Pourquoi les goupilles de piston sont-elles creuses ?

Conception et ajustement des goupilles de piston

Pourquoi retirer le centre d’une goupille de piston ? Une goupille en acier massif peut sembler plus solide, mais un composant moteur ne peut pas être jugé uniquement par la quantité de matériau. La goupille accélère, décélère et change de direction avec le piston, donc sa masse contribue aussi aux charges d’inertie.

Une section creuse tire parti d’une propriété géométrique : un matériau plus éloigné du centre contribue davantage à la rigidité de la flexion. Retirer une partie du matériau central réduit la masse tout en conservant une grande partie de cette rigidité. Cependant, augmenter l’alésage réduit l’épaisseur des parois, rendant la déformation et la fatigue des considérations importantes pour la conception.

Cela explique également pourquoi deux goupilles de piston avec le même diamètre extérieur et la même longueur ne sont pas automatiquement interchangeables. La géométrie de l’alésage, le matériau, les tolérances dimensionnelles et l’ajustement entre le piston et la bielle influencent toutes leurs conditions de fonctionnement.

Quelle est la rigidité de la flexion perdue lorsque le centre est retiré ?

Un modèle cylindrique uniforme aide à expliquer la géométrie. Pour le diamètre extérieur D et le diamètre intérieur d, l’aire de la section transversale A et le second moment de l’aire I sont :

Pour le même matériau et la même longueur, la surface de la section transversale détermine la masse. Le second moment d’aire est le paramètre géométrique utilisé pour calculer la rigidité en flexion. La surface dépend du diamètre au carré, tandis que I dépend du diamètre à la quatrième puissance. Retirer le matériau central ne réduit donc pas la masse et la rigidité à la flexion de la même proportion.

Par exemple, supposons que le diamètre intérieur soit 50 % du diamètre extérieur, avec le même diamètre extérieur, la même longueur et le même matériau qu’un cylindre solide. La réduction de masse calculée est de 25 %, tandis que I diminue de 6,25 %. Avec le même module élastique E, la rigidité en flexion EI diminue également de 6,25 %.

Pourquoi ne pas rendre le canon aussi grand que possible ?

Pendant le fonctionnement, la petite extrémité de la bielle applique une charge autour du centre de la goupille, tandis que les enjambées de la goupille du piston la soutiennent de chaque côté. La goupille se courbe sur sa longueur, et les charges de contact locales peuvent également déformer sa section circulaire en un ovale. L’épaisseur de la paroi influence les deux formes de déformation.

L’analyse de rupture piston-goupille prend en compte la géométrie, la flexion, l’ovalisme, la pression de contact et le jeu initial ensemble. [2] Le second moment de surface seul ne peut pas déterminer un diamètre d’alésage approprié pour une broche particulière.

Une paroi plus fine peut réduire encore la masse, mais elle peut aussi augmenter la déformation et modifier la répartition de la pression entre la goupille, les enjoliveurs de piston et la petite extrémité de la bielle. L’épaisseur de la paroi doit s’adapter aux charges du moteur et aux composants d’accouplement.

L’alésage n’est pas nécessairement un trou droit de diamètre constant. L’ISO 18669-1 inclut des conceptions cylindriques, renforcées au centre et à alésage conique. [1] Différents profils modifient la répartition de l’épaisseur des parois le long de la goupille, mais leur adéquation dépend toujours des positions de support, des conditions de fonctionnement et des exigences de fabrication.

Pourquoi la masse de la goupille du piston est-elle importante ?

La goupille du piston fait partie de l’ensemble alternatif. À la même accélération, la force d’inertie est proportionnelle à la masse : F = ma. Réduire la masse de la goupille réduit la charge d’inertie associée transmise à travers la bielle dans les mêmes conditions de mouvement.

Dans le document technique SAE 2015-01-0523, les ingénieurs de MAHLE rapportent que les goupilles de piston peuvent représenter environ 10 à 30 % de la masse alternative, selon l’application du moteur. Leur conception composite combine une manchon en acier avec un noyau en aluminium, avec des réductions de poids rapportées allant jusqu’à environ 20 % pour les moteurs à essence et 30 % pour les moteurs diesel de voitures particulières. [3]

Cette recherche démontre l’intérêt technique pour les goupilles de piston plus légères. Cependant, la goupille composite est un design différent d’une goupille en acier creux conventionnelle. Ses réductions de poids rapportées ne doivent pas être appliquées directement à l’exemple en section creuse ci-dessus.

Les goupilles de piston sont généralement fabriquées en acier. [6] Une conception creuse équilibre la masse alternative avec les exigences de charge. La qualité spécifique du matériau et les exigences de traitement thermique doivent être prises dans la spécification technique du produit concerné.

Le matériau du piston et le matériau du piston-goupille sont des spécifications différentes

Le POWCODE spécifie l’alliage d’aluminium AC8A pour les pistons indiqués sur sonPlateforme de pièces moteur DV6 8V. AC8A fait référence au corps du piston, pas à la goupille du piston. La qualité de l’acier à goupille de piston et le traitement thermique doivent être confirmés séparément de la spécification pour la broche fournie ; ils ne peuvent pas être déduits de l’alliage du piston.

Les mêmes dimensions extérieures ne garantissent pas le même ajustement

Les catalogues de produits indiquent généralement le diamètre et la longueur de la goupille du piston. Ces dimensions aident à identifier un composant, mais ne définissent pas son cahier des charges techniques complètes. Le profil de l’alésage, l’épaisseur de la paroi, la masse réelle, le matériau, le traitement thermique et les tolérances dimensionnelles doivent également être vérifiés.

Pour une interface d’ajustement entre dégagement, l’écart diamétrique est égal au diamètre réel de l’alésage moins le diamètre réel de la goupille. Lorsque la goupille et l’alésage sont concentriques, la garde de jeu radiale de chaque côté est la moitié de la garde diamétrique. Il s’agit d’une relation de calcul, pas d’une spécification d’écart acceptable pour un moteur.

Un diamètre de goupille plus grand ou un alésage plus petit réduisent l’espace de jeu ; l’inverse l’augmente. La température de mesure, la position de mesure et les erreurs de forme influencent également l’évaluation. Les méthodes de rétention diffèrent entre les moteurs et les interfaces, de sorte qu’une seule valeur de jeu ne peut pas être appliquée universellement.

Lors du développement des composants moteur, POWCODE a acheté des ensembles de pistons et des échantillons associés auprès de différentes sources pour comparaison physique. Cette expérience a attiré notre attention sur les spécifications des matériaux et les exigences d’ajustement au-delà des dimensions du catalogue. Les comparaisons d’échantillons aident à identifier les questions pour des investigations ultérieures, mais elles ne remplacent pas les tests de matériaux, les statistiques de lots de production ou la validation de la durabilité des moteurs.

Que nous dit une goupille de piston DV6 de 26 × 61 mm ?

Le catalogue de la chaîne motopropulsrice Federal-Mogul indique le piston d’application DV6C 87-72772-STD avec un alésage de cylindre de 75 mm, une hauteur de compression de 41,750 mm, un diamètre de cuve de combustion de 45,000 mm et une goupille de piston de 26 × 61 mm. Le piston d’application précédent du DV6 87-71783-STD indique également une goupille de 26 × 61 mm. [4–5]

Correspondre au diamètre et à la longueur nominals de la broche n’établit pas la géométrie de l’alésage, la masse, le traitement thermique ou les tolérances de fabrication correspondantes. Les dimensions de 26 × 61 mm sont un indice d’identification, mais pas une preuve suffisante de l’interchangeabilité entre les versions de moteur. Les numéros de pièce spécifiques et les informations d’application doivent également être vérifiés.

Quoi d’autre faut-il vérifier lors du choix d’une goupille de piston ?

La géométrie creuse explique comment une goupille peut économiser du poids, mais la sélection doit revenir au composant spécifique. Le diamètre extérieur et la longueur sont le point de départ. Les tolérances, la géométrie de l’alésage, le matériau, le traitement thermique ainsi que les exigences d’ajustement côté piste et côté bielle nécessitent toutes des spécifications de soutien.

Lors de la comparaison de deux broches de même dimension extérieure, le poids ou l’épaisseur de la paroi seuls ne permettent pas d’identifier laquelle est appropriée. Confirmez leurs applications prévues et leurs arrangements d’ajustement avant d’évaluer s’il existe des preuves de substitution.