Brevet FR2510661A1 — publié le 19830204

"Pistons de moteurs à combustion interne" La présente invention est relative à des pistons pour moteurs à combustion interne. Un piston traditionnel de moteur à combus- tion interne comprend une tête de piston, un alésage pour l'axe de ce piston et une jupe s'étendant tout autour de ce même piston La jupe n'assure pas d'ac- tion d'étanchéité vis-à-vis des gaz car cette action est assurée par les garnitures montées sur le piston. Cette jupe transmet, par contre, la poussée latérale sur le piston, qui est produite par une bielle durant le mouvement alternatif dans un cylindre ou une garni- ture de cylindre coopérant avec le piston. Bien qu'au cours des récentes années, on ait réduit le poids de ces pistons en utilisant de l'alumi- nium ou des alliages d'aluminium, ces pistons sont en- core relativement lourds et l'aire de la jupe qui est en contact avec le cylindre ou la garniture de cylindre est à l'origine d'une force de frottement considéra- ble qui doit être surmontée par le moteur, ce qui réduit la puissance de ce dernier On a fait diverses propositions pour réduire l'aire de la jupe mais, d'une façon générale, ces propositions n'ont pas atteint de succès commerciaux en raison de problèmes de lubrifica- tion et de rigidité de la jupe. Suivant un premier aspect de la présente in- vention, on prévoit un piston pour moteur à combustion interne, comprenant une tête de piston, un alésage pour axe de piston et, de part et d'autre du plan com- prenant l'axe de symétrie de l'axe de piston et l'axe de symétrie du piston lui-même, au moins deux surfaces d'appui, une surface d'appui ou un groupe de surfaces d'appui se situant au voisinage de l'extrémité de la tête de piston et étant espacé d'un intervalle axial et circonférentiel par rapport à la ou aux surfaces res- tantes en direction axiale, les surfaces d'appui étant disposées par rapport à un plan comprenant l'axe de sy- métrie du piston et perpendiculaire à l'axe de symé- trie de l'alésage de l'axe de piston, ces surfaces d'appui ne s'étendant que partiellement tout autour du piston. Suivant un second aspect de la présente in- vention, on prévoit un piston pour moteur à combustion interne, comprenant une tête de piston, une ceinture annulaire et, de part et d'autre d'un plan comprenant l'axe de symétrie de l'alésage de l'axe de piston et l'axe de symétrie du piston proprement dit, deux surfa- ces d'appui ou groupes de surfaces d'appui ne s'éten- dant que partiellement autour du piston de part et d'autre d'un plan comprenant l'axe de symétrie du piston et perpendiculaire à l'axe de symétrie dé l'alésage de l'axe de piston, une surface d'appui ou un groupe de surfaces d'appui étant supporté par la ceinture-annu- laire, tandis que l'autre-surface d'appui ou groupe de surfaces d'appui est espacé de la ceinture annulaire et est supporté par une ou des entretoises. Une description plus détaillée de deux formes de réalisation particulières de l'invention sera donnée ci-après, à titre d'exemple seulement, avec référence aux dessins annexés. La Figure 1 est une vue en élévation latérale d'une première forme de réalisation de piston suivant l'invention. La Figure 2 est une vue en coupe, prise suivant les lignes II-Il de la Figure 1. La Figure 3 est une vue en élévation latéra- le d'une variante de mise en oeuvre-de la première forme de réalisation suivant l'invention. La Figure 4 est une vue schématique prise de- puis le dessous du piston des Figures 1 et 2. La Figure 5 est une vue schématiqoe prise de- puis le dessous du piston de la Figure 3. La Figure 6 est une vue en coupe, prise sui- vant les lignes VI-VI de la Figure 1 ou de la Figure 3. La Figure 7 est une vue en élévation latéra- le d'une seconde forme de réalisation de piston-. La Figure 8 est une vue en coupe prise sui- vant les lignes VII-VII de la Figure 7. La Figure 9 est une vue en coupe prise sui- vant les lignes VIII-VIII de la Figure 7. Les Figures l OA et l OB sont des variantes de coupes prises suivant les lignes X-X de la Figure 7. Si on se réfère d'abord aux Figures 1, 2 et 4, la première forme de réalisation de piston 1 comprend une tête 2 entourée par une ceinture annulaire 3 destinée à recevoir les garnitures de piston (non représentées). Un seul moyeu 6 pour l'axe de piston est prévu, ce moyeu présentant un alésage pour cet axe (voir la Figure 2), traversant le piston. De part et d'autre d'un plan contenant l'axe de symétrie de l'alésage de l'axe de piston et l'axe de symétrie de ce piston, ce dernier comporte deux sur- faces d'appui 4, 5, espacées entre elles d'un inter- valle axial et circonférentiel La surface d'appui 4, formée par l'extrémité de la tête, pend depuis la cein- ture annulaire (voir la Figure 2), tandis que l'autre sur- face d'appui inférieure 5 est reliée au moyeu 6 de l'axe de piston par deux entretoises 7 (qui peuvent être conformées de la façon décrite ciaprès avec référence aux Figures l OA et l OB) La surface d'appui inférieure est ainsi montée en porte-à-faux par les entretoises 7 depuis le moyeu 6 de l'axe du piston et elle n'est pas autrement supportée Les surfaces d'appui 4, 5 sont disposées symétriquement par rapport à un plan compre- nant l'axe de symétrie du piston et perpendiculaire à l'axe de symétrie de l'axe du piston (c'est-à-dire le plan de la section de la Figure 2) et ne s'étendent que partiellement autour de la circonférence du piston. A titre d'exemple, ces surfaces d'appui peuvent s'éten- dre sur une distance allant jusqu'à 450 de part et d'au- tre de ce plan. Suivant une variante d'agencement(non illus- trée), les entretoises 7 peuvent supporter la surface d'appui 5 en plus de la surface d'appui 4. Les surfaces d'appui 4, 5 ont généralement la forme de segments de cylindre, le bord inférieur de la surface d'appui 4 formée par l'extrémité de la couronne et les deux bords circonférentiels de la surface d'appui inférieure 5 se situant dans des plans respectifs per- pendiculaires à l'axe de symétrie du piston Ces bords présentent des chanfreins 8. Une forme préférée de la surface d'appui infé- rieure 5 et des chanfreins associés 8 est illustrée par la Figure 6 d'une manière fortement agrandie La surfa- ce 5 est courbe dans les plans comprenant l'axe de sy- métrie du piston, avec une profondeur radiale maximale (x sur la Figure 6) de 0,02 mm par exemple Les chan- freins 8 sont plans dans des plans comprenant l'axe de symétrie du piston, la longueur des chanfreins étant de 1 mm lorsque ces chanfreins sont inclinés suivant un angle de 150 par rapport à la verticale, ou bien la lon- gueur des chanfreins est de 1 mm avec une profondeur radiale (y sur la Figure 6) de 0,04 mm Les chanfreins 8 peuvent toutefois être courbes et on comprendra que ces chanfreins et leur surface peuvent présenter n'impor- te quelle forme appropriée On comprendra également que le chanfrein 8 prévu sur le bord inférieur de la surface d'appui 4 existant à l'extrémité de la tête de piston peut avoir des dimensions semblables à celles de la forme préférée décrite ci-dessus. Lors de l'utilisation, les poussées latérales s'exerçant sur le piston sont transmises au cylindre ou à la garniture de cylindre 20 (Figure 6) par les surfaces d'appui 4, 5 La présence des chanfreins 8 assure une alimentation de lubrifiant sur les surfaces d'appui 4, 5 durant le déplacement de va-et-vient, par formation d'un passage de dimensions décroissantes me- nant à la surface associée Ceci chasse le lubrifiant sous pression sur les surfaces et assure ainsi une lu- brification hydrodynamique totale Dans la surface d'appui inférieure 5, lorsque celle-ci est courbe de la manière illustrée par la Figure 6, cette courbure aide également à assurer une lubrification appropriée Les dimensions réduites des surfaces d'appui 4, 5 et les fe- nêtres ainsi créées dans la jupe de piston réduisent le poids de celui-ci de sorte que les exigences en éner- gie sont également réduites En outre, les pertes par frottement lors du contact entre le piston et le cy- lindre ou garniture de cylindre associé sont diminuées _ du fait de l'aire réduite des surfaces d'appui, com- parativement à un piston traditionnel présentant une ju- pe continue Du fait que les surfaces sont convenable- ment lubrifiées, leur espacement peut être maintenu à une valeur maximale constante sans qu'il soit nécessaire d'augmenter l'aire aux centres de ces surfaces Ces me- sures réduisent le coût du piston et améliorent le com- portement d'un moteur comportant un tel piston. Si on se reporte maintenant aux Figures 3 et 5, la variante de piston illustrée est, d' une manière générale, semblable au piston des Figures 1, 2 et 4, de sorte que les parties communes aux Figures 3 et 5 et aux Figures 1, 2 et 4 ont reçu les mêmes numéros de ré- férence, mais avec un a dans le cas-des Figures 3 et 5, ces parties communes n'étant plus décrites en dé- tail Dans cette variante de réalisation, les surfaces d'appui 5 éloignées de la tête de piston 2 sont chacune remplacées par une paire de secteurs d'allure généra- le rectangulaire, espacés suivant la circonférence Au d'un seul moyeu 6 pour axe de piston, on a prévu deux moyeux 6 a espacés et chaque secteur 9 de chaque paire de secteurs est relié à un moyeu associé 6 a par une entretoise 7 a (qui peut être formée de la manière décrite par la suite avec référence aux Figures l OA et l OB) Les secteurs 9 présentent des chanfreins de la même manière que la surface d'appui 5 que l'on a dé- crite précédemment et ils peuvent présenter les di- mensions transversales décrites précédemment avec ré- férence à la Figure 6 Ces secteurs 9 sont en alignement axial. Une bague métallique 10, telle que représentée en trait interrompu sur la Figure 5, relie les quatre secteurs 9 entre eux et agit pour maîtriser la dilata- tion de ces secteurs 9 en direction radiale. Le piston des Figures 3 et 5 fonctionne es- sentiellement de la même manière que le piston des Fi- gures 1, 2 et 4, d'une façon générale avec les mêmes avantages Puisque, cependant, les secteurs 9 pré- sentent une aire inférieure à celle de la surface d'ap- pui 5, on aura ainsi une réduction supplémentaire à la fois du poids et du frottement avec les avantages qui en résultent. Si on se reporte aux Figures 7, 8 et 9, le second type de piston comprend une tête 12 entourée par une ceinture annulaire 13 présentant des nervures des- tinées à recevoir les garnitures de piston-(non repré- sentées) On a prévu un seul moyeu 16 pour l'axe de piston, ce moyeu présentant un alésage pour cet axe (voir la Figure 8). Le piston comporte, de part et d'autre d'un plan comprenant l'axe de symétrie de ce piston et l'axe de symétrie de l'alésage prévu pour l'axe de ce piston, une surface de poussée 14 à l'extrémité de la tête et une surface de poussée 15 éloignée de cette extrémité de la tête Les deux surfaces de poussée sont reliées par une partie formant jupe 14 a, comme on peut le voir particulièrement bien sur les Figures 7 et 8 La surfa- ce de poussée 15, éloignée de l'extrémité de la tête de piston, est reliée au moyeu de l'axe de piston par des entretoises 17 (voir la Figure 8), tandis que la surface de poussée 14 prévue à l'extrémité de la tête-de piston, est reliée à la ceinture annulaire 13. De la sorte, on a constitué un seul élément comportant une extrémité supérieure, qui est reliée à la ceinture annulaire 13,et dont l'extrémité inférieure est reliée au moyeu 16 de l'axe de piston, par l'in- termédiaire des entretoises 17 Les bords latéraux 18, s'étendant axialement, de l'élément composé ainsi for- mé créent des ouvertures menant à une cavité circon- férentielle S (voir la Figure 8) s'étendant entre cet élément composé et le reste du piston. Comme la surface d'appui inférieure dans cette forme de réalisation particulière et la ou-les surfa- ces inférieures 5, 9 des formes de réalisation des Figures 1 à 6 ne sont supportées que par des entretoises correspondantes 7, 17, ces entretoises sont fortement chargées Pour éviter toute possibilité quelconque de défaillance des entretoises, celles-ci peuvent pré- senter des flasques, de sorte qu'elles peuvent, par exemple, présenter la structure transversale en forme de T de la Figure l OA ou la section transversale en forme de croix de la Figure l OB. Les surfaces d'appui 14, 15 et la portion de jupe 14 a sont disposées de manière symétrique par rapport à un plan comprenant l'axe de symétrie du piston et perpendiculaire à l'axe de symétrie de l'alésage de l'axe de piston (c'est-à-dire le plan de la Figure 8) La surface d'appui 15, éloignée de la tête de piston, est d'une amplitude circonférentielle plus élevée que la jupe 14 a et que la surface d'appui 14 formée à l'extrémité de la tête de piston, qui sont d'une même étendue circonférentielle A titre d'exem- ple, les surfaces d'appui 15, se situant à l'écart de la tête de piston, peuvent présenter une étendue de courbure de 90 et leurs extrémités peuvent être es- pacées l'une de l'autre de 900 (voir la Figure 9). Lors de l'utilisation, le piston se déplace dans un cylindre ou une garniture de cylindre d'un mo- teur à combustion interne qui peut être un moteur diesel ou un moteur à cycle Otto,-ou encore un moteur à deux temps La poussée latérale est reprise sur les sur- faces d'appui 14, 15 Un chanfrein 18 prévu sur le bord inférieur de la surface d'appui 15 assure une cir- culation de lubrifiant vers et sur la surface, et ce chanfrein peut être de dimensions et d'un agencement tels que décrits précédemment avec référence à la Figure 6. Le piston des Figures 7, 8 et 9 présente les avantages de légèreté, de faible frottement et de faible colt, qui caractérisent les pistons des Figures 1 à 5. Les entretoises 17 maintiennent les surfaces d'appui 14, 15 rigidement en position sans qu'il soit nécessaire de prévoir d'autres connexions quelconques entre les bords latéraux et le moyeu de l'axe de piston. On comprendra que l'on peut prévoir plus de deux surfaces d'appui de part et d'autre du plan com- prenant les axes de symétrie du piston et de l'alésage de l'axe de piston A titre d'exemple, comme dans le cas des Figures 3 et 5, on peut prévoir trois surfa- ces de ce genre ou même quatre surfaces ou plus enco- re. REVENDICATIONS 1 Piston de moteur à combustion interne, comprenant une tête de piston et un alésage pour axe de piston, caractérisé en ce qu'il comporte, de part et d'autre d'un plan comprenant l'axe de symétrie de l'alésage susdit et l'axe de symétrie du piston, au moins deux surfaces d'appui, une surface d'appui ou un groupe de surfaces d'appui se situant au voisinage de l'extrémité de la tête du piston et étant espacé d'un intervalle axial et circonférentiel par rapport à la ou aux surfaces restantes en direction axiale, les surfa- ces d'appui étant disposées prtiappot à un plan compre- nant l'axe de symétrie du piston et perpendiculaire à l'axe de symétrie de l'alésage de l'axe de piston, et ne s'étendant que partiellement tout autour de ce piston. 2 Piston suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que chaque surface d'appui présente, d'une manière générale, la forme d'un segment de cylindre. 3 Piston suivant la revendication 2 ou 3, ca- ractérisé en ce qu'une seule surface d'appui est prévue à l'extrémité de la tête de piston et une seule autre surface d'appui est prévue, cette dernière surface se situant à l'écart de la surface d'appui prévue à l'ex- trémité de la tête de piston, suivant un intervalle dé- terminé. 4 Piston suivant l'une ou l'autre des revan- dications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une seule surface d'appui est prévue à l'extrémité de la tête de piston et deux autres surfaces d'appui sont prévues à l'écart l'une de l'autre dans la direction circonférentielle mais en se trouvant en alignement axial. Piston suivant la revendication 4, carac- térisé en ce que les deux surfaces restantes sont dis- posées symétriquement de part et d'autre d'un plan comprenant l'axe de symétrie du piston et perpendicu- laire à l'axe de symétrie de l'axe du piston. 6 Piston suivant la revendication 3 ou 4, ca- ractérisé en ce-que le-s deux surfaces d'appui restantes se situant d'un côté du plan contenant les axes de symétrie cl pistoh et de l'alésage de l'axe de piston et les deux surfaces restantes se situant de l'autre côté de ce plan sont connectées entre elles par une ceinture métal- lique s'étendant tout autour du piston. 7 Piston suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ou chaque surface restante comporte deux bords circonférentiels d'allure générale parallèle, et dans lequel au moins l'un de ces bords présente un chanfrein pour diriger du lubrifiant sur la surface susdite durant le déplacement de va-et-vient du piston. 8 Piston suivant la revendication 7, caracté- risé en ce que le ou chaque chanfrein est plan ou courbe dans des plans comprenant-l'axe de symétrie du piston. 9 Piston suivant la revendication 7 ou 8, ca- ractérisé en ce que la ou chaque surface restante est biseautée de Manière qu'une telle surface soit courbe dans des plans comprenant l'axe de symétrie du piston pour diriger le lubrifiant sur cette surface durant le déplacement de va-et-vient. Piston de moteur à combustion interne, comprenant une tête de piston et une ceinture annulaire, caractérisé en ce qu'il comporte, de-part et d'autre d'un plan comprenant l'axe de symétrie de l'alésage de l'axe du piston et l'axe de symétrie du piston, deux surfaces d'appui ou groupes de surfaces d'appui, ne s'étendant que partiellement tout autour du piston de part et d'autre d'un plan comprenant l'axe de symétrie d pi-ton etperpendiculaire à l'axe de symétrie de l'alésage claxe du piston, une surface d'appui ou un groupe de surfaces d'appui étant supporté par la ceinture annulaire, tan- dis que l'autre surface d'appui ou groupe de surfaces d'appui est espacé de cette ceinture annulaire et sup- porté par une ou des entretoises. 11 Piston suivant la revendication 10, carac- térisé en ce qu'on prévoit une seule surface d'appui reliée à la ceinture annulaire et pendant depuis celle- ci, umesee face d'appui étant prévue sur une ou des en- tretoises. 12 Piston suivant la revendication 10,-ca- ractérisé en ce que la surface d'appui formée par une ceinture annulaire et la surface d'appui reliée à l'en- trel-oise ou aux entretoises sont reliées entre elles par une portion formant jupe de piston pour constituer un seul élément d'allure générale partiellement cylindri- que, dont une extrémité est reliée à la ceinture annulai- re, tandis que l'autre extrémité est soutenue par une ou des entretoises, cetélément comportant des bords espacés dans le sens circonférentiel et s'étendant d'une façon gé- nérale dans la direction axiale,définissant des ouvertures menant à une cavité s'étendant circonférentiellement, existant entre l'élément susdit et le restant du piston. 13 Piston suivant l'une quelconque des re- vendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'un ou des moyeux forment l'alésage de l'axe de piston, l'entre- toise ou chaque entretoise étant reliée mr ine extrémi- té au moyeu d'axe de piston ou à un moyeu d'axe de piston. 14 Piston suivant la revendication 13, ca- ractérisé en ce qu'il comporte deux entretoises. Piston suivant l'une quelconque des reven- dicationsl O à 14, caractérisé en ce que la ou chaque entretoise présente une section transversale en forme de T ou en forme de croix et est coulée d'une pièce avec le reste du piston.