Brevet FR2286989A1 — publié le 19760430

L'invention concerne les pistons, notamment ceux qui sont munis d'un renforcement de la rainure supérieure à anneaux à fentes multiples ou unique, ainsi qu'un procédé de fabrication de tels pistons. Depuis de nombreuses années, les pistons de moteurs combustion interne sont de plus en plus réalisés en aluminium avec le souci de réduire le poids, ainsi que pour diverses autres raisons. De tels -pistons, destinés à des applications pour charges élevées, par exemple dans les camions a moteurs a essence ou diesel, comprenaient en général un renforcement dans la zone qui comporte au moins la rainure la plus élevée de celles qui reçoivent les segments du piston. Comme on le sait, le segment supérieur du piston est soumis aux conditions de fonctionnement les plus dures. I1 existe des matériaux pour segments de piston résistant a de telles conditions.Les efforts agissant dans les conditions de fonctionnement sur la rainure supérieure de segment du piston sont souvent devenus un facteur de limitation de la puissance qu'on peut obtenir d'un moteur de dimensions données. Cela est particulièrement vrai pour les pistons légers en des matériaux tels que l'aluminium. Dans le but d'améliorer la durée de la vie des pistons, divers moyens ont été utilisés pour renforcer le piston dans la zone des rainures supérieures a segments. En général le renforcement consistait en un matériau ferreux à haute résistance. Dans certains cas ont été prévus des renforcements continus ou sensiblement continus, tels qu'un anneau de renforcement continu préformé qui est moulé en place dans le piston ou une bande d'un matériau de renforcement qui est soudée dans une gorge préformée dans le piston. L'art connu a également prévu divers moyens discontinus de renforcement. On peut citer comme exemple un renforcement segmenté comprenant un certain nombre de segments à côtés généralement rectangulaires qui sont mécaniquement verrouillés dans le piston par l'intermédiaire de larges ouvertures en queue d'aronde ménagées entre les segments. Lorsque le piston est moulé sur les segments, ces ouvertures sont remplies et les segments sont verrouillés dans le piston. Bien que ces problèmes aient ainsi trouvé une solution partielle, la rainure supérieure de segment du piston reste une des parties les plus fragiles et l'endurance des pistons. Un but de l'invention est donc de fournir un renforcenent amélioré pour les pistons légers. Un autre but de l'invention est de fournir un moyen sinple pour fabriquer un tel piston. Selon l'invention on prévoit un piston du type comprenant un corps en un alliage léger et un anneau de renforcement en un matériau relativement résistant qui est encastré dans le corps et relié audit corps par voie rnétallurgique, caractérisé par le fait que ledit anneau présente au moins une fente étroite d'orien tation sensiblement radiale, ladite fente tant remplie par le matériau constituant le corps du piston, ledit anneau ayant une rainure continue circonferentiels le qui reçoit un segment circulaire de piston. L'invention porte également sur un procédé de fabrication d'un piston tel que défini précédemment, caractérisé par le fait qu'il comprend comme opérations successives la réalisation d'un anneau de renforcement ayant uneou plusieurs fentes d'orientation sensiblement radiale Frenant naissance sur son bord intérieur, le centrage dudit anneau dans un moule, la coulée d'un piston dans le moule et autour dudit anneau, usinage dudit anneau et dudit piston pour arriver à un diamètre inférieur è celui de l'anneau à l'endroit où la fente ou les fentes s'étendent le plus loin dans le sens radial, et l'usinage dans ledit anneau de renforcement, d'une rainure de logement d'un segment circulaire du piston. On a découvert maintenant que la structure du piston est très satisfaisante si le renforcement des rainures supérieures de logement de segment est discontinu ou segmenté et si les fentes sont très étroites. La demanderesse ne veut pas avancer une théorie définitive, mais elle croit qu'une telle structure est supérieure a la technique connue, car d'une part le renforcement est essentiellement continu, alors que d'autre part, en même temps, les effets de la dilatation thermique différentielle du matériau du piston, en général en aluninium, et du matériau du renforcement, en général un matériau ferreux, est réduite a un minimum. Le piston selon l'invention peut être fabriqué de manière simple en utilisant un procédé comprenant les opérations suivantes : la réalisation d'un anneau de construction aujourd'hui habituelle dans l'industrie, mais comportant une ou plusieurs fentes étroites d'orientation sensiblement radiale à son intérieur ; le centrage de l'anneau dans un moule ; la coulée d'un piston dans le roule et autour de l'anneau ; et l'usinage de l'anneau et du piston jusqu a un diamètre inférieur à celui du piston à l'endroit où la fente ou les fentes s'étendent le plus loin radialement. L'invention sera ci-après décrite plus en détail en se référant aux figures ci-jointes. - la figure I est une perspective isométrique d'une réalisation préférée d'un anneau selon l'invention, présentant quatre fentes, - la figure 2 représente une coupe verticale d'un piston selon l'invention, - la figure 3 est une coupe horizontale du piston selon la figure 2 suivant l'axe 33, - les figures 4, 5 et 6 représentent des coupes verticales de variantes de l'anpeau selon l'invention, - la figure 7 est une vue en plan d'une variante d'anneau selon l'invention. La figure I illustre une réalisation préférée du moyen de renforcement de la rainure de piston selon l'invention. Bien que tout matériau à haute résistance puisse être utilisé pour l'anneau, les matériaux préférés sont les mgtat1x ferreux coules, et plus particulièrement la fonte grise et les fontes à haute teneur en nickel. De tels alliages sont suffisamment résistants aux efforts mécaniques et à la chaleur pour fournir la résistance mécanique nécessaire tout en assurant une liaison métallurgique satisfaisante avec le corps du piston. La fonte à haute teneur en nickel est particulièrement préférée parce que son coefficient de dilatation thermique est plus proche de celui de l'aluminium que celui d'autres matériaux possibles pour l'anneau. De préférence l'anneau, designé par 10, est coule et comporte des faces supérieures et inférieures 11 et 12 sensiblement planes, et un bord intérieur 13 de préférence semicirculaire ou incorporé radialement dans les bords intérieurs en section droite, comme le montra le plus nettement la figure 2. lin anneau de section droite rectangulaire peut également être utilisé, mais il est moins avantageux. Le bord extérieur 14 peut présenter une forme quelconque car, comre il sera expliqué ci-dessous, il est enlevé lors de l'usinage du piston. Des fentes étroites 15 sont usinées ou ménagées d'une autre manière dans l'anneau 10 en ou plusieurs endroits espacés l'un de l'autre. De préférence ltorien- tation des fentes 15 est sensiblement radiale, les fentes s'étendant vers le bord extérieur 14 sans toutefois le percer, laissant juste une barrette fine de matériau réunissant les uns aux autres les segments 16 formés entre les fentes 15. Dans une réalisation préférée, l'anneau est muni de quatre à huit fentes 15 espacées à peu près également ltune de l'autre. La largeur des fentes 15 est de préférence de 0,25 à 2,5 ms, plus particulierement de 0,76 à 1,01 mn. Lors de la fabrication du piston, l'anneau 10 est trempé dans un bain d'un alliage en fusion similaire ou identique à celui qui est utilisé pour le corps du piston, afin de préparer métallurgiquenent sa surface en vue de la liaison subséquente à réaliser avec le corps du piston. L'anneau, chauffe à une température de 538 à 7040 C par ce bain ou dans une opération séparée ultérieure de chauffage, est centre dans le moule, et le piston est coulé dans ce moule.Pour minimiser le refroidissement de l'anneau avant son contact avec 11 alliage en fusion servant à former le piston, le piston est de préférence coulé en position inversee, c 'est-à-dire avec la tête et par conséquent l'anneau pres d,, fond du roule. A la suite de la coulée, on laisse refroidir le piston et le retire du moule potlr l'usiner afin qu'il nrenne son diamètre final, qui sera, évidemment, inférieur au diamètre de l'anneau 10 à l'endroit où la fente ou les fentes 15 s'étendent le plus loin radialement. Cet usinage est effectué à l'aide de techniques hahituelles bien connues. Apres l'usinage du piston, on ménage dans celui-ci la rainure 17 destinée a recevoir le segment annulaire du piston. La rainure est réaliste à imide de, techniques habituelles, normalement sur un tour. Pour des applications critiques, la rainure est de préférence polie. La figure 2 représente une coupe verticale d'1m piston 18 incorporant les anneaux de renforcement 16. Typiquement le corps du piston est réalisé en un métal ou alliage léger L'aluminium et ses alliages sont préférés. Pour la plupart des utilisations, les alliages d'aluminiun de la série désignée commer cialement sous la référence 132 sont particulièrement préférés. Ces alliages contiennent en général environ 8,5% à 132 de silicium pour augmenter leur résistance mécanique et leur dureté, tout en redisant leur coefficient de dilatation thermique.Le piston peut être coulé pour prendre une forme géométrique quelconque ou d'autres caractéristiques, et comprend typiquement- une ouverture 18 a ou un autre moyen pour la liaison, normalement par l'intermédiaire d'un axe de piston, avec la bielle de piston. La figure 3 représente une coupe horizontale du piston selon la figure 2 suivant l'axe 33. Comme on le voit, les fentes 15 sont remplies du matériau qui constitue le corps du piston 18. Dans ce contexte il faut noter- que le fait que les fentes 15 sont étroites permet un usinage précis du diamètre extérieur -du piston et de la gorge. Cela s'explique par l'interruption annulaire minimale des surfaces de l'anneau et de ce fait par la possibilité de faire passer les outils de tournage-et de coupage de l'anneau relativement dur au corps du piston qui, lui, est relativment mou. La qualité exceptionnelle du riston selon 1 invention a t démontrée dans des essais. Par exemple, un jeu de pistons de 114 mm de diamètre selon l'invention, en un alliage d'aluminiuT7 de la strie 132 pour le corps et un matériau à haute teneur en nickel vendu sous la désignation commerciale "Ni-Resist" pour a été installé dans un moteur diesel à cylindres de course 127 mn et développant 34 CV par cylindre. Des essais de durée de ce système n'ont pas indiqué de perturbation au niveau de la liaison métallurgique ni d'effet néfaste sur le fonctionnement du moteur pendant des essais de durée très prolongée du moteur. Les résultats étaient considérablement meilleurs que ceux atteints par d'autres configurations connues de pistons. La supériorité de la fabrication de pistons renforcés selon 1 invention peut egaiement permettre l'utilisation de l'invention dans le cas d'alliages d'alumi- nium présentant notoirement des difficultés de liaisons, tels que les alliages à faible teneur en silicium.Ces alliages d'aluminiuTr. à faible teneur en silicium, ou de préférence sans silicium, sont connus dans la technique de la fabrication de pistons pour leurs propriétés particulièrement avantageuses de résister à la fatigue des températures élevées du moteur. -raîgré cette proprietE évidemment désirable, ces alliages ont été rarement ris en oeuvre en pratique en raison de leur coefficient élevé de dilatation thermique et de la tendance en résultant à p se détacher lors de l'usinage et en cours de l'utilisation de anneau dans la gorge.Un piston selon l'invention utilisant ces alliages d'aluminium pour le corps et un alliage "Ni-Resist1, pour l'anneau sera par conséquent pratique, alors que les techniques antérieures se sont avérées inadéquates pour former des pistons à rainures renforcées de manière satisfaisante si ces alliages étaient utilisés pour le corps. Ainsi, pour des applications extrêmement sévères, les alliages d'aluminium essentiellement exempts de silicium sont particulièrement préférés pour l'invention. Comme il est représenté dans l'exemple de réalisation préférée selon les figures 1 à 3, normalement aucun moyen de verrouillage ou autre n' est nécessaire pour ancrer les Segments 16 dans le piston. Si dans une application particulière un verrouillage est nécessaire, il sera prévu de sorte qu'il évite d'élargir les fentes 15. Des configurations de verrouillage pouvant être utilises dans le cadre de l'invention sont représentées dans les figures 4, 5 et 6. Dans la réalisation selon la figure 4, on ménage sur l'une ou les deux des faces planes supérieure et inférieure de l'anneau des gorges annulaires 19. De telles gorges présentent de préférence la forme d'un V dans leur section droite verticale et ont une largeur d'environ deux fois leur profondeur. Comme dans les autres configurations les bords intérieurs 20 sont de préférence arrondis. Toutefois, il est aussi possible d'utiliser d'autres configurations et formes géométriques. Dans la réalisation selon la figure 5, on prévoit sur l'un des côtés du bord intérieur une saillie ovale annulaire 21. En outre la face supérieure de l'anneau est inclinée pour obtenir l'effet de verrouillage, c'est-à-dire que la hauteur verticale de l'anneau décroît vers la paroi externe du piston. La saillie ovale 21 et la face inclinée 22 sont de préférence utilises en combinaison, mais sont utiles également si elles sont employées individuellement. Comme le montre la figure 6, des saillies ovales 23 peuvent être prévues également de chaque côté des bords intérieurs de l'anneau. Bien que les moyens de verrouillage représentés dans les figures 4 à 6 soient préférables en cas de recours à un verrouillage, de nombreuses variantes supplémentaires sont possibles et certaines peuvent être utilisées avantageusement avec l'anneau de base à fentes étroites selon l'invention. Comme il a été indiqué ci-dessus, les fentes dans l'anneau sont sensiblement radiales et dans la réalisation préférée le sont exactement. Toutefois, la figure 7 montre le cas possible où les fentes présentent un angle (par exemple jusqu'à 450C) par rapport à un rayon qui touche une extrémité d'une des fentes. Ces considérations au sujet de la largeur des fentes indiquées plus haut restent valables aussi dans cette réalisation. Bien que les formes de réalisation de l'invention qui viennent d'être décrites paraissent préférables, on comprendra que diverses modifications peuvent leur étire apportées sans sortir de son cadre, certains organes du piston ou certaines opérations de procédé de fabrication pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient le même rôle technique. REVENDICATIONS 1/ Piston du type comprenant un corps en un alliage léger et un anneau de renforcement en un matériau relativement résistant qui est encastré dans le corps et relié audit corps par voie metallurgique, caractérisé par le fait que ledit anneau (11) présente au moins une fente (15) étroite d'orientation sensiblement radiale, ladite fente étant remplie par le matériau (1 ) constituant le corps du piston, ledit anneau ayant une rainure continue circonférentiel'e (17) oui reçoit un segment circulaire de piston. 2/ Piston selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit corps (1t > ) est en aluminium ou un alliage d'aluminium. 3/ Piston selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit alliage d'aluminium est sensiblement exempt de silicium. 4/ Piston selon la revendication 1, 2 ou 3, caractcris par le fait que la largeur de la fente radiale (15) est comprise entre 0,25 et 2,5mm. 5/ Piston selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'anneau (11) consiste en un alliage Ni-resist. 6/ Procédé de fabrication d'un piston selon l'une des revendications 1 z 5, carac terse par le fait qutil comprend comme opérations successives la réalisation d'un anneau (11) de renforcement ayant une ou plusieurs fentes (15) d'orientation sensiblement radiale prenant naissance sur son bord intérieur, le centrage dudit anneau dans un moule, la coulée d'un piston (18) dans le moule et autour dudit anneau (11), l'usinage dudit anneau (11) et dudit piston (IQ) pour arriver à un diamètre inférietir à celui de 11 anneau à l'endroit oe la fente ou les fentes s'étendent le plus loin dans le sens radial, et l'usinage dans ledit anneau de renforcement, d'une rainure (17) de logement d'un segment circulaire du piston. 7/ Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'anneau de renforcement (11) est trempé dans un bain de materiau en fusion sirilaire à celui utilisé pour la réalisation du corps de piston avant d'être introduit dans ledit moule. 8/ Procédé selon les revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que ledit anneau de renforcement (11) est porté une température de l'ordre de 5380 a 7040C au moment où il est introduit dans le moule. 9/ Procédé selon la revendication 6, 7 ou 8, caractérisé par le fait que ledit piston (18) est coulé la tête en has, ce qui réduit considérablement le refroidissement dudit anneau de renforcement (11) avant que celui-ci n'entre en contact avec le matériau en fusion devant former le piston. 10/ Procédé selon l'une quelconque dès revendications 6 à 9, caractérisé par le fait que ledit piston (18) est coule e allminiur1 ou un alliage -d'aluriniur.