Brevet FR2282584A1 — publié le 19760319

La présente invention concerne d'une façon générale des mécanismes comportant un piston et un cylindre de construction classique dans lesquels le piston est relié de façon à pouvoir pivoter par l'intermédiaire d'un axe de piston ou analogue à une extrémité d'une bielle dont l'extrémité opposée est montée sur un vilebrequin ; plus particulièrement, la présente invention concerne une technique perfectionnée pour obtenir l'étanchéité à la compression et le contre du lubrifiant. La présente invention est décrite en relation aveo un compresseur de réfrigération à piston alternatif (pour du produit connu sous la arque déposée Fréon ou analogue) mcsis elle peut s'appliquer à de nombreux autres types de machines à piston alternatif. On contact dans l'art antérieur les brevets américains suivants : nO 1.666.966, ne 2.549.Z77, n 3.195.901. Dans le cas de compresseurs de réfrigération, de o e que dans le cas de nombreuses autres machines à pistons alternatifs, il est non seulement important de prévoir des moyens d'étanchéité à la compression suffisants pour produire et maintenir une pression relativement élevée dans la charge de compression disposée au-dessus de l'extrémité de la tonte du piston, mais il est égalelent encore plus important de réduire à un minimum la quantité de lubrifiant (tel que de l'huile) qui passe depuis le mécanisme, franchissant le piston, dans la chambre de compression.Bien que ce soit habituellement difficile à obtenir, de tels moyens devraient pouvoir fonctponner depuis le tout premier cycle de fonctionnesent du mécanisme et pendant tous les cycles par la suite. En outre, dans de tels mécanismes, il est nécessaire de prévoir des moyens pour empêcher l'axèdu piston (quelquefois appelé axe de pied de bielle) de se déplacer transversalement dans son alésage dans le piston Jusqu'à un point où ses extrémités pourraient venir en contact avec 1'alésage du cylindre et le détériorer. C'est donc un premier objet de la présente invention de prévoir des moyens relativement simples pour assurer le contre de la compression et du lubrifiant en même temps que la retenue de l'axe de piston pour l'empêcher de venir accidentellement en contact avec l'alésage du cylindre. C'est un autre objet de la présente invention de prévoir un ment d'étanchéité pour un piston alternatif qui, non seule ment, agisse comme un élément racleur d'huile pour empêcher qu'xi lement non désiré dZhuile ne franchisse le piston mais qui serve également à retenir l'axe de piston pour empecher qu'il ne vienne en contact avec l'alésage du cylindre > évitant ainsi d'avoir besoin de moyens de retenue séparés pour 1 t axe de piston.C'est un objet associé de prévoir un tel élément d'étanchéité qui ait une configura- tion identique à l'élément d'étanchéité utilisé pour maintenir la compression réduisant ainsi le nombre de pièces différentes requises. C'est un autre objet de la présente invention de prévoir une paire d'éléments d'étanchéité identiques, à usages multiples, pour un piston alternatif, ces deux éléments étant construits en un matériau assurant un frottement relativement faible pour réduire ainsi le frottement et l'usure à la mise en marche. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante, faite en relation avec les dessins cijoints, dans lesquels La figure 1 est une vue en élévation, de profil, d'un ensemble de bielle et de piston auquel est incorporée la présente invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 2-2 de la figure 1. La figure 3 est une vue agrandie, partielle, en coupe transversale suivant généralement la ligne 3-3 de la figure 2 et représentant la coopération du piston avec une paroi de cylindre ; et La figure 4 est une vue en coupe partielle suivant la ligne 4-4 de la figure 2. L'ensemble de base de la présente invention qui, à titre d'exemple, sera décrit comme étant appliqué à un compresseur de réfrigération comprend un piston de forme cylindrique 10 et une bielle 12 fixée, de façon à pouvoir pivoter, au piston 10 au moyen d'un axe de piston 14 traversant un alésage 16 dans la bielle et un alésage 18 dans le piston. Le piston 10 comporte la cavité interne habituelle 20 pour recevoir l'extrémité de la bielle dont l'extré- mité opposée est reliée, de la manière habituelle, à un mécanisme de vilebrequin approprié (non représenté). Si on le désire, une paire de rondelles 22 peut être disposée entre les parois de la cavité 20 et les faces latérales de la bielle 12 dans le but de positionner la bielle et de réduire le bruit et/ou le frottement. L'axe de piston 14 peut avoir une construction tubulaire avec un alésage central 24 et, de préférence, avoir des extrémités chan freinées comme on peut mieux le voir sur la figure 2. L'extrémité de la taste du piston 25, définit de façon classique une paroi d'une chambre de compression dans l'extrémité du cylindre (non représentée) dans lequel le piston est disposé. Les-pièces telles qu'elles sont décrites ci-dessus et la manière dont elles fonc tionnent sont classiques à tous égards. Les moyens de contrôle de compression et de contrôle du lubrifiant selon la présente invention comprennent généralement deux éléments d'étanchéité annulaires, sensiblement parallèles 26 et 28. Comme cela apparattra, l'élément 26 est un segment ou joint d'étanchéité et l'élément 28 est un élément racleur d'huile de m- me qu'un moyen de retenue pour l'axe de piston 14. Les éléments 26 et 28 et la manière dont ils sont montés sont mieux représentés dans la figure 3. L'élément 26 qui, de préférence, est situé aussi près que possible de l'extrémité de la tête du piston pour réduire le volu me de l'espace mort dans la chambre de compression, est disposé à l'intérieur d'une gorge annulaire, continue, désignée généralement par la référence 30 et défini,parune face latérale supérieure,annulaire, généralement plate, 32 (comme représenté) qui se raccorde à une surface de base comprenant une partie de surface cylindrique 34 et à une partie de surface conique 36, cette dernière se terminant par une surface latérale annulaire plate 38. La partie de la surface 36 est représentée disposée à un angle exagéré dans la figure 3 et, de préférence, elle forme un angle d'environ 20 seulement par rapport à l'axe du piston. L'élément 26 a une confi guration annulaire et il est fait en un matériau élastique, flexi ble, à faible frottement, de préférence une composition de poly tétrafluoroéthylène. Comme on peut mieux le voir dans la figure 3, l'élément 26 n'a pas une section droite plate mais il est légère ment évasé vers l'extérieur, vers une extrémité, dans la direction de la tête du piston pour obtenir une partie formant une arête d'étanchéité 40 prévue pour venir en contact avec l'alésage du cy lindre dans lequel le piston est disposé et qui porte généralement la référence 42 dans la figure 3. L'extrémité inférieure de l'élé- ment 26 n'est pas montée d'aplomb comme indiqué en 44 de sorte qu'elle peut s'appliquer sur la face 38 de la gorge 30 pendant la course de compression du piston.Bien que l'évasement naturel de l'élément 26 amène généralement la partie d'étanchéité 40 à venir en contact avec l'alésage du cylindre, ce contact est assuré plus positivement en prévoyant une partie de surface conique 36 à la base de la gorge qui maintient la partie d'étanchéité 40 dans une position orientée vers l'extérieur, dans laquelle l'étanchéité est assurée même lors du premier cylindre de fonctionnement. Du fait de sa géométrie, la partie d'étanchéité 40 est également sollicitée vers l'extérieur,venant en contact et assurant l'étanchéité avec l'alésage du cylindre 42 par la pression du fluide véhiculé exercée sur la surface intérieure de la partie supérieure de l'élément 26. L'extrémité inférieure, ou non évasée, de l'élément 26 est dimensionnée de sorte qu'elle s'applique étroitement contre la partie de surface 36. Comme on peut le voir immédiatement, l'élément 26 assure sa fonction primaire d'étanchéité pendant la course de compression du piston (vers le haut comme représenté). I1 agit ainsi comme un segment de compression ou joint pour empêcher la fuite au niveau du piston du fluide comprimé dans la chambre de compression (non représentée) disposée au-dessus du piston. Cette construction de base du joint et la gorge dans laquelle il est disposé sont connues dans la technique , un joint de ce type étant fourni sous la marque déposée "Fl;IPSEAL", fabriqué par la société dite Sparta Manufacturing Company, Division de Spartek Incorporated. Le perfectionnement qu'apporte la présente invention réside principalement dans l'existence de l'élément 28 pour effectuer deux fonctions additionnelles distinctes. Comme on peut le voir, ltélément 28 a une construction identique à l'élément 26 présentant ainsi l'avantage d'utiliser des pièces communes, et il est disposé dans une gorge portant généralement la référence 46 qui a une configuration identique à la gorge 30, définie par une face latérale annulaire généralementrplate 32', une partie de surface de base cylindrique 34', une partie de surface de base conique 36' et une face latérale annulaire plate 38'.L'élément 28 est disposé dans la gorge 46 exactement de la manière dont l'élément 26 est disposé dans la gorge 30 ; il fonctionne exactement de la même manière, à l'exception importante que l'élément 28 et la gorge 46 ont une orientation inversée par rapport à l'élément 26 et à la gorge 30. Ainsi, si les deux éléments sont vus par rapport à un plan horizontal perpendiculaire au plan de la figure et disposé entre les deux éléments, on peut voir qu'ils sont symétriques l'un par rapport à l'autre ; la partie d'étanchéité 40' de l'élément 28 est disposée à proximité du bord inférieur de l'élément et la partie d'étanchéité 40 de l'élément 26 est disposée à proximité du bord supérieur de l'élément.Alors que l'élément 26 assure sa fonction d'étanchéité, d'abord pendant le déplacement vers le haut du piston par rapport à la paroi de l'alésage 42, l'élément 28 assure sa fonction primaire d'étanchéité ou, plus exactement, une fonction de racleur d'huile pendant le déplacement vers le bas du piston (comme représenté). I1 est classique dans la plupart des machines à pistons alternatifs d'envoyer de l'huile sur l'axe du piston et sur l'alé- sage du cylindre pour des raisons de lubrification et, dans le cas présent, l'élément 28 a pour fonction de racler l'excès de lubrifiant lors de la course descendante du piston empêchant ainsi le lubrifiant de franchir le piston et d'aller vers le haut, dans le fluide qui est pompé (dans un compresseur) ou dans les produits de la combustion (dans un moteur). L'élément 28 a pour fonction de retenir le lubrifiant qui s'accumule sur l'alésage du cylindre et, qui, autrement, serait pompé.Dans le cas d'un compresseur de rérri- gération, on a découvert qu'approximativement 1/5 du lubrifiant franchira le piston avec la construction selon la présente demande par rapport à celuiXqui franchit un piston comportant un seul élément d'étanchéité 26. Une faible valeur de fluide est naturellement désirable pour assurer la lubrification entre le piston et l'alésage du cylindre. La seconde fonction de l'élément 28 est assurée par la position unique dans laquelle il est disposé. Comme on peut mieux le voir dans la figure 2, la gorge 46 est disposée de sorte qu'une partie principale de l'élément recouvre l'extrémité ouverte de l'alésage retenant l'axe de piston 18. En conséquence, l'élément 28 empêche l'axe de piston 14 de coulisser dans l'alésage 18 et de venir en contact avec l'alésage du cylindre 42. Ce contact pourrait provoquer de sérieuses détériorations de l'alésage du cylindre et dans une machine à pistons classique, ce déplacement est évité par un élément de fixation supplémentaire tel qu'un jonc elastique ou analogue dont l'emploi est éliminé par la présente invention.La gorge 46 est, de préférence, disposée de sorte que sa face latérale supérieure 38' vienne légèrement au-dessus du sommet de l'alé- sage 18 comme représenté. Ceci est important pour deux raisons. Tout d'abord, il est ainsi possible d'assurer une surface plane continue sur toute la périphérie du piston sur laquelle l'élément 28 peut s'appliquer et/cu être supporté pendant la course descendante du piston. Si la face 38' était sécante avec l'alésage 18, une partie de l'élément 28 serait alors totalement non supportée, ce qui pourrait notablement réduire sa capacité à assurer l'étan- chéité et/ou à racler le lubrifiant. D'un autre c8té, si la face 38' est disposée trop loin au-dessus de la surface 18, il est probable qu'une trop petite partie de l'élément 28 agisse pour retenir l'axe de piston et il en résultera que les bords extérieurs de l'axe pourront venir en contact avec l'alésage du cylindre.Comme on peut le voir d'après la figure 4, ceci est dû au fait que la géométrie des pièces est telle que si seul le sommet de l'axe vient en contact avec l'élément 28, les angles,alignés horizontalement,de cette extrémité du piston peuvent dépasser extérieurement du plan cylindrique de l'élément 28 dans une position permettant une interférence. Ensuite, en disposant l'élément 28 généralement au-dessus de l'axe de piston plutst qu'en dessous, le lubrilant raclé peut astre utilisé pour lubrifier encore l'axe de piston. L'axe de piston 14 qui normalement devrait être en acier dur devra avoir généralement une longueur qui lui assure un jeu axial minimum sans interférer avec l'élément de retenue, dans ce cas l'élément 28. Du fait qu'il n'y a sensiblement pas de forces transversales exercées sur l'axe de piston 14, il n'y a sensiblement pas de charge exercée sur l'élément 28 dans les cas où l'axe de piston 14 peut coulisser et venir s'appliquer contre lui. On ne pense pas que les matériaux utilisés aient une importance critique. La demanderesse a obtenu des résultats très satisfaisants dans un compresseur de réfrigération (pour du Freon) auquel est incorporée la présente invention dans lequel le cylindre était en fonte et le piston en aluminium. On pense toutefois que d'autres matériaux ou d'autres agencements des mêmes matériaux peuvent être utilisés de façon satisfaisante avec la présente invention. Si on le désire, le piston lui-m8me peut être également revêtu de polytétrafluoroéthylène. En ce qui concerne le matériau des éléments 26 et 28, le polytétrafluoroéthylène pur s'est avéré comme présentant une tendance à fluer à froid et, en outre, il a une aptitude à conserver sa forme relativement mauvaise, ce qui diminue son aptitude à conserver la configuration évasée importante. I1 est donc préférable d'utiliser une composition de polytétrafluo roéthylene dont beaucoup de variétés sont disponibles dans le commerce,dans laquelle le matériau de charge est choisi selon les pratiques classiques pour sa compatibilité avec les matériaux avec lesquels et l'environnement dans lequel, il doit être utilisé. PLd;- que la fonction la plus critique du piston est son aptitude à maintenir la pression, ou la compression, le matériau choisi sera celui qui est meilleur pour assurer la fonction d'étanchéité à la compression, ctest-à-dire pour l'éliment 26, et, le même matériau sera utilisé pour l'élément 28 de façon à utiliser les avantages résultants de l'emploi de pièces communes.Le matériau devra autre suffisamment élastique et flexible pour permettre aux parties d'étanchéité 40 et 40' de rester sollicitées en contact intime avec l'alésage du cylindre, acceptant les variations de tolérance. L'em, ploi des présents éléments d'étanchéité évite d'avoir recours à une fabrication de pièces devant entre apairées au montage, coûteuses, tel que cela peut être nécessaire quand des pistons sont utilisés sans joints. Les éléments 26 et 28 peuvent être assemblés sur le piston 10 selon les procédés connus dans la pratique; le -plus commun de ceux-ci consiste à faire coulisser chacun d'eux sur l'une ou l'autre des extrémités du piston ce qui est possible du fait de l'élasticité du matériau. Les épaisseurs et les diamètres des éléments 26 et 28 se sont avérés comme étant relativement non critiques, principalement du fait de l'influence de la sollicitation dirigée vers l'extérieur des parties formant les gorges 36 et 36' et, donc, les pièces sont réalisées à des dimensions selon des critères connus. De préférence, les éléments ayant la meme dimension peuvent Aetre utilisés pour un certain nombre de pistons ayant des dimensions différentes pour réduire les stocks de pièces.De manière similaire, les eux entre le piston et le cylindre sont basés sur des critères connus pour les matériaux utilisés, bien que le volume défini par chacune des gorges 30 et 46 par rapport à l'alésage du cylindre doive être suS- fisant pour accepter la dilatation des éléments aux températures de fonctionnement, leur évitant ainsi d'être extrudés entre le piston et l'alésage du cylindre. Un avantage supplémentaire obtenu avec le dispositif selon la présente invention est que l'emploi de deux éléments d'étanchéité espacés l'un de l'autre, faits en un matériau à faible coefficient de frottement tend à amener le piston à se déplacer uniquement sur le matériau à faible coefficient de frottement avec sensiblement aucun contact piston-cylindre, ce qui a pour conséquence une usure moindre et un frottement notablement réduit à la mise en marche. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Dispositif comportant un piston prévu pour se déplacer suivant un mouvement alternatif dans un alésage d'un cylindre, une bielle et un moyen d'axe reliant, de façon qu'ils puissent pivoter,le piston et la bielle, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un premier élément annulaire disposé de façon à assurer l'étanchéité autour de la périphérie extérieure du piston et prévu pour venir en contact et assurer l'étanchéité avec l'alésage du cylindre ; et, un second élément annulaire disposé de façon à assurer l'étanchéité autour de la périphérie extérieure du piston et prévu pour venir en contact et assurer l'étanchéité avec l'alésage du cylindre, ce second élément annulaire étant disposé pour empêcher le moyen d'axe de se déplacer et de venir en contact avec l'alésage du cylindre. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second éléments annulaires ont une configuration identique. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second éléments annulaires sont disposés symétriquement l'un par rapport à l'autre, autour d'un plan disposé au centre de la zone se trouvant entre eUx et transversalement par rapport à l'axe du déplacement alternatif du piston. 4 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des éléments annulaires a généralement une configuration cylindrique mais avec une extrémité légèrement évasée dans une direction dirigée vers l'extérieur. 5 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément annulaire assure une étanchéité plus efficace dans une première direction du déplacement du piston que dans une seconde direction et en ce que le second élément annulaire assure une étanchéité plus efficace dans la seconde direction que dans la première direction. 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux éléments annulaires sont disposés sur le même côté de l'axe central du moyen d'axe de piston. 7 - Dispositif comportant un piston prévu pour se déplacer suivant un mouvement alternatif dans un alésage d'un cylindre, une bielle et un moyen d'axe disposé dans un ald8age,s'étendant transversalement à travers le piston pour relier le piston et la bielle de façon qu'ils puissent pivoter, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens définissant une paire de gorges annulaires autour de la périphérie extérieure du piston ; un pre mier élément annulaire disposé de façon à assurer l'étanchéité dans l'une de ces gorges et prévu pour venir en contact et assurer l'étan- chéité avec l'alésage du cylindre ; et, un second élément annulaire disposé de façon à assurer l'étanchéité dans l'autre gorge et prévu pour venir en contact et assurer l'étanchéité avec l'alésage du cylindre, l'autre gorge étant sécante avec les extrémités de l'alésage transversal dans le piston et le second élément annulaire empêchant le moyen d'axe de se déplacer et de venir en contact avec l'alésage du cylindre. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premier et second éléments annulaires ont une configuration identique. 9 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux éléments annulaires sont disposés sur le même côté de l'axe central du moyen d'axe de piston. 10 - Dispositif comportant un piston prévu pour se déplacer suivant un mouvement alternatif dans un alésage d'un cylindre, une bielle et un moyen d'axe disposé dans un alésage s 'éten- dant transversalement à travers le piston pour relier le piston et la bielle de façon qu'ils puissent pivoter, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un moyen définissant une gorge annulaire autour de la surface de la périphérie extérieure du piston,cette gorge étant sécante avec les extrémités de l'alésage transversal dans le piston ; et, un élément annulaire disposé de façon à assurer l'étanchéité dans la gorge annulaire et prévu pour venir en contact et assurer l'étanchéité avec l'alésage du cylindre, cet élément annulaire empêchant le moyen d'axe de se déplacer et de venir en contact avec l'alésage du cylindre. 11 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément annulaire est fait en un matériau relativement flexible et elastique. 12 - Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le matériau est un polytétrafluoroéthylène chargé. 13 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que, seule une partie de la gorge annulaire est sécante avec les extrémités de l'alésage transversal et en ce qu'une partie restante de cette gorge ntest pas sécante avec l'alésage transversal, d'où il résulte qu'une partie de l'élément annulaire est totalement supportée sur toute sa longueur par le piston. 14 - Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la gorge annulaire comprend une surface de base disposée radialement vers l'intérieur à partir de la surface de la périphérie extérieure du piston, et une première et une seconde face latérale s'étendant entre la surface de base et la surface de la pé- riphérie extérieure, la première face latérale étant sécante avec les extrémités de l'alésage transversal et la seconde face latérale étant placée à distance des extrémités de l'alésage transversal. 15 - Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'une première partie de la surface de base de la gorge est généralement cylindrique et en ce qu'une seconde partie a une confi- guration légèrement conique. 16 - Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la seconde partie de la surface de base est adjacente à la seconde face latérale. 17 - Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le piston comporte une extrémité de taste et en ce que la seconde face latérale de la gorge est disposée entre l'axe central de l'alésage transversal et l'extrémité de la tte du piston. 18 - Dispositif comportant un piston prévu pour se déplacer suivant un mouvement alternatif dans un alésage d'un cylindre, une bielle et un moyen d'axe reliant de façon qu'ils puissent pivoter le piston et la bielle, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens définissant une paire de gorges annulaires autour de la périphérie extérieure du piston, un premier élément annulaire disposé dans l'une de ces gorges et prévu pour venir en contact et assurer étanchéité avec l'alésage du cylindre ; et, un second élément annulaire disposé dans l'autre gorge et prévu pour venir en contact et assurer l'étanchéité avec l'alésage du cylindre, le second élément annulaire ayant une configuration identique au premier élément annulaire et étant disposé pour empêcher le moyen d'axe de se déplacer et de venir en contact avec l'alésage du cylindre. 19 - Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que les éléments annulaires sont disposés symétriquement l'un par rapport à l'autre, autour d'un plan disposé au centre de la zone se trouvant entre eux et transversalement par rapport à l'axe du déplacement du piston. 20 - Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que chaque élément annulaire comporte une face latérale qui est disposée généralement parallèlement à un plan s'étendant transversalement par rapport à l'axe du déplacement du piston. 21 - Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que chaque élément annulaire comporte une partie pour assurer 1'étanchéité,s'étendant radialement vers l'extérieur, disposée à proximité de la face latérale de celui-ci. 22 - Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce que les éléments annulaires sont orientés opposés l'un par rapport à l'autre, les faces latérales de chaque élément étant dirigées vers les extrémités opposéesdu piston respectivement. 23 - Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que les premier et second éléments annulaires sont faits dans le même matériau.