Les Bancs Moteurs !

[Démon111 0]

Salut @ tous !

Dans un autre topic nous avons détaillés ce que sont le Couple et la Puissance (Qu'est ce que la Puissance et le Couple Moteur ?), sur celui-ci nous allons maintenant traiter les bancs moteurs...

Il existe plusieurs manières de mesurer le couple et la puissance d'un moteur. Nous en développerons ici deux qui sont surement les plus utilisées.

Le banc moteur à frein :

Le banc moteur à frein, comme son nom l'indique, utilise un frein pour mesurer les caractéristiques du moteur. Nous verrons, dans la description de son fonctionnement, que ce banc mesure le couple moteur directement sur l'arbre de celui-ci. Nous remarquerons également que ce type de banc sollicite énormément le moteur.



Le plus simple, je pense, pour décrire le fonctionnement d'un banc moteur à frein et de le faire en commentant une séance de mesures comme si l'on y était.

Tout d'abord, nous devons mettre le moteur en marche et pour cela, il faut le libérer de toutes contraintes. Dans notre cas, nous n'agissons pas sur le frein ce qui permet au moteur d'être parfaitement libre. Une fois le moteur en marche et chaud, nous pouvons commencer la mesure proprement dite.

Bien que les opérations qui suivent sont maintenant gérées automatiquement sur ce type de banc, nous partirons du principe que nous faisons tout nous même. Nous avons donc dans une main l'accélérateur, dans une autre, la commande du frein. De plus, il nous faut un oeil sur les graduations du dynamomètre (le ressort) et un autre sur le compte tours.

Ce que nous allons mesurer ici est la résistance que le frein oppose au moteur. Nous le faisons à l'aide d'un dynamomètre placé au bout d'un levier. Un dynamomètre est en fait un ressort dont on connaît les caractéristiques et dont on a gradué la course en fonction de celles-ci. A sa lecture, nous pouvons déterminer la force qui lui est appliquée. Dans un de nos exemples précédents, nous nous servions d'un pèse-personne pour mesurer la force de poussée appliquée à un mur ou à une voiture. Un pèse-personne est un dynamomètre. Lorsque nous montons dessus, c'est un fait sur un ressort que nous montons.

Reprenons notre mesure. Nous lançons le monteur à plein gaz ! Avant que celui-ci ne s'emballe est casse, nous limitons sa vitesse à l'aide de notre frein. Tout en maintenant la commande des gaz à fond, nous modulons la puissance du frein afin d'obtenir sur le dynamomètre (le ressort) le chiffre maximum. A ce moment, nous pouvons noter les deux valeurs qui nous intéressent, c'est à dire, la force exercée sur le dynamomètre et le régime moteur en nombre de tours par minute associé. Nous pouvons à ce moment relâcher les commandes et appliquer sur notre épaule une tape de félicitations, la partie mesure étant pour le moment finie. Passons à une la phase de calculs.

La phase de calculs est en fait extrêmement simple. Tout d'abord, comment déterminer la valeur du couple maximum?
Alors là, attention à la formule magique : Il suffit de multiplier la valeur maximum lue sur le dynamomètre par la longueur du levier. hein ?!? Mais oui, pour le comprendre, mettons-nous à la place du moteur : Prenons par une extrémité un levier relié par son autre extrémité à l'arbre de notre moteur. Il sera bien dur de résister à la puissance de celui-ci. Par contre si nous prenons un levier de deux, trois, voir 4 mètres, là, ce sera beaucoup plus simple. Nous pourrons conclure que plus le levier est long et plus notre moteur aura du mérite à produire une force importante à son autre extrémité.

Cette histoire de longueur de levier se retrouve dans l'unité même de la valeur du couple. En effet, cette valeur est exprimée en Newton Mètre : N.m ; Le nombre de Newton, qui est l'unité de force, c'est ce que nous lisons sur le dynamomètre et le nombre de mètres, c'est notre levier !

Pour simplifier les choses, en prenant un levier de 1 mètre, nous pourrions lire directement la valeur du couple sur le dynamomètre. ( Une valeur x 1 = la même valeur !). Une autre façon de les simplifier, celle la plus utilisée est tout simplement de graduer le dynamomètre avec des valeurs pré-calculées de couple puisque, dans notre cas, la longueur du levier est fixe. Dans la suite de cette explication, nous considérerons que l'une ou l'autre de ces méthodes est utilisée et nous lirons les valeurs du couple directement sur le dynamomètre.

A ce stade, notre mesure nous renseigne donc sur le couple maximal de notre moteur ainsi que sur son régime moteur associé. Nous remarquons que cette valeur, l'une des plus importantes caractéristiques d'un moteur, peut-être mise en évidence très facilement.

Ici, les effets du couple moteur ont été appliqués sur un levier, mais lorsque le moteur est utilisé pour ce pour quoi il a été conçu, les effets du couple se retrouvent, par l'intermédiaire de la boite de vitesse et des arbres de transmissions, sur les roues motrices. Plus un moteur a du couple à bas régime et moins il sera nécessaire d'utiliser des rapports cours et un régime moteur élevé pour la même force tractrice. C'est ce que nous constatons lors de l'utilisation de moteurs diesels.

Puisque ce site est aussi consacré à la puissance moteur, il nous faut maintenant déterminer celle de notre moteur.

Lors de l'explication sur la notion de puissance, nous apprenions que celle-ci est en fait le fruit de la multiplication d'un couple moteur par un régime moteur. Et bien, c'est toujours le cas. Malheureusement, les valeurs de couple et de régime mesurées précédemment ne correspondent en rien à celles qu'il faut utiliser pour déterminer la puissance maximum.

Pour déterminer le meilleur rapport entre régime moteur et couple pour obtenir la puissance maximum, il faut faire une recherche à tâtons. Pour en savoir plus sur la façon de déterminer la puissance maximum, cliquez ici.

La recherche de la puissance maximum par tâtonnement sur un banc moteur à frein se traduit par une série de mesures. Reprenons en main notre commande des gaz qui, de toutes façons, est toujours sollicitée à son maximum ainsi que celle du frein. Il sera important de prévoir un tableau constitué de deux colonnes, régime moteur et couple, destiné à recueillir l'ensemble des données.

Lançons notre moteur à pleins gaz en le maintenant proche de son régime maximum à l'aide du frein et notons le régime ainsi que la force appliquée au dynamomètre. Toujours à l'aide du frein, réduisons le régime de 200 Tr/min et notons à nouveau les valeurs. Nous répéterons cette opération jusqu'à ce que la mesure ne soit plus possible du fait d'un régime moteur trop bas.

Nous voilà maintenant en possession de notre tableau de mesures. Si celles-ci ont été correctement faites, nous devons pouvoir retrouver la valeur du couple maximum ainsi que son régime moteur associé d'un simple coup d'oeil.

Si vous n'avez pas précédemment cliqué sur le lien conduisant vers la détermination du meilleur rapport couple / régime moteur, il est encore temps de le faire pour savoir comment utiliser notre tableau de mesures.

Pour conclure, un banc moteur à frein, ce n'est jamais qu'un frein, un levier et un bon vieux ressort.


Le banc moteur à inertie :

Le banc moteur à inertie permet de mesurer le couple et la puissance d'un moteur à partir de la capacité de celui-ci à accélérer une masse en rotation. En effet, si l'on se reporte à l''explication sur la puissance et le couple moteur, nous savons qu'un banc moteur se contente de mesurer le couple d'un moteur à tous les régimes et détermine la puissance de celui-ci par un calcul très simple. En effet, mais cela n'est qu'un rappel :-), la puissance, "c'est le couple multiplié par le régime moteur".



Tout ce qu'il faut comprendre dans le fonctionnement d'un banc moteur à inertie, c'est le lien entre l 'accélération de quelque chose et la force qui lui est appliquée.
Si nous reprenons l'exemple d'une personne qui pousse sa voiture. Si cette personne est seule à pousser son véhicule, celui-ci va mettre un certain temps avant de prendre de la vitesse. Si par contre deux personnes poussent le même véhicule, celui-ci atteindra la même vitesse en deux fois moins de temps. Ceci à l'air d'une évidence et pourtant cela repose sur un principe physique qui nous dit à peu près la chose suivante.

L'accélération d'un corps dépend de sa masse et de la force qui lui est appliquée.

Bien sur, pour appliquer ce principe à l'automobile, il ne faudrait pas prendre en compte les notions de frottements. Si l'on ne s'en préoccupe pas, on peut dire qu'à force de poussée égale, un véhicule d'une tonne prendre deux fois plus de vitesse dans le même temps qu'un véhicule de deux tonnes. Lorsque l'on parle de variation de vitesse, c'est en fait de la notion d'accélération qu'il s'agît. Ainsi si l'on exerce une poussée deux fois plus importante sur une masse, l'accélération de celle-ci est deux fois plus importante. Nous pouvons donc ajouter à notre principe physique la chose suivante :

L'accélération d'une masse est proportionnelle à la force qui lui est appliquée.

Ce principe assimilé, nous pouvons l'appliquer sans mal aux bancs moteurs à inertie. En effet, ce que nous cherchons à mesurer, c'est le couple, donc la force de "rotation" appliquée à une masse appelée le volant à inertie. A l'aide de capteurs et de calculateurs, il est facile de quantifier les variations de vitesse du volant à inertie. Si nouq arrivons à obtenir les valeurs d'accélération, il est très facile, à partir le la masse connue du volant à inertie, de déterminer quelle a été la force nécéssaire pour obtenir celle-ci. Cette force obtenue ou plutôt ce moment, c'est le couple moteur.

Afin d'illustrer cette explication, nous pouvons décrire une scéance de mesures comme nous l'avons fait dans l'explication du banc moteur à frein.

Avant tout, il nous faut mesurer l'ensemble des frottements de notre banc moteur à inertie. En effet, si dans le cadre de la théorie nous pouvions nous permettre de ne pas tenir compte de ces frottements, dans le cadre d'une mesure, ce n'est pas la même. Ainsi, il nous faut les mesurer afin d'en tenir compte dans le résultat.

Pour effectuer cette opération, c'est très simple. En effet, alors que dans le cas d'une mesure on s'intéresse à l'accélération du volant à inertie, ici, c'est sa décélération qui nous intéresse.
Pour cela, Il nous faut lancer le volant et mesurer à l'aide des mêmes capteurs et calculateurs cette décélération. A l'aide de ces résultats, il sera simple de déterminer quels sont l'ensemble des forces de frottement qui ont contribué à freiner le volant. Bien sur, ici, nul n'est nécessaire de les différencier. Il nous suffit d'avoir une ensemble de valeurs représentant l'évolution des frottements en fonction de la vitesse du volant.

Intéressons-nous à la mesure proprement dite. Le protocole de celle-ci est plutôt réduit car il suffit, après avoir déclenché l'enregistrement des données, d'ouvrir les gaz à fond en faisant attention de ne pas se trouver en sur-régime.

Pour pouvoir exploiter ces données, il faut tenir compte de deux choses. En effet, notre moteur a bien accéléré le volant à inertie mais pour cela, il ne s'est pas contenté de mettre en mouvement sa masse. Comme nous les avons mesurées tout à l'heure, il a du aussi lutter contre l'ensemble des forces de frottement du banc. Ainsi, il faut sommer, pour l'ensemble des régimes moteurs mesurés, la force ayant servie à l'accélération du volant et celle ayant servies à lutter contre les frottements.

Pour résumer, un banc moteur à inertie mesure simplement l'accélération d'une masse en tenant compte de l'ensemble des frottements.

Recherche de la puissance maximum :

Pour connaître la puissance maximum d'un moteur, il faut la chercher par tâtonnement, en effectuant plusieurs mesures sur un banc à frein, par exemple, ou en étudiant l'ensemble des données d'un banc à inertie.

Et oui, alors que le couple et le régime moteur se lisent directement, la puissance dépend de ces deux valeurs. Ainsi, lorsque le moteur est au régime de son couple maximum, nous ne sommes pas pour autant au régime où notre moteur délivre sa puissance maximum.
Pour s'en convaincre, il suffit de remarquer que la puissance maximum n'est délivrée ni au régime moteur maximum, ni au régime du couple maximum. Cette puissance est encore moins le produit du couple maximum par le régime maximum que le moteur peut supporter.

Donc, pour déterminer la puissance maximum, il nous faut rechercher la meilleure association entre couple et régime. Celle-ci est déterminée en effectuant une série de mesure sur un banc moteur à différents régimes.

Une série de mesures peut être représentée sous la forme d'un tableau comportant deux colonnes reprenant l'ensemble des régimes et couples moteurs associés mesurés.

Prenons le tableau de mesures suivant :

Tableau Régime - Couple

Sans calculs particuliers, il nous renseigne déjà sur le couple maximum délivré par ce moteur ainsi que son régime associé. Nous remarquons ici que ce couple maximum est délivré de 3100 à 4100 Tours par minute. Ces valeurs ont été obtenues de la mesure 41 à 51.

A partir de ces deux colonnes, il est possible d'en constituer une troisième nous renseignant sur la puissance développée lors de chacune des mesures.
Pour chaque ligne, nous effectuerons le calcul suivant :

Puissance = C * Régime * Couple

C étant une constante indispensable permettant d'effectuer le calcul en utilisant les valeurs du couple en N.m, de régime en Tr/mn et de puissance en cheval vapeur ( !)

Ce qui nous donne le tableau suivant :

Tableau Régime - Couple - Puissance

A Partir de celui-ci, il est facile de représenter ces valeurs sur un graphe qui représentera les courbes de couples et de puissances tant convoitées.

Graphique Couple - Puissance :



Graphiquement, il est alors facile de déterminer la puissance maximum ainsi que son couple et son régime associé.

Graphique Couple - Puissance avec repères :



Ce que les valeurs de notre tableau montrent également.

Mise en évidence des valeurs :



Pour ce moteur, nous avons donc une puissance maximum de 204 chevaux à environ 5350 tours par minute.

Ce qu'il faut retenir :

:arrow: Un banc moteur à frein, ce n'est jamais qu'un frein, un levier et un bon vieux ressort.
:arrow: Un banc moteur à inertie mesure simplement l'accélération d'une masse en tenant compte de l'ensemble des frottements.

Conclusion :

J'en ai terminé mais ne pense pas avoir fait le tour de la question et donc, j'éditerais au fur et à mesure des trouvailles !
Merci de votre lecture et de toute l'attention que vous aurez porté à ce sujet.

Bonnes futures mesures @ Tous !