Qu'est-ce qu'un arbre d'équilibrage ?

Les arbres d'équilibrage sont plus courants sur les moteurs quatre cylindres en ligne qui, en raison de l'asymétrie de leur conception, présentent une vibration de second ordre inhérente (vibrant au double du régime moteur) qu'on ne peut éliminer, quel que soit l'équilibrage des composants internes.

Les moteurs à plat ont des pistons opposés horizontalement, ils sont donc naturellement équilibrés et n'impliquent pas la complexité, le coût ou la perte de puissance supplémentaires liés aux arbres d'équilibrage.

Cette vibration provient de ce que le mouvement des bielles dans un moteur en ligne n'est pas symétrique sur l'ensemble de la rotation du vilebrequin ; ainsi, sur un tour donné du vilebrequin, les pistons en descente et en montée n'ont pas toujours des accélérations parfaitement opposées, ce qui donne deux fois par tour une force d'inertie verticale nette dont l'intensité croît de façon quadratique avec le régime, quel que soit le réglage des masses des composants.

Le problème s'accentue avec l'augmentation de la cylindrée du moteur, car les seuls moyens d'obtenir une plus grande cylindrée sont une plus course du piston, qui accroît la différence d'accélération, ou un plus grand alésage du cylindre, qui augmente la masse des pistons ; dans tous les cas, l'amplitude de la vibration inertielle augmente.

Pendant de nombreuses années, deux litres ont été considérés comme la limite de cylindrée « non officielle » pour un moteur de production quatre cylindres en ligne offrant des caractéristiques NVH acceptables.

Le concept de base des arbres d'équilibrage existe depuis 1904, date à laquelle il a été inventé et breveté par l'ingénieur britannique Frederick Lanchester.

Deux arbres d'équilibrage tournent en sens opposés au double de la vitesse du moteur.

Les masses excentriques de même dimension de ces arbres sont dimensionnées et synchronisées de sorte que la réaction d'inertie due à leur rotation opposée s'annule dans le plan horizontal mais s'additionne dans le plan vertical, ce qui produit une force nette de même amplitude mais déphasée de 180 degrés par rapport à la vibration de second ordre indésirable du moteur de base, et l'annule.

Cependant, la mise en œuvre concrète du concept est suffisamment spécifique pour avoir été brevetée.

Le problème fondamental posé par ce concept consiste à supporter et lubrifier correctement une pièce qui tourne au double de la vitesse du moteur dans les régimes élevés où la vibration de second ordre devient inacceptable.

Le coût en puissance des deux arbres d'équilibrage fait l'objet de certains débats. Le chiffre généralement avancé est d'environ 15 ch (11 kW), ce qui peut paraître excessif pour de simples pertes par frottement. Il pourrait s'agir d'une erreur de calcul liée à l'usage habituel d'un banc à inertie, qui calcule la puissance à partir de l'accélération angulaire au lieu de mesurer réellement le couple en régime stabilisé. Les 15 ch (11 kW) correspondent donc à la fois à la réelle perte par frottement et à l'accroissement de l'inertie angulaire des arbres tournant rapidement, facteur qui n'interviendrait pas à vitesse constante. Néanmoins, certains propriétaires modifient leurs moteurs en retirant les arbres d'équilibrage, à la fois pour récupérer une partie de cette puissance et pour réduire la complexité et les zones de rupture potentielles dans les applications de haute performance et de compétition, car on pense (à tort) que la souplesse apportée par les arbres d'équilibrage peut être retrouvée après leur dépose en équilibrant soigneusement les pièces alternatives du moteur.

Un autre type d'arbre d'équilibrage se rencontre sur de nombreux moteurs V6.

Alors qu'un moteur V6 conçu de façon optimale présenterait un angle de 60 degrés entre les deux rangées de cylindres, de nombreux V6 actuels dérivent de moteurs V8 plus anciens, qui ont un angle de 90 degrés entre les deux rangées.

Si cela confère un ordre d'allumage régulièrement espacé sur un moteur 8 cylindres, cela produit un rythme irrégulier sur un moteur six cylindres : à chaque rotation du vilebrequin, trois cylindres se déclenchent à intervalles de 90 degrés, suivis d'une pause de 90 degrés sans impulsion de puissance.

On peut éliminer ce phénomène en utilisant un vilebrequin plus complexe et coûteux qui modifie la relation entre les cylindres des deux rangées pour obtenir une différence effective de 60 degrés, mais récemment de nombreux constructeurs ont jugé plus économique d'adapter le concept de l'arbre d'équilibrage, en utilisant un seul arbre avec des contrepoids espacés de manière à produire une vibration qui annule la secousse inhérente au V6 de 90 degrés.