Le piston

Pour rappel, le piston est la pièce qui va transmettre l'énergie développée par la combustion à la bielle, pour des raisons d'étanchéité, il est cerclé de joints appelés segments. Chaque segment à un rôle précis à jouer. Le segment du bas (huile), retient l'huile afin qu'elle ne monte pas jusque sur le dessus du piston; celui du centre (racleur) seconde le segment du bas en lui retournant le surplus d'huile qu'il a laissé échappé et du même coup agit un peu sur la compression; celui du haut (compression), contrôle la compression du moteur.

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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...

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DÉMONTAGE :

Le piston est, malgré les apparences, un organe fragile et son démontage tout comme son remontage doit être effectués avec soin.

L'axe est monté serré dans le piston et coulissant "gras" dans le pied de bielle. Les deux circlips à chaque extrémité ne sont pas là pour le bloquer mais tout simplement pour l'empêcher de glisser et de venir frotter sur la paroi du cylindre, car lorsque le moteur commence à chauffer le piston (en alliage d'aluminium) se dilate plus vite que l'axe (en acier) qui peut alors se déplacer.

C'est d'ailleurs cette propriété que nous allons utiliser pour le démontage et le remontage de l'axe.

Ces opérations doivent se faire en douceur, jamais avec force. Et surtout pas en tapant sur l'axe, au risque de fausser la bielle. Jamais non plus "à froid" car cela provoquerait un arrachement de métal dans le logement de l'axe qui rendrait le piston inutilisable.

Nous utiliserons un outil semblable à celui de la figure ci-dessous. Il s'agit d'un serre-joint à pompe modifié comme indiqué. La rondelle, amovible pour pouvoir être adaptée à différents pistons, doit avoir un diamètre légèrement inférieur à l'alésage dans lequel est monté l'axe. L'avantage du serre-joint à pompe est de permettre un déplacement rapide de l'axe, avant que celui-ci ne se soit à son tour dilaté.

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On place le serre-joint en appui sur le piston et sur l'axe de l'autre sans mettre trop de pression, juste ce qu'il faut pour que l'ensemble tienne. Ensuite, à l'aide soit d'un décapeur thermique, soit d'une lampe à souder (vous savez ces machins avec une petite cartouche bleue), on chauffe délicatement le piston en insistant un peu au niveau de l'axe. ATTENTION, j'ai bien dit une lampe à souder, pas un chalumeau !!! Il faut chauffer le piston, pas le fondre.

L'alliage du piston se dilate plus vite que l'acier de l'axe. Dès que le piston est assez chaud, on se sert du serre-joint pour repousser l'axe. CELA DOIT SE FAIRE SANS RESISTANCE ! Si ce n'est pas le cas, c'est que votre piston n'est pas assez dilaté. Chauffez-le encore un peu.

NETTOYAGE :

Observons tout d'abord notre piston :

Si il présente des traces noirâtres ou brunes sur la jupe, c'est que les segments n'étaient plus étanches et ils ont laissés passer les résidus de combustion. De toutes façons il faudra les changer; On ne réutilise jamais des segments usagés. Voir pourquoi au chapitre Le cylindre.

Si sur la jupe il y a des traces de frottements, des rayures dans le sens vertical, il y a eu très certainement serrage dans le cylindre, d'où arrachement de métal. Si ces rayures sont de faibles importances (1/10ème de mm maximum) et se situent uniquement en dessous des segments, le piston pourra être réutilisé. Sinon il faudra le changer. Après le nettoyage, on vérifiera bien que ces rayures ne présentent pas d'arêtes. Le meilleur moyen est de frotter une feuille de papier essuie-tout perpendiculairement aux rayures. Si elle accroche et laisse des pelures, poncez délicatement la jupe avec une feuille de papier abrasif à l'eau, grain 200. Il faut juste enlever ce qui dépasse, pas user le piston !!!

Après avoir retiré les segments (voir chapitre Les segments), nous allons nettoyer le piston. Pour nettoyer correctement et sans efforts le piston, voici un truc qui fonctionne assez bien : dans une vieille bassine mettez une solution concentrée d'eau et de produit pour lave-vaisselle, placez-y votre piston et faites bouillir le tout "un certain temps". Il suffira ensuite de brosser le piston chaud (attention, ça brûle). Avec un pinceau ou une brosse à dent pour en retirer très facilement toute la calamine. S'il en reste encore un peu bien incrusté au fond des gorges des segments, nous utiliserons un segment cassé pour la retirer, comme indiqué sur le dessin. Attention : toutes les gorges n'ont pas forcément la même largeur. Utilisez bien le segment qui correspond à celle à nettoyer. Il faut bien enlever toute la calamine qui se trouve au fond de la gorge sans entamer le piston.

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Profitons-en pour vérifier sur le pied de bielle l'état de la bague en bronze (sur un 4 temps) ou du roulement à aiguille (sur un 2 temps). 

Sur un 4 temps : 

Replacez l'axe dans le pied de bielle et vérifiez qu'il coulisse de façon bien rectiligne. Il ne doit y avoir aucun mouvement de "bascule" ! Si ce n'est pas le cas, il faudra remplacer la bague. Pour cela, à moins que vous ne possédiez l'outillage nécessaire, il vous faudra faire appel à un tourneur. En effet cette bague est faite dans un bronze spécial qui est microporeux pour "stocker" de l'huile. De plus elle doit être montée en force dans le pied de bielle et ensuite alésée avec un alésoir pour que l'axe coulisse parfaitement sans jeu. 

Sur un 2 temps : 

Retirez la cage à aiguille et vérifiez que son logement n'est pas usé et ne présente pas de rayures ou ovalisation. Si c'était le cas, il faudra le réaléser et remplacer la cage à aiguille par une autre ayant un diamètre extérieur plus important. Il existe une gamme très large de cages avec des diamètres intérieur/extérieur très variés. Renseignez-vous auprès d'un revendeur spécialisé.

REMONTAGE :

Le remontage se fait de la même façon que le démontage, en chauffant le piston et en repoussant l'axe à l'aide du serre-joint. Au préalable vous aurez bien huilé les alésages du piston et du pied de bielle. Attention à bien aligner l'alésage du pied de bielle avec celui du piston. Ne forcez pas !!!

PISTON EN TROP MAUVAIS ETAT :

Si votre piston est en trop mauvais état (rayures profondes, trou dans la tête, jupe fendue, etc...), il faudra bien entendu le changer. Oui, mais me direz-vous "pour ma Gnome-et-Rhone 1923, il n'y a plus de pièces de rechange". C'est exact, mais pas de panique !

Tout d'abord, inutile de perdre votre temps à courir les bourses d'échanges pour trouver un piston "d'origine", qu'il soit neuf ou, pire, d'occasion. Il y a fort à parier que le temps aura fait son oeuvre et que l'alliage qui le compose se sera détérioré. Vous trouverez facilement auprès d'un spécialiste (MAHLE par exemple) soit un piston correspondant, soit vous pourrez en faire réaliser un neuf à partir de votre modèle. Ce nouveau piston sera très certainement plus performant en terme de résistance que votre ancien. En effet les alliages des années 1920 (et même plus tard) n'étaient pas aussi élaborés que de nos jours et vieillissaient mal.

"Oui mais ce ne sera pas d'origine" objecterez vous. Certes mais d'une part cela ne se verra pas (qui donc va aller regarder dans votre cylindre ?) et d'autre part la fiabilité de votre machine s'en trouvera accrue. De toute façon il y a fort à parier que celui que vous avez démonté ne soit pas d'origine non plus. En effet les bris de pistons et de soupapes étaient fréquent autrefois car, comme je l'ai déjà dit, les matériaux n'étaient pas aussi résistants. Et les pièces adaptables existaient déjà ;-)

Dans tous les cas il vaut mieux privilégier la fiabilité plutôt que la recherche de l'origine à tout prix. Bien sur tant que cela ne se voit pas, ce qui est le cas ici. 

Pour le remontage des segments sur le piston, voir le chapitre Les segments

Pour le remontage de l'ensemble piston-segments dans le cylindre, voir le chapitre Le cylindre.

 

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