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Piston pour un moteur de voiture de course

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.

En musique, un piston est un mécanisme permettant de moduler les sons émis par la majorité des instruments de la famille des cuivres.

Dans le jargon des ingénieurs, un Piston (avec une majuscule) est un ancien élève de l'École Centrale de Paris.

Dans le langage familier, le piston est un avantage obtenu grâce à l'appui de certaines relations dans une entreprise ou une administration. On dit aussi « se faire pistonner ».

Mécanique générale

• liaison avec la chemise (mobilités)
• liaison avec la transmission : tige, bielle, plateau, unilatérale ou desmodromique.
• jeu et étancheïté
• loi de conversion (pression/force)
• mouvement oscillatoire (cylindrée et course).
• mouvement rectiligne
• chemise siège soupape

Moteur thermique

Rôle 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.

Anatomie du piston

Plus précisément voyons les différentes parties qui composent le piston.

La tête du piston

La tête de piston est la partie en contact avec les gaz. Sa forme est souvent liée à celle du fond de cylindre (ou de la culasse) puisqu'elle garantit le taux de compression de la chambre; elle peut être:

• plate: surtout présente sur les moteurs 2 temps, et sur les moteurs 4 temps de faible performance.
• convexe: une surface convexe permet d'avoir des chambres de combustion plus performantes assurant la meilleure inflammation des gaz, une évacuation plus rapide, un meilleur refroidissement de la bougie et des compressions plus élevées. Avec des empreintes en regard avec les soupapes, on évite au piston et aux soupapes de se toucher (même lors d'un affolement de soupapes ou d'un léger déréglage de la distribution), tout en conservant un taux de compression élévé

Pour supporter les explosions, les têtes de piston subissent de plus un traitement de surface (ex : traitement avec nickel, graphite ...). Pour obtenir une meilleure évacuation de la chaleur, on pratique des nervures sur leurs verso augmentant la surface d’échange thermique.

La segmentation

Les segments sont des anneaux élastiques ouverts (avant la pose) qui se logent dans des gorges usinées dans la jupe du piston. L'ouverture du segment s'appelle coupe, car les segments sont fabriqués à partir d'un ressort coupé ensuite en tranches ; Une fois posé, le segment se referme; 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 piston

La jupe du piston est la partie qui sert au guidage du piston dans le cylindre. Elle peut être complète ou réduite.

Le but de cette réduction est de diminuer 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 piston

L’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 consécutifs 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 ses circlips ou joncs d'arrêt dans le piston, et peut être monté libre ou serré dans la bielle. Dans ce dernier cas, pour le montage, il faut chauffer la bielle, refroidir l'axe ou associer les deux méthodes.

Musique

• 
  Principe du piston des instruments cuivres
• 
  Les 4 pistons d'un tuba.
• 
  Une trompette

Historique et intérêt

Le piston est un mécanisme, dont l'invention et le perfectionnement au cours du XIX^e siècle, a révolutionné la facture des instruments de musique de la famille des cuivres.

Ce mécanisme permet de modifier la longueur du tube de l'instrument, fonctionnant comme un robinet à air, ou plus exactement comme un distributeur pneumatique. Par ailleurs il n'agit pas comme convertisseur force/pression, de ce fait la dénomination « piston » n'est légitime que par sa forme et la nature de son mouvement.

Avant cette innovation, la coulisse, comme encore aujourd'hui sur le trombone, était le seul moyen de modifier la hauteur des sons d'une série d'harmoniques, sans altérer le son en bouchant partiellement le pavillon.

En actionnant un piston, le musicien peut modifier la hauteur de la série de notes possibles sur le corps sonore de base dit modes harmoniques : il s'agit principalement de baisser grâce à un système dit "descendant" qui allonge le parcours de l'air, et très rarement de monter dans le cas du système "ascendant".

En combinant différentes longueurs de tuyaux supplémentaires au moyen de plusieurs pistons en ligne (généralement trois mais parfois quatre), l'instrument devient chromatique. Plus précisément, le premier piston abaisse la note d'un ton, le second l'abaisse d'un demi ton, le troisième d'un ton et demi. Le quatrième piston abaisse quant à lui la note de deux tons et demi. Il élargit vers le bas la tessiture de l'instrument et surtout remplace la combinaison du premier et du troisième piston permettant une plus grande justesse de la note. Si le quatrième piston est très courant sur les tubas, sa présence sur la trompette est plus rare.

De nombreuses variantes et évolutions de ce principe ont vu le jour depuis l'invention, aux alentours de 1811, jusqu'à nos jours. Certains facteurs ont délaissé le piston, lui préférant des systèmes à barillets rotatifs, dit « à palettes » en raison de la commande sous les doigts.

Le piston est aussi le nom donné au Cornet à pistons, le premier à avoir bénéficié de cette technologie.

Description technologique

Détail du 3^e piston d'un cornet.

1. le cylindre tiroir: il contient les conduites dérivant la colonne d'air. Il est traversé 3 fois de part en part, et présente donc 6 orifices. Dans le cas d'instruments dits compensés, c'est-à-dire pour lesquels l'air est dévié dans deux coulisses au lieu d'une seule, le piston est alors traversé 4 fois et présente huit orifices (ce procédé permet une plus grande justesse sur des gros instuments tels que le tuba ou l'euphonium). Il est réalisé en alliage de cuivre par brasure sur la base d'un tube. La pièce doit être la plus légère possible. On y perçoit l'ergot détrompeur: en effet son fonctionnement nécessite une mise en place sans équivoque, et un guidage en translation.
2. la bague de fixation: cet élément est vissé sur l'instrument; le musicien doit juste dévisser pour sortir l'ensemble mobile en vue de son entretien (nettoyage et graissage).
3. la bague d'appui inférieur: cette pièce est également fixe pendant le jeu, en appui sur un épaulement du cylindre accueillant l'ensemble ; elle permet la reprise de poussée du ressort.
4. le ressort de rappel: il maintient le piston en position haute par défaut. Sa raideur fait l'objet d'un compromis délicat entre rapidité et facilité d'exécution.
5. la bague d'appui supérieur : elle reçoit les efforts de poussée du ressort.
6. la bague de feutre: son rôle est d'éliminer le bruit du piston lorsqu'il arrive en butée haute.
7. la touche : vissée en haut du tiroir, c'est la partie en contact avec le doigt. Réalisée dans un matériau plus noble, assorti au corps de l'instrument, elle est parfois recouverte d'une pastille de nacre.