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Le choix des pistons (mis à jour le 8 Janvier 2015)

Après avoir déculassé les deux bancs de cylindres, nous avons constaté que deux pistons étaient endommagés.  Une partie de la gorge du segment supérieur était arrachée et des morceaux du segment en avaient profité pour proclamer leur indépendance. L’inconvénient des gros moteurs V8 ou V12 puissants c’est qu’on ne se rend pas facilement compte quand un des cylindres perd 50% de ses moyens. Il aura fallu qu’un second tombe également en défaut pour que finalement, je me décide à vérifier les compressions … et à intervenir.  Cette négligence – ou ce manque de sensibilité - qui avait retardé la révision se traduisait par un cylindre assez profondément rayé.  Comme toujours, dans ces cas là, il faut apporter le bloc chez le rectifieur et voir avec lui la meilleure solution à mettre en oeuvre. J’avais deux alternatives: soit remplacer la chemise rayée et réaléser les huit cylindres à une cote légèrement majorée (les piston racing sont fabriqués sur mesures ce qui permet de choisir son diamètre au 1/100 ème près); soit de faire un gros réalésage sur tous les cylindres (l’épaisseur des chemises le permettait) pour rattraper les rayures du cylindre malade.  C’est vers cette seconde solution que Patrick (le maitre des lieux de Rectification 2000) m’a conseillé de m’orienter. La profondeur des rayures ayant été estimées entre 2 et 3 dixièmes, j’avais décidé de commander des pistons dont le diamètre serait majoré de 0,8 mm par rapport à ceux existants, ce qui nous amenait à 106 mm, soit tout près de la côte maxi acceptable (4.180″ soit 106.17 mm) définie par le motoriste.

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Ici on aperçoit la gorge du premier segment détruite en partie.  C’est sur, ça marchait moins bien.

Le monde des fabricants de pistons pour les moteurs américains est vaste, mais les plus réputés dans le domaine de la qualité et des performances sont bien connus des préparateurs locaux. N’ayant aucune obligation de retenir telle ou telle marque, j’allais donc pouvoir prospecter à ma guise. Comme pour la plupart des consommateurs, je souhaitais obtenir naturellement le meilleur rapport qualité/prix mais avec des critères de qualité au top. Sur la dizaine de marques disponibles, trois obtenaient les éloges unanimes des différents spécialistes des moteurs de compétition. Il s’agissait de JE (le plus populaire et le plus classique), CP (plus récent et plus avangardiste) et Mahle bien connu également en Europe et qu’on ne présente pas. C’est donc sur l’une d’entre elles que j’allais faire mon choix.

Quand on doit sélectionner un piston, une question fondamentale peut légitimement se poser: faut il choisir des pistons moulés ou forgés? Come dans les calculs de prime d’assurance, ce choix est un calcul économique qui est à pondérer selon les risques encourus. Dans les casses sérieuses des moteurs atmosphériques, il y a deux cas majeurs particulièrement redoutés des mécaniciens: la rupture des vis de tête de bielle arrive en tête suivie de près par la rupture d’une (ou plusieurs) soupape(s). Dans le premier cas, la conséquence est dramatique car la tête de bielle libérée va très souvent provoquer la casse du carter moteur … et plus si affinité!

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Quand une bielle passe sa tête par une fenêtre qu’elle vient de faire dans le carter moteur, c’est jamais bon signe. On voit que sous la violence du choc le piston moulé qui bien qu’éloigné de la zone de combat a déjà subit une sévère destruction au niveau du bossage de son axe, mettant en évidence sa fragilité de cristal. 

Dans le cas d’une rupture de soupape, les dommages peuvent être circonscrits à la culasse et au cylindre si le piston est en alliage forgé. Dans le cas contraire, un piston moulé va se désagréger sous le choc et le pied de bielle libéré, n’étant plus guidé par le piston, va se comporter comme un bélier fou en défonçant méthodiquement tout ce qui se présentera devant lui jusqu’à l’arrêt du moteur avec on s’en doute des dégâts beaucoup plus conséquents.

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Tête de piston martyrisée par une rupture de soupape. Sa structure en alliage forgé lui a permis de se déformer sans pour autant voler en éclats comme l’aurais fait un piston moulé en alliage hypersilicié.

La réponse à cette question basique du choix du mode de fabrication des pistons est donc un peu normande: ça dépend! Soit le moteur est destiné à une utilisation touristique et le piston moulé à fait, fait et fera très bien l’affaire car les probabilités de grosses casses sont faibles; soit le moteur est à vocation sportive et par raison économique en cas de casse, il faut accorder sa préférence aux pistons forgés. Indépendamment des deux grandes lignes principales décrites ci-dessus, il y a comme toujours des exceptions. Le piston moulé est fragile au choc mais sa très bonne stabilité thermique due à son faible coefficient de dilatation peut le faire préférer sur les moteurs à forte charge thermique. C’est le cas notamment des moteurs deux temps où le piston forgé n’est que très rarement utilisé, même en compétition. 

Indépendamment de la forme de sa calotte, un piston est caractérisé par trois côtes fondamentales: le diamètre de jupe, le diamètre de l’axe et la hauteur de compression. Viennent ensuite les dimensions de chaque segment (et leur nombre) et le mode de blocage des axes de piston (joncs, circlips, wirelocks ou boutons). Enfin, les pistons modernes ont la possibilité d’avoir différents traitements de surface, soit pour limiter l’usure des parties frottantes, soit pour faire un écran thermique sur la calotte. Celle-ci, avec ses découpes complexes pour le passage des têtes de soupape et son volume positif ou négatif, ne sera pas abordée ici. 

Calcul HC piston

Détermination de la hauteur de compression du piston selon la hauteur du bloc, la longueur de la bielle et la 1/2 course du vilebrequin.

A propos de la hauteur de compression déterminée dans l’exemple ci-dessus, les spécialistes auront noté la cote inhabituelle de la hauteur de notre bloc qui aurait du être de 8.2″. C’est le moment d’ouvrir une parenthèse pour rappeler que la qualité des usinages et des contrôles d’il y a quarante ans n’avaient pas toujours la précisions que permettent d’obtenir les machines à commande numériques d’aujourd’hui. A ce titre, sur les blocs moteurs des anciens V8 il est recommandé de vérifier le parallélisme, l’équerrage et la distance des deux plans de joint de culasse avec l’axe du vilebrequin. Notre bloc contrôlé par Dreyfus sur une machine à trois axes dans un local climatisé, n’avait pas échappé aux imprécisions de l’époque. Nous avons donc du « socialiser »  les plans de joint de chaque banc pour rattraper des écarts de plus de 0,3 mm de hauteur entre les cylindres de 1 à 8 et de 0,4° d’angle en alignant l’ensemble sur le plus bas; fin de la parenthèse.   

Le diamètre de la jupe d’un piston dépend bien sur de l’alésage de la chemise auquel il faut soustraire les jeux de fonctionnement et de dilatation. La somme de ces jeux dépend de l’alliage utilisé - qui est tributaire de la méthode de fabrication du piston (moulé ou forgé) –  et de l’utilisation envisagée du moteur qui conditionne la température de fonctionnement (admission atmosphérique, suralimentée ou nitrous). Il existe des tables qui déterminent assez précisément ces jeux en fonction des critères énoncés. A retenir que les pistons forgés ont un plus grand coefficient de dilatation que les pistons moulés en alliages hypersiliciés et que de ce fait, il doivent avoir un jeu plus important. Pour terminer sur le diamètre de la jupe, précisons qu’il se mesure à la hauteur de l’axe du piston.

Le diamètre d’un axe de piston  est beaucoup plus facile à sélectionner dans la mesure où il n’y a que deux grands standards américains:

- le standard Ford qui mesure .912″ (soit environ 23,16 mm)

- le standard Chevrolet qui lui fait .927″ (soit environ 23,55 mm)

Le standard Chevrolet propose en plus des axes en côte réparation en .928″, .929″ et .930″. Ce standard (qui conditionne également le diamètre du pied de bielle) étant le plus populaire, c’est ce dernier que j’ai retenu

Notons que depuis plusieurs années, la chasse au poids a introduit dans les moteurs de compétitions américains de dernière génération, des axes aux standards japonais de dimensions plus modestes (22 mm). Toujours dans la chasse au poids, les pistons modernes dits en X ont les bossages d’axe très rapprochés et moins larges permettant ainsi de réduire sensiblement la longueur des axes. Pour des pistons de 4″ d’alésage, les longueurs d’axe ont pu être réduites de 2.9″ à 2″. Les axes plus courts sont un peu plus épais mais le gain de poids est très significatif (- 25%).

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Comparatif entre un piston moderne dit en X  fabriqué par Mahle (à gauche) et un piston de forme traditionnelle fabriqué par JE. La différence de longueur de l’axe se remarque au premier coup d’œil.

Tout comme les pistons, les axes peuvent également recevoir un traitement de surface anti-friction (revêtement dit cassidiam … ou cassidium selon l’accent) qui permet de supprimer la bague bronze du pied de bielle et donc d’avoir une bielle un poil plus fine et plus légère.

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A gauche, un axe traditionnel ancienne version de 2.9″ de long. Les larges bossages des pistons permettaient d’usiner des extrémités en forme coniques. Cet axe pèse environ 150 g . A droite, disposé verticalement, un axe de piston d’une conception un peu plus récente. Il est un peu plus court (2.5″), ses extrémités ne sont pas coniques et il pèse environ 125 g. Au centre deux axes modernes ayant subit un traitement cassidiam qui leur confère un aspect « canon de fusil ». Ils mesurent 2.25″ et pèsent un peu moins de 105 g.

Un dernier mot sur l’extrémité des axes qui selon leur mode de fixation sont chanfreinés ou non.

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A gauche un axe de piston dopé au nitrous (l’épaisseur est majorée) à bout droit destiné à être bloqué latéralement par circlips ou spirolocks. A droite, un axe à bout chanfreiné pour être verrouillé par un jonc d’arêt (un effort latéral de l’axe tend à bloquer le jonc dans sa gorge).

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L’extraction (toujours difficile) d’un spirolocks se fait en tirant et en tournant … quand on a réussi à dégager l’extrémité de la gorge! La gorge dans le piston qui reçoit un spirolocks ou un circlips est de section rectangulaire et ne convient donc pas pour un jonc d’arrêt. La réciproque pour la gorge semi-circulaire d’un jonc est également vraie et ne convient pas aux circlips et autre spirolocks. A noter qu’il y a au moins deux standards dans le diamètre du fil des joncs … et donc différents profils de gorge semi-circulaire. Toutes ces remarques font qu’il est préférable d’acheter un ensemble piston, axe, clips et segments plutôt que séparément … même si c’est ce que j’ai fait.

Le choix de mes nouveaux pistons a été lié à un concours de circonstances. Un revendeur US auprès duquel je venais demander un devis m’a proposé en solde un jeu de pistons Mahle neufs dont l’alésage correspondait à mes besoins, mais pas la hauteur de compression qui était prévue pour un vilebrequin de course plus grande. Un rapide calcul m’a finalement décidé: le montant de la remise proposée était presque l’équivalent du prix d’un vilebrequin « spécial » qu’en bon vendeur il s’était empressé de me proposer également. Bref, avec ses gros pistons et une course majorée, mon moteur de 5,2 litres allait prochainement déplacer 5,8 litres …  de quoi faire une différence à l’accélération si les roues de derrière consentent bien à rester derrière.

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La face interne et l’intérieur de la jupe sont usinées ce qui nous permet d’avoir 8 pistons pesant entre 416 et 417 g. Nous verrons ultérieurement comment déterminer la valeur du « bobweight » qui permettra d’équilibrer le vilebrequin.

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L’espace restreint entre les deux bossages de l’axe du piston m’a obligé à réduire la largeur des pieds de bielle de 1,6  millimètre … de chaque coté

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Une fois la bielle en place, on contrôle l’angle d’oscillation du piston sur le pied de bielle pour s’assurer que dans les deux positions horizontales du maneton, le pied de bielle ne forcera pas sur la nervure interne qui relie des deux bossages. L’espace minimal requis correspond à la somme de la course (3″1/4) et du diamètre du maneton (2″) soit environ 133,4 mm.  C’est bon, le réglet nous indique un débattement possible de 145 mm  

A suivre …

Dans :
Par nanard289
Le 6 janvier, 2015
A 17:47
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