Technique : Les coussinets

Les coussinets sont des pièces recouvertes de métal antifriction servant à guider et à supporter des organes tournants.

La fonction des coussinets est de réduire les frottements, donc de diminuer les résistances au mouvement et d'éviter l'usure ou encore le grippage des pièces. Les coussinets se composent généralement de deux éléments appelés coquilles, mais ils peuvent être également d'une seule pièce, dans ce cas, on parlera plutôt de bagues. Les matériaux généralement employés pour leur fabrication sont des alliages de bronze avec de l'antimoine ou du plomb.

Les coussinets sont montés généralement sur les paliers de l'arbre moteur, sur les maneions, les paliers de l'arbre à cames, certains arbres de la boite de vitesses, etc.

Dans les premiers moteurs, la lubrification s'effectuait par "barbotage", mais on adopta vite la lubrification forcée, surtout pour les pièces soumises à des contraintes sévères, comme les coussinets de vilebrequin. Aux débuts de l'automobile, les coussinets étaient constitués habituellement d'une coquille fondue en bronze et grossièrement usinée, sur laquelle on déposait par coulage le matériau antifriction.

Celui-ci était ensuite soumis à des opérations de rectification et de finition à la machine. Parfois, à l'occasion de réparations, les coussinets étaient même polis à la main. Actuellement, les procédés de fabrication bénéficient d"une automatisation poussée et on atteint un degré élevé de finition et de précision. Les procédés les plus courants, dits "à ruban", comportent le dépôt de l'alliage antifriction par fusion ou par frittage sur un ruban continu d'acier, soigneusement préparé (acide ou polissage), de manière à assurer une adhérence parfaite du revêtement.

Ce ruban est ensuite divisé en éléments rectangulaires, soumis à différentes opérations jusqu'à l'alésage final, suivi éventuellement du dépôt électrolytique d'une couche (généralement : étain-plomb) destinée à assurer une protection antirouille pour la coquille en acier et le coussinet lui-même durant la période de rodage.

On utilise de plus en plus rarement les coussinets à coquilles en bronze, qui trouvent leur emploi dans les moteurs de grandes dimensions. Les coussinets doivent posséder quelques propriétés caractéristiques. La première est la compatibilité entre le matériau du coussinet et l'organe en mouvement; cette condition est pratiquement toujours remplie : il suffit en effet que les matériaux en contact ne soient pas semblables (par exemple acier sur acier).

La deuxième caractéristique fondamentale est l'aptitude à supporter des pressions spécifiques et des vitesses de frottement élevées.

Dans le calcul des coussinets, on vérifie que la pression spécifique moyenne ne dépasse pas les valeurs pour lesquelles se réalise le contact direct entre le coussinet et l'axe. Ainsi, dans les conditions normales de fonctionnement, on a un frottement humide grâce au mince film d'huile interposé entre le coussinet et l'arbre ou, au maximum, un frottement mixte (c'est.à-dire en partie direct et en partie indirect).

La température de fonctionnement est aussi une notion importante : en effet, si elle est trop élevée, la viscosité de l'huile diminue. Il y a dors contact direct entre le coussinet et l'arbre, ce qui se terminera par le grippage et la fusion de la pièce.

L'échauffement est fonction du coefficient de frottement du matériau composant le coussinet du régime de rotation, du type de la possibilité de refroidissement de la quantité d'huile en circulation.

Les coussinets doivent posséder des particularités spécifiques. La première est de permettre l'incorporation dans le métal antifriction des impuretés solides entraînées par l'huile, sinon, ces particules endommageraient rapidement l'arbre ; pour la même raison, le revêtement doit être homogène (sans composants durs, susceptibles de rayer l'arbre).

Un des signes les plus évidents d'usure des coussinets est la baisse de pression du circuit de lubrification (indiquée par le manomètre et - seulement dans des conditions extrêmes - par la lampe-témoin). Cette perte de pression est due à l'huile qui s'échappe entre l'arbre et le coussinet. La seule chute de pression n'est pas un symptôme direct et infaillible, elle peut être due à d'autres causes ; enfin, dans certains cas, l'usure d'un coussinet entraînera la fermeture des conduits de lubrification et, par conséquent, une augmentation de la pression du circuit.

Une série de coups dont la fréquence s'accroît avec le régime du moteur est aussi un signe d'usure excessive. Le bruit est sourd et grave, nettement perceptible lorsque le moteur fonctionne à plein régime (accélérateur à fond), ou sous contrainte à bas régime. Lorsqu'il s'agit des coussinets de tête de bielle, le bruit est au contraire plus métallique et plus aigu, et on le perçoit plus nettement lorsque le moteur n'est pas soumis à un effort excessif.

Pour détecter le mauvais état des coussinets de tête de bielle, on peut supprimer l'allumage successivement aux différents cylindres du moteur. On notera une augmentation du bruit lorsque cette opération intéressera le piston dont la bielle présente un jeu excessif sur le maneton ou sur l'axe de piston. L'usure des coussinets de l'arbre à cames est plus difficile à déceler au son ; la fréquence des chocs sera déterminante (la vitesse de rotation est deux fois plus faible que celle du vilebrequin dans les moteurs à quatre temps).

La vérification directe des coussinets de bielle, disposés dans l'ordre du premier au dernier cylindre, permet en général de déterminer l'origine de l'usure. Les causes sont, par ordre d'importance, la présence d'impuretés dans l'huile, une lubrification insuffisante soit par manque d'huile, soit par décomposition de celle-ci ; un montage ou un alignement défectueux des paliers ou des arbres, une surcharge ou encore la corrosion.

Les impuretés métalliques présentes dans l'huile provoquent des rayures sur le coussinet et sur l'arbre, ou des points de fusion dus à la variation des charges supportées par les différentes zones du coussinet. Elles peuvent provenir d'un mauvais nettoyage des organes mécaniques au moment du montage, mais être aussi causées, pendant le rodage, par le détachement de particules métalliques des engrenages de la distribution et de la pompe à huile.

Ce risque montre la nécessité de vidanger l'huile après seulement quelques centaines de kilomètres de rodage comme il est généralement préconisé par le constructeur. Une lubrification insuffisante provoque des effets variables selon les différents matériaux antifriction.

Dans le cas du métal blanc, on peut assister à un glissement du métal à l'intérieur des coquilles, qui se traduit par la destruction complète du coussinet. Pour le métal rose, le glissement de la couche superficielle s'accompagne d'un fort échauffement, pouvant provoquer la fusion du coussinet. Un défaut de lubrification ou une lubrification insuffisante peuvent dépendre de plusieurs causes, parmi lesquelles les plus courantes sont :

- Un manque d'huile dans le carter ;

- Un débit insuffisant de la pompe à huile ;

- Un fonctionnement défectueux du clapet de décharge ;

- Une huile trop vieille ou trop diluée, donc présentant une viscosité trop faible ;

- Un départ, en hiver, avec accélération à froid (dans ce cas, l'huile, insuffisamment fluide, provoque des phénomènes de cavitation et n'est pas aspirée par la pompe).

Un mauvais montage conduit aux mêmes inconvénients qu'une mauvaise lubrification ; en guise d'exemple, on peut citer :

- Un jeu insuffisant entre le coussinet et l'arbre, provoquant une diminution de la quantité d'huile, donc une surchauffe ;

- Un montage des coquilles à l'envers, bouchant le conduit de lubrification ;

- Un montage défectueux du coussinet sur son siège (le coussinet bouge dans le siège jusqu'à la rupture par fatigue). Les surcharges sont généralement à attribuer à une mauvaise utilisation du véhicule, comme par exemple :

- Un fonctionnement prolongé au ralenti (à ce régime, l'épaisseur de la couche d'huile est insuffisante ; la détérioration est due au détachement et à l'érosion de l'antifriction; l'aspect du coussinet est semblable à celui de coussinets corrodés par l'acidité de l'huile) ;

- Une accélération trop poussée d'un moteur tournant à faible régime et qui peine (les efforts dus à l'explosion sont très importants et le débit de la pompe est faible ; sur le fond du coussinet apparaissent une traînée de matériau et même des signes de rupture) ;

- Une vitesse de rotation excessive (dans ce cas, ce sont les charges d'inertie qui sont excessives). La corrosion se présente comme une érosion par plaques du coussinet.

Elle est due à la formation d'acides organiques dans l'huile , lesquels attaquent les matériaux dont est constituée l'antifriction. Ce phénomène se produit lorsque le carter n'est pas suffisamment aéré, lorsqu'il y a des infiltrations le long du piston, ou lorsque l'huile n'est pas changée périodiquement. Si l'on constate une usure des coussinets, il faut arrêter immédiatement le moteur et faire remorquer la voiture jusqu'à un atelier de réparations afin d'éviter des dommages plus importants (vilebrequin).

Après avoir identifié les coussinets défectueux, on procède à leur démontage. Avant cette opération, il est prudent de contrôler les repères des bielles par rapport aux cylindres, ainsi que les repères des chapeaux de l'arbre, en notant en même temps le côté qui porte ces repères.

On évitera ainsi d'inverser la position des chapeaux et de les intervertir. Une fois démontés, les coussinets seront également marqués avant de procéder à leur examen approfondi. Il faut aussi examiner la coquille pour vérifier si l'accouplement est normal. Une fois trouvée l'origine de la panne, on procède à la réparation, qui peut comporter des opérations complexes, comme la rectification des portées du vilebrequin et l'alésage des paliers.

Ensuite, après avoir mesuré convenablement l'arbre et les sièges, on choisit, parmi les différents modèles dont on dispose, les coussinets les mieux adaptés pour obtenir le jeu d'accouplement prévu par le constructeur ; ce jeu est normalement de quelques centièmes le millimètres.

On monte ensuite les coussinets en veillant à respecter la correspondance entre les repères de chacun d'eux et de leur siège, ainsi que celle entre les trous de lubrification fans le coussinet et les autres pièces. Le jeu se contrôle lors du montage avec un fil plastique spécial que l'on place entre l'arbre et le chapeau avant d'effectuer le serrage aux valeurs du couple prescrit.

On enlève ensuite le chapeau et on mesure l'écrasement subi par le fil, écrasement qui permet de calculer, à l'aide d'une table de conversion fournie en même temps que le fil, la valeur du jeu. Une autre méthode consiste à utiliser des cales calibrées, en laiton ou en papier, que l'on introduit entre l'arbre et le chapeau avant de serrer. Si le jeu est correct, l'arbre ne pourra être tourné qu'avec un effort considérable.

Ce système n'est pas très indiqué pour le contrôle du jeu des coussinets des têtes de bielle, car il peut donner lieu à une déformation de leur siège. Après avoir effectué ces contrôles, on procède au serrage aux couples prescrits. Des valeurs supérieures ou inférieures à celles indiquées par le constructeur se traduisent par une ovalisation des sièges, qui sera cause de la destruction du coussinet par suite de la déformation du trou de lubrification.