Les pistons forgés
Les pistons coulés
Le principe est simple. On utilise un moule où l’on coule (ou injecte) de l’alliage en fusion. Plusieurs types d’alliage peuvent être utilisés. Ces différentes nuances d’alliage permettent des coefficients de dilatation, de frottement et de poids différents. La principale nuance utilisée est : AS12UNG (12 % de silicium). La conductivité des alliages légers est 4 fois supérieure aux métaux ferreux. Des inserts en acier sont parfois incorporés dans la fonderie. Ils permettent de modifier la résistance et la dilatation. Cette méthode est surtout utilisée en grande série, principalement en automobile et en poids lourd. Le « brut » est ensuite usiné sur une machine spécifique car un piston n’est pas rond. Il est en effet conique et elliptique. La partie près de la chambre (calotte) étant soumise à des températures plus importantes que la partie basse, qui elle est refroidie par le lubrifiant. La calotte est donc de diamètre plus petit que la jupe (0,4 a 0,5 mm), c’est le cône, ou tonneau.
La partie perpendiculairement opposée à l’axe (frottement) est plus petite que l’autre (0,5mm au niveau de la jupe), c’est l’ovale. Lorsque le piston a pris sa température de fonctionnement il devient alors rond. C’est une des raisons pour laquelle il faut ‘chauffer’ son moteur avant de lui demander le maximum.
Les pistons usinés
Cette méthode de fabrication est la plus prisée des constructeurs ou préparateurs pour les moteurs performants. Pour mieux comprendre le système, imaginons que le bloc d’alliage soit remplacé par un bloc de pâte à modeler. On presse cette pâte dans un cylindre conique, puis une forme interne pénètre à l’intérieur sous une forte pression. La forme interne se retire laissant au piston sa forme définitive intérieure.
Ce procédé de fabrication permet à la matière d’être la plus homogène possible. La matière utilisée est le : AU2GN (2618A ouT6). Le bloc initial est porté à température élevée, les molécules sont ainsi ‘tassées’ et les ’fibres’ de la matière suivent les formes de la pièce. Ce qui lui confère une résistance supérieure et un poids moindre.
Après l’opération de forgeage le brut est trempé puis recuit. Il est ensuite usiné suivant la même méthode précédemment décrite.Pour reconnaître un piston forgé, il suffit de le retourner et d’observer le fond du piston. Pas de trace de moulage (à chaque endroit où les coquilles s’unissent on observe une ‘couture’). Le fond d’un piston forgé ne peut avoir de recoin, sauf s'il a été usiné (portées ou allègements). Une question nous est souvent posée sur la facilité qu’aurait un piston forgé à plus serrer qu’un piston coulé. Si tant de constructeurs ont opté pour le piston forgé c’est surtout pour sa plus grande résistance. Il faut avant tout respecter les tolérances de fonctionnement données par le fabricant du piston. Ces tolérances changent en fonction de la matière, de la forme (usinage de la jupe) et de la qualité de graissage. Il faut également prendre en compte la matière du cylindre, fonte, alu chemisé, alu traité (nykasil ou autre) et si le moteur est refroidi par air, par huile (système Suzuki) ou par eau. Suivant l’utilisation on pourra augmenter de quelques centièmes le jeu de fonctionnement. Un piston Wiseco pour une Ducati 900 SS aura un jeu de 0,05 mm, alors qu’avec un piston Omega le jeu sera de 0,10 mm.
Le même casse tête s’est posé à nous avec une Matchless G 50. Pour le même piston il y avait 3 jeux de fonctionnement possibles. Piston Oméga (GB) : jeu de fonctionnement avec un cylindre en alu nikasil : 0,03 mm. Avec un cylindre chemisé fonte, mais dont la chemise avait été nikasilé : 0,08 mm. Avec un cylindre alu chemisé : 0,12 mm.
Certains pistons forgés sont vendus pour un type de chemise bien précis, si vous l’utilisez sur un autre type de chemise il vous faudra changer le jeu de fonctionnement. Malheureusement c’est souvent l’expérience acquise après quelques déboires qui fournira les meilleurs conseils…
Un des principaux attraits du piston forgé est sa grande résistance aux vitesses linéaires importantes. Imaginons le piston de notre Matchless G50. Son alésage est de 90 mm, sa course de 78 mm. A chaque tour moteur, le piston monte une fois (point mort haut, PMH) et descend une fois (point mort bas, PMB) après s’être arrêté 2 fois à chaque point mort. A 7500 tr/mn sa vitesse est de 0 (PMH), puis il file à 19,5 mètres par seconde, il s’arrête de nouveau (PMB) et repart dans sa course effrénée. Si vous prenez 500 tours de plus, sa vitesse linéaire passera alors à 20,8 m/s. On considère que la vitesse linéaire maxi d’un piston forgé se situe à 24 m/s. Plus la course d’un moteur est importante, plus sa vitesse linéaire (à un régime donné) sera grande.
Toutes les indications ne sont pas toujours fournies, ou souvent mal interprétées d’où certaines rumeurs sur les pistons forgés...
Les Pistons en Acier forgés
Piston en acier forgé équipant un moteur Renault Diesel. La recherche du poids minimum est ici évidente.
DOCUMENT: MAHLE
L’évolution actuel des moteurs est bien évidemment
orienté vers une diminution des frottements afin de diminuer de manière sensible
la consommation en carburant ainsi que d’augmenter le rendement
Depuis plusieurs années les moteurs poids lourds
Diesel de plus de 120 mm d’alésage se voient dotés de pistons en acier et non plus en alliage d'aluminium.
Pourquoi ?
La
raison principale qui a poussé les constructeurs de piston à faire des
recherches sur les pistons en acier est l’augmentation importante des pressions à
l’intérieur des chambres de combustions. Ces pressions ont aujourd’hui des
valeurs de pointe qui dépassent nettement les 210 bars, elles peuvent monter
jusqu'à 250 bars, la pression maxi admise pour un piston en aluminium se trouve
aux alentours des 185 bars.
Les
autres avantages du piston acier par rapport au piston alu sont une très bonne
résistance aux hautes températures et un faible coefficient de dilatation. Par
contre à volume égal l’acier est plus lourd, il faut donc alléger les pistons.
C’est pour cela que l’on trouve des formes très complexes sur ces nouveaux type
de pistons.
Le
piston monobloc en acier (Diesel). Source technique Mahle.
‘’Le piston monobloc en acier est composé de
deux parties forgées. La partie supérieur comprenant la poche de combustion
(chambre intégrée dans la tête du piston) ainsi que la partie réservée à la
segmentation, et la partie de l’axe de piston et de la jupe (guidage). Ces pièces sont forgées puis pré-usinées elles sont ensuite assemblées grâce à la méthode de soudure par
friction. Un traitement thermique est suivi d’un usinage de finition et parfois
d’un revêtement chimique.’’
La
matière utilisée pour ces pistons en acier forgé est un acier contenant Du
Chrome, du molybdène et souvent aussi du nickel. Nous en connaissons
principalement deux pour cette utilisation, c’est L’ASI 4140 (Chrome- Molybdène) et le A732
(série des 8600 Nickel-chrome-moly).
Des
essais sont en cours pour les moteurs essence ‘’rapide’ chez les plus grands
fabricants de piston. L’ordre du jour étant toujours la diminution des
frottements.
Harry Moteur: Décembre 2016.
Piston en acier forgé pour moteur essence ''rapide''.
2 segments, jupe ultra courte.
DOCUMENT CYCLE WORD
Le dessous du même piston. On observe les multiples renforts sous la calotte, les bossages de l'axe de piston très rapprochés. L'axe et la jupe ultra courts.
DOCUMENT CYCLE WORD.