Brevet FR2523215A1 — publié le 19830916

L'invention concerne les segments de pistons, et plus particulièrement un segment annulaire et fendu de piston portant un revêtement ou une couche résistant à l'usure sur sa surface d'appui, et un joint d'étanchéité du type à recouvrement à sa césure. On sait jusqu'à présent que des segments annu- laires fendus portant un revêtement d'usure sur leur couche radiale extérieure peuvent être utilisés avanta- geusement comme segments supérieurs ou segments de com- pression sur un piston de moteur à combustion interne à pistons alternatifs Des exemples de tels segments sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 3 133 739 et N' 2 266 692 Tl est également apparu souhaitable de réaliser des joints à recouvrement à la césure de segments de compression de piston afin d'amé- liorer l'étanchéité de cette césure avec, pour résultat, une diminution des fuites des gaz de combustion Des exemples de tels types de joints d'étanchéité sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique No 615 902. Cependant, il est apparu que les joints de césure du type à recouvrement proposés jusqu'à présent pour assurer une étanchéité efficace ne peuvent être utilisés avec des segments à revêtement d'usure de conception classique sans risque d'écaillement et de détérioration du revête- ment d'usure dans la zone du joint pendant la fabrication du segment Il a été proposé de ne pasrevêtir la zone du joint, mais il en résulte un manque d'efficacité de l'étanchéité et une détérioration du moteur. L'invention a donc pour objet un segment annu- laire fendu perfectionné de piston qui associe les caractéristiques avantageuses des segments de piston à revêtement d'usure aux caractéristiques perfectionnées d'étanchéité aux fuites des joints du type à chevauche- ment, segment dans lequel le revêtement d'usure s'étend sur toute la circonférence de la surface d'appui dudit segment. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement 2215 limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue de dessus d'un segment de piston réalisé conformément à l'invention la figure 2 est une coupe verticale partielle suivant la ligne 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une coupe verticale partielle d'un détail du segment de la figure 2, mais représentée à échelle encore plus agrandie la figure 4 est une coupe verticale partielle dans la direction de la flèche A de la figure 1; la figure 5 est une coupe verticale partielle suivant la ligne 5-5 de la figure 1; la figure 6 est une vue partielle de dessus montrant les extrémités séparées du segment à l'état libre, l'écartement étant représenté de façon exagérée; la figure 7 est une vue partielle de dessous analogue à celle de la figure 6; la figure 8 est une vue partielle en perspective des extrémités séparées de la surface supérieure du segment la figure 9 est une vue partielle en perspective montrant les extrémités séparées de la surface inférieure du segment; et la figure 10 est une coupe partielle, analogue à celle de la figure 3, d'une partie d'une autre forme de réalisation du segment de piston selon l'invention. La figure 1 représente le segment 20 de piston selon l'invention dans une forme préférée de réalisation indiquée à titre d'exemple, ce segment étant destiné à être utilisé comme segment supérieur de compression dans un moteur Diesel Ainsi qu'il ressort d'une comparaison des figures 1 à 4, le segment 20 est du type présentant une surface périphérique extérieure bombée 22, c'est-à- dire que la surface périphérique extérieure 22 du segment présente une courbure uniforme de rayon R (figure 2) La configuration, en coupe, du segment 20 est du type en clé de voûte, c'est-à-dire que les côtés supérieur et inférieur 24 et 26, respectivement, du segment 20 sont inclinés de manière à converger l'un vers l'autre et vers l'intérieur du segment La périphérie intérieure 31 du segment 20 s'étend parallèlement à son axe. Ainsi qu'on peut mieux le voir sur les figures 3 et 4, la face extérieure 22 du segment présente une gorge circonférentielle définie par une surface 32 de fond et des surfaces de bords supérieur et inférieur 34 et 36, respectivement Cette gorge est remplie, par des techni- ques connues, par exemple par pulvérisation de plasma, d'une matière dure, résistant à l'usure, par exemple du chrome, afin de former une bande 38 entourant circonfé- rentiellement la face extérieure du segment 20 Le corps du segment 20 est réalisé par des procédés classiques, par exemple par coulée centrifuge, et il est constitué d'un métal ferreux tel que de la fonte à graphite sphérol- dal ou de l'acier. Conformément à une forme de réalisation de l'in- vention, la bande 38 d'usure est décalée axialement du segment 20 de façon que son centre soit disposé légère- ment au-dessous d'un plan central P du segment (figures 2 et 3) afin de former des rebords ferreux supérieur et inférieur 40 et 42, respectivement (figures:3 et 4) de largeur inégale (mesurée axialement au segment 20) Le rayon R est centré sur le plan B Il est apparu que le rebord supérieur 40 et le rebord inférieur 42 sont suf- fisaidment étroits, dans une telle forme de réalisation, pour minimiser toute tendance au frottement entre les rebords et l'alésage du cylindre d'un moteur associé (non représenté) La face bombée précitée 22 réduit en outre tout frottement en plaçant les rebords 40 et 42 à une certaine distance de la paroi du cylindre leur fai- sant face (non représentée). Conformément à une autre caractéristique de la présente invention, le segment 20 comporte un joint à recouvrement du type oblique à la césure du segment, afin de réduire les fuites provoquant une ventilation du carter du moteur La conception du joint est une forme modifiée du type globalement représenté sur les figures 6 et 7 du brevet N O 615 902 précité Ainsi qu'on peut mieux le voir sur les figures 6 à 9, l'une des extrémités sectionnées du segment 20 comporte une languette 50 qui dépasse cir- conférentiellement d'une face extrême 51 s'étendant radialement et axialement, en direction de l'autre extré- mité du segment L'autre extrémité sectionnée du segment présente un évidement 54 (figure 8) de réception de la languette, incliné de façon complémentaire Lorsque le segment 20 est comprimé à son diamètre de travail, par exemple lorsqu'il est placé en position de travail dans la gorge correspondante destinée au segment supé- rieur de compression d'un piston et que ce dernier est monté dans l'alésage du cylindre associé d'un moteur, la languette 50 s'étend audessus et glisse sur l'extrémité sectionnée opposée et évidée 54 du segment 20 Les figures 1, 4 et 5 représentent ce chevauchement normal correspon- dant à la position de travail. La figure 10 représente une autre forme préférée de réalisation du segment de piston selon l'invention, ce segment étant indiqué en 90 Le segment 90 est du type présentant une surface périphérique extérieure bombée 91 ayant une courbure uniforme de rayon R' (figure 10) qui, à la différence de la face 22 du segment 20 montré sur la figure 3 dont le rayon de courbure R est centré sur le plan P, n'est pas centré sur un plan central P' du segment 90 Dans ce dernier, une bande d'usure 92 en matière résis- tant à l'usure est décalée axialement du plan central P'; son axe central compris dans un plan C est disposé légère- ment au-dessous du plan central afin que le rayon de cour- bure R' soit centré sur le plan C Le diamètre extérieur maximal du segment 90 tombe donc sur le centre, considéré axialement au segment 90, de la bande d'usure 92 Des rebords 93 et 94 en fonte, formant les limites supérieure et inférieure, respectivement, de la bande 91, sont réali- sés à des largeurs inégales (mesurées axialement au segment 90) et, par exemple, ils ont des dimensions sensiblement égales à celles indiquées précédemment pour le segment 20 montré sur la figure 3 De même, les côtés supérieur et inférieur 95 et 96, respectivement, et toutes les autres 5. caractéristiques du segment 90 sont sensiblement identi- ques à ceux du segment 20 tel que décrit précédemment et comme décrit également ci-après Il est apparu qu'une forme préférée de réalisation du segment de piston selon l'invention, présentant une face bombée décalée, comme c'est le cas du segment 90, est particulièrement avanta- geuse pour réduire les fuites de gaz de combustion pro- duisant ce qui est appelé la ventilation de carter, en service, et peut également présenter, de façon inattendue, une bonne résistance à l'usure, car cette caractéristique tend à assurer constamment le maintien en contact de la bande en matière résistant à l'usure avec la paroi du cylindre du moteur. Si l'on se réfère de nouveau à la figure 9, on peut voir que le joint oblique d'étanchéité du segment 20 peut être réalisé par une opération classique de fraisage qui enlève par coupe la matière de l'extrémité du segment pour former la languette 50, la coupe de fraisage produi- sant en même temps la surface supérieure inclinée 52 de la languette 50 et la surface extrême 51 s'étendant radia- lement et axialement L'extrémité supérieure de la surface 52 aboutit à un bord circonférentiel 56 qui est situé à peu près au milieu du rebord supérieur 40 de l'extrémité du segment comportant la languette L'extrémité inférieure et intérieure de la surface inclinée 52 aboutit à un bord 58 s'étendant circonférentiellement au segment, à proximité, mais radiaiement à l'extérieur du bord intérieur 60 de la surface périphérique intérieure 31 du segment La bande 38 résistant à l'usure s'étend en totalité jusqu'au bord extérieur 62, s'étendant axialement, de la languette 50, et la face extrême 64 de cette languette 50 est située dans un plan radial parallèle à l'axe du segment 20. L'évidement 54 ménagé dans l'autre extrémité sectionnée du segment 20 peut être formé de la même manière par une opération de fraisage permettant de produire une surface inclinée 70 et une face latérale associée 72 de l'évidement 54 (figure 8) Le bord supérieur extérieur 74 de la surface 70, de même que le bord 56, s'étendent cir- conférentiellement au milieu du rebord supérieur 40 (figure 8) Le bord inférieur 76, situé radialement vers l'inté- rieur, de la surface 70 s'étend également circonférentielle- ment au segment 20 et il est disposé de façon à peu près contigu au bord 58, ayant la même étendue que ce dernier, dans la position de recouvrement du joint du segment (figure ) La face extrême 78 (figures 6- 8) de l'extrémité évidée du segment s'étend essentiellement parallèlement à la face 51 à laquelle elle est juxtaposée lorsque le segment 20 se présente dans la position de travail dans laquelle ses extrémités se recouvrent. La présence du rebord supérieur 40, de plus grande largeur, du segment 20, bord coupé par le joint d'étanchéité oblique, à la surface périphérique extérieure du segment 20, à l'emplacement des bords 56 et 74 (figure 8), laisse subsister un prolongement 40 a du rebord supé- rieur, s'étendant le long de la languette 50 à partir du bord extérieur de la face 51, jusqu'à la face extrême 64 (figure 7), et un prolongement 40 b du rebord supérieur s'étendant le long de la périphérie extérieure de l'extré- mité évidée du segment, entre les faces 72 et 78 De pré- férence, le prolongement 40 a du rebord présente une dimen- sion axiale comprise sensiblement entre une et deux fois la dimension axiale du prolongement 40 b du rebord Il est également préférable que le prolongement 40 b du rebord (figure 8) soit au moins égal ou légèrement supérieur, en dimension axiale, au rebord inférieur 42 du segment 20. Les surfaces 52 et 70 (figures 5, 8 et 9) s'étendent dans des plans formant un angle aigu avec le plan P et orientés essentiellement en diagonale par rapport à la section du corps du segment. Lors de la fabrication du segment 20, après que le joint d'étanchéité oblique a été fraisé dans les extré- mités sectionnées du segment, plusieurs de ces segments sont montés sur un arbre et revêtus, par pulvérisation de plasma, de la matière dure, résistant à l'usure Les sur- faces revêtues par pulvérisation sont ensuite rectifiées pour mettre à découvert les rebords 40 et 42 séparés par la bande 38 Les bords 74 et 56 des prolongements 40 a et b sont ensuite placés à l'extérieur de la partie de la surface du segment remplie de métal pulvérisé Ainsi, lors- qu'une force d'expansion est appliquée aux segments revêtus par pulvérisation afin d'en écarter les extrémités, la seule zone dans laquelle il risque de se produire un écaillement de la bande 38 de résistance à l'usure est située à proxi- mité des bords 62 et 80 L'effet de cet écaillement le long des bords axiaux 62 et 80 est minimisé ou éliminé lors d'une opération suivante de rectification de la césure. Ceci est rendu possible par les tolérances dimensionnelles relativement grandes que l'on peut admettre pour les dimen- sions de la césure libre, ce qui permet, par suite, d'enle- ver du métal des surfaces 64 et 72 (et des bords 62 et 80 du revêtement) sans dépasser les tolérances de la césure. Lors d'essais antérieurs visant à utiliser un joint d'étan- chéité oblique à recouvrement dans des segments à revête- ment d'usure dont les bords 56 et 74 étaient disposés à l'intérieur du métal dur de revêtement, il était impossible d'usiner les surfaces obliques 70 et 52, pour éliminer l'écaillement, tout en maintenant des conditions de jeu minimal entre les surfaces 52 et 70 pour limiter la fuite des gaz par la césure du joint à recouvrement En général, dans les segments mentionnés ci-dessus à titre d'exemple, le jeu entie ces surfaces se chevauchant est maintenu dans les limites de 0,03 à 0,13 mm. Il convient de noter que le joint du type oblique assure efficacement l'étanchéité dans un sens orienté du côté supérieur du segment vers le c 8 té inférieur, le côté supérieur étant normalement repéré par la lettre "H" et par un "trait d'usinage" 84 (figure 6) afin d'être orienté, lors de l'assemblage, vers la zone de combustion du cylin- dre Ainsi, le côté supérieur du segment 20 étant tourné vers le haut, en direction du sommet du piston, l'étanchéité assurée par le joint du segment est dans le sens de haut en bas Il convient également de noter que le rebord supérieur est de préférence réalisé à une plus grande largeur que le rebord inférieur 42 afin de permettre au joint oblique d'étanchéité de mordre dans le rebord 40, tout en laissant des prolongements 40 a et 40 b de ce rebord d'une largeur suffisante pour assurer la solidité des bords Néanmoins et bien que cela ne soit pas actuellement préféré, le rebord inférieur 42 peut être réalisé à une largeur égale à celle du rebord supérieur 40, dans des circonstances appropriées Bien que l'invention ait été décrite dans son application à des segments chargés de chrome, les principes de l'invention peuvent également être appliqués à des segments portant d'autres matières résistant à l'usure qui remplissent la gorge, par exemple du molybdène, des céramiques, de l'oxyde d'aluminium, des oxydes de chrome, du carbure de chrome ou du carbure de titane. Dans la description qui précède, les termes 'haut", "bas", "supérieur" et "inférieur" sont utilisés à titre indicatif et non limitatif, en référence à l'orien- tation préférée et indiquée précédemment du segment par rapport au piston associé, dans une application o le piston exécute un-mouvement alternatif vertical et le segment est utilisé comme joint supérieur ou joint de compression. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au segment de piston décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Segment de piston, caractérisé en ce qu'il comprend un corps métallique annulaire fendu comportant des parois latérales axiales ( 24, 26) lui permettant de se loger dans une gorge pour segment, et une surface péri- phérique extérieure ( 22) qui présente, sur toute sa cir- conférence, une gorge délimitée en partie par des rebords ( 40, 42) espacés axialement et situés sur cette surface périphérique, une bande ( 38) de matière résistant à l'usure, logée dans la gorge, étant destinée à établir un contact étanche avec une paroi de cylindre, les rebords étant, respectivement, adjacents à des bords axiaux opposés de la bande, un joint à recouvrement étant formé aux extré- mités sectionnées du segment et comprenant des surfaces planes opposées ( 52, 70) qui s'étendent sensiblement en diagonale par rapport au corps du segment, ces surfaces étant inclinées de façon à former un angle aigu avec le plan du segment et lesdites surfaces aboutissant à ladite surface périphérique extérieure, dans l'un ( 40) des rebords. 2 Segment de piston selon la revendication 1, destiné à être utilisé comme segment de compression sur un piston dans un moteur à pistons à mouvement alternatif, caractérisé en ce qu'il présente des repères (H, 84) des- tinés à indiquer l'orientation dans laquelle le segment est posé dans une gorge de piston afin que ledit rebord ( 40) soit orienté vers la zone de combustion du cylindre. 3 Segment de piston selon la revendication 2, caractérise en ce que les surfaces planes du joint aboutis- sent à leurs extrémités radialement intérieures ( 58, 76), dans ladite paroi latérale éloignée dudit rebord ( 40). 4 Segment de piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que les surfaces du joint s'étendent circonférentiellement d'une paroi extrême associée ( 64, 78), définissant une première face radiale de la césure du segment, jusqu'à une autre paroi extrême associée ( 51, 72) définissant l'autre face radiale de la césure, ladite gorge s'étendant sur toute la circonférence de la surface périphérique et la bande présentant des bords extrêmes ( 62, ) orientés axialement et apparaissant à la césure. Segment de piston selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4, caractérisé en ce que la surface périphérique présente un contour bombé tel que le diamètre extérieur maximal du segment se trouve sur la surface exté- rieure d'usure de la bande métallique. 6 Segment de piston selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4, caractérisé en ce que l'un ( 40) des rebords est plus large que l'autre rebord ( 42). 7 Segment de piston selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 4, caractérisé en ce qu'il présente, en coupe, un profil en clé de voûte. 8 Segment de piston selon la revendication 5, caractérisé en ce que le centre de la dimension axiale de la bande est décalé du plan central (P) du corps du segment, vers la paroi latérale du segment la plus éloi- gnée dudit rebord ( 40). 9 Segment de piston destiné à un moteur à com- bustion interne à pistons à mouvement alternatif, carac- térisé en ce qu'il comporte un corps métallique annulaire fendu présentant une surface périphérique extérieure ( 22), une bande ( 38) de matière résistant à l'usure qui s'étend sur tout le pourtour de la surface périphérique extérieure et qui est destinée à réaliser un contact étanche avec une paroi de cylindre, cette bande ayant une dimension, dans la direction axiale du segment, inférieure à celle de la surface périphérique extérieure, et étant décalée axialement du plan dudit segment de manière que ladite surface périphérique extérieure comprenne des rebords ( 40, 42) de dimensions axiales inégales, réalisés d'une seule pièce avec le corps et disposés en totalité -sur le pour- tour des bords axialement opposés de la bande, les extré- mités sectionnées du segment formant un joint à recouvre- ment qui comprend des surfaces planes opposées ( 52, 70) s'étendant diagonalement à la section du segment et aboutis- sant à la surface périphérique extérieure, dans la zone du rebord ayant la plus grande dimension axiale. Segment de piston selon la revendication 8, caractérisé ence que la surface périphérique présente un profil bombé décalé tel que le diamètre extérieur maximal du segment tombe sur le centre de la dimension axiale de la bande.