Brevet FR2481368A1 — publié le 19811030

La présente invention se rapporte à des segments de pistons et, plus particulièrement, à un segment annulaire de piston, à extrémités séparées, présentant une surface de contact revêtue d'une matière résistant à l'usure, et com- portant dans son intervalle un joint du type à recouvrement. Jusqu'à présent, l'expérience a prouvé que des seg- ments annulaires à extrémités séparées comportant une surface radiale externe revêtue d'une matière résistant à l'usure peuvent être avantageusement utilisés comme segments de pis- tonssupérieurs ou de compression dans un moteur à combustion interne dont les pistons effectuentun va-et-vient. Des segments de ce type sont décrits, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique NO 3 133 739 et NO 2 266 692. Il s'est également avéré souhaitable d'équiper les intervalles des segments de compression des pistons de joints à recouvrement, de manière à accroître l'étanchéité dans lesdits intervalles et à réduire ainsi le passage des gaz de combustion. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 615 902 décrit, par exemple, des joints d'étanchéité de ce type. Cependant, il s'est révélé que les joints à recouvrement proposés anté- rieurement pour assurer une étanchéité efficace dès intervalles, ne peuvent pas être utilisés avec des segments de type clas- sique revêtus d'une matière résistant à l'usure sans entraî- ner un effritement et un endommagement éventuels de la couche d'usure dans la région du joint lors de la fabrication du segment. Il a été recommandé de ne pas revêtir la région d'étanchéité, mais cela peut entraîner une étanchéité inef- ficace et un endommagement du moteur. La présente invention a par conséquent pour objet un segment annulaire de piston, à extrémités séparées, qui réunit les caractéristiques avantageuses de segments de piston à couche résistant à l'usure et les caractéristiques perfection- nées des joints du type à recouvrement, empêchant un passage des gaz de combustion, segment dans lequel ladite couche d'usure recouvre-intégralement la circonférence de sa sur- face de contact. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une vue en plan d'un segment de piston réalisé conformément à la présente invention; la figure 2 est une.coupe transversale fragmentaire suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe transversale fragmentaire à échelle agrandie d'une partie du segment de la figure 2 la figure 4 est une vue fragmentaire en élévation dans le sens de la flèche A de la figure 1 la figure 5 est une coupe transversale fragmentaire suivant la ligne 5-5 de la figure 1; la figure 6 est une vue fragmentaire en plan illus- trant les extrémités séparées du segment à l'état détendu la figure 7 est une vue par-dessous correspondant à la figure 6; - la figure 8 est une vue fragmentaire en perspective des extrémités séparées dudit segment considérées de l'exté- rieur et légèrement au-dessus dudit segment; et la figure 9 est une vue fragmentaire en perspective- représentant les extrémités séparées dudit segment considérées de l'intérieur et légèrement au-dessus dudit segment. En se référant dans le détail aux dessins, la figure 1 illustre un segment 20 de piston réalisé conformé- ment à l'invention, dans un exemple de configuration préfé- rée destinée à constituer un segment supérieur de compression dans un moteur Diesel. Comme le met davantage en évidence une comparaison des figures 1 à 4, le segment 20 est du type présentant une face externe bombée 22, dont la courbure est uniforme autour d'un rayon R (figure 2). Ce segment 20 présente, en coupe, la forme d'une clé de voûte, c'est-àdire que ses faces supérieure 24 et inférieure 26 ont une section décroissante et convergent l'une vers l'autre à l'intérieur du segment. La face interne 31 du segment 20 s'étend paral- lèlement à son axe. Comme le montrent notamment les figures 3 et 4, la face externe 22 du piston comporte une gorge s'étendant circonférentiellement et délimitée par un fond 32 et des faces limites supérieure 34 et inférieure 36, respectivement. Cette gorge est emplie, par un procédé connu en soi, par exemple par une pulvérisation dans un plasma, d'une matière dure résistant à l'usure, telle que du molybdène, afin de donner naissance à une bande 38 s'étendant circonférentielle- ment sur la face externe du segment. Le corps de ce dernier est réalisé par un procédé classique, tel qu'un moulage par centrifugation, et il est en un métal ferreux, par exemple du fer ou de l'acier ductile. Selon une caractéristique de la présente invention, la bande d'usure 38 est décalée axialement du segment, de telle sorte que son centre soit situé légèrement au-dessous d'un plan central P dudit segment (figure 3), et que des cordons 40 et 42 en fer, constituant respectivement les limi- tes supérieure et inférieure de la bande 38, comportent des largeurs inégales (mesurées dans le sens axial du segment). Le rayon R est centré sur le plan P. Par conséquent, dans un exemple de réalisation du segment comportant un diamètre externe nominal de 137,16 mm, le cordon supérieur 40 peut présenter une largeur comprise entre 0,76 mm et-0,89 mm, la largeur du cordon inférieur 42 ne pouvant être comprise qu'entre 0,10 mm et 0,23 mm. Il s'est avéré que, dans une telle forme de réalisation, les cordons supérieur 40 et infé- rieur 42 sont tous deux suffisamment étroits pour réduire toute tendance au grippage entre ces cordons et l'alésage du cylindre. La face bombée 22 mentionnée ci-avant réduit en outre tout effet de grippage,en maintenant les cordons 40 et 42 à distance de la face opposée de la paroi du cylindre (non représentée). Selon une autre caractéristique de la présente in- vention, le segment 20 comporte un joint oblique à recou- vrement dans son intervalle, de manière à réduire le passage des gaz de combustion dans le moteur. Ce joint est une forme de réalisation modifiée par rapport à celui illustré d'une manière générale sur les figures 6 et 7 du brevet des Etats- Unis d'Amérique NO 615 902 donné en référence dans le pré- sent mémoire. Par conséquent, comme l'illustrent en particu- lier les figures 6 à 9, l'une des extrémités séparées du segment 20 présente une languette 50 faisant saillie circon- férentiellement au-delà d'une face extrême 51, s'étendant radialement et axialement, vers l'autre extrémité du segment. A l'autre extrémité séparée dudit segment 20, est ménagé un évidement oblique complémentaire 54 (figure 8) destiné à loger ladite languette. Lorsque le segment 20 est comprimé à son diamètre de service, par exemple lors de sa mise en position efficace dans la gorge correspondante d'un piston, destinée à loger un segment supérieur de com- pression, et lorsque ledit piston est engagé dans l'alésage complémentaire du cylindre d'un moteur, la languette 50 est située au- dessous de l'extrémité séparée opposée du segment, en recouvrant cette dernière de façon à glisser sur elle. Cette position efficace normale de recouvrement est illustrée sur les figures 1, 4 et 5. Le joint d'étanchéité oblique est -réalisé par un fraisage classique qui enlève de la matière de l'extrémité du segment pour former la-languette 50, ce fraisage donnant en même temps naissance à une surface supérieure oblique 52 de ladite languette 50 (figure 9), de même qu'à sa surface extrême 51 s'étendant radialement et axialement. L'extrémité supérieure de la surface 52 se termine par une arête périphé- rique 56 disposée approximativement au milieu du cordon supé- rieur 40 de l'extrémité du segment dotée de la languette. L'extrémité inférieure et interne de la surface oblique 52 se termine par une arête 58 s'étendant sur la circonférence du segment, à proximité d'une arête interne 60 de la face interne 31 dudit segment, mais radialement vers l'extérieur par rapport à cette arête 60. La bande 38 à face dure se pro- longe jusqu'à l'arête externe 62, orientée axialement,de la lan- guette 50, une face extrême 64 de ladite languette 50 étant disposée dans un plan radial parallèle à l'axe du segment 20. L'évidement 54, ménagé dans l'autre extrémité séparée du segment 20, est réalisé de même par fraisage, pour donner naissance à une surface inclinée 70 et à une face laté- rale associée 72 (figure 8). Tout comme l'arête 56, une arête supérieure externe 74 de la surface 70 s'étend circon- férentiellement au centre du cordon supérieur 40 (fi- gure 8). Une arête inférieure 76, orientée radialement vers l'intérieur, de la surface 70, se prolonge également sur la circonférence du segment, et elle est disposée sensiblement sur la même longueur que l'arête 58 lorsque les extrémités du segment se recouvrent (figure 5). Une face extrême 78 (figures 6 à 8) de l'extrémité du segment dotée de l'évidement, s'étend pour l'essentiel parallèlement à la face 51 avec laquelle elle vient en contact lorsque les faces du seg- ment 20 se recouvrent dans la position efficace de ce dernier. La présence du cordon supérieur, de plus grande largeur, du segment 20, en travers duquel le joint d'étanchéi- té oblique s'ouvre à la périphérie dudit segment, aux arêtes 56 et 74 (figure 8), laisse un prolongement supérieur 40a dudit cordon le long de la languette 50, de l'arête externe de la surface 51 à la face extrême 64 (figure 7), et un pro- longement supérieur 40b dudit cordon le long de la périphérie de l'extrémité évidée du segment entre les faces 72 et 78. Avantageusement, le prolongement interne 40b présente une dimension axiale atteignant sensiblement de une à trois fois la dimension axiale du prolongement 40a. Par conséquent, il est préférable que ledit prolongement 40b (figure 8) comporte une dimension axiale au moins égale ou sensiblement supérieure à celle du cordon inférieur 42 du segment 20. Les surfaces 52 et 70 (figures 5, 8 et 9) se trou- vent dans des plans décrivant un angle aigu (de préférence de 240) par rapport au plan P et s'étendant à peu près en diagonale par rapport à la section du corps dudit segment. Après que les extrémités séparées du segment 20 ont été fraisées pour ménager le joint d'étanchéité oblique, plusieurs segments ainsi obtenus sont fixés sur un arbre ou mandrin et revêtus du matériau dur et résistant à l'usure par pulvérisation dans un plasma. Ensuite, les surfaces re- vêtues sont rectifiées pour mettre à découvert les cordons et 42 séparés par la bande 38. Les arêtes 74 et 56 des prolongements 40a et 40b sont alors situées à l'extérieur de la région superficielle du segment emplie du métal pulvé- risé. Par conséquent, lorsqu'une force d'écartement est ap- pliquée aux segments revêtus pour séparer leurs extrémités, la seule zone dans laquelle un effritement du métal dur de la bande 38 peut se produire, sont les arêtes 62 et 80. Les conséquences d'un tel effritement le long desdites arêtes axiales 62 et 80 sont atténuées ou éliminées par une opération ultérieure de meulage de l'intervalle. Cela est rendu possi- bIe grâce aux tolérances dimensionnelles relativement grandes de l'intervalle, qui permettent à leur tour un enlèvement de métal des surfaces 64 et 72 (et des arêtes 62 et 80 revê- tues) sans dépasser lesdites tolérances. Dans les essais an- térieurs d'utilisation d'un joint oblique à recouvrement -dans des segments à couche d'usure dont les arêtes 56 et 74 se trouvaient dans la zone du revêtement métallique dur, il était impossible d'usiner les surfaces inclinées 70 et 52 pour supprimer l'effritement, tout en maintenant un jeu minimal entre lesdites surfaces 52 et 70 pour juguler les duites de gaz d'échappement par l'intervalle obturé par le joint à recouvrement. Typiquement, dans les segments cités ci-avant à titre d'exemples, le jeu entre ces surfaces à recouvrement est maintenu dans une plage comprise entre 0 mm et 0,13 mm. Il est bien évident que le joint du type incliné est efficace en soi pour assurer l'étanchéité de haut en bas du segment, la face supérieure portant normalement l'inscrip- tion "HAUT" et comportant une empreinte 84 (figure 6) permet- tant de l'orienter,- lors du montage, en direction de la zone de combustion du cylindre. Par conséquent, lorsque la face supérieure du segment 20 est orientée vers le haut en direc- tion du fond du piston, l'étanchéité du joint dudit segment a lieu de haut en bas. Il est également clair que le cordon supérieur 40 est de préférence plus large que le cordon in- férieur 42, pour permettre au joint d'étanchéité oblique de s'ouvrir vers le cordon 40, tout en maintenant les prolon- gements 40a et 40b à des largeurs suffisantes pour assurer l'efficacité de leurs arêtes. Néanmoins, et bien que cela ne soit pas souhaitable dans l'immédiat, le cordon inférieur 42 pourrait, dans des circonstances appropriées, présenter une largeur égale à celle du cordon supérieur 40. Bien que l'invention ait été décrite à l'appui de segments emplis de molybdène, elle est également applicable à des segments dont la gorge est emplie d'autres matériaux résistant à l'usure, tels que le chrome, une matière céramique ou de l'alumine. Dans la description ci-avant et dans les revendica- tions annexées, la terminologie utilisée, notamment le choix des termes "haut", "bas", "supérieur" et "inférieur", l'a été d'une manière descriptive et non limitative, en se réfé- rant à la forme de réalisation préférée et décrite ci-dessus du segment par rapport à un piston associé, dans un cas o ledit piston effectue un mouvement alternatif vertical et o ledit segment est utilisé comme garniture d'étanchéité supé- rieure ou de compression. Il va donc de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au segment décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Segment de piston, caractérisé en ce qu'il com- porte un corps métallique annulaire aux extrémités séparées, dont les parois latérales axiales sont logées dans une gorge annulaire, ainsi qu'une face externe (22), une gorge s'éten- dant tout autour de ladite face externe (22) et délimitée en partie par des cordons (40, 42) espacés axialement et disposés sur ladite face (22), une bande (38) en un maté- riau résistant à l'usure étant logée dans ladite gorge afin de venir en contact hermétique avec une face de la paroi du cylindre, lesdits cordons (40, 42) étant adjacents à des arêtes axiales opposées respectives de ladite bande (38), ainsi qu'un joint à recouvrement qui, situé aux extrémités séparées dudit segment (20), comporte des surfaces planes op- posées qui s'étendent pour l'essentiel en diagonale par rap- port au corps dudit segment (20) et sont inclinées selon un angle aigu par rapport au plan (P) dudit segment (20), lesdites surfaces s'achevant à la face externe (22), à l'in- térieur de l'un desdits cordons (40, 42). 2. Segment de piston selon la revendication 1, destiné à jouer le rôle d'un segment de compression d'un pis- ton-effectuant un mouvement alternatif dans un moteur, seg- ment caractérisé en ce qu'il comporte des repères (84) per- mettant de l'orienter lors de son montage dans une gorge de piston, de telle sorte que l'un des cordons (40, 42) soit orienté en direction de la zone de combustion du cylindre. 3. Segment de piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que les faces planes du joint s'achèvent. à leurs arêtes dirigées radialement vers l'intérieur, dans la paroi latérale distante de l'un des cordons (40, 42).- 4. Segment de piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces du joint s'étendent cir- conférentiellement à partir d'une paroi extrême associée délimitant une face radiale de l'intervalle du segment (20), jusqu'à une autre paroi extrême associée délimitant l'autre face radiale dudit intervalle, et en ce que la gorge s'étend entièrement sur la circonférence de la face externe (22), la bande (38) présentant des arêtes extrêmes s'étendant axia- lement et orientées vers ledit intervalle. 5. Segment de piston selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que sa face externe (22) pré- sente une configuration bombée, de telle sorte que le dia- mètre maximal externe dudit segment (20) coïncide avec la surface d'usure externe de la bande métallique (38). 6. Segment de piston selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que l'un (40) des cordons (40, 42) est plus large que l'autre (42). 7. Segment de piston selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 4, caractérisé en ce qu'il (20) a une section en forme de clé de voûte. 8. Segment de piston selon la revendication 6, caractérisé en ce que le centre de la dimension axiale de la ban- de (38) est décalé par rapport au plan central (P) du corps du- dit segment (20), en direction de la paroi latérale annulaire la plus éloignée dudit cordon (40).