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Architecture du moteur VM : joint et vis de culasses

Le joint de culasse de ce moteur est un de ses points faibles. Depuis plusieurs années, il tend à être remplacé par un joint d'un nouveau type, de type MLS (Multi Layer Steel).

Sommaire

Généralités

Parmi les particularités du moteur VM, la plus connue est sans doute ses culasses séparées. Ce n'est pas original en soi : de nombreux moteurs sont conçus ainsi, mais il ne s'agit pas de moteurs d'automobiles. Ce concept permet de construire toute une gamme de moteurs de cylindrées différentes en faisant varier le nombre de cylindres tout en ne fabricant q'un seul type de culasse : coût de production réduit (en fait, il en existe 4 variantes différentes par leur injecteur, sa position et celle de de la bougie de préchauffage).

De même, il est possible de se contenter d'un seul modèle de joint de culasse (JDC) pour toute la gamme de moteurs.


Culasses séparées

Les culasses ne sont pas serrées individuellement contre le bloc. Au contraire, les fixations sont disposées à cheval sur deux culasses adjacentes par l'intermédiaire de taquets d'appui. Aux extrémités, des cales jouent le rôle de "fausses culasses".


Fixation des culasses (vis centrales, M14)

Les joints d'origine

Autrefois, les JDC étaient constitués d'une plaque de métal plein, généralement du cuivre pour les moteurs à 4 temps (essence et diesel), et de l'aluminium pour les petits deux temps. Plus tard sont apparus les joints en fibre imprégnés que tout le monde connaît.


Joints de culasse de VM en fibre imprégnée

  1. passages de liquide de refroidissement (LDR)
  2. passage de la tige de culbuteur
  3. passage de la tige de culbuteur
  4. zone en regard de laquelle se trouve la chambre de précombustion (préchambre)
  5. renfort métallique (pare flamme) ; il est en légère surépaisseur lorsqu'il est neuf, et s'écrase lors du serrage de la culasse.
  6. "claquage" ; un JDC claque en principe en regard d'un point de moindre résistance : passage d'eau, d'huile, ou de vis. Ici c'est en regard d'un passage de vis. Il n'y a de toutes façons pas de passage d'huile à travers le JDC de ce VM...
  7. code d'épaisseur. Il s'agit d'encoches. Le modèle le plus courant est le "2 encoches".

Il y a trois épaisseurs de JDC fibre :

Chacun des passages de LDR est entouré d'une fine couche d'élastomère destinée à améliorer l'étanchéité à ce niveau.


Joint en fibre imprégnée

Le nouveau joint "MLS"

MLS signifie Multi Layer Steel, ou multicouche acier. Ce type de joint s'est généralisé depuis la fin des années 1980 - début des années 1990, d'abord sur les moteurs de petite cylindrée (motos), avant d'envahir le reste de la production.

Il est constitué de plusieurs couches de métal revêtues d'un fluoroélastomère, généralement du Viton®. Voir ici sur le site de DuPont. Cette fine couche d'élastomère, dont l'épaisseur est de l'ordre du centième de millimètre, assure un micro scellement des imperfections de surface de la culasse et du bloc moteur.

Il présente un certain nombre d'avantages ; entre autres :

Les zones stratégiques sont estampées afin de créer des bossages qui une fois écrasés améliorent l'étanchéité. On peut les voir autour des chemises, autour des passages de LDR, et de ceux des tiges de culbuteurs.

Par contre, il exige :

On retrouve ici le même codage par encoches.

Il y a aussi trois épaisseurs de JDC MLS (métallique) ; source : manuel d'atelier du Jeep Cherokee XJ édition 2000 :

On remarque une différence : 0.01 mm de moins par rapport au joint fibre.


Nouveau joint de culasse MLS

Le joint présenté ici est constitué de 4 couches retenues entre elles par des oeillets placés sur les bords. Un tel joint nécessite une propreté parfaite de toutes les surfaces en contact, et en particulier des différentes couches. Il faudra se méfier de tout ce qui peut s'interposer entre elles !


4 couches

Nouvelles cales d'extrémités

Si on compare les anciens joints en fibre imprégnée au nouveau joint MLS, on s'aperçoit immédiatement que les cales d'extrémités doivent impérativement être remplacées ou modifiées. En effet, dans le premier cas (joints séparés), ces cales s'appuient directement sur le bloc moteur. Dans le cas du joint MLS, elles viennent s'appuyer sur le joint lui même. Elle doivent donc soit être remplacées par de plus courtes, soit être corrigées de la valeur de l'épaisseur du joint. Ce qui revient d'ailleurs à simplement leur donner la même hauteur que celle de la culasse !

Les plaques d'extrémités doivent faire entre 91.26 à 91.23 mm de hauteur pour les joints classiques, et les trois valeurs de JDC sont 1.42 mm, 1.52 mm et 1.62 mm.


Les cales d'extrémités s'appuient désormais sur le JDC, et non plus sur le bloc moteur !

Les nouvelles cales sont bien sûr disponibles chez les distributeurs. Mais il existe des alternatives...

Tout d'abord, il est possible d'y passer un coup de fraiseuse.

Ensuite, si on a des talents d'ajusteur, rien ne s'oppose à une correction à la lime. Mais ce n'est certainement pas à la portée du débutant. Il faut être capable de travailler à plus ou moins 0.015 mm près, et en restant parallèle par rapport à la face opposée. Cela demande déjà une bonne pratique professionnelle !

Inutile d'usiner toute la surface supérieure des plaques, ce n'est nécessaire que pour les zones où viennent s'appuyer les taquets.


Nouvelles cales d'extrémités

Les vis d'origine

Les anciennes vis sont à tête hexagonale, avec épaulement (ou collerette). On remarque que la longueur non filetée est plus étroite que la partie filetée.


Vis d'origine

Les nouvelles vis XZN

Les nouvelles vis ont une forme sensiblement identique à celle des anciennes.


Nouvelle visserie

Elles se distinguent par une empreinte XZN, parfois improprement appelée "Torx à 12 pans". Ce type d'empreinte n'a rien d'une nouveauté et existe depuis au moins 30 ans au vu d'un vieux catalogue d'outillage. Mais elle peut dérouter ! Elle est actuellement très répandue sur les culasses. Il est facile de trouver des douilles pour du M12, un peu moins pour du M14... mais tous les outilleurs en proposent, il suffit donc de demander à son revendeur préféré d'en commander.


Empreinte XZN

Visserie "TTY" ou pas ?

TTY = Torque To Yield. C'est à dire serrage jusqu'à déformation plastique. En français, vis à déformation plastique.

Une vis, lorsqu'on la serre, est mise en tension et s'allonge à la façon d'un ressort. Une vis classique reste dans ses limites de déformation élastique, c'est à dire qu'elle retrouve sa longueur initiale lorsque la contrainte disparaît, à condition de ne pas avoir "serré trop fort". Pas une vis TTY.

Au delà d'une certaine traction - la limite d'élasticité (yield limit) - l'acier qui la compose est définitivement allongé.

Des informations intéressantes sont consultables sur le site de L'Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris. Une des quelques grandes écoles d'ingénieurs en France. Ouvrir ce document intitulé : Étude élastoplastique d'un assemblage vissé. Examiner la figure 3, à la page 3. On y voit une courbe montrant l'évolution de la tension subie par une vis en fonction de l'angle de serrage. La première partie de la courbe, en forte pente, est très linéaire. Au delà d'une certaine rotation, elle s'infléchit et on constate que la tension n'évolue pratiquement plus alors que l'angle varie de façon très importante.

Ce qui est remarquable, c'est qu'à partir d'un certain angle de serrage, et si l'on dépasse la limite élastique, même de façon significative, la tension de la vis reste quasiment constante.

Ce document, qui est un support d'exercice pour les futurs ingénieurs, pose un peu plus bas la question suivante (toujours page 3) :

"6. Il existe deux façons de contrôler le serrage d'un assemblage, en couple, ou en angle. La première méthode est employée lorsqu'on ne cherche pas à charger au maximum, le matériau va donc rester dans le domaine d'élasticité, la seconde est nécessairement employée lorsqu'on plastifie la vis. Expliquer les raisons de ce choix."

La réponse est bien sûr évidente ! Lorsqu'on plastifie la vis, c'est à dire lorsqu'on la fait travailler dans sa zone plastique, elle assure une tension constante malgré des variations significatives de l'angle de serrage. Et sur un assemblage comportant plusieurs vis, on aura donc plus de chances d'avoir un serrage uniforme.

Ce type d'assemblage vissé à déformation plastique, est également évoqué ici sur ce même site. Malheureusement, on reste sur sa faim ! L'étude de cas concernant les vis de culasse est citée, mais aucun lien n'est donné.

Cette notion importante est exposée sur de nombreux sites de distributeurs de pièces détachées, sur les sites de fabricants de joints de culasse, et sur beaucoup de sites techniques (USA). De plus, aux joints MLS sont souvent associées des vis TTY.

Quelques lectures :

Un document mis à disposition par un fabricant de joints de culasse, FEL-PRO Gaskets, exposant de façon claire et concise le concept des vis TTY : Understanding Torque-To-Yield Head Bolts. Fel-PRO Gaskets re dirige sur le site du distributeur américain Federal Mogul. Ce fabricant explique que les vis sont amenées à leur limite élastique, voire légèrement au delà dans certains cas.

Un autre document, rédigé par un enseignant (NMTCC) venant de l'industrie automobile : It's Time to Torque, sur son site (Mr L's Web Site).

Un distributeur néo zélandais, Automotive Components New Zealand Limited, parle des vis TTY et du serrage des culasses sur un document intitulé Torque To Yield Head Bolts.

Un fabricant espagnol (?), Glaser, propose de telles vis, et donne une brève justification à leur remplacement systématique : voir ici.

Sur le site de Elring Klinger, un spécialiste des joints (qui ne connait pas la Kilingerite !), une brochure concernant les vis de culasse évoque également leur fonctionnement en déformation plastique.

Il serait trop long de faire une liste exhaustive de tous les sites sérieux évoquant ou détaillant de principe des vis de culasse à déformation plastique contrôlée. Et si on y ajoute tous les liens secondaires (e-magazines spécialisés, sites consacrés à la compétition, pages prsonnelles, blogs et forums), la liste devient presque infinie.

On trouvera de quoi occuper de longues soirées avec Google en utilisant ls mots clés "tty bolt mls gasket"

Quelques recherches font vite apparaître qu'une grande partie des moteurs modernes à bloc fonte, culasse aluminium sont équipés de joints de culasse MLS et de vis TTY. Mais qu'en est il du moteur VM ? Rien ne permet de penser que les moteurs produits dans les années 1980 et au début des années 1990 étaient équipés de telles vis. En effet, des vis de ce type sont à usage unique, et doivent systématiquement être remplacées par des neuves après chaque démontage. Or, il n'existe aucune mise en garde dans les manuels publiés à l'époque. Certes, les vis présentent une partie non filetée de section réduite. Mais il ne faut pas oublier que le serrage atteint une valeur importante sur un moteur diesel, ce qui impose des filetages de fort diamètre (ici M12 et M14). Le diamètre réduit est alors une façon de donner l'élasticité voulue à la vis si cette dernière travaille dans sa zone élastique.

Pour les nouvelles vis à empreinte XZN, rien non plus dans les photocopies du manuel VM Motori qui m'ont été fournies avec vis et joint MLS. Aucun avertissement concernant l'éventuel remplacement systématique par des vis neuves. Par contre, on peut remarquer que le plus récent manuel édité par Land Rover (1993) donne un angle de "resserrage" de 140°, alors que l'angle prescrit avec le "kit" reçu en 2006 est un peu moins important : 130°.

Pour trouver une information concernant les nouvelles vis et le nouveau joint de culasse, on peut se référer au manuel d'atelier du Jeep Cherokee XJ de 2000. Il y est écrit en toutes lettres que les vis sont à usage unique, ce qui est un argument de poids en faveur d'une visserie de type TTY.

Range Rover

Serrage initial
 
Land Rover, 1993
VM Motori (date ?)
Vis M14
30 N.m + 140°
30 N.m + 140°
Vis M12
80 N.m
30 N.m + 85°

Serrage après chauffe et refroidissement à 45°C
 
Land Rover, 1993
VM Motori (date ?)
Vis M14
30 N.m + 120°, après desserrage
30 N.m + 130°, après desserrage
Vis M12
90 N.m, sans desserrage
30 N.m + 130°, après desserrage, puis contrôle à 90 N.m

Jeep Cherokee XJ (2000)

Ci-dessous, les valeurs pour le VM 2.5 litres équipant le Jeep Cherokee XJ. Informations recueillies dans le manuel d'atelier édité en 2000. Ce moteur est très proche de celui du Range Rover, et les principales différences sont :

Serrage initial
Vis M14
30 N.m + 140° +- 5°
Vis M12
85 Nm +- 5°

Serrage après chauffe 20 mn et refroidissement complet
Vis M14
30 N.m + 130° +- 5°, après desserrage
Vis M12
90 N.m, sans desserrage

Jeep précise deux choses importantes :

Pour information, le pas des vis centrales M14 est de 2.0 mm. 140° représentent un "déplacement" de 0.78 mm.

Le seul moyen d'en avoir le coeur net (à moins d'avoir ses entrées dans le bureau d'études de VM Motori) serait de serrer une vis selon la procédure prescrite, puis de la démonter pour en mesurer de nouveau la longueur. Si la longueur est différente, on a alors la certitude d'avoir affaire à une vis TTY ; dans le cas contraire, il s'agit d'une vis classique. Malheureusement, je n'ai pas pensé à faire les mesures lors du montage initial !

Un indice serait une sensation de tourner dans le vide en fin de serrage angulaire. C'est une sensation bien connue du mécanicien amateur et produisant un effet paradoxal : alors que l'effort à fournir diminue, la vis continue à tourner. Et malgré cet effort plus faible apparaît une tachycardie, accompagnée d'un accroissement de la sudation et d'une élévation de la température corporelle ! Je n'ai rien remarqué de tel...

A titre personnel, considérant que le joint de culasse traditionnel a été remplacé par un joint MLS, que les vis fournies sont d'un nouveau modèle, et que Jeep indique qu'elles sont doivent être remplacées à chaque remontage, j'aurais tendance à penser que l'on a désormais affaire à des vis TTY (si ce n'était pas déjà le cas).

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Validation W3C Unicorn le : 17 juillet 2013
page ajoutée le 8 avril 2008
dernière révision le 18 avril 2008