En mécanique le piston est une pièce rigide coulissant dans une chemise de forme complémentaire assurant la variation du volume de la chambre, et la conversion d'une pression en force dans le cas d'un moteur à explosion et d'un vérin, ou l'inverse dans le cas d'une pompe volumétrique à pistons et d'une seringue.
Moteur ThermiqueRole du piston dans un moteur thermique :Le piston est l'élément mobile assurant la variation de la chambre d'un cylindre. Généralement lié à une bielle, il assure la compression des gaz de combustion et subit leur détente source du mouvement du moteur. Lorsque la chambre est ouverte par une soupape, il expulse les gaz brûlés ou aspire le mélange du cycle suivant.
Le piston est une pièce cylindrique, parfois légèrement conique, et dans certains cas en forme de tonneau; ces formes et le jeu dans son ajustement avec la chemise confèrent à l'ensemble une liaison mécanique moins contraignante pour le montage et le fonctionnement.
Le piston a d'autres rôles tout aussi importants pour le bon fonctionnement du moteur :
- Le mouvement du piston va aspirer le mélange de gaz dans la chambre de combustion lors de sa descente.
- Son mouvement périodique permet outre d’aspirer le mélange, de le comprimer, et après l’explosion de celui-ci d’évacuer les gaz brûlés.
- C’est lui qui évacue la chaleur crée par les explosions répétées et assure l'étanchéité entre la chambre de combustion et le carter du vilebrequin rempli d'huile.
- Finalement il doit résister aux très fortes chaleurs et aux contraintes mécaniques ainsi qu’être le plus léger possible pour diminuer les masses en mouvement.
Plus précisément voyons les différentes parties qui composent le piston.
La tête du pistonPour une analyse plus détaillée, commençons du côté de tête de piston. Celle-ci assure la partie compression/évacuation des gaz. Sa forme est liée à celle du cylindre. Il existe plusieurs formes de tête de piston :
Les têtes plates, surtout présentes sur les moteurs 2 temps et moins sur les moteurs 4 temps, dans notre cas nous avons choisi un piston a tête plate.
Les têtes convexes, avec des empreintes en regard avec les soupapes. La partie convexe permet d'avoir des chambres de combustion plus performantes (meilleure inflammation des gaz, évacuation plus facile et rapide, meilleur refroidissement de la bougie) et des compressions plus élevées. Les empreintes sont légèrement plus grandes que le diamètre des têtes de soupapes, ce qui évite au piston et aux soupapes de se toucher (ce qui pourrait être le cas lors d'un affolement de soupape ou d'un léger déréglage de la distribution).
Pour supporter les explosions, les têtes de piston subissent de plus en plus de traitement de surface afin de les renforcer ( ex : traitement avec nickel, graphite ...) ; de plus, pour obtenir une meilleure évacuation de la chaleur, les têtes sont améliorées par des nervures sur leurs verso et ainsi la surface d’échange thermique augmente et permet de mieux dissiper rapidement un surplus de chaleur .
La SegmentationLes segments sont des anneaux "élastiques" ouverts qui se logent dans des gorges usinées dans la tête du piston. L'ouverture du segment s'appelle coupe, car les segments sont fabriqués à partir d'un ressort coupé ensuite en tranches ; la largeur de l'ouverture une fois en place dans le cylindre est appelée jeu à la coupe. Sur les moteurs quatre temps généralement utilisés dans l'automobile, on trouve le plus souvent trois segments (quatre sur les moteurs anciens, deux sur les moteurs de compétition). Ils assurent l'étanchéité entre la chambre de combustion (les gaz chauds) et l'huile dans le carter du vilebrequin. Ils assurent aussi l'évacuation de la chaleur de combustion vers le cylindre. Les 3 types de segments sont :
- Le segment de feu est le segment en contact avec les gaz. Lors de l'explosion, il est plaqué contre le piston (dans sa gorge) et contre le cylindre, ce qui assure quasiment toute l'étanchéité.
- Le segment d'étanchéité ou de compression assure l'étanchéité totale des gaz en arrêtant ceux qui seraient passés par la coupe du segment de feu. Sa coupe est décalée ou tiercée par rapport à celle du segment de feu.
- Le segment racleur assure l'étanchéité au niveau de l’huile, il doit "racler" l'huile des parois du cylindre pour éviter qu'elle soit brûlée au cycle suivant.
Une défaillance des segments de feu ou de compression se traduit par une perte de compression et de performances du moteur, et par la mise en pression du carter par les gaz de fuite. Une défaillance du segment racleur se traduit par une consommation d'huile et des fumées bleues à l'accélération.
La jupe du pistonLa jupe du piston est la partie qui se situe en dessous du dernier segment et sert au guidage du piston dans le cylindre. Elle peut être complète ou réduite.
Le but de cette réduction est de réduire le poids du piston et les frottements de la jupe sur le cylindre afin d'améliorer les performances du moteur à haut régime. L'état de surface de la jupe est donc primordial pour assurer une bonne lubrification, parfois un traitement de surface peut être appliqué sur le piston ou uniquement sur la jupe, celle-ci prendra alors une coloration gris foncé voire noire.
Dans un moteur deux temps, c'est la jupe du piston qui determine le diagramme d'ouverture/fermeture des lumières en obturant ou décrouvrant ces dernières à chaque mouvement
L'axe du pistonL’axe du piston permet de relier le piston à la bielle. L’axe doit être extrêmement résistant de par ses dimensions et les matériaux utilisés, car il subit et transmet les efforts mécaniques dus aux explosions. Il est aussi parfaitement poli pour tourner dans la bielle ou dans le piston (parfois les deux). La plupart du temps, l’axe du piston est creux pour diminuer le poids de l'équipage mobile sans diminuer sa résistance. Il est généralement maintenu latéralement par ces circlips ou joncs d'arrêt dans le piston, et peut être monté libre ou serré dans la bielle ; dans ce dernier cas il faut chauffer la bielle, refroidir l'axe ou associer les deux méthodes pour le montage.
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