaisseur de matériau anti-friction ne dépasse guère les 30 à 40 microns. Aussi', sous peine de perturber la formation du film d'huile pour un parfait graissage hydrodynamique, la présence de toute impureté métallique dans l'huile devient exclue, ce qui exige un seuil de filtration poussé, de l'ordre de 15 à 20 microns, voire 5 à 10 sur les moteurs turbocompressés.
Ces objectifs n'ont pu être atteints sans une amélioration parallèle des performances du lubrifiant. Les progrès spectaculaires apportés par les huiles de synthèse (capacité de charge,
tenue à la température exceptionnelles .,. ) ont d'ailleurs renvoyé au second plan l'importance à accorder à la qualité des coussinets, l'évolution de ces derniers s'émoussant d'ailleurs
depuis quelques années.
Certes, le « métal rose» (bronze au plomb), le régule (alliage étain-plomb-cuivreantimoine) ne sont plus de mise, même si la plupart des matériaux de base continuent d'être employés. Aujourd'hui, on recherche à marier habilement matériaux durs (pour combattre l'usure) et matériaux tendres (pour répartir uniformément la charge et abaisser le coefficient de frottement), ces matériaux étant déposés en plusieurs nappes par voie électrolytique sur le support en acier. Place aux coussinets « bi-métal », dont le «cupro-alu » (cuivre-aluminium) et l'aluminium-étain notamment, et aux autres « tri-rnétal » combinant savamment plomb-étain-cuivre, aluminium-étain-cuivre ou encore, chez le spécialiste Vanderweil (qui fournit quasiment tous les motoristes FI) des combinaisons plomb-indium en nappe sur bronze plombé ...
La tâche d'un coussinet n'est pas simple. Il doit résister aux contraintes d'écrasement tout en conservant une parfaite géométrie, il doit offrir un minimum de résistance au glissement et supporter des contraintes d'arrachement sous charge, sous forte température et pour des vitesses de glissement élevées. Car le frottement fluide, ou hydrodynamique, n'est pas toujours idéalement réalisé, des zones surchargées pouvant provenir d'un manque de rigidité d'une ligne d'arbre provocant. Dans ce cas, les pressions locales dans les paliers atteignent rapidement la limite admissible.
La pression de contact et la vitesse de glissement, ou vitesse périphérique, sont les deux critères essentiels pour déterminer un palier.
La pression s'obtient par le rapport de la charge transmise (par exemple l'effort de la bielle sur le maneton) sur la surface de travail du coussinet, appelée aussi surface projetée car égale au produit du diamètre du palier par la largeur utile du coussinet. Pour une charge donnée, on peut donc réduire la pression en jouant sur le diamètre du palier (maneton ou tourillon de vilebrequin) et/ou sa largeur.
Mais si l'augmentation de diamètre se révèle bénéfique du point de vue résistance torsionnelle du vilebrequin, elle devient néfaste vis-à-vis des vitesses périphériques (proportionnelles au rayon) et de la puissance perdue par frottement. D'un autre côté, une largeur accrue des paliers conduit à un vilebrequin plus long, plus sensible aux déformations flexion-torsion.

La rigidité du couple bloc-vilebrequin, nous l'avons souligné, est un critère déterminant dans l'objectif de réduction des pertes mécaniques. Intervient alors le compromis compacité-
vitesse de rotation du moteur dans le choix du rapport diamètre/largeur des paliers. Un problème d'actualité que connaissent parfaitement les motoristes FI, un VI 0 3,5Létant aujourd'hui plus court qu'un V8 3 L de 1967 ...
En matière de définition de palier sur les moteurs de compétition, et particulièrement sur les moteurs rapides type FI, on est amené à réaliser un compromis entre un diamètre de palier trop grand, qui conduit à des pertes par frottement hydraulique trop élevées, et un diamètre trop faible qui, faute d'un rapport surface de travail charge favorable, introduit une pression sur le film d'huile excessive avec les risques de grippage que cela comporte.
Sur ces moteurs aux régimes sans cesse accrus, on est confronté à un problème de refroidissement des paliers. Dans ces conditions, la recherche de nouveaux matériaux concerne davantage la tenue à la fatigue et au grippage que la réduction du coefficient de frottement.
En fait, on travaille surtout avec des jeux de paliers plus élevés associés à des débits de pompes augmentés. Pression et débit plus élevés, cela implique une puissance hydraulique (produit de la pression par le débit) de la (des) pompe(s) à huile accrue, puissance prélevée sur le moteur par entraînement mécanique.
Ce que l'on gagne, ou plutôt ce que l'on ne veut pas perdre par friction dans les paliers, on le perd nécessairement dans l'énergie consommée par l'entraînement de la (des) pompe(s) de lubrification.