Nissan, Perkins, Peugeot, Porsche, Renault, RVI, Saab, Scania, Seat

Les spécifications auxquelles doivent satisfaire les systèmes de pistons
utilisés en série et en compétition présentent certaines similarités. Dans
les deux cas, il importe de concilier différents facteurs essentiels : un poids
réduit, de bons coefficients pratiques, une grande sûreté de fonctionnement,
un faible taux de pannes et des coûts compétitifs. Mais les pistons
de course se distinguent nettement des pistons de série si l’on considère
l’importance respective de ces différents facteurs.
LE CADRE GÉNÉRAL
Si on compare par exemple les moteurs atmosphériques, les performances des
moteurs de course dépassent de près de 300% celles des moteurs de série. La
charge thermique supportée par les pistons de
compétition est donc beaucoup plus importante.
Leur durée de vie est en revanche bien inférieure à
celle d’un piston destiné à être monté sur une voiture
normale. Le régime des moteurs atmosphériques
utilisés en course est également très supérieur à celui
des moteurs en série, même si le régime moteur
autorisé en Formule 1aété ramené cette année de
20 000 tours/min environ à 19 000 tours/min. Les
pressions d’allumage moyennes tournent autour de
105 bars pour les moteurs de course non turbo
compressés, contre 85 bars pour de bons moteurs
atmosphériques en série.
En dépit de sa durée de vie réduite, un piston de compétition performant
exige donc un travail de développement d’une très grande complexité.
PISTONS DE COMPÉTITION : DES PIÈCES CONÇUES SUR MESURE
MAHLE fabrique depuis des années déjà pour la compétition des pistons forgés
de type « box-in-box ». Le nervurage résistant dans le sens pression/contrepression
et dans le sens longitudinal du moteur autorise des rapports hauteur
de compression/diamètre extrêmement bas pour une épaisseur de paroi minimale
de la tête de piston.
Les pièces matricées sont conçues avec une surcote d’usinage afin de pouvoir
réaliser, lors des finitions des pistons de sport avec enlèvement de matière par
fraisage 3D, des contre-dépouilles non forgeables destinées à réduire encore le
poids. Grâce à ces différentes mesures, les pistons de Formule 1 présentent un
poids très inférieur (215 – 240 g) à celui des pistons de série. La baisse de
poids par rapport à un piston de série de même diamètre dépasse 40 %.
Afin que les pistons de compétition restent fonctionnels malgré des hauteurs
de compression très réduites, ceux-ci sont équipés, sauf rares exceptions, de
deux segments de pistons seulement. Les segments très bas d’un point de
vue axial présentent des surfaces de guidage avec des profils spécifiques
et une tension tangentielle limitée pour diminuer les frottements même à des
régimes élevés.
Comme les pertes de gaz dans le carter diminuent la puissance utile du moteur,
l’étanchéité des gaz dans le système segment-piston est l’objet de toutes les
attentions. Mais il ne s’agit pas de négliger pour autant la consommation
d’huile. On a donc recours à des segments racleurs d’huile à basse tension,
en une pièce ou plusieurs, avec des profilés très spécifiques.
Autre élément important pour une bonne résistance dans la durée du piston de
sport (la durée de référence allant de 8 heures environ en formule 1à50 heures
environ pour les applications longue durée) : le refroidissement des pistons qui
SPORTS MÉCANIQUES
PISTONS DE COMPÉTITION :
LA RECHERCHE DE
LA PERFECTION
atténue la forte charge thermique. MAHLE y accorde une grande attention. En
collaboration avec le client, il est recherché pour chaque application, grâce à
des études sur bancs d’essai propres, le rapport optimal entre le refroidissement
nécessaire des pistons et le flux volumique d’huile, ainsi que les pertes
d’entraînement et par barbotage qui en résultent.
L’axe de piston et la géométrie de l’alésage de moyeu jouent un rôle central pour
minimiser le plus possible le poids tout en assurant une bonne fonctionnalité.
Comme la force des gaz est transmise de la tête de piston à la bielle et au vilebrequin
en passant par les alésages de moyeu et les axes de piston, cette zone
de palier nécessite un soin tout particulier.Il convient par exemple de veiller à une
bonne lubrification et à une répartition régulière de
la charge dans les alésages de moyeu.
Pour les axes de pistons, on utilise des revêtements
DLC destinés à réduire les problèmes de corrosion
et à optimiser les frottements. La forme de l’axe de
piston est optimisée sur ordinateur, tout comme
l’alésage de moyeu : la rigidité est modulée à l’aide
d’un moule intérieur spécial de l’axe de piston (cylindrique
extérieurement), le but étant de garantir
les déformations admissibles pour un poids aussi
réduit que possible.
DES MÉTHODES DE CALCUL ET DE SIMULATION MODERNES
Les méthodes de calcul des éléments finis en 3D sont depuis des années déjà
partie intégrante du développement des pistons de course. Afin de pouvoir
simuler la charge thermo-mécanique à laquelle est exposé un piston, on utilise
couramment des programmes de calcul de champ de température, de vérification
de la solidité, de détermination de la durée de vie relative et d’optimisation
de la forme pour les alésages de moyeu et les axes de pistons. Sans oublier les
programmes de simulation du mouvement transversal du piston, de la dynamique
du segment et de l’empreinte de la jupe.
DES MATÉRIAUX CONÇUS POUR DES PERFORMANCES MAXIMALES
Le choix du matériau en fonction de l’application revêt une grande importance
pour le bon fonctionnement du système de pistons. Pour sélectionner les
matériaux, on tient compte d’aspects spécifiques au moteur et à l’application,
tels que la charge thermique, l’usure et la durée de vie requise, mais aussi
de propriétés propres aux matériaux (densité, conductibilité thermique, résistance
à l’usure et dans le temps, propriétés de fluage et de déformation). Pour
des raisons de planning, la mise au point des matériaux en elle-même doit
généralement être achevée avant le début du projet, car elle représente un
investissement considérable en argent et en temps. Il est d’autant plus important
de s’adonner dans ce secteur à un travail continu d’étude de nouvelles
solutions. MAHLE joue ici un rôle novateur avec ses centres de recherche et
développement performants.
SUCCÈS DANS LES SPORTS MÉCANIQUES
MAHLE est présent dans le milieu des sports mécaniques depuis les années
trente. Une collaboration fructueuse : en 2007 par exemple, 9 des 17 victoires
en grand prix ont été rendues possibles par des pièces MAHLE. Depuis l’an
2000, les composants pour sports mécaniques MAHLE ont aidé de manière
ininterrompue à décrocher le titre mondial aussi bien dans la catégorie des
conducteurs que des constructeurs. Pour 2008, 8 des 11 écuries de Formule
1 font confiance aux performances et à la fiabilité de nos produits : Ferrari,
BMW Sauber, Renault, Toyota, Williams, Red Bull Racing, Toro Rosso et
Force India.
A F T E R M A R K E T
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