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Les chemises du 1800 … encore sans pantalon (mise à jour le 12 Février 2013)

L’adaptation de nouvelles chemises pour transformer un moteur 1600 en 1800 est une opération délicate à réaliser car il faut une excellente précision pour garantir une bonne étanchéité à la fois coté culasse et coté embase. Pour résumer en quelques mots les difficultés à vaincre, il faut réaléser les alvéoles des futs de chemise dans le bloc moteur pour pouvoir y installer des nouvelles chemises avec des embases de plus gros diamètre.  C’est la seule façon de monter des pistons plus gros, ceux qui permettent de déplacer davantage de centimètres cubes! De la qualité des usinages, des tolérances retenues, des matériaux utilisés et du soin apporter pendant l’assemblage, va dépendre la fiabilité finale du bloc et le niveau de performances du nouveau moteur. Histoire de me mettre un peu la pression, Dreyfus m’avait dit: « c’est pas la peine de faire un 1800 si c’est pour avoir seulement 20cv en plus que le 1600 actuel!!! » J’étais averti: une bidouille ordinaire serait mal venue et  il faudrait faire parler la poudre pour pouvoir sortir du rang.

N’ayant aucune expérience dans le domaine sur les problèmes d’usinage spécifiques à ce genre de modification, je me suis tourné vers les professionnels américains qui ont une parfaite maitrise du sujet. J’y ai découvert plein de chose à la fois intéressantes et instructives et je vais essayer ici de vous les faire partager.

L’approche de la rectification des alésages passe tout d’abord par la métrologie moderne, qui avec ses instruments de laboratoire est capable d’apprécier le micron (c’est à dire le 1/1000ème de millimètre) dans un espace cubique de 800mm d’arête. Cette précision est nécessaire pour relever rigoureusement la forme des cylindres et déterminer leurs positions relatives par rapport aux axes théoriques du vilebrequin et de chaque cylindre. De la parfaite géométrie des cylindres dépendra la qualité de l’étanchéité des segments … et le niveau de performances du moteur. Ces relevés sont faits point par point sur le bloc avant et après usinage et un calcul d’erreur entre la position relevée et la position théorique permet de faire un graphique en trois dimensions. Parallèlement, une bonne précision (donc une bonne étanchéité) n’est obtenue qu’avec des états de surface offrant une rugosité très faible, mais pour le coefficient de friction, des micros cavités retenant des particules d’huile  sont les bienvenues! Il convient de sélectionner soigneusement – selon la matière des cylindres et l’utilisation envisagée – le type et le nombre de pierres à utiliser sur la tête du rodoir, le type du lubrifiant à utiliser pour arroser les pierres pendant l’opération ainsi que l’angle de croisement des hachures de finition (relation entre la vitesse de rotation et la vitesse de translation de la tête du rodoir). On découvre ainsi que même sur un bloc neuf moderne sortant de la chaine, la qualité de la rectification des chemises faite en série est perfectible. En prenant l’exemple d’un bloc moteur 4 cylindres neuf, il faudrait augmenter la cote nominale de l’alésage d’environ 4/100ème pour améliorer la précision globale de son usinage, c’est à dire retirer les bosses et rattraper les creux et les désalignements de façon à avoir quatre cylindres (presque) parfaitement identiques et alignés dans l’axe du vilebrequin. Avec un bloc moteur V8 (toujours neuf), l’augmentation de la cote nominale de l’alésage passe de 4 à 7/100 èmes pour pouvoir corriger la géométrie de l’ensemble. Finalement, en observant au microscope les déformations que subissent les chemises, on en arrive à considérer qu’un bloc moteur se comporte comme un bloc de gélatine!

Les chemises du 1800 ... encore sans pantalon (mise à jour le 12 Février 2013) distorsion-chemise-300x255

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Ces documents (source Sunnen) nous montrent l’influence de la contrainte mécanique qu’exerce la culasse une fois serrée sur le haut d’un cylindre amovible (neuf ) qui a été rectifié sans la contrainte de pression de ,la culasse (relevé métrologique à température ambiante). La distorsion est dépendante à la fois de l’épaisseur de la chemise mais aussi de son mode d’intégration dans le bloc et de sa hauteur de débordement éventuelle.

Ce simple relevé met en évidence – pour un usinage précis des cylindres – la nécessité d’utiliser une « plaque de rectification » (torque plate) qui va simuler les contraintes de la culasse (pression des vis de fixation) et minimiser ainsi « l’effet tonneau » du cylindre. Bien évidemment l’ancienne technologie qui consistait à installer des chemises déjà rectifiées dans le bloc moteur avec une cote de débordement de 15 ou 20/100èmes apparait ici complètement obsolète. Voyons maintenant les influences liées à la température.

 

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Ce document (source Sunnen) nous montre les écarts de la déformation d’un cylindre liée à la température

 

La mesure du cylindre après une rectification (en bas à gauche) faite à température ambiante nous donne un écart par rapport à un cercle parfait de 0,66/100ème (mesure moyenne – avec plaque de rectif encore boulonnée -  faite sur 3 niveaux: haut -milieu et bas). Le même cylindre mesuré à une température de 92°C (en haut à gauche)  nous indique une déformation par rapport au cercle parfait beaucoup plus conséquente (1,85/100ème en moyenne). Une rectification faite en utilisant un système de réchauffage  permettant de mettre le bloc et les cylindres à température de fonctionnement nous donne un écart moyen de 0,72/100ème (en haut à droite) toujours à 92°C. Ce même cylindre une fois revenu à température ambiante (en bas à droite) nous montre une déformation de 1,82/100ème. On voit donc que pour obtenir la géométrie la plus rigoureuse des cylindres il faut les rectifier en place avec une plaque boulonnée sur le bloc simulant les contraintes de la culasse et à leur température de fonctionnement même si paradoxalement, les mesures à froid et hors contrainte laissent apparaitre des écarts qui peuvent être plus importants que ceux obtenus avec une rectification traditionnelle réalisée sans précaution particulière. La vérité est parfois trompeuse!

 

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 Détail d’une plaque de rectification permettant de simuler les contraintes mécaniques de la culasse sur les têtes des cylindres (effet tonneau) et les conditions de température par circulation de l’huile d’arrosage des pierres qui est réchauffée autour de 90°C et qui circule dans le bloc à usiner (source Sunnen). Les chapeaux de palier du vilebrequin sont également serrés au couple pour simuler les contraintes mécaniques de la partie basse du bloc.

Dans les points mis en avant pour garantir une géométrie des cylindres aussi bonne que possible, il y a la technologie du montage des chemises dans le bloc qui a aussi son importance. Un industriel américain (Darton), spécialisé dans la  fabrication des chemises, propose justement des chemises humides amovibles adaptables sur la plupart des moteurs modernes (y compris ceux équipés de chemises sèches et donc fixes). L’originalité de sa solution, c’est l’ajustage d’une collerette (située en haut de la chemise) dans le haut du bloc, améliorant ainsi grandement la rigidité de l’ensemble. Ce principe de montage baptisé M.I.D. (Modular Integrated Desk) a été rapidement adopté par les préparateurs américains, toujours en recherche de chevaux, de centimètres cubes … et de fiabilité (rappelons que sur le moteur Renault avec le montage d’origine, les chemises ne sont pas guidées en haut). En contre partie, l’usinage du bloc pour l’adaptation est un peu plus délicat mais quand on dispose de la machine à commande numérique qui va bien, ce n’est finalement que quelques lignes de programme en plus. En regardant les dimensions des chemises disponibles sur le catalogue Darton (je ne voulais pas pour de basses questions financières faire fabriquer du « sur-mesures ») je suis tombé sur des chemises de moteur 1800 Honda qui pouvaient être alésées jusqu’à un diamètre de 85mm. Ces chemises adoptant un entre-axe de 90mm et ayant des cotes principales supérieures ou égales à celles du Renault, mon choix était aussitôt fait. Elles étaient fabriquées avec une fonte spéciale à haute teneur en nickel garantissant à la fois une bonne tenue mécanique et un bon coefficient de friction. Bien évidemment, l’entre-axe d’origine des cylindres du moteur Renault étant de 89mm il me faudrait tenir compte de cette petite variation lors du réusinage du bloc pour obtenir un décentrage de 5/10 èmes sur les cylindres 2 et 3 et de 15/10 èmes mm sur les cylindres 1 et 4.

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Comparatif d’une chemise Darton avec une chemise Renault d’origine. Il faut prévoir un peu d’usinage pour mettre à la bonne longueur la partie encastrée (celle qui détermine la cote de débordement)

La première opération a consisté à reprendre au tour la cote d’encastrement du fut de la chemise (on voit sur la photo ci-dessus que la hauteur de la boite à eau est plus petite sur le Renault). Cet usinage est délicat car il faut respecter à la fois le diamètre (tolérance de 2/100èmes) et la longueur de la boite à eau, celle qui va conditionner la cote de débordement (tolérance de 2/100èmes). Donc on procède par petites passes de quelques centièmes et on mesure à chaque fois! C’est ici le moment de rappeler que l’étanchéité à la base des cylindres n’est plus réalisée par des joints en papier mais par trois joints toriques installés sur la partie cylindrique encastrable dans le bloc. Comme dans notre application, cette partie est remontée vers le haut, il faut aussi refaire trois nouvelles gorges qui vont bien pour installer ces joints … et oublier celles d’origines qui pour nos besoins sont maintenant bien trop basses.

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Chemise Darton réusinée

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Détail des trois joints toriques à leur nouvel emplacement qui assurent l’étanchéité du fut et de la boite à eau. On aperçoit les anciennes gorges qui d’origine pour le moteur Honda sont placées plus basses et qui de ce fait ne peuvent plus être utilisées

Le montage des chemises dans le bloc se fait en mettant la graisse spéciale (fournie avec le kit) sur la partie cylindrique qui est encastrée et une pâte d’étanchéité Loctite (fournie également) sur la portée horizontale de la petite embase (3,5 mm de portée). Comme il est très difficile d’obtenir une cote de débordement identique pour toutes les chemises (pas de joints de calage possible), l’ajustage est fait individuellement pendant l’usinage du bloc. Pour éviter de renouveler trop souvent cette opération délicate et fastidieuse nécessaire lors du changement des chemises, le diamètre des pistons sélectionnés sera de 83mm; les chemises étant suffisamment épaisses pour pouvoir être par la suite réalésées à 83,5 puis 84 mm. A noter que pour ces chemises, Darton autorise également un alésage jusqu’à 85 mm mais pour une durée d’utilisation en compétition limitée (voir les recommandations de ce fournisseur dans son catalogue).


La deuxième opération d’usinage a été beaucoup moins délicate; elle a consisté à reprendre simplement le diamètre externe de la collerette du haut de chaque chemise pour l’adapter au bloc Renault qui est beaucoup plus étroit. Là aussi la tolérance est très serrée ( 2/100èmes) pour garantir un bon appui sur le haut du bloc.

La longueur totale de la chemise Darton pour moteur Honda est un peu plus courte que celle du Renault d’origine. Bien que nous ayons notre course majorée (de 84mm, elle est passée à 86 mm), elle convient parfaitement. 

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La longueur de la jupe de nos pistons fait 51,60 mm

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La longueur totale de nos nouvelles chemises fait 139,75 mm

La longueur de la bielle et la hauteur de compression du piston sont telles que la collerette du piston sera presque affleurante (moins 5/100èmes) au PMH avec le haut de la chemise. La longueur utile de la chemise doit donc être au moins égale à la hauteur de la jupe du piston (51,60) + la course (86). Sur ce moteur, le total est de 137,60mm; il nous reste donc au PMB encore un peu plus de 2mm de marge pour garantir le guidage intégral du piston sur toute sa course.

Dans les particularités de conception de ces chemises, il faut aussi noté un anneau de liquide de refroidissement prévu juste sous le plan de joint de culasse sur le haut de la chemise (au dessus de la collerette). Cet aménagement permet de mieux maitriser la dilatation et les déformations thermiques du haut de cylindre. Dans le même esprit, des mini « lames d’eau » transversales (0,4mm) sont prévues entre les chemises, là où elles sont siamoisées.

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 Détail d’une « lame d’eau » transversale

L’usinage pour la modification du bloc moteur vient d’être terminé et les chemises ont pu être installées avec la plaque de rectification pour partir en direction de la rectifieuse.

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Les nouvelles chemises sont ici en cours de montage

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La plaque de rectification est installée et serrée au couple nominal.

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La rectifieuse de Rectif 2000 qui attend patiemment qu’on lui confie notre petit dernier

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Pour ajuster précisément le diamètre de chaque alésage, Patrick (c’est le maitre des lieux de Rectif 2000) utilise les pistons pour mesurer  leur diamètre et ajouter les 8/100ème de jeu souhaité. On a ainsi du sur-mesures individuel et chaque piston est déjà appairé avec son cylindre . Il n’est pas rare m’a t-il précisé d’avoir chez certains fournisseurs des dispersions de plusieurs centièmes sur un jeu de pistons sensés être identiques!

Et bien ça y est, les chemises sont finalement installées à notre idée et rectifiées à la cote de 83,00mm; c’est une grosse étape qui vient d’être franchie avec succès. Le jeu à la jupe des pistons prévu par notre rectifieur favori est de 8/100èmes, conformément aux recommandations Supertech. Comme la plaque de rectification qui se substitue à la culasse est prévue avec des raccords hydrauliques qui débouchent dans le circuit de refroidissement, je vais pouvoir faire une épreuve d’étanchéité en mettant le bloc sous pression pour traquer des fuites éventuelles qui bien qu’improbables restent quand même dans le domaine du possible. A noter que les chemises une fois rectifiées ne ressemblent pas à du papier à cigarette et qu’il reste suffisamment de matière pour les futures cotes réparations possibles (83,50 et 84mm).

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Voici ce que peut voir le maneton du vilebrequin en levant les yeux. Le diamètre externe du fut de la chemise est de 87,96mm et le diamètre de l’alésage est de 83mm ce qui nous laisse une épaisseur d’environ 2,5mm pour la partie basse guidée dans le bloc. La partie supérieure qui baigne dans la boite à eau a un diamètre externe de 93mm (soit une épaisseur d’environ 5mm).

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ici un piston a provisoirement été installé dans sa chemise et il est simplement maintenu en place par un bout de papier glissé le long de sa jupe. 

 

Dans :
Par nanard289
Le 12 octobre, 2012
A 19:31
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