Arbre d'équilibrage (balancier interne)

Le balancier interne, plus précisément appelé arbre d'équilibrage, est un arbre lesté entraîné par le moteur et monté en son sein dans le but précis de contrebalancer les vibrations que son architecture engendre par nature. Il existe parce que certaines dispositions de cylindres, au premier rang desquelles le quatre-cylindres en ligne, produisent en fonctionnement des forces que le vilebrequin et ses contrepoids ne suffisent pas à annuler. Laissées sans correction, ces forces parviendraient dans l'habitacle sous la forme d'un bourdonnement gênant ; l'arbre d'équilibrage est donc ajouté pour adoucir le fonctionnement du moteur et le rapprocher du raffinement des architectures naturellement équilibrées.

La vibration qu'il combat est le déséquilibre secondaire du quatre-cylindres. Lorsque les pistons montent et descendent, ils ne se déplacent pas selon un mouvement harmonique parfait, car la bielle oscille en biais, ce qui fait accélérer légèrement plus vite les pistons près du point mort haut que près du point mort bas. Il en résulte une force de secousse verticale apparaissant à deux fois le régime moteur et impossible à éliminer par les contrepoids du vilebrequin. La solution classique, perfectionnée par Mitsubishi dans les années 1970 à partir d'un ancien brevet Lanchester, consiste en une paire d'arbres d'équilibrage tournant à deux fois le régime du vilebrequin en sens inverse l'un de l'autre, leurs masselottes excentrées étant calées pour que leurs composantes de force verticales s'ajoutent afin de s'opposer au déséquilibre, tandis que leurs composantes horizontales s'annulent.

L'entraînement et le calage sont déterminants. L'arbre, ou la paire d'arbres, est entraîné par le vilebrequin au moyen de pignons, d'une chaîne ou d'une courroie crantée, et il doit tourner à un multiple précis du régime moteur et exactement à la bonne position angulaire par rapport aux pistons. Si le calage est même légèrement décalé, l'arbre ajoutera des vibrations au lieu de les supprimer. Les lobes lestés sont généralement logés bas dans le carter, souvent en partie immergés près de l'huile, et leur masse comme leur excentration sont calculées pour égaler l'amplitude de la force qu'ils doivent annuler.

Les arbres d'équilibrage se rencontrent le plus souvent sur les gros quatre-cylindres, où les forces secondaires croissent avec l'alésage et la course, ainsi que sur certains V6, où une disposition à allumage irrégulier crée un couple de basculement qu'un seul arbre d'équilibrage peut maîtriser. Les petits quatre-cylindres s'en passent parfois pour économiser coût, masse et frottements, en acceptant un peu plus de vibrations en contrepartie. À l'inverse, les architectures naturellement équilibrées comme le six en ligne, le six à plat et de nombreux V12 ne présentent pas de déséquilibre primaire ou secondaire notable et n'exigent donc aucun balancier.

Dans la pratique, un arbre d'équilibrage est un composant discret et peu exigeant en entretien, mais il n'est pas gratuit. Il absorbe un peu de puissance par les frottements et l'inertie liée à sa rotation à grande vitesse, et sur les conceptions à courroie ou à chaîne, son entraînement doit être entretenu comme tout autre organe de distribution. Certains moteurs ont souffert d'une usure prématurée des paliers ou de la chaîne d'arbre d'équilibrage, susceptible d'entraîner des problèmes de pression d'huile en cas de négligence. Le composant représente donc un compromis d'ingénierie : un ajout délibéré de masse et de complexité, accepté parce que le gain de douceur offert à une architecture par ailleurs économique est jugé digne de ce prix.