Brevet FR2333961A1 — publié le 19770701

L'invention concerne un piston pour moteurs à combustion interne, de préférence formé d'un alliage d'aluminium et présentant des gorges arrondies d'entrainement d'huile formées par enlèvement de copeaux à la périphérie du corps de piston et qui présentent un profil endente de scie à angle obtus. Pendant la course de travail du piston d'un moteur à combustion interne, une très faible quantité de gas de combustion arrive au moins à dépasser les segments supérieurs d'étanchéité. Etant donné que les segments d'étanchéité entrent, au temps suivant du cycle, à nouveau en contact avec la partie supérieure chaude du cylindre où s'est effectuée précédemment la combustion, la lubrification des segments supérieurs d'étanchéité est un problème compliqué. D'une part les segments ont pour rôle d'empocher le lubrifiant de parvenir dans la chambre de combustion; d'autre part, il faut que le segment d'étanchéité supérieur dispose d'assez de lubrifiant pour eAtre encore lubrifié suffisamment malgré la haute température de fonctionnement. Une lubrification suffisante veut dire que le segment supérieur ne doit présenter ni des traces debrdlures ni des manques, même minimes, de grippage et que son usure - exactement comme celle du cylindre et du piston - doit se maintenir dans des limites très réduites.Une lubrification suffisante dans la région des segments est influencée en premier lieu par la formation et l'adhérence d'un film de lubrifiant hydrodynamique entre le corps du piston et la surface de glissement du cylindre, même si l'alimentation en lubrifiant est tout juste suffisante. Afin qu'un film de lubrifiant hydrodynamique puisse se constituer entre le corps du piston et la surface de glissement du cylindre, il a été proposé depuis quelques années, de donner en particulier au corps du piston une rugosité superficielle minimale, formée par enlèvement de copeaux et dont la profondeur n'est généralement pas inférieure à 2 à 6 r, selon le type du moteur. Une telle rugosité superficielle favorise d'une part le glissement du piston en constituant un film lubrifiant à l'aide du lubrifiant emmagasiné dans les parties creuses de la rugosité et d'autre part elle limite l'usure entre le corps du piston et la surface de la chemise du cylindre. A cet effet, on a proposé par exemple dans la demande de brevet déposée en RFA sous le NO Sch 5976 Ia/46c1 de former, par enlèvement de copeaux, dans la périphérie du corps du piston, des gorges dites d'entraSnement d'huile qui présentent un profil semi-circulaire ou en forme d'arc de cercle Lors du rodage du piston, la hauteur du profil diminue tout d'abord fortement par suite de l'usure importante. Bien que cette usure soit limitée à mesure que le profil s'adapte, la sensibilité du piston au grippage augmente car du fait que la profondeur de rugosité est diminuée par l'usure, les gorges d'entraf- nement d'huile ne peuvent retenir qu'une quantité relativement faible de lubrifiant.Par suite, la constitution d'un film hydrodynamique de lubrifiant sur toute la périphérie du corps du piston n'est pas toujours assurée lorsque le piston se déplace dans un sens et dans l'autre. Dans un moteur à deux temps, il est difficile de retenir la proportion relativement faible de lubrifiant provenant du mélange de carburant entre le corps du piston et la surface de glissement du cylindre et de la faire grimper vers les segments du piston après qu'un film hydrodynamique de lubrifiant puisse se constituer à la périphérie du corps du piston. On connait on outre, par le brevet allemand nO 2 063 651, des gorges d'entrainement d'huile prévues à la périphérie du corps du piston et présentant des flancs à angles relativement grands et à rayons de courbure qui tendent vers zéro, l'angle du profil des gorges étant de 100 à 1700, leur petit angle de flanc de 0,5 à 100 et leur profondeur de 1 à 20 P. Dans le fonctionnement des moteurs à combustion interne, avec un- piston ainsi conçu, on obtient un film lubrifiant d'épaisseur uniforme entre le piston et la surface de glissement du cylindre, ce qui fait que du côté de la pression comme du côté de la contre-pression, on assure toujours la même formation hydrodynamique de la pression dans le film lubrifiant, le lubrifiant en excès ne pouvant pas arriver dans la chambre de canbuston. Pour pouvoir utiliser un piston de ce genre, sans renforcer la surface de glissement, dans un cylindre en aluminium dans lequel les cristaux primaires de silicium font saillie d'environ 0,1 à 2 p par rapport à la matrice d'aluminium et entrent seuls en contact avec les segments et le corps du piston (brevet allemand n" 1 521 939), on a revêtu galvaniquement le corps du piston d'une couche de fer ayant une épaisseur de 10 à 30 P et une dureté de 400 à 450 HX TZ li (1973) 2, pages 49 à 51).Cette couche de fer sur le corps du piston est nécessaire pour permettre un fonctionnement satisfaisant de la combinaison comprenant le piston, les segments et la surface de la chemise non renforcée du cylindre, surtout dans les conditions extrêmes de fonctionnement du moteur, par exemple au démarrage à froid à -300C et dans les essais de grippage à des températures élevées, et pour assurer que l'aluminium du cylindre ne puisse en aucun cas entrer en contact avec l'aluminium du piston. Toutefois, il est apparu quedans les moteurs à combustion interne soumis à une grande fatigue thermique, ce qui est en particulier le cas des moteurs à deux temps, la variation de la proportion de surface portante du profil en dents de scie de la couche de fer mentionnée est si grande, par suite de l'usure intervenant pendant le fonctionnement du moteur, que la profondeur des gorges à huile diminue notablement en sorte qu'après le rodage du piston, les gorges d'entrainement d'huile n'emmagasinent plus la quantité de lubrifiant nécessaire à la constitution d'un film d'épaisseur uniforme sur la périphérie du piston. On arrive à résoudre ce problème gracie au fait que, selon l'invention, le corps du piston est revêtu par voie galvanique d'une couche de fer dur d'une épaisseur de 1 à 30 ss et de préférence dè 10 à 30 , et dont la proportion en corps étrangers non métalliques incorporés est de 0,5 à 6%,de préférence de 2 à 5%. i1 épaisseur de la couche de fer dur dépend essentiellement de contrainte que subit le piston. Les corps étrangers sont constitués par des composés métalliques oxygénés, de préférence des oxychlorures. La dureté de la couche de fer est ainsi portée entre 600 et 800 HV. On a fait de nombreuses tentatives pour appliquer les mêmes mesures à des pistons présentant des gorges d'entrat- nement d'huile semi-circulaires ou en arc de cercle disposées à la périphérie du corps de piston. Toutefois, on a constaté qu'à cause de la proportion relativement faible de surface portante, apparaissent des pressions superficielles qui causent des stries et des grippages sur la surface de glissement du cylindre d'aluminium non renforcée ainsi qu'une très forte usure de cette surface au rodage. De ee fait, il est d'autant plus surprenant que lton arrive à résoudre le problème posé en combinant une couche de fer dur appliquée galvaniquement, contenant des composés métalliques oxygénés et de préférence des oxychlorures, et un piston dont les gorges d'entraînement d'huile situées à la périphérie du corps présentent un profil en dents de scie à angle obtus. Dans un essai réel de 500 heures, avec le piston revêtu selon l'invention d'une couche de fer dur, on a obtenu une usure de 5 à 10 p de la couche de fer dur du corps, ce qui est relativement faible. Par contre, pour un piston portant une couche de fer d'une dureté de 450 EV, l'usure était de 15 à 30 P. Le piston muni selon l'invention d'un revêtement de fer dur présente un très bon comportement de glissement et s'est averé être extrêmement peu sujet au grippage. il est vrai que, par la publication "Forschungsbe- richt des Wirtschafts - und Verkehrsministeriums NRW" nO 56 (1952), pages 23 à 32, il est connu de déposer sur des alliages d'aluminium des couches de fer dur contenant des corps étrangers, mais d'après les expériences faites, on sait seulement que les dépôts de fer dur contenant comme corps étrangers des oxydes ont une dureté correspondant à celle du chrome dur. il est vrai que d'une part ces dépits de fer dur résistent à la percussion et au choc et sont adhérents, mais d'autre part ces ces propriétés ne permettent pas encore de prédire le comportement technique des dépôts de fer dur appliqués sur des pistons en métal léger, dans des cylindres d'aluminium à surface de glissement non renforcée, car des oxydes inclus causent une usure relati- vement grande de la surface de glissement du cylindre. Ainsi, la dureté ne peut pas constituer une mesure du comportement d'usure et de glissement; en effet, visiblement, en dehors de la dureté qui correspond à celle des déports de fer dur contenant des oxydes, les dépôts de fer dur contenant des composés métalliques oxygénés possèdent encore d'autres propriétés qui s'ajoutent à l'influence de la dureté et conduisent à un comportement optimal de glissement et d'usure. L'invention est représentée à titre d'exemple par le dessin annexé. La figure i montre un piston 2 coulé en alliage AlSil2CuNiMg, disposé dans un cylindre 1 à surface de glissement non renforcée formé d'alliage AlSi17Cu4, le corps du piston présentant, comme le montre le détail agrandi de la figure 2, des gorges d'entraînement d'huile 3 à profil en dents de scie revêtues d'une couche de fer dur 4 selon l'invention qui contient 3* de corps étrangers. REVN1)lCATl0NS 1. Piston pour moteurs à combustion interne, de préférence forme d'un alliage d'aluminium et comportant des gorges arrondies d'entraînement d'huile formées par enlèvement de copeaux à la périphérie du corps de piston et qui présentent un profil en dents de scie à angle obtus, caractérisé par le fait que le corps (1) porte un revêtement de fer dur (4) appliqué par voie galvanique, de 1 à 30 F d'épaisseur, contenant comme corps étrangers 0,5 à 6* de composés métalliques oxygénés. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps porte une couche de fer dur (4) de 10 à 30 su d'épaisseur. 3. Piston selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que la proportion des composés métalliques oxygénés est de 2 à 5*. 4. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que les composés métalliques oxygénés sont des oxychlorures. 5. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que le rayon de courbure tendant vers zéro et les angles de flanc étant différents, l'angle de profil des gorges d'entraSnement d'huile (3) est de 100 à 1700, leur petit angle de flanc de 0,5 à 100 et leur profondeur de 1 à 20