Brevet FR2035935A1 — publié le 19701224

i 2035935 La présente invention concerne un ensemble cylindre-culasse démontable pour machines à piston, notamment moteurs à combustion interne dans lequel la culasse peut se visser sur la chemise intérieure du cylindre par un filetage en 5 dents de scie prévu à la surface extérieure de la chemise, la surface frontale de celle-ci, sur laquelle porte la culasse quand l'assemblage est terminé, servant de plan de joint d'étanchéité. Tandis que, dans les machines à piston refroidies par air, surtout les moteurs à combustion, le mode de cons-truction à cylindre séparé domine, ce mode n'est que rarement adopté dans les moteurs à refroidissement par eau, bien qu'il puisse offrir des avantages pour les deux systèmes de refroidissement. C'est ainsi, par exemple, que des moteurs à piston d'un nombre quelconque de cylindres, disposés en ligne ou en Y, uti-15 lisant une grande quantité de pièces semblables, relativement de petites dimensions, peuvent être construits économiquement avec des outillages appropriés en exigeant une capacité de production limitée et moins d'espace» Des cylindres séparés, démontables, permettent d'élaborer les éléments de construction, au point de 20 vue de leur conformation et du choix de leurs matériaux, en fonction des contraintes et des exigences qui se présentent dans chaque cas particulier, avee moins de compromis que ne le permet le mode de construction en bloc. L'invention ne se limite donc pas aux machines à refroidissement par air. 2 5 On connaît différentes solutions pour rattacher la culasse à la chemise intérieure d'un cylindre, Le plus souvent, on effectue l'assemblage au moyen d'un certain nombre de vis, disposées le plus symétriquement possible autour du cylindre. Quand ces vis sont assez longues pour relier la culasse au carter 30 de vilebrequin et ne soumettent donc le cylindre qu'à une pression axiale, il en résulte, en raison de la distance, inévitabelement relativement grande, des vis à la surface de joint d'étanchéité entre cylindre et culasse, une contrainte de flexion, entraînant une déformation de la culasse. Ce phénomène est surtout gênant 35 pour les culasses en métal léger, qui, sous l'influence de la température, se dilatent autrement que le cylindre, généralement plus froid, de sorte qu'il est plus difficile, sinon même impossible, d'assurer une étanchéité parfaite. De plus, un serrage inégal de ces vis déforme le cylindre s'il n'est pas très rigide, 40 c'est-à-dire, inutilement lourd» 70 10902 2 2035935 On peut réduire la distance radiale des vis à l'axe du cylindre et la contrainte de flexion en résultant, par l'assemblage au moyen de vis de la culasse avec une bride ou des bossages correspondants, rapportés à l'extrémité supérieure du 5 cylindre. Dans ce genre de réalisation, il faut cependant exécuter la chemise intérieure du cylindre pour qu'elle soit très rigide et par conséquent lourde également, afin que les forces de traction résultant de la combustion et s'exerçant sur les vis ne puissent provoquer aucune déformation indésirable du cylindre,, 10 L'inconvénient de ces deux modes d'assemblage . par vis consiste en ce qu'ils exigent chaeun une grande distance entre les cylindres voisins et conduisent ainsi à une grande longueur, non souhaitable, pour la construction du moteur. Du fait de la disposition des tubes filetés dans la culasse, les solu-15 tions optimales de la fixation des canaux d'écoulement, des in-jecteurs et des autres éléments de construction, ainsi que du bon guidage de l'agent de refroidissement (eau ou air) sont rendues plus difficileso A la recherche d'un système d'étanchéité plus 20 avantageux, le brevet allemand 525 699 a fait connaître une chemise intérieure de cylindre en acier, dont l'extrémité tourné» vers la culasse est pourvue d'un filetage extérieur, au moyen duquel un fond de cylindre en forme de pot, fait d'un alliage de béryllium, se visse et se mate. Cette réalisation a cependant 25 l'inconvénient de rendre pratiquement impossible le démontage ultérieur de la eulasse pour une retouche quelconque. De la ferme du filetage résulte en outre ce désavantage que ce filetage est exposé, notamment du fait de la pression des gaz régnant dans le cylindre, à une poussée radiale, dirigée vers l'extérieur et 30 l'extrémité supérieure de la chemise intérieure du cylindre à une poussée vers l'intérieur. Ce fait peut provoquer, d'une part, ua élargissement de la culasse et, par suite, un défaut d'étanchéité aux gaz , ou, d'autre part, un rétrécissement du cylindre dans la zone du filetage. 35 Le Brevet français 1 327 511 a révélé un cylin dre démontable, à refroidissement par air, pour machine à piston, dans lequel une culasse en acier se visse sur la chemise intérieure en fonte grise, aû moyen d'un filetage en dents de scie prévu à la surface extérieure de la chemise, la face frontale de 40 cette dernière, sur laquelle bute la culasse à la fin du montage, 70 10902 3 2035935 servant de surface de joint étanche. Sur la culasse en acier une enveloppe réfrigérante en métal léger est rapportée, venue de fonderie, ou emmanchée à la presse,. Un assemblage de ce genre a cet avantage que 5 la culasse est détachable à tout moment pour une retouche quelconque» la condition requise d'une distance limitée entre deux cylindres voisins est également respectée. Par le choix du filetage en dents de scie, ou de ses surfaces portantes perpendiculaires à la direction du vissage, et cela est essentiel, les for-10 ces de traction résultant de l'allumage n'agissent encore sur l'assemblage que dans la direction axiale. Aucune composante de force ne s'exerce plus radialement vers l'intérieur, ni vers l'extérieur. Il faut estimer désavantageux que la culasse en a-cier assure une évacuation de la chaleur moins bonne qu'une eu-2^ lasse en métal léger, par exemple, que l'exécution est plus difficile et que l'assemblage, en raison de l'étanchéité à assurer, ne répond qu'à des contraintes de pression et de température modérées. Pour réaliser l'étanchéité voulue, il faut serrer fortement les vis d'assemblage. 20 le but de la présente invention est de perfec tionner un cylindre détaché, démontable, du genre précité, dans lequel la culasse est assemblée avec la chemise intérieure de manière à pouvoir s'en détacher, à l'aide d'un filetage en dents de scie, la face frontale de la chemise intérieure.du cylindre 25 étant constituée pour servir de plan de joint d'étanchéité, en ce sens que les inconvénients précités sont évités, c'est-à-dire, que l'assemblage reste étanche aux gaz, même sous fortes contraintes de pression et de température, qu'un gauchissement du cylindre par un fort serrage des vis est exclu et que l'étanchéité de 30 l'ensemble est assurée indépendamment du choix des matériaux pour le cylindre et la culasse, de manière que d'autres facteurs,tels, par exemple, que l'évacuation de la chaleur, etc.. puissent être mieux pris en considération. Selon l'invention, le problème est résolu en 35 ce que le filetage en prise avec le filetage en dents de scie de la chemise intérieure du cylindre et la surface portant de manière étanche sur la face frontale de cette chemise sont prévus sur un anneau fileté noyé en fonderie dans la culasse du cylindre, donc parfaitement solidaire de celle-ci , à haute résistance, que 40 la chemise intérieure présente entre sa face frontale servant de 70 10902 4 2035935 plan d'étanehéité et le débat du filetage en dents de soie une portée lisse s'ajustant exactement dans un alésage de l'anneau fileté pour servir de guidage radial et que dans cet alésage de l'anneau sont prévues des gorges servant de chambres de dé-5 tente, ou de logements pour joints supplémentaires» Il est indiqué d'adopter pour l'anneau fileté une matière dont le coefficient de dilatation thermique soit situé entre celui de la matière de la culasse et celui de la matière de la chemise intérieure du cylindre, tout en devant 10 être aussi rapproché que possible du coefficient de dilatation thermique de la matière de la culasse pour garantir durablement la fermeté de l'assemblage des deux éléments lors des variations de température» Poux renforcer la solidarité énergétique, dans le sens axial en particulier, entre culasse «t anneau fi-15 leté, ce dernier présente, en plus d'autres dispositions, des cannelures concentriques à sa surface extérieure et une face supérieure rendue rugueuse» En faisant venir de fonderie l'anoeau fileté, on obtient la possibilité d'employer pour la eulasse du eylin-20 dre un matériau bon conducteur de la chaleur, tel qil'un alliage de métal léger, par exemple» Dans ce cas spécial, la matière qui convient à l'anneau fileté est un alliage de bronze à haute résistance et coefficient de dilatation thermique juete un peu au-dessous de celui du métal léger» Généralement, on prévoit de 25 l'acier pour la chemise intérieure du cylindre, car elle doit supporter les forces engendrées par les gaz, aussi bien radia-lement qu'axialement, et transmises de la culasse au earter du vilebrequin» la chemise a en outre à supporter la pression de glissement du piston. 50 Pour augmenter l'évacuation de la chaleur et renforcer la liaison intime de l'anneau fileté avec la culasse, cet anneau présente des ouvertures le traversant, régulièrement réparties sur sa circonférence, par lesquelles passe le métal léger à la coulée de l'anneau pour constituer des ponts trans-35 versaux solides. Ainsi, en plus de la surface annulaire existant à l'extrémité supérieure de l'anneau fileté et transmettant les efforts subis, on crée un passage pour la chaleur reliant l'anneau au métal léger, de" la culasse aux ailettes de refroidissement, ou autres éléments similaires, rapportés à la surface 40 extérieure» 70 10902 5 2035935 Par le guidage radial de la chemise intérieure du cylindre, qui est assuré par la portée ajustée dans un a-lésage de l'anneau fileté, aucune sorte d'effort radial pouvant provoquer une déformation de la chemise et, pour autant qu'elle 5 existe, de la douille de glissement ne se produit au vissage de la culasse sur la chemise intérieure. Dans cette chemise, on peut introduire facilement une douille de glissement interchangeable, pourvue dans le haut d'un collet et dont la face frontale supérieure constitue 10 un plan de joint étanche avec la face frontale de la chemise, plan aur lequel porte la face correspondante de l'anneau fileté, qui maintient la douille de glissement en position. Un labyrinthe constituant un dispositif supplémentaire d'étanchéité est constitué par les chambres de dé— 15 tente, prévues à cette fin aux extrémités supérieure et inférieure de l'alésage, délimitées par le collet, s8y appliquait étroitement, de la chemise intérieure du cylindre. Dans la mesure où le renforcement de l'étanchéité entre culasse et chemise par ce labyrinthe n'est pas suffisant en raison des pressions de 20 service et des températures régnant dans le cylindre, l'invention propose en complément d'introduire à force dans la chambre de détente ménagée au-dessus de l'extrémité du filetage en dents de scie et dans les cavités existant entre le sommet et la base des filets des filetages supérieurs une matière d'étanehéité, métal-25 lique ott plastique, après vissage à bloc de la culasse sur la chemise intérieure, le choix convenable de cette matière- d'étanchéité, le téirafluoréthylène, par exemple, rend le démontage de la culasse à nouveau possible à tout moment. Enfin, l'invention propose de raccorder l'une 30 à l'autre les deux chambres de détente par des rainures longitudinales pratiquées dans l'alésage de l'anneau fileté de manière que la matière d'étanchéité, introduite à force, puisse aussi parvenir, par ces rainures dans la chambre de détente supérieure. l'idée de l'invention s'étend également, bien 35 entendu, à l'introduction dans la chambre de détente d'un anneau d'étanchéité s'adaptant aux conditions voulues, en remplacement de la matière d'étanchéité introduite par force*, Par l'observation des propositions précitées, le vissage considéré présente toute sécurité quant à son étan-40 chéité aux gaz. Toute déformation de la chemise intérieure du 70 109Ô2 6 2035935 cylindre est pareillement exclue, de sorte que toutes les exigences présentées par le problème de l'assemblage de la chemise intérieure d'un cylindre avec la culasse sont satisfaites8 le choix des matériaux pour le cylindre et la culasse n'étant plus 5 aussi important que jusqu'ici pour obtenir un assemblage étanche, mais pouvant être effectué largement en fonction d'autres facteurso Des particularités de l'invention ressortent de la description qui suit de deux exemples de réalisations pra-10 tiques, représentés sur la planche jointe, oîi : la 3?ig. 1 est la coupe longitudinale d'un assemblage suivant l'invention de la culasse d'un cylindre avec la chemise intérieure, dans lequel l'étanchéité aux gaz est assurée par des chambres de détente venant après des surfaces de 15 joint en contact étroit, la l?igo 2 représente la conformation, suivant la coupe I-I de la figure 1, de l'anneau fileté, la ]?ig. 3 représente l'assemblage de la figure 1, mais avec insertion d'un élément d'étanchéité supplé-20 mentaire0 La figure 1 représente la partie supérieure d'une chemise intérieure de cylindre 1 en acier, qui présente sur sa surface extérieure un filetage en dents de seie 2* Une douille de glissement 4 en fonte grise, à paroi mince, inter-25 changeable, pourvue à son extrémité supérieure d'un collet 3, est emmanchée dans la chemise 1. Dans une culasse 5, qui n'est également que partiellement représentée, faite d'un alliage de métal léger, un anneau fileté 6, venu de fonderie, comporte un filetage 7 s'ajustant sur le filetage en dents de scie 2 et ser-30 vant à l'assemblage avec la chemise 1» Les surfaces radiales de» filetages 2 et 7 sont disposées de manière connue, telle que les efforts de traction, résultant.de la pression à l'allumage, entre la chemise 1 et la culasse 5, n'ont aucune composante agissant radialemento 35 Au-dessus du filetage 2, la chemise 1 présente une portée lisse 8, dont le diamètre extérieur correspond au diamètre intérieur du filetage 2 et qui est guidée radialement, avee un ajustement précis, dans un alésage 9 de l'anneau fileté 6. La face frontale supérieure 10 de la chemise 1 constitue 40 avec la face frontale 11 du collet 3» c'est-à-dire, de la douille 70 10902 7 2035935 de glissement 4, un plan de joint d'étanchéité, sur lequel porte, dans le sens axial, un collet robuste 12 de l'anneau fileté 6. la surface de contact ainsi constituée crée un premier élément d'étanchéité, circonscrivant la zone de feu, dit pare-feu 5 ou pare-flamme, entre la chemise intérieure 1 et la culasse 5 du cylindre. l'alésage 9, guidant étroitement la portée 8 de la chemise 1, présente à ses extrémités supérieure et inférieure des gorges annulaires 13, 14, servant de chambres de dé— 10 tente ou de labyrinthe, qui produisent un effet d'étanchéité supplémentaire. l'anneau fileté 6, venu de fonderie, noyé dans la culasse 5, est ici en alliage de bronze, par exemple. Son extrémité supérieure, entièrement noyée, présente une partie an-15 nulaire robuste 15, dont la face inférieure assure la transmission proprement dite des forces à la chemise intérieure 1 du cylindre, la partie annulaire 15 est reliée au collet 12, c'est-à-dire à l'anneau fileté 6 lui-même, par un certain nombre de montants 16. 20 Ainsi qu'il ressort des figures 1 et 2, entre ces montants 16 se trouvent des ouvertures 17, sensiblement plus larges, que remplit parfaitement le métal léger de la culasse 5, ce qui crée, en plus d'une section transversale de plus grande résistance, un passage multiplié, efficace, pour l'écoulement de 25 la chaleur allant aux ailettes de refroidissement 18 évacuant la chaleur de la culasse 5. le rapport de l'ensemble des surfaces des seetions transversales des montants 16 entre la partie annulaire 15 et le collet 12 à la surface totale des seetions transversales du métal léger remplissant les ouvertures 17 soumise 30 à des contraintes de pression et de cisaillement est choisi de telle manière que la contrainte de pression ou de cisaillement aooeptable pour le métal léger, non plus que la résistance admissible pour les montants 16, ne soient pas dépassées aux températures qui se produisent, la surface extérieure totale de l'anneau 35 fileté 6 entièrement entourée par le métal léger de la culasse présente des cannelures 19 qui renforcent la liaison entre les deux matériaux. la figure 3 représente une autre réalisation du système d'étanchéité selon l'invention, indiqué par la fi-40 gure 1, dans laquelle un agent d'étanchéité 20, métallique ou 70 109Ô2 8 2035935 plastique, a été introduit à force dans la chambre de détente 14 faisant suite à l'extrémité supérieure du filetage en dents de scie 2, 7. Cet agent 20, introduit sous une forte pression, pénètre également dans les cavités existant entre les filets 2, 7 5 et les remplit. De plus, les deux chambres de détente 13 et 14 sont reliées entre elles par des rainures longitudinales 21 séparées, réparties sur le pourtour, de manière que l'agent d'étanehéité 20 peut pénétrer aussi jusque dans la ehambre de détente supérieure 13. Un trou 22, po'uvant être obturé, acces-10 sible de l'extérieur, est prévu à travers la culasse 5 et l'anneau 6 pour introduire la matière d'étanchéité dans la chambre de détente 14. Une autre forme de réalisation consiste à. remplacer l'agent d'étanchéité 20, introduit à force, par un anneau 15 d'étanchéité correspondant, résistant à la température. 70 109Ô2 9 2035935 RE7EID I 0 1 I 1 OIS 1. Cylindre démontable pour machines- à piston, notamment pour moteurs à combustion interne, dans lequel la culasse peut se visser sur la chemise intérieure du cylindre par 5 un filetage en dents de scie, prévu à la surface extérieure de la chemise, la surface frontale de oelle-ci, sur laquelle porte la culasse quand l'assemblage est terminé, servant de plan de joint d'étanehéité, caractérisé en ce que le filetage venant en prise avec le filetage en dents de scie de la chemise intérieure du cy-10 lindra» ainsi que la face portant hermétiquement sur la face frontale fie cette chemise sont prévus sur un anneau fileté, venu en fonderie, noyé dans la culasse du cylindre de manière à en être totalement solidaire et de grande résistance à l'entaillagej que la chemise intérieure présente, entre sa face frontale formant 15 plan de joint d'étanchéité et le début du filetage en dents de scie, une portée lisse s1ajustant exactement dans un alésage de l'anneau fileté afin de servir de guidage radial, et que des chambres de détente et, ou bien, des logements d'éléments d'étanchéité supplémentaires sont prévus dans l'alésage de l'anneau fileté 20 oïl se trouve la portée lisse de la chemise intérieure du cylindre. 2. Cylindre démontable suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre extérieur de la portée lisse de la chemise intérieure du cylindre correspond au diamètre intérieur du filetage en dents de scie. 25 3. Cylindre démontable suivant la revendi cation 1, caractérisé an ce que sont prévues des chambres de détente sous forme de gorges annulaires, pratiquées dans l'anneau fileté et, vues dans le sens axial, chacune à 1*une des extrémités, supérieure ou inférieure, de l'alésage de est anneau corres-30 pondant à la portée lisse de la chemise intérieure du cylindre,, 4. Cylindre démontable suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un anneau d'étanchéité élastique est logé dans la gorge venant à la suite de l'extrémité supérieure du filetage en dents de scie» 35 5» Cylindre démontable suivant l'une quel conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cavités des filets supérieurs du filetage en dents de scie et la gorge annulaire venant après l'extrémité supérieure de ce filetage sont garnies d'une matière d'étanchéité, métallique ou plastique, eon-40 nue en soi, introduite sous pression, après montage, par ub 70 Î09Ô2 10 2035935 orifice allant en se rétrécissant de l'extérieur. 6. Cylindre démontable suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 et la revendication 4»oaractérisé en ce que les deux gorges annulaires de l'anneau fileté sont reliées entre eU.es 5 par des rainures longitudinales, au moyen desquelles la gorge la plus proche de la face frontale de la chemise intérieure du cylindre est également remplie de la matière d'étanchéité introduite sous pression dans le système. 7» Cylindre démontable suivant la revendication l,carac-10 térisé en ce qu'une douille de glissement, pourvue, de manière . connue en soi, d'un collet dans le haut,dont la face frontale supérieure constitue avec celle de la chemise intérieure du cylindre un plan de joint d'étanchéité et qui est maintenue fermement en place par l'anneau fileté,peut être introduite dans la chemise intérieure. 8. Cylindre démontable suivant la revendication 1,caractérisé en ce qu'est choisie comme matière pour l'anneau fileté, une matière dont le coefficient de dilatation thermique se situe entre celui de la matière de la culasse et celui de la matière de 20 la chemise intérieure du cylindre,tout en se trouvant aussi voisAi que possible du coefficient de dilatation thermique de la matière de la culasse. 9. Cylindre démontable suivant les revendications 1 et 8f caractérisé en ce que l'extrémité supérieure de l'anneau fileté 25 affecte la forme d'un anneau robuste,transmettant à la culasse la pression s'exerçant à 1'allumage sur la chemise intérieure du cy- "1 4 VJ (9*t* û 0 10. Cylindre dépontable suivant les revendications 1,8 et 9» caractérisé en ce que l'anneau fileté présente des ouvertures réparties à sa périphérie, formant des passages pour la 30 chaleur,de sorte que l'anneau constituant la partie supérieure de l'anneau fileté est relié par dss montants à la partie inférieure de ce dernier qui porte le filetage se vissant sur le filetage en dents de scie de la chemise intérieure du cylindre. lle Cylindre démontable suivant la revendication 1 et 35 l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en se que l'anneau fileté présente des cannelures concentriques sur sa circonférence extérieure® 12. Cylindre démontable suivant les revendications l.et 8,caractérisé en ce qu'en employant un alliage de métal léger pour la culasse et de l'acier pour la chemise intérieure du cy- • , lindre, on choisit comme matière pour l'anneau fileté un alliage 40 de bronzeo