Les pistons forgés.

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Bill Blue
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Les pistons forgés.

Message par Bill Blue »

Après une petite recherche sur le net, j'ai trouvé 2 articles intéressants qui pourraient aider au moment du choix de pistons lors de la reconstruction d'un moteur. Tout dépendra de l'usage envisagé.

Nous parlons tous d'un montage moteur avec des pistons forgés, mais qu'est que c'est ?? à quoi ça sert ?? pourquoi on les monte dans les moteurs, et bien, voici un article qui va vous expliquer le pourquoi du comment.

Pourquoi :
Les pistons forgés sont montés dans les moteurs poussés souvent turbos compressés. Ils sont plus résistants et leur métallurgie est différente, ils résistent à des températures et des pressions plus élevés que des pistons d'origine.

La différence :
Un piston forgé est forgé sous pression, tandis qu'un piston coulé est simplement un alliage en fusion versé dans un moule.


La métallurgie :
le "piston normal", dit piston coulé, il est coulé dans un moule, le métal étant en fusion ... , et ensuite usiné à la dimension désirée.


piston en alu coulé


le "piston forgé", on part d'un bloc d'alu que l'on chauffe pour le ramollir, ensuite on le presse dans un moule (pour faire simple) jusqu'à qu'il ai la forme approximative voulue, et ensuite on l'usine pour la finition, à la dimension désirée.


pistons forgés

Les alliages :
L'alliage d'aluminium est choisi pour sa légèreté, sa bonne tenue mécanique, mais surtout sa conductivité thermique.
C'est notamment cette caractéristique qui sauve un piston de la fusion alors qu'il est directement confronté à de très fortes températures de combustion, bien supérieures à la température de fusion de l'alliage.

Il existe des alliages aluminium silicium pour la série (bonne endurance à l'usure), ou aluminium cuivre pour la perfo (pour améliorer encore la conductivité thermique). Bien sûr, il peut y avoir d'autres métaux dans les alliages d'aluminium, comme par exemple du zinc pour augmenter la rigidité de la pièce.

Les inserts :
Sur les pistons très haute performance on trouve parfois des inserts en acier ou en bronze au niveau des axes et au niveau de gorges de segments coupe feu. Cela pour limiter la dilatation et augmenter encore la résistance de l'ensemble. (merci GR)


Le montage :
Par ailleurs, concernant le jeu fonctionnel entre les pistons forgés et série, le jeu supérieur sur les pistons forgés est lié à l'utilisation intensive attendue, plutôt que lié à une différence de coefficients de dilatation.
Une température de fonctionnement plus élevée, c'est une dilatation plus grande, donc il faut plus de jeu.
Le contrôle du jeu à la coupe est une opération fondamentale lors du remontage d'un moteur.
La règle pour le jeu est d'environ 4microns/mm d'alésage.
donc en gros, si un alésage est de 86mm, 0.004x86 = 0.35mm
(Je ne détaillerai pas ici le jeu nécessaire entre la jupe et le bloc, ni le jeu à la coupe des segments, cela fera l'objet d'un article spécifique sur JSO).



Les essais :
Des essais ont été menés, notamment en dragster US, avec du titane (ou un de ses alliages), car l'aluminium ne convient pas en utilisation extrême;
c'est un métal intéressant car assez peu dense et surtout avec une température de fusion nettement supérieure à celle de l'aluminium; pour chiffrer grosso modo:
- aluminium : 660 °C
- fer : 1540 °C
- titane: 1670 °C

Malheureusement, la conductivité thermique du titane est très mauvaise, ce qui génère des températures de couronne de piston très élevées, des déformations importantes. Bref, il a été abandonné au profit de l'acier, lourd mais particulièrement robuste.

Conductivités thermiques:
- aluminium pur: 240 W/m/K
- fer: 80 W/m/K
- titane: 7 W/m/K

Voyez la différence de conductivité entre l'alu et le titane, facteur 34 en faveur de l'alu !

Note: un alliage a généralement une conductivité thermique inférieure à celle de l'élément dominant pur.



Comment :
Vous pouvez monter des pistons forgés dans tous les moteurs, ils vont en lieu et place de ceux d'origine. Ils résistent à des fortes pressions et de fortes températures.
Le prix du kit 4 pistons/segments est de 600 à 800€ suivants les marques (IASA / Wössner/ ...)


Bon montage


Et celui-ci:


Moteur: Les différents types de pistons

Avant de parler des pistons forgés il serait bon de faire un bref rappel sur les différents types de pistons existants. Au début du siècle la majorité des pistons étaient en fonte. Puis, peu de temps après apparurent les pistons en alliages. On peu classer les pistons en trois catégories différentes.

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

On part d’un bloc d’alliage (forgé) et le piston est entièrement taillé dans la masse. Cette méthode est la plus coûteuse, et n’est donc pas retenue pour la série. Elle est par contre celle qui est utilisée actuellement pour la formule 1 et la moto GP. L’usinage est confié à un tour à commande numérique.


Les pistons forgés

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...

Et puis une petite vidéo sympa pour visualiser.


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Tony
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Re: Les pistons forgés.

Message par Tony »

Très instructif, merci ! :sage:

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Ivan
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Re: Les pistons forgés.

Message par Ivan »

Merci Billb! Par contre, ça serait parfait si tu pouvais citer les sources!!!
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Bill Blue
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Re: Les pistons forgés.

Message par Bill Blue »

Articles non signés sur Google, sinon je l'aurais écrit. :|
PIED DANS LE PHARE !!!

Les questions techniques, c'est sur le forum, pas par mp ! merci.

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golf racing
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Re: Les pistons forgés.

Message par golf racing »

super video, j'etais curieux de voir la forge d'un piston
merci bilb :up:

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freijojo
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Re: Les pistons forgés.

Message par freijojo »

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andy
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Re: Les pistons forgés.

Message par andy »

:top:
Une vie sans GTI ... c'est possible ! Mais qu'est-ce que ça doit être morne !

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