Brevet FR2465136A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un segment perfec- tionné de piston et son procédé de réalisation. On sait qu'un segment de piston est logé dans une gprge périphérique de ce dernier qui va et vient dans un cylindre. Dans un moteur à combustion interne, du combustible est dirigé vers le cylindre et allumé.La détente des gaz engen- drés par l'allumage du mélange combustible fait effectuer à ce piston sa course motrice, Le segment de piston considéré se trouve en-général près de l'extrémité du piston sur laquelle les gaz en expansion ou détente exercent une force motrice. Il assure l'étanchéité à l'égard de ces gaz entre le piston et le cylindre afin que la force motrice exercée directement par ces gaz sur le piston soit maximale. Il est évident que si ce courant gazeux peut franchir ce segment et susciter une "ventilation de carter", la force motrice précitée et donc le rendement du carburant sont moins grands. En général, c'est une gorge périphérique évasée, creusée dans la partie supérieure du piston, qui contient le segment de ce dernier. Les flancs de ce segment sont sou- mis à une usure importante au cours du mouvement du piston. Cette usure est plus grande à proximité de la surface périphé- rique du piston et minimale près du bord circulaire inté- rieur du segment. Les techniques appliquées jusqu'ici pour réduire au minimum l'usure des flancs d'un segment de piston consis- tent à les durcir superficiellement en appliquant un classi- que procédé thermique de trempe à l'ébauche tout entière du segment considéré, ce qui a pour effet de durcir aussi bien la surface périphérique de l'ébauche que la totalité de ses flancs. Après ce traitement de trempe, on usine l'ébauche en profilant sa surface périphérique en forme de rainure desti- née à contenir une garniture antifriction, en découpant un tronçon de ce segment pour le fendre, etc. Cet usinage se fait après la trempe car, s'il était effectué avant, la phase de chauffage de ce traitement thermique de trempe modifierait la conformation des régions usinées et risque- rait par exemple de les déformer, mais cela a pour inconvé- nient de rendre difficile l'usinage de l'ébauche que la 2465 136 trempe a rendue superficiellement plus dure. De plus, le durcissement superficiel de la totali- té du segment a pour effet d'engendrer au cours de sa manipu- lation et/ou de son montage des risques d'entaillage ou d'en- cochage de ses bords ou arêtess notamment de ceux qui sont pro- ches de la surface interne du cylindre avec laquelle ce seg- ment doit entrer en contact. Ces entailles engendrent des concentrations de contraintes et donc des criques de fatique et évents qui sont très nuisibles pour le bon rendement du segment en permettant aux gaz de le franchir. Elles peuvent même provoquer une rupture du segment. La présente invention concerne un segment de pis- ton dont les bords ne risquent pas de s'entailler et dont le procédé de réalisation n'exige pas de l'usiner après l'avoir trempé. Ce segment de piston est donc perfectionné par rap- port à ceux de la technique antérieure, et il est possible de le réaliser en évitant les difficultés d'usinage d'une ébauche ayant préalablement été soumise à un traitement ther- mique de trempe. Les deux flancs de ce segment de piston font l'objet d'un traitement thermique de trempe sur une partie seulement de leur largeur, c'est-àdire le long d'une bande située entre leurs bords périphérique et intérieur, ce qui réduit au minimum les risques d'apparition de criques de fatigue à l'intersection de ces flancs avec la surface périphérique du segment, surface destinée à entrer en contact avec la paroi interne du cylindre. De plus, les rives périphé- riques plus molles de ce segment de piston assurent mieux l'étanchéité à la périphérie du piston qui s'y enfonce un peu au début de son fonctionnement, ce qui réduit évidemment à leur minimum les risques d'un franchissement du segment par les gaz en expansion dans le cylindre. En outre., la trempe superficielle d'une partie bien déterminée des flancs du segment de piston selon l'in- vention se fait après l'usinage de son ébauche. En particulier, ce segment de piston est réalisé à partir d'une ébauche en fonte ou en tôle d'acier à laquelle on donne la conformation d'un anneau avant de l'usiner, par exemple pour profiler sa surface périphérique en forme de rainure destinée à co 4enir une garniture adhérente antifriction ainsi que pour section- ner le segment et en enlever un tronçon. Toutes ces opérations d'usinage sont exécutées avant la trempe locale des flancs du segment, le chauffage initial exécuté au début de ce traitement de trempe se fai- sant au moyen d'un laser. On place le segment du piston en face du rayon d'un laser par rapport auquel on fait tourner le segment à une vitesse prédéterminée afin d'amener locale- ment sa température au-delà de la valeur critique à laquelle intervient une modification de sa structure à l'emplacement désiré, après quoi la matière constitutive du segment évacue cette chaleur en même temps qu'un courant d'eau supplémen- taire abaisse la température à la vitesse nécessaire pour engendrer une martensite dure qui se solidifie après avoir dépassé le rayon du laser. Il n'y a aucune déformation du segment de piston dont les deux flancs sont ainsi localement trempés ou durcis en bande annulaire du fait de la rotation de ce segment par rapport au rayon du laser. Le segment de piston selon l'invention ne comporte pas seulement sur ses flancs une surface dure destinée de fa- çon classique à réduire au minimum leur usure, mais sa struc- ture réduit aussi les risques de formation de criques dans ses arêtes ou bords périphériques, c'est-à-dire ceux qui se déplacent au contact de la paroi du cylindre dans lequel va et vient le piston, ces criques ou fissures augmentant beau- coup les risques d'une rupture du segment de piston et de son franchissement par les gaz en expansion. De plus, les rives périphériques des flancs de ce segment de piston, c'est-à-dire celles qui sont proches de ses bords ou arêtes périphériques, sont assez molles pour très bien assurer l'étanchéité la o elles entrent en contact avec le piston. Enfin, la technique utilisée pour réaliser le segment de piston selon l'invention en simplifie beaucoup l'usinage. L'invention se décrite plus en détail, à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des dessins anne- xés sur lesquels: - la figure 1 représente partiellement en coupe un piston comportant un segment d'étanchement selon l'inven- tion; - la figure 2 représente en plan le même segment de piston; - la figure 3, qui est une coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2, montre dans la gorge d'un piston le seg- ment selon l'invention; - la figure 4, analogue à la figure 3, mais à plus grande échelle, montre schématiquement les régions dans lesquelles intervient l'usure d'un piston et de son segment après un fonctionnement prolongé d'un moteur à combustion interne - la figure 5 montre comment le piston s'enfonce dans le segment de-la figure 3, dès le début de son fonction- nement; et - la figure 6 représente schématiquement en pers- pective la technique de réalisation du segment de piston de la figure 3. Comme précédemment indiqué, la présente invention concerne un segment de piston dont la structure est perfection- néeen ce que ses flancs ne comportent pas seulement une sur- face trempée ou durcie afin de réduire leur usure mais aussi des rives périphériques plus molles qui réduisent les risques d'apparition de criques de fatigue et d'évents dans les bords ou arêtes périphériques de ce segment et lui per- mettent d'entrer initialement en contact étanche avec le piston en réduisant ainsi les risques de rupture de ce seg- ment ainsi que de son franchissement par les gaz en expansion dans le cylindre o va et vient le pi.ston. Sur les dessins précités, la référence 10 désigne un segment de piston selon l'invention. Ce segment de compression 10 est logé dans un pis- ton 11 qui va. et vient dans un cylindre 12, sa course descendante ou motrice étant provoquée par les gaz en expansion qui, ré- sultant de l'allumage d'une dose d'un mélange combustible, exer- cent une pression sur sa surface supérieure lla. Le piston 11 présente typiquement trois gorges périphériques 14, 15 et 16 dont la première 14 contient le segment 10 de compression de piston selon l'invention, la seconde 15 un autre segment 20 de compression et la troisième 16 un segment 21 racleur d'huile qu'un ressort extenseur 22 déploie vers l'extérieur de façon classique. Les fonctions qu'assurent ces trois segments 10, 20 et 21 sont classiques et on ne les décrira pas en détail, pas plus que la structure du segment 20 de compression et du segment racleur 21 qui peuvent avoir des conformations diverses. La gorge 14, qui.contient le segment 10 de compres- sion du piston 11, comporte un fond 30 et deux flancs supé- rieur 31 et inférieur 32 qui s'écartent l'un de l'autre à par- tir du fond 30 de la gorge. Comme le montre la figure 3, ces flancs 31 et 32 font avec des plans parallèles au plan de symétrie de la gorge un angle X compris entre 7 degrés, 20 minutes et 7 degrés, 5 minutes. Ils intersectent la surface périphérique 33 du piston le long d'arêtes 34, 35 qui cons- tituent les bords de l'orifice de la gorge 14. La section transversale du segment 10 de compression, que con- tient la gorge 14, a une conformation analogue à celle de cette dernière. Comme le montre mieux la figure 3, cette forme est en gros trapézoïdale. Lorsque le segment de piston 10 est logé dans la gorge 14, la surface cylindrique 40 qui borde le trou central de ce segment 10 est parallèle au fond 30 de cette gorge et elle en est séparée par un intervalle. Les flancs 41, 42 de ce segment 10 s'écartent l'un de l'autre vers l'extérieur à partir de la surface cylindrique précitée 40 en faisant chacun avec un plan parallèle à leur plan de symétrie un angle Y qui est compris entre 7 degrés 30 minutes et 7 degrés 45 minutes, de sorte qu'ils ne sont pas parallèles aux flancs 31, 32 de la gorge 14, comme le montre avec une certaine exa- gération la figure 3. Les rives périphériques 50, 51 des flancs 41 et 42 du segment 10, rives qui sont sensiblement cylindriques et per- pendiculaires à l'axe de symétrie du segment 10, se trouvent tout contre les bords 34, 35 de l'orifice de la gorge 14 du piston 11 lorsque cette dernière contient le segment 10. La surface périphérique du segment de piston 10 forme une rainure 60 au fond de laquelle adhère une garniture antifriction 55 dont la nature peut être variable. Ce peut être celle que décrit par exemple l'un des brevets des Etats-Unis d'Amérique n0 3 690 6B6 ou n0 3 697 091. Ce peut être aussi un revêtement de chrome. On doit bien noter que la surface périphérique du segment de piston, c'est-à-dire celle, 61, qui doit entrer en contact avec la paroi 12a de l'alésage du cylindre, est transversalement bombée. Le mouvement de va-et-vient du piston dans le cylindre 12 a pour effet de soumettre les flancs de ses seg- ments 10, 20 et 21 à des forces considérables, car ils se déplacent par rapport à lui au cours de son mouvement. Par exemple, le flanc 41 du segment 10 entre fortement en contact avec celui, 31, de la gorge 14 lorsque le piston 11 descend, et. lorsque ce dernier remonte1le flanc 32 de sa gorge 14 entre fortement en contact avec celui, 42, de ce même segment 10, ce qui peut provoquer une usure importante des éléments con- cernés. La figure 4 montre schématiquement, et seule- ment à titre d'exemple, l'usure des flancs respectifs d'un segment de compression de piston et de la gorge qui le con- tient. On peut voir que le segment de piston tend à s'user surtout dans sa région périphérique, à proximité de l'orifice de la gorge qui le contient. Sur cette figure, les surfaces 70 pleines de lignes ondulées correspondent aux régions dans lesquelles intervient l'usure du piston et de son segment de compression après une longue durée d'utilisation du moteur. Il est évident que l'usure du segment est plus importante à proximité de sa périphérie. Les techniques appliquées jus- qu'ici pour ralentir l'usure des flancs d'un segment de compression de piston consistent soit à durcir par un traite- ment thermique de trempe toute la surface de ce segment, soit à chromer entièrement ses flancs, ce qui a pour effet de chro- mer ou de tremper ses arêtes cornières périphériques, c'est- à-dire celles qui sont proches de la paroi du cylindre dans lequel se déplace le piston. Cette matière durcie ou ce pla- cage sont assez cassants ou fragiles et peuvent donc être entaillés ou se criquer assez facilement. Ces entailles engendrent des évents et des criques de fatigue près des arêtes cornières précitées, ce qui permet aux gaz en expansion de franchir le segment de piston dont l'efficacité aussi bien que la longévité sont ainsi très compromises. Dans le cadre de la présente invention, on ne durcit par application d'un procédé thermique de trempe qu'une région bien délimitée des flancs du segment de piston, bien entendu celle o tend à intervenir l'usure maximale. Comme le montre mieux la figure 3, les régions qui sont sou- mises à ce traitement de trempe sont indiquées en A sur le flanc 41 du segment et en B sur son flanc 42. Ces bandes A et B ont la même largeur qui correspond de préférence à 40% au moins de celle-de ces flancs 41 et 42. Elles sont relati- vement proches des bords périphériques des flancs en question et sur la figure 3 leur largeur est égale à 50 environ de chacun des flancs obliques 41 et 42 du segment. Il faut bien comprendre que les rives périphé- riques 50, 51 qui ne subissent pas le traitement de trempe sont très étroites et font partiellement saillie hors de la gorge 14 qui contient le segment. Comme elles sont relative- ment molles et donc peu fragiles, cela réduit les risques d'apparition d'évents et de criques de fatigue au cours du fonctionnement du piston Il dont les arêtes cornières corres- pondantes, c'est-à-dire celles qui bordent l'orifice de sa gorge 14,peuvent initialement pénétrer un peu les flancs de son segment. Cela réduit donc la quantité de gaz qui peut franchir le segment du piston et rend ainsi ce segment plus efficace. La figure 5 montre comment le piston 11 et son segment 10 coopèrent peu après le début de leur va-et-vient dans le cylindre du moteur, et notamment comment les régions cornières 34, 35 du piston, régions qui.bordent l'orifice de la gorge 14, se sont enfoncées dans les rives périphériques , 51 du segment 10 en assurant ainsi l'étanchéité à l'égard des gaz en expansion dans le cylindre, ce qui empêche en grande partie ces gaz de franchir le segment 10. La flèche C indique la région dans laquelle la bordure intérieur de l'orifice de la gorge 14 s'enfonce dans la rive périphérique correspondante du segment de piston. Sitôt après la formation de ce siège C, les régions durcies A et B des flancs du segment de piston empêchent les arêtes cornières 34, 35 du piston de pénétrer davantage et donc d'user les flancs de ce segment. Le segment de piston précédemment décrit est destiné à un durable et puissant moteur à combustion interne du type "Diesel". Ceux qui sont destinés à d'autres moteurs ont une structure semblable mais peuvent par exemple avoir une section rectangulaire plutôt que trapézoïdale. Ils sont utilisés dans des moteurs à essence ou du type "Diesel" dont la puissance et la longévité sont moindres, mais la présente invention s'applique également en ce qui les concerne. Le procédé de réalisation d'un segment de pis- ton selon l'invention peut être amélioré par rapport à ceux de la technique antérieure. On commence de façon classique par façonner une ébauche annulaire en fonte ou en acier, ébauche qu'il est alors possible d'usiner, notamment en pro- filant sa surface périphérique de manière à lui donner la forme d'une rainure 60 destinée à contenir la garniture anti- friction 55 et en en détachant un tronçon pour engendrer la fente 29 du futur segment de piston. On peut aussi roder ou meuler l'ébauche autant qu'il est nécessaire pour lui donner les dimensions convenables. Après cet usinage, on dépose et l'on fait adhé- rer comme il convient dans la rainure périphérique 60 du segment de piston la garniture antifriction 55, qui est desti- née à entrer en contact avec la paroi de l'alésage du cylindre, et l'on exécute au besoin un rodage de finition. C'est ensui- te seulement qu'on durcit par un traitement thermique de trem- pe les régions.A et B des flancs 41 et 42 de l'ébauche. La fi- gure 6 représente schématiquement un appareil destiné à exé- cuter cette trempe. Comme le montre cette figure 6, au poste d'ali- mentation de la machine on met en place l'ébauche précédente usinée 85 dans un porte-pièce 90 que supporte un plateau diviseur 91. Un élément de ce porte-pièce 90 entoure l'ébauche 85. Le plateau 91 tourne alors de 1200 environ de façon à ame- ner l'ébauche sous la source ou générateur 93 d'un faisceau "laser" source dont la.structure peut être classique mais qui est de préférence un "laserlà l'anhydride carbonique dont la Duissance est de 1,3 kilowatt. [Jn tel appareil est commercialisé par exemple par la société "Photon Sources" (de Livonia, Michigan. Etats-Unis d'Amérique). Dès que le porte-pièce 90 et l'ébauche 85 parviennent juste au-dessous du générateur 93 du faisceau laser, un moteur électrique convenable 95 que supporte le plateau diviseur 91 les fait tourner à une vitesse déterminée de manière à exposer pour la durée convenable l'ébauche au fais- ceau laser afin de donner localement la dureté désirée à l'un des flancs de l'ébauche du segment de piston. Dès que cette ébauche a franchi le faisceau laser, le plateau divi- seur tourne de 120 en amenant le portepièce et l'ébauche en un emplacement 98 o la seconde 85 est extraite du pre- mier 90. Il faut recommencer l'opération pour durcir locale- ment le flanc opposé de l'ébauche 85. Le segment de piston 10 est alors réalisé, ses deux flancs étant durcis à l'intérieur des deux bandes A et B. La dureté Rockwell à l'échelle C de la matière à l'inté- rieur de ces deux bandes est d'environ 46, sur une profondeur comprise entre 0,0762 et 0,1778 mm environ. Les régions A et B ainsi durcies ou trempées ont la forme de bandes circulai- res ininterrompues dont le centre ou l'axe coincide pratique- ment avec celui du segment de piston. On obtient en pratique de bons résultats en uti- lisant un laser au gaz carbonique que traverse un mélange d'anhydride carbonique, d'hélium et d'azote. Il s'avère notam- ment avantageux de faire traverser le laser par un courant de gaz carbonique dont le débit est compris entre 0,03 et 0,054 m3 par heure, un courant d'hd'lium dont le débit est compris entre 0,14 et 0,155 m3 par heure, et un courant d'azo- te dont le débit est compris'entre 0,084 et 0,127 m3 par heure. La puissance du laser est comprise entre 650 et 1000 watts. On fait tourner les ébauches des segments de piston par rapport au faisceau laser à une vitesse comprise entre 3 et 5 m/mn et on les fait passer à une distance comprise entre 12,7 et 31,95 mm au-dessous du point focal du faisceau laser. Pour refroidir convenablement chaque ébauche de segment de piston, celleci est partiellement immergée dans un bain d'eau à la température ambiante pendant que sa partie émer- gente est soumise à l'action du faisceau laser. Comme le montre la figure 6, les porte-pièces 90 sont orientés obliquement afin de faire émerger la partie de chaque ébauche de segment de piston qui est soumise à l'ac- tion du faisceau laser. Le niveau du bain d'eau correspond à la partie 2A65136 inférieure du porte-pièce cependant que le faisceau laser est dirigé de façon à venir au contact du segment de piston à la partie supérieure du porte-pièce. En conséquence, dès qu'une partie de l'ébauche est entrée en contact avec le fais- ceau laser, on la fait tourner de haut en bas pour l'immerger dans le bain d'eau et parachever le traitement de trempe. La description précédente met donc en évidence que la présente invention propose un segment de piston dont la structure est perfectionnée et qu'il est possible de réaliser la par application d'un procédé meilleur que ceux de la technique antérieure. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à ce segment de piston et à ce procédé sans sortir du cadre de l'invention. 2465 136 REVENDICATIONS 1. Segment de piston de moteur à combustion interne, ce segment (l0) présentant des flancs (41, 42) destinés à venir en contact avec ceux (31, 32) d'une gorge (14) du piston (11), ce segment (10) étant caractérisé en ce que ses deux flancs (41, 42) ont été soumis à un traitement thermique de trempe qui les a durcis superficiellement à l'intérieur de deux bandes (A, B) qui longent les bords périphériques de ces flancs, à courte distance de la surface (61) du segment, ces bords présentant, lOde part et d'autre des bords (34, 35) de la gorge (14) qui con- tient le segment, deux rives périphériques moins dures (50,51). 2. Segment de piston selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que chacune des bandes dures (A, B) de ses flancs est incurvée de manière à longer à courte distance la totalité d'un de ses bords périphériques circulaires. 3. Segment de piston selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, dans chacune des bandes (A, B), la dureté Rockwell à l'échelle C de la matière traitée est environ de 46 sur une profondeur comprise entre 0,0762 et ,178 mm. 4. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ses flancs rayonnants (41, 42) s'écar- tent l'un de l'autre en faisant par rapport à leur plan de symé- trie un angle (Y) supérieure à celui (X) que font par rapport à leur plan de symétrie les flancs rayonnants (31, 32)de la gorge (14) destinée à le contenir. 5. Segment destiné à assurer l'étanchéité d'un piston dans une gorge périphérique de ce dernier, gorge (14) dont le fond (30) se raccorde à ses deux flancs rayonnants (31, 32),ce segment (10) étant caractérisé en ce que ses deux flancs rayonnants (41, 42) ont été localement soumis, sur une largeur au moins égale à 40%6 de la leur et à courte distan- ce de leurs bords périphériques, à un traitement thermique de trempe afin de les durcir superficiellement à l'intérieur de deux bandes incurvées (A, B) qui sont ainsi séparées des bords périphériques précités et de la surface périphérique (61) du segment (10), par des rives moins dures (50, 51) en face desquelles se trouvent normalement les bords (34, 35) de l'orifice de la gorge (14). 2A65136 6. Procédé de réalisation d'un segment destiné à assu- rer l'étanchéité d'un piston (11) dans une gorge périphérique (14) à flancs rayonnants (31, 32) de ce dernier, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste, après avoir donné à la surface périphérique d'une ébauche (85) de ce segment la forme d'une rainure circulaire (60), à soumettre localement ses flancs rayonnants (41, 42) à un traitement thermique de trempe afin de les durcir superficiellement à l'intérieur de deux bandes (A, B) qui longent à courte distance leurs bords périphériques dont elles sont ainsi séparées par deux rives périphériques (50, 51) moins dures et destinées à se trouver en face des bords (34, 35) de l'orifice de la gorge (14). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste, avant d'effectuer ledit traitementde trem- pe, à déposer dans la rainure périphérique (60) de l'ébauche du segment une garniture antifriction (55). 8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que, au début du traitement de trempe, on élève convenablement la température de l'ébauche (85) dans les régions correspondant au bandes (A, B) en la faisant tournoyer sous un rayon laser 93. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la fin du traitement de trempe se fait en faisant tournoyer l'ébauche dans un bain d'eau.