Brevet FR2525281A1 — publié le 19831021

L'invention se rapporte un piston pour moteurs à combustion interne muni d'une garniture qui recouvre ses parties de paroi proches de la chambre de combustion, qui est faite d'une matière à haute résistance à la température, notamment de céramique, et qui est assemblée au corps principal du piston par des liaisons agissant par conjugaison de forces et de formes. La recherche d'une meilleure rentabilité pour les moteurs à combustion interne a conduit, entre autres, à envisager d'isoler thermiquement des surfaces aussi grandes que possible des parties de paroi de piston qui sont proches de la chambre de combustion au moyen d'élments rapportés ou garnitures, notamment en céramique. Diverses propositions concrètes ont éte faites pour la réalisation de ce principe. Suivant une proposition de solution, la garniture de céramique est fixée au corps principal du piston au moyen d'un filetage. Ceci peut s'effectuer directement, par le fait que la garniture est réalisée sous une forme sensiblement annulaire et présente sur sa sur- face périphérique un filetage extérieur que l3on visse dans un filetage intérieur de la cuvette de chambre de combustion du piston (brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 2 870 754). Toutefois, le vissage de la garniture sur le corps principal peut également être réalisé indirectement, par le fait qu'un autre élément est fixé au corps principal du piston par vissage et que la garniture est retenue par conjugaison de formes par cet élément (demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DE-OS 27 36 815).Une fixation comparable, par conjugaison de formes, de la garniture sur le corps principal du piston, peut également être obtenue par le fait que 1'é- lément qui fixe la garniture avec le corps principal du piston est soudée au corps principal du piston ou à un autre élément du piston (également dans la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DE-OS 27 36 815). Toutefois, étant donné que les pistons subissent de grandes forces dynamiques, les solutions de fixation par vissage ou serrage qui ont été énumérées ci-dessus comportent le risque de voir les garnituresprendres rapidement du jeu. Pour tenir compte de ce risque, on a déjà tenté de fixer la garniture, non pas seulement par conjugaison de formes mais également par conjugaison de forces entre l'élément servant à la fixation et le corps de base du piston. A cet effet, on a prévu des dispositifs à ressort qui pressent la garniture sur le corps principal du piston avec précontrainte (également dans la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DE-OS 27 36 815). Toutefois, même avec une forte précontrainte, il n'est pas possible de compenser dans tous les cas l'effet de la grande dilatation thermique du corps du piston par rapport à la garniture. Selon une autre proportion de solution du type cité en préambule, la garniture est fixée au corps principal du piston par des liaisons agissant par conjugaison de forces et de formes (également dans la demande de brevet de la République Fédérale d'Allemagne DE-OS 27 36 815). La liaison par conjugaison de forces est réalisée par le fait que, par chauffage du corps principal du piston et refroidissement consécutif de ce corps, on obtient un assemblage fretté entre le corps principal du piston et la garniture La liaison par conjugaison de formes additionnelle est obtenue par une formation à contre dépouille de la garniture et une configuration correspondante de la partie de paroi du corps principal du piston qui entoure la garniture, ou de 11 élément du piston qui est relié au corps principal du piston et qui entoure la garniture. Toutefois, dans la solution indiquée en dernier lieu, la garniture présente une épaisseur de paroi relativement grande, tandis que, au contraire, les parties de paroi du corps principal du piston ou de l'élément évoqué qui entourent la garniture présentent une faible épaisseur de paroi. I1 en résulte que, la précontrainte qu'on cherche à obtenir par l'assemblage fretté entre le corps principal du piston et la garniture n'est que faible, de sorte que, à la température de travail du piston et en présence de la forte dilatation thermique de la matière du corps principal du piston qui se produit dans ces circonstances, la précontrainte est tellement réduite que la garniture n'est plus fixée suffisamment fortement au corps principal du piston.Par ailleurs, en raison de l'épaisseur de paroi relativement grande de la garniture, il se produit dans la garniture elle-même de fortes contraintes thermiques et dilatations thermiques, qui entraînent une fissuration ou une rupture de la garniture céramique. Ces deux effets peuvent entraîner la défaillance du piston et, en conséquence, la destruction du moteur à combustion interne équipé de ce piston. Le but de l'invention est donc de perfectionner un piston muni d'une garniture, en particulier en céramique, de manière que, avec une construction simple, et même en présence de fortes contraintes dynamiques et thermiques, non seulement la garniture soit et reste fixée fiablement au corps principal.du piston mais que, par ailleurs, la garniture elle-même ne soit pas détériorée de sorte que, au total, le piston se distingue par une longue durée de tenue même dans des conditions extrêmes. Ce problème est résolu, dans le cas d'un piston du genre en question, par le fait que la garniture est réalisée en plusieurs parties et que l'épaisseur de paroi des parties de la garniture est pour l'essentiel plus petite que celle des parties de parois du corps principal du piston qui entourent en substance la garniture. Grâce à la constitution de la garniture du piston selon l'invention en plusieurs parties, les tensions thermiques et dilatations thermiques qui se manifestent dans les différentes parties de la garniture sont plus faibles que dans le cas d'une garniture en une seule pièce de sorte que, dans le piston selon l'invention, la garniture est moins sollicitée et que, de cette façon, elle possède une pin longuedurée de vie. La constitution de la garniture du piston selon l'invention en plusieurs parties permet en outre de donner aux parties de la garniture, du moins sur les plus grandes parties de sa surface, une épaisseur de parqi inférieure à celle des parties de parois du corps principal du piston qui entourent en substance la garniture.On obtient de cette façon que, pendant le processus de fabrication du piston, les parties à paroi relativement mince de la garniture sont entourées d'une zone à paroi relativement épaisse de la matière du piston, de sorte que les parties de la garniture sont très bien ancrées. On obtient de cette façon un excellent assemblage, à la fois par conjugaison de forces et par conjugaison de formes, entre la garniture, ou ses différentes parties, et le piston. Selon une forme préférée de réalisation de l'invention, la garniture est divisée le long d'au moins une ligne de division. De cette façon, la garniture est composée d'au moins une partie circulaire et d'au moins une partie annulaire qui entoure la première. Les deux parties peuvent être encastrées dans le corps principal du piston et fixées fiablement dans ce corps, par des contre dépouilles ou équivalents, à la fois par conjugaison de formes et par conjugaison de forces. Dans cet exemples de réalisation, il est à recommander de donner, à la partie par exemple circulaire de la garniture, qui recouvre sensiblement le fond de la cuvette de chambre de combustion, une plus forte épaisseur de paroi qu'à l'élément annulaire de la garniture, qui isole la surface périphérique de la cuvette de combustion.De cette façon, l'épaisseur de paroi des parties de la garniture peut être adaptée de façon appropriée aux différentes sollicitations thermiques de ces parties. Avec cette construction, on obtient, avec une faible consommation de matière céramique, une isolation thermique optimale des parties de paroi du piston qui sont proches de la chambre de combustion. Selon une autre caractéristique avantageuse, la ligne de division de la garniture est réalisée, entre les parties de cette garniture, sous la forme d'une amorce de rupture. Ceci signifie que la garniture est montée dans le corps principal du piston en une seule pièce. Toutefois, pendant le fonctionnement du piston, l'amorce de rupture peut se briser, de sorte qu'on est ensuite en présence d'une garniture en plusieurs parties, ce qui apporte les avantages techniques décrits plus haut. Dans un procède possible de fabrication du piston selon l'invention, il est avantageux que, dans l'état brut, les parties de la garniture soient assem blées partiellement ou totalement par des collages. Ceci assure la simplicité de la manipulation de la garniture et, de cette façon, la simplicité du montage de la garnature dans le piston en ce qui concerne la technique de fabrication. Les collages peuvent être décollés avant ou pendant le fonctionnement du psiton. Toutefois, il est également possible d'utiliser une colle thermoplastique de sorte que les parties de la garniture sont ou restent certes assemblés entre eux mais qu'il existe une possibilité suffisante de déplacement réciproque des parties de la garniture. Selon un autre procédé de àbrieation possi- ble du piston selon l'invention, la garniture est en une seule pièce à l'état brut et la ligne de division entre les parties de la garniture est constituée par une ou plusieurs entailles, le long de laquelle0 desquelles les parties se séparent lors de l'usinage de finition. De cette façon, on peut également travailler avec une garniture en une seule pièce lors de la fabrication du piston, pour simplifier le travail. La garniture est composée de céramiques appropriées à haute résistance à la température. Parmi un grand nombre de céramiques possibles, le titanate d'aluminium, le nitrure de silicium, le carbure de silicium et différentes sortes de céramiques vitreuses sont celles qui répondent le mieux aux exigences. La garniture peut être fabriquée par enduction de barbotine, par coulée, par compression à chaud, par frittage ou par des procédés équivalents. Le piston ou le corps principal du piston lui-même est de préférence fait de métal léger, en particulier d'aluminium ou d'alliages d'aluminium. I1 est fabriqué par fonderie, la garniture étant fixée en même temps par la coulée. Des exemples de réalisation du piston selon l'invention seront décrits dans la suite avec plus de détails en regard des dessins. Sur ces dessins, La Figure 1 est une coupe axiale d'un premier exemple de réalisation du piston selon l'invention, La Figure 2 est une coupe axiale d'un deu xième exemple de réalisation selon l'invention, dans lequel la garniture présente une amorce de rupture, La Figure 3 est une coupe axiale d'un troisième exemple de réalisation du piston selon l'invention, dans lequel les parties de la garniture sont partiellement ou totalement collées l'une à l'autre dans la garniture brute, et ta Figure 4 est une coupe axiale d'un quatrième exemple de réalisation du piston selon l'invention, dans lequel la garniture est d'une seule pièce à l'état brut, et la ligne de division entre les parties de cette garniture est déterminée par une entaille le long de laquelle ces parties de la garniture sont séparées lors de l'usinage de finition. Les éléments du piston qui sont analogues du piston sur les différentes figures sont désignés par les mêmes numéros de référence. Dans cette numérotation, le corps principal du piston est désigné dans son ensemble par la référence 10 et la garniture est désignée dans son ensemble par la référence 20. Dans l'exemple de réalisation selon la Figure 1, comme également dans les autres formes de réalisation, la garniture 20 en céramique est composée de deux parties 21 et 22. La partie 21 de la garniture 20 est de configuration sensiblement circulaire et recouvre le fond de la cuvette de chambre de combustion, désignée dans son ensemble par la référence 30. La partie 22 est de configuration sensiblement annulaire; elle entoure la partie 21 et recouvre la paroi périphérique de la cuvette de chambre de combustion 30. Les deux parties 21 et 22 de la garniture 20 sont séparées par une ligne de joint ou de division 23 qui est représentée par un cercle centré sur l'axe du piston. La partie 22en particulier présente une épaisseur de paroi 24 qui est plus faible que l'épais- seur de paroi il de la partie de paroi du corps principal 10 du piston, qui entoure cette partie de la garniture 20. La partie 21 de la garniture 20 présente uniquement dans sa région centrale une épaisseur de paroi plus forte, pour conférer sa forme habituelle à la cuvette 30 de chambre de combustion. La partie 21 et également la partie 22 de la garniture 20 présentent des contre dépouilles 25 et 26 de sorte qu'on obtient un montage de la garniture 20, ou de ses parties 21 et 22, dans le corps principal 10 du piston avec assemblage par conjugaison de formes.En outre, on obtient uné fixation de la garniture 20 dans le corps principal 10 du piston par conjugaison de forces grâce au fait que la partie principale du piston est frettée sur la garniture 20. Ceci est obtenu soit par fixation de la garniture par coulée lors de la fabrication du piston, soit par un traitement thermique ultérieur approprié. De cette fa çon, la garniture 20, ou les parties 21 et 22 de cette garniture, sont fixées de façon faible même en présence de fortes sollicitations dynamiques et thermiques du piston. Dans l'exemple de réalisation selon la Figure 2, la ligne de séparation 27 entre les deux parties 21 et 22 de la garniture est réalisée sous la forme d'une amorce de rupture. La garniture 20 est montée sur le corps principal 10 du piston en une seule pièce. Avant ou pendant le fonctionnement, les deux parties 21 et 22 se séparent le long de l'amorce de rupture 27 de sorte qu'on obtient une garniture 20 en deux pièces. Dans l'exemple de réalisation selon la Figure 3, les deux parties 21 et 22 sont collées l'une à l'autre le long de la ligne de division 22, sur une partie ou sur toute l'étendue de cette ligne, par une colle appropriée. Le collage le long de la ligne de division 28 peut être supprimé par le fait qu, comme on l'a indiqué par une ligne tiretée, lors de la finition du piston et de la garniture, on enlèVe une quantité de matière appropriée sur cette garniture. Dans l'exemple de réalisation selon la Figure 4, la garniture 20 est également en une seule pièce à l'état brut. La ligne de division entre les deux parties 21 et 22 est prédéterminée par une entaille 29. Lors de la finition, et ainsi qu'on l'a indiqué par la ligne tiretée, les deux parties 21 et 22 sont séparées le long de l'entaille 29. REVENDICATIONS 1.- Piston pour moteur à combustion interne, comprenant une garniture qui recouvre les parties de la paroi de ce piston qui sont proches de la chambre de combustion, qui est faite d'une matière à hauté résistance à la température, notamment -d'une céramique, et qui est assemblée au corps principal du piston par des liaisons agissant par action de force et par sûreté de forme, ce piston étant caractérisé en ce que la garniture (20) est réalisée en plusieurs parties (21, 22) et que l'épaisseur de paroi (24) des parties (par exemple 22) de la garniture est pour l'essentiel plus faible que celle des parties de paroi (ll) de la partie principale (10) du piston qui entourent en substance la garniture (20). 2.- Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la garniture (20) est divisée le long d'au moins une ligne de division (23 ; 27 ; 28 ; 29) qui est représentée, par exemple par un cercle. 3.- Piston selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la ligne de division (27) de la garniture (20) est réalisée sous la forme d'une amorce de rupture (Figure 2). 4.- Procédé de fabrication du piston selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les parties de la garniture à l'état brut sont assemblées partiellement ou totalement par des collages (Figure 3). 5.- Procédé de fabrication d'un piston selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, à l'état brut, la garniture est en une seule pièce et que la ligne de division entre les parties de cette garniture est prédéterminée par des entailles le long desquelles les parties de la garniture se séparent lors de l'opération de finition (Figure 4).