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MAHLE Jeu de segments de pistons

0,004 mm - la différence peut se jouer à ça

Dans les moteurs modernes et avec des performances affichées en continu sur des durées élevées, nos segments de pistons assurent un fonctionnement fiable et précis de leur support.
En tant que leader dans la fabrication des pistons, nous travaillons continuellement à l'optimisation de la performance et des qualités de course de nos segments. Nos moyens de fabrication dernier cri, nous permettent d’établir également les normes en matière de qualité dans ce secteur.
Notre solide expérience dans le développement et la réalisation nous permet de vous garantir une excellente interaction entre le piston et les segments et une satisfaction des exigences les plus sévères.

Functions of piston rings

Dans un moteur moderne, les segments de piston ont trois missions :

  • Ils assurent l'étanchéité entre la chambre de combustion et le bas du carter cylindres.
  • Ils limitent et régulent la consommation d'huile.
  • Ils conduisent la chaleur emmagasinée par le piston lors de la combustion vers le fût du cylindre qui est refroidi.

Pour remplir ces missions, les segments de piston doivent être en contact avec la paroi du cylindre sur tout le pourtour, même quand le fût de cylindre s'écarte légèrement de sa forme de référence. En raison des efforts inertiels importants et des pressions de combustion élevées, de même que des contraintes d'usure sévères, des pressions très élevées s'exercent sur le matériau des segments de piston (résistance/réfractarité) mais aussi sur leurs états de surface et leur géométrie.

Des jeux de segments ajustés

Nous vous proposons différentes versions de segments de piston, soit en qualité première monte ou adaptés à des moteurs ayant déjà roulé pour diminuer les pertes de compression et la consommation d'huile. Vous pouvez nous demander des jeux de segments de piston pour presque tous les types de moteurs diesel ou essence, comme pour les moteurs de véhicules utilitaires, dans des diamètres de 60 à 160 mm.

Matériaux

Pour nos segments de pistons, nous n'utilisons que des matériaux à forte valeur ajoutée. Pour les sollicitations normales, nous utilisons des matériaux en fonte graphite laminaire pour les sollicitations importantes, des fontes à graphite sphéroïdal ou des aciers.

Revêtements des surfaces de glissement

Les surfaces de glissement des segments de pistons peuvent recevoir un revêtement spécifique afin d'augmenter leur résistance à l'usure et au feu. On utilise pour cela des chromages ou des dépôts plasma de matériaux métalliques ou céramiques.

MAHLE en «remet une couche» pour limiter les frottements

MAHLE en «remet une couche» pour limiter les frottements

MOINS IL Y A DE FROTTEMENTS, PLUS LE MOTEUR PEUT TRAVAILLER DE MANIÈRE EFFICACE ET ÉCONOMIQUE. COMME UNE GRANDE PARTIE DES FROTTEMENTS SE PRODUIT AU NIVEAU DES SEGMENTS DE PISTONS, C’EST LÀ QUE LES INGÉNIEURS DE MAHLE ONT PRODUIT LEUR EFFORT EN METTANT AU POINT UN NOUVEAU REVÊTEMENT.

Les segments de pistons fonctionnent généralement par trois. Un système astucieusement conçu fait en sorte que l’huile moteur parvienne jusqu’à la jupe du piston sans pénétrer dans la chambre de combustion. Concrètement, les deux segments supérieurs assurent l’étanchéité de la chambre de combustion entre l’alésage du cylindre et le piston. Le segment inférieur sert de racleur d’huile et veille à ce que la majeure partie de l’huile moteur reste à l’intérieur du système à combustion. L’ensemble des segments de pistons contribue ainsi grandement à réduire la consommation de carburant et la pollution pour l’environnement.

Les segments de pistons servent par ailleurs à refroidir le piston : grâce au contact avec la surface de glissement du cylindre, les segments transmettent au cylindre refroidi les températures de combustion élevées de la tête de piston.

Mais les segments de piston de qualité peuvent encore bien davantage : ils réduisent les pertes par frottement au sein du moteur, accroissent ainsi les performances, diminuent la consommation et augmentent la durée de vie du moteur.

LES FROTTEMENTS ONT UN COÛT QUE L’ON PEUT MINIMISER
Les frottements au sein du moteur à combustion influent demanière considérable sur la consommation de carburant.MAHLE, l’un des principaux fabricants de pistons au monde, partenaire en développement des constructeurs de moteurs et de véhicules, le sait depuis longtemps déjà et travaille depuis des années pour mettre au point des solutions novatrices minimisant grandement les pertes par frottement au niveau des segments de pistons.

Les ingénieurs MAHLE s’appuient sur une approche globale combinant des outils de simulation numérique et des contrôles moteurs afin de développer des jeux de segments de pistons à frottements réduits, en particulier pour lesmoteurs à essencemodernes.

OÙ IL EST QUESTION DE FORCE TANGENTIELLE ET DE PRESSION SUPERFICIELLE
Les segments-racleurs d’huile doivent exercer une force de pression relativement élevée sur la surface de glissement du cylindre pour empêcher l’huile moteur d’atteindre la tête du piston et d’y brûler. Les ingénieurs parlent ici de force tangentielle.

Cette force tangentielle presse la bande de roulement des segments de pistons contre la surface de glissement du cylindre. Cette force divisée par la surface donne la pression superficielle, essentielle à un bon fonctionnement de l’ensemble. Le principe est le suivant : une force tangentielle élevée est synonyme de frottements importants, et ceux-ci sont indésirables. Pour réduire les forces tangentielles tout en maintenant la pression superficielle spécifique, on peut diminuer la bande de roulement des segments de pistons en optant pour des segments moins hauts. Mais cela les rend plus vulnérables à l’usure. La solution : FMEP [kPa] utiliser un revêtement particulièrement résistant à l’usure pour la bande de roulement des segments.

REVÊTEMENT PVD : MAHLE PROGRESSE À TOUTE VAPEUR
Chrome, molybdène, nitruration gazeuse : tels étaient les matériaux et procédés utilisés jusqu’à maintenant pour accroître la résistance à l’usure des segments de pistons. Les ingénieurs MAHLE ont mis au point une méthode novatrice pour apposer sur les segments de pistons un revêtement performant : le dépôt physique en phase vapeur (Physical Vapour Deposition, en abrégé : PVD). Ce procédé issu du sport automobile consiste à déposer en phase vapeur des couches de carbone de type diamant sous vide poussé. Cela donne un revêtement hautement résistant avec des pertes par frottement nettement réduites. Les revêtements PVD ne sont pas seulement plus durs, ils sont aussi plus résistants.

Les segments de pistons ayant subi ce genre de traitement présentent une résistance accrue à l’usure et une meilleure prévention de l’érosion même dans des conditions d’utilisation rudes et en cas de lubrification réduite. La résistance à l’usure et la longévité des segments de pistons s’en trouvent donc sensiblement accrues.

Ce revêtement permet également d’avoir des pistons de hauteur réduite, ce qui présente un autre avantage : celui d’une flexibilité plus grande. Les segments s’adaptent encore mieux à la forme du cylindre. Cela permet de minimiser la pression spécifique, et donc potentiellement les forces tangentielles sans compromettre la fonctionnalité de l’ensemble.

Jeu de segments avec segment de compression à revêtement PVD, segment à face conique et talon et segment-racleur d’huile en 3 parties.Jeu de segments avec segment de compression à revêtement PVD, segment à face conique et talon et segment-racleur d’huile en 3 parties.

RÉDUCTION DES FROTTEMENTS : LIMITER LA CONSOMMATION DE CARBURANT ET LES ÉMISSIONS POLLUANTES POUR UN AVENIR RADIEUX
À titre d’expérience, une chemise de cylindre a étémontée dans le sens longitudinal de manière à ce qu’elle puisse osciller librement. Lorsque lemoteur tourne,des capteurs de force livrent des informations sur les forces de frottement des segments de pistons.

Résultat : les frottements sur le groupe de segments sont réduits de 20 à 30 % selon la charge et le régime. La baisse des frottements est plus importante en cas de régime bas et de charge peu élevée, ce qui correspond aux conditions typiques de la circulation en ville.

La réduction des frottements sur les segments de pistons réduit l’ensemble des pertes par frottements dans lemoteur de plus de 1%, ce qui se traduit par une réduction de la consommation de carburant dans lesmêmes proportions. Une mesure essentielle pour ménager les ressources, respecter les normes futures strictes sur les gaz d’échappement et assurer l’avenir du moteur à combustion.


Frottements comparés

Frottements comparés : force de frottement et pression moyenne de frottement (FMEP) mesurées sur des jeux de segments de 1,2/1,2/2,0 mm (bleu) et 1,0/1,0/1,5 mm (rouge). Le jeu composé de segments moins hauts présente une sollicitation tangentielle inférieure de 42 %, ce qui réduit de 28 % environ les frottements sur les segments.

les rois de la glisse

Les segments de pistons raclent l'huile moteur et assurent l'étanchéité entre la chambre de combustion et le carter de vilebrequin. Ils revêtent donc un rôle-clé au sein du moteur.
Les segments de pistons se présentent la plupart du temps par jeux complets, généralement de trois. Les deux segments supérieurs du piston sont de purs segments de compression servant à assurer l'étanchéité de la chambre de combustion entre l'alésage du cylindre et le piston. Une tâche fastidieuse : d'une part parce que des pressions considérables se forment dans la chambre de combustion (en particulier sur les moteurs diesel pour lesquels des pressions d'allumage supérieures à 200 bars sont pratiquement la norme) et d'autre part parce que les gaz de combustion sont si chauds qu'ils peuvent embraser des pièces du système d'échappement. Tandis que le piston monte et descend dans l'alésage du cylindre, les segments de pistons glissent avec lui sur la surface de glissement du cylindre pour garantir l'étanchéité et racler en même temps l'huile, et cela, un nombre incalculable de fois !

Le troisième segment de piston, dit segment racleur, veille à ce que la plus grande partie de l'huile reste à l'intérieur du moteur. Le film huileux ne doit en effet se former qu'entre la jupe du piston et la surface de glissement du cylindre. Le segment de piston central s'occupe de la petite quantité d'huile que le segment racleur d'huile ne peut pas retenir. Et l'infime quantité d'huile qui reste sur la paroi du cylindre au-dessus du segment central est la bienvenue pour le segment de piston supérieur. Celui-ci a en effet la tâche la plus dure de tous, car il doit supporter les plus hauts pics de pression et les températures les plus élevées. Une partie de la très petite quantité d'huile moteur qui lubrifie le segment supérieur s'évapore et brûle ensuite dans la chambre de combustion. Une légère consommation d'huile est donc un bon signe : cela signifie que le segment supérieur de piston est alimenté en huile.

Toujours plus petits, toujours plus légers
Les segments de piston doivent être très résistants. C'est ainsi seulement qu'ils peuvent générer les forces nécessaires (tangentielles et radiales). On a recours pour cela soit à des fontes sphérolitiques, soit à des fontes à graphites sphériques. Certains segments de piston sont aussi formés à partir de profils en acier laminé. La question de la taille constitue un défi supplémentaire pour la conception et la fabrication : tandis que les segments racleurs d'huile mesuraient encore quatre ou cinq millimètres de haut il y a quelques années encore, ils ne mesurent même plus la moitié sur les moteurs actuels. Il faut en effet des segments tout petits pour que le piston puisse être lui aussi de petite taille (et donc léger !), facteur indispensable pour obtenir des moteurs à la fois économiques et performants.

Protection active : Le revêtement
Les surfaces de glissement des segments de pistons glissent en permanence sur la paroi du cylindre. La hauteur d'un segment de piston est toutefois très petite par rapport à la surface du cylindre à racler. Il est donc nécessaire de protéger le segment de piston, en particulier le segment supérieur (qui a le moins d'huile à sa disposition), au niveau de la surface de glissement. Pour cela, on applique par exemple par galvanisation une couche de chrome, qui est un matériau très dur et résistant à l'usure. L'épaisseur de la couche de chrome est comprise entre 100 et 200 µm.

Le molybdène est également un métal extrêmement dur et donc résistant à l'usure. On a notamment recours au molybdène pour recouvrir la surface de glissement des bagues de compression utilisées sur les moteurs diesel soumis à des sollicitations importantes. Pour cela, de la poudre fine de molybdène est fondue dans un faisceau plasma. Le plasma propulse les gouttes de métal liquide sur la surface de glissement du segment de piston. Après durcissement, on obtient ainsi une surface résistante à l'usure et dure, mais en même temps poreuse. La surface poreuse absorbe l'huile moteur afin de constituer en quelque sorte une lubrification de réserve : en cas de sollicitations importantes et d'états de lubrification critiques, cette huile stockée servira à lubrifier la surface de glissement du segment. C'est une garantie de fiabilité même dans des conditions extrêmes. Certains revêtements chromés spéciaux (multicouches, céramique chrome) permettent eux aussi d'obtenir des canaux fins et des petites ruptures dans la couche de chrome afin d'y stocker l'huile moteur.

SegmentsPiston, segments de piston et paroi du cylindre : L'unité parfaite
Les revêtements des segments de piston sont choisis lors de la mise au point du moteur. MAHLE est partenaire de l'industrie des moteurs pour le développement. Les ingénieurs et spécialistes MAHLE conçoivent et testent en série et en collaboration avec les clients dans le monde entier, les segments idéalement adaptés à telle ou telle application. Les pistons, les segments de pistons et la paroi du cylindre doivent être parfaitement ajustés. C'est essentiel pour assurer un fonctionnement optimal du moteur et une grande longévité. Des revêtements supplémentaires (par exemple en phosphate ou en étain) sur toute la surface du segment permettent d'optimiser également les propriétés des segments de pistons.

Les revêtements annoncent la couleur
Il peut arriver que l'on change les segments de pistons sur des pistons existants. Lorsque les segments d'un piston sont modifiés, MAHLE s'efforce de mettre le modèle actuellement monté en série aussi rapidement que possible sur le marché des pièces de rechange. Parfois, un segment de compression dont les surfaces de glissement étaient auparavant simplement chromées va ainsi recevoir une couche de phosphate supplémentaire et les segments autrefois argentés (« shiny ») vont désormais être livrés en noir. Une autre possibilité est qu'un segment de piston chromé, puis phosphaté soit remplacé par un segment avec revêtement multicouches spécial sans phosphate, si bien que le nouveau modèle sera d'une couleur argentée brillante et non plus noire.

Segments de piston mahle : La qualité des matériaux et des finitions
Les segments de pistons MAHLE répondent en tout point aux exigences rigoureuses de l'équipement de première monte grâce à des matériaux de haute qualité et des finitions précises. La liste des références est éloquente : les segments de pistons made by MAHLE équipent les véhicules de toutes les grandes marques internationales à leur sortie d'usine, d'Alfa Romeo à Volvo, en passant par Audi, BMW et Mercedes. Pour le marché des pièces de rechange, MAHLE propose une large gamme de jeux de segments de pistons en qualité première monte. Vous trouverez plus de détails à ce sujet dans le catalogue actuel « Jeux de segments de pistons ». Celui-ci est disponible au choix sous forme imprimée ou sur CD-ROM (intégré dans la gamme complète des pièces de moteur).