Brevet FR2484042A1 — publié le 19811211

PISTON COMPOSITE POUR MOTEUR A EXPLOSION La présente invention concerne un piston composite pour moteur à explosion. Le piston est l'organe qui se déplace dans le cylindrent qui, par l'intermédiaire de la bielle, produit le mouvement de rotation du vilebrequin. Le piston est soumis à un mouvement alternatif rapide de l'ordre de 3000 à 8000 allers et retours à la minute pour les moteurs actuels ; il devra donc être léger pour diminuer le plus possible les effets d'inertie.Il devra avoir aussi une grande rigidité pour éviter les déformations. Les premiers pistons étaient en fonte,mais pour diminuer les masses en mouvement alternatif et par conséquent diminuer les efforts d'inertie ils doivent être le plus léger possible, c'est pourquoi on les a faits dans un premier temps en acier, puis W une époque plus récente en alliages légers d'aluminium notamment les alliages dits " alpax", "aluminium supersilicié", etc... I1 a maintenant été trouvé et c'est ce qui constitue l'objet de la présente invention, un nouveau piston davantage allégé permettant d'améliorer encore le rendement mécanique d'un moteur X explosion. Plus spécifiquement, la présente invention se rapporte à un piston composite pour moteur à explosion caractérisé en ce que la partie supérieure du piston qui est en contact direct avec les gaz chauds de combustion est en métal ou alliage léger ou en céramique, tandis que le reste du piston est constitué en tout ou partie par un matériau constitué par l'association d'une charge de renforcement avec une résine polyimide. Dans ce qui suit, on désignera par "matériau polyimide", le matériau constitué par l'association d'une charge de renforcement avec une résine polyimide. Généralement, on considère qu'un piston est composé de trois parties principales qui sont en allant du haut vers le bas du piston - le fond ou couronne qui reçoit directement les gaz de combustion, - le porte-segments qui, par l'intermédiaire des segments, assure l'étanchéité aux gaz et W l'huile et dissipe une partie des calories reçues vers le fluide de refroidissement, - et la jupe, au niveau de laquelle se situe le logement de l'axe de pied de la bielle, dont le rôle est de guider le porte-segments et éventuellement de dissiper1 les calories. Conformément à la présente invention, il doit être entendu que le fond du piston est toujours fait en métal ou alliage léger ou en céramique. Il doit être entendu encore que le matériau polyimide peut être le matériau de constitution soit de l'ensemble porte-segments + jupe, ledit ensemble pouvant être monobloc ou en plusieurs parties, soit de la jupe seule. Dans le cas où la jupe seule est en matériau polyimide, le porte-segments est alors fait en général, comme le fond, en métal ou alliage léger ou en céramique, l'ensemble fond + porte-segments pouvant être monobloc ou non. Dans ce qui suit, on appellera tête de piston" l'ensemble, monobloc ou non, constitué par le fond et le porte-segments. Selon un mode de réalisation préférentiel, le piston selon l'invention comporte deux éléments principaux qui sont une tête monobloc en métal ou alliage léger ou en céramique et une jupe en matériau polyimide. La fixation des diverses parties entre elles, notamment la fixation de la jupe en matériau polyimide sur la tête en métal ou alliage léger ou en céramique, peut se faire par tout moyen approprié qui tient compte des dilatations différentielles des matériaux utilisés. On notera, et il s'agit là d'un des avantages du matériau polyimide, que ce dernier présente un coefficient de dilatation linéaire relativement proche de ceux des matériaux employés pour réaliser la tête du piston. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples nullement limitatifs. La figure 1 est une demi-coupe d'un piston composite selon l'invention par un plan comprenant l'axe du piston et l'axe du pied de bielle. Les figures 2 et 3 sont des vues, analogues à la figure 1, de deux variantes d'un piston selon l'invention. Les dispositifs représentés figures 1, 2 et 3 correspondent au mode de réalisation préférentiel mentionné ci-avant suivant lequel le piston comporte deux éléments principaux qui sont une tête (1) monobloc en métal ou alliage léger ou en céramique et une jupe (2) en matériau polyamide. La tête (1) comprend un fond (3) et une partie porte-segments (4) comportant les rainures classiques (5) destinées z loger les segments. Dans les dispositifs représentés figures 1 et 2, on montre une jupe (2) qui est conçue de manière à supporter seule l'axe de pied de bielle. Cette jupe (2) comporte un bossage (6) dans lequel est aménagé un alésage (7) servant de logement à l'axe de pied de bielle. L'alésage (7) est équipé d'une rainure (8) destinée à loger l'anneau de blocage (ou circlip) de l'axe de pied de bielle. Dans le dispositif représenté figure 1, la jupe (2). est reliée h la tête (1) par des moyens de vissage, de manière connue en soi. C'est ainsi que, par exemple, deux attaches filetées (9) passant a l'intérieur du bossage (6) de part et d'autre de l'alésage t7) se vissent dans des intérieurs filetés du bossage (10) de la tête (1) L'épaulement (11) de la jupe (2) qui vient se loger dans la diminution (12) du bossage (10) permet de centrer la jupe (2) sur la tête (1) du piston. Dans le dispositif représenté figure 2, la jupe (2) et la tête (1) sont assemblées par un système de nervure et de rainures situées au niveau du troisième segment, ces nervures et ces rainures coopérant de façon telle que, la jupe et la tête étant assemblées, une coupe du piston par un plan comprenant l'axe du piston et l'axe de pied de bielle fasse apparaître entre ces pièces un assemblage comprenant des contre-dépouilles. L'assemblage de la jupe (2) et de la tête (1) est réalisé en introduisant en force l'épaulement (13) de la jupe (2) dans la diminution (14) de la tête avant que le matériau polyimide constituant la jupe (2) soit complètement polymérisé. Lors de cette introduction en force, le matériau polyimide de la jupe (2) forme des nervures (15) qui remplissent les rainures correspondantes situées à l'intérieur de la surface de la diminution (14) de la tête (1).Le profil de ces rainures est tel qu'il comporte au moins une face en contre-ddpouille qui s'opposerait à l'arrachement éventuel, parallèlement à l'axe du piston, de la jupe (2) par rapport à la tête (1). Dans le dispositif représenté figure 3, la tête (1) et la jupe (2) sont conçues et emboitées de manière a supporter l'une et l'autre l'axe de pied de bielle. Plus précisément ces pièces sont conçues et emboitées de manière à délimiter un alésage transversal destiné à l'axe de pied de bielle et traversant cette tête et cette jupe. La tête (1) du piston selon l'invention comporte un prolongement (16) dans lequel un alésage (17) destiné à loger l'axe de pied de bielle est réalisé. La jupe (2) comporte une enveloppe (18) et un alésage (19) coaxial a l'alésage (17) de la tête (1) lorsque cette dernière et la jupe (2) sont emboitées de la manière représentée sur la figure 3. L'alésage (19) comporte une rainure (8) destinée à loger l'anneau de blocage (ou circlip) de l'axe du pied de bielle.La tête (1) et la jupe (2) sont assemblées au moyen de l'axe de pied de bielle et de l'alésage du cylindre. I1 est bien entendu que l'on peut apporter des modifications aux dispositifs représentés figures 1, 2, et 3 sans sortir pour cela du cadre de la présente invention. Ces dispositifs correspondant, comme on l'a dit ci-avant, au mode de réalisation préférentiel suivant lequel le piston comporte deux éléments principaux qui sont une tête (1) monobloc en métal ou alliage léger, ou en céramique et une jupe (2) en matériau polyimide. Mais il doit être bien entendu qu'éventuellement le porte-segment et la jupe peuvent être faits tous deux en matériau polyimide. Le piston correspondant à cet autre mode de réalisation peut présenter une allure générale, interne et/ou externe, qui est globalement la même que celle des dispositifs représentés figures 1 et 2. On notera que le fond du piston en métal ou alliage léger ou en céramique est retenu alors sur la partie porte-segments par un moyen de fixation approprié comme par exemple, selon les indications du brevet français nO 1.240.589, un moyen de fixation central tel qu'une vis. Le métal ou alliage léger qui entre dans la constitution du piston composite selon la présente invention peut être par exemple de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. La charge de renforcement du matériau polyimide comprend généralement une matière formée de fibres longues dont la longueur des fibres peut varier entre quelques centimètres et plusieurs mètres. Comme matière formée de fibres longues on peut utiliser indifféremment des fibres simples, des tissus ou des non-tissés, dès lors que la longueur des fibres de base répond aux conditions de longueur définies ci-avant. La charge peut être de nature minérale ou organique. Par exemple on peut citer : les fibres de verre, de carbone, d'amiante, de céramique (notamment les rovings ou les fibres tordues ou retordues) ; les tissus et les non-tissés (notamment les mats et les feutres) de fibres de verre, de fibres d'amiante de fibres synthétiques, notamment thermostables tels que par exemple les polyamide-imides ou les polyamides aromatiques On utilise de préférence dans l'invention des fibres de verre, des tissus ou des non-tissés de fibres de verre dont les fibres répondent aux conditions de longueur définies ci-avant La charge de renforcement peut comprendre, en outre, une matière formée de grains d'une substance solide dont la grosseur est comprise en général entre 0,1 et 50 microns et/ou de fibres courtes dont la longueur des fibres n'excède pas en général 10 millimètres. Comme matière de type granulaire, on peut faire appel aux produits de ce type qui sont cités dans le brevet français nO 2.029.114, le contenu de ce document étant incorporé ici en référence. De préférence, il peut s'agir de particules de graphite, de mica, de sulfure de molybdène, d'alumine, de silice, de polytétrafluoroéthylène ou de microbilles de verre. Comme matière formée de fibres courtes, on fait appel habituellement à des fibres simples de nature minérale ou organique, comme par exemple des fibres de carbone, d'amiante, de céramique ou de préférence de verre, dont la longueur n'excède pas en général 10 millimètres. La proportion pondérale de charge de renforcement, par rapport à l'ensemble charge de renforcement + résine polyimide, est généralement comprise entre 50 % et 90 %. La proportion pondérale de matière a base de grains et/ou de fibres courtes, quand il y en a, par rapport à l'ensemble grains et/ou fibres courtes + fibres longues constituant la charge de renforcement, représente au plus 50 %. Parmi les résines polyimides utilisables pour la confection du matériau polyimide, on citera spécialement celles obtenues par réaction d'un N,N'-bis-imide d'acide dicarboxylique non saturé et d'une polyamine primaire. Elle peut être à l'état de prépolymère (encore soluble dans certains solvants) pour un stade intermédiaire de réalisation de la pièce désirée en matériau polyimide ou à l'état complètement polymérisé (totalement insoluble) dans la pièce finie telle qu'elle se trouve dans le piston composite.Ces produits de réaction de bis-imide et de polyamine sont décrits en détail dans les brevets américains nO 3.562.223 et 3.658.764 et dans la réissue américaine n0.29.316 ; la substance de ces divers documents est incorporée ici en référence. I1 doit être entendu que, selon des techniques maintenant bien connues, la résine polyimide peut être modifiée par l'utilisation, en plus du bis-imide et de la polyamine, de divers adjuvants tels que par exemple des mono-imides (selon le brevet français nO 2.046.498), des monomères, autres que des imides, comportant des groupements polymérisables du type CH2 = cl ( selon le brevet français nO 2.094.607) ou des polyesters insaturés (selon le brevet français nO 2.102.878) ; la substance de ces divers documents est également incorporée ici en référence. On utilise de préférence dans l'invention une résine polyimide issue de la réaction de N,N'-4,4'-diphénylméthane-bis-maléimide et du diamino-4,4' diphénylméthane Diverses techniques, connues en soi, peuvent être mises en oeuvre pour fabriquer l'élément de piston en matériau polyimide. Par exemple, selon un premier procédé, on réalise une préforme de la pièce désirée en opérant un moulage sous pression, non suivi d'un recuit, à l'aide de prépolymère polyimide. On habille ensuite la préforme, intérieurement et/ou extérieurement, avec la charge de renforcement sous forme de fibres simples longues, de tissus ou de non-tissés de fibres longues, dont la longueur des fibres peut varier entre quelques centimètres et plusieurs mètres, en ayant soin d'orienter les-fibres suivant les lignes de contraintes de la pièce .Ladite charge de renforcement peut éventuellement être imprégnée au préalable de prépolymère polyimide ; l'imprégnation éventuelle de la charge peut se faire par poudrage à sec avec le prépolymère polyimide ou au moyen d'une solution ou d'une dispersion aqueuse de prépolymère en suivant les diverses techniques décrites dans les brevets français nO 2.110.619 et 2.156.452. L'ensemble préforme + charge de renforcement est ensuite soumis à une opération de pressage à chaud et à une opération de recuit. Dans le procédé qui vient d'entre décrit la préforme peut également être obtenue par moulage sous pression, non suivi d'un recuit, à l'aide d'une composition préparée en mélangeant le prépolymère polyimide avec la charge de renforcement sous forme d'une matière à base de grains et/ou de fibres courtes. I1 est possible de mélanger la charge et le prépolymère polyimide, mais on peut aussi mélanger la charge avec les deux réactifs de départ (bis-imide et polyamine) et provoquer la réaction de timide sur la polyamine jusqu'a l'obtention du prépolymère chargé .La proportion de matière formée de grains et/ou de fibres courtes utilisée ici représente en général, comme on l'a dit, au plus 50 % du poids de la totalité de la charge de renforcement mise en oeuvre pour confectionner la composition moulable (grains et/ou fibres courtes) et pour habiller la préforme (fibres longues) Selon un autre procédé, on dispose par exemple sur les parois du moule de la pièce a obtenir un tissu ou un non-tissé de fibres longues (imprégné ou non de prépolymère polyimide) qui va constituer la forme externe de la pièce. L'intérieur de la pièce avec toutes ses variations dimensionnelles est réalisé ensuite par un moulage sous pression a laide de prépolymère polyimide, éventuellement chargé de matière a base de grains et/ou de fibres courtes, comme indiqué ci-avant. Un recuit de l'ensemble est ensuite effectué. Il est bien entendu que les procédés décrits ci-avant peuvent être modifiés dans le domaine des équivalences techniques sans sortir pour autant du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Piston composite pour moteur a explosion, caractérisé en ce que la partie supérieure du piston qui est en contact direct avec les gaz chauds de combustion est en métal ou alliage léger ou en céramique, tandis que le reste du piston est constitué en tout ou partie par un matériau constitué par l'association d'une charge de renforcement avec une résine polyimide. 2) Piston composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge de renforcement comprend une matière formée de fibres longues, de nature minérale ou organique, dont la longueur des fibres peut varier entre quelques centimètres et plusieurs mètres. 3) Piston composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que la matière formée de fibres longues est choisie dans le groupe constitué par : les fibres simples longues de verre, de carbone, d'amiante, de céramique ; les tissus et les non-tissés de fibres longues de verre, de fibres longues d'amiante, de fibres longues synthétiques. 4) Piston composite selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caractérisé en ce que la charge de renforcement comprend en outre une matière formée de grains d'une substance solide dont la grosseur est comprise en général entre 0,1 et 50 microns et/ou de fibres courtes, de nature minérale ou organique, dont la longueur des fibres n'excede pas en général 10 millimètres. 5) Piston composite selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matiere de type granulaire est choisie dans le groupe constitué par : les particules de graphite, de mica, de sulfure de molybdène, d'alumine, de silice, de polytétrafluoroéthylène et les microbilles de verre ; et que la matière formée de fibres courtes est choisie dans le groupe constitué par : les fibres simples courtes de verre, de carbone, d'amiante et de céramique. 6) Piston composite selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que la proportion pondérale de charge de renforcement, par rapport à l'ensemble charge de renforcement + résine polyimide, est généralement comprise entre 50 X et 90 %. 7) Piston composite selon l'une quelconque des renvendications 4 et 5, caractérisé en ce que la proportion pondérale de matière a base de grains et/ou de fibres courtes, par rapport a l'ensemble grains et/ou fibres courtes + fibres longues constituant la charge de renforcement, représente au plus 50 %. 8) Piston composite selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caractérisé en ce que la résine polyimide est obtenue par réaction d'un N,N'-bis-imide d'acide dicarboxylique non saturé et d'une polyamine primaire. 9) Piston composite selon l'une quelconque des revendications 1 a 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments principaux qui sont une tête monobloc en métal ou alliage léger ou en céramique, et une jupe en matériau polyimide. 10) Piston composite selon la revendication 9, caractérisé en ce que la tete et la jupe sont assemblées par un système de nervures et de rainures situées au niveau du troisème segment, ces nervures et ces rainures coopérant de façon telle que, la jupe et la tête étant assemblées, une coupe du piston par un plan comprenant l'axe du piston et l'axe du pied de bielle fasse apparaître entre ces pièces un assemblage comprenant des contre-dépouilles.