Brevet FR2562195A1 — publié le 19851004

I L'invention concerne un ensemble de piston pour maitre cylindre et/ou cylindre récepteur d'embrayages et/ou de freins de véhicules, comprenant un élément d'étanchéité, une tige de piston non guidée et un pis- ton oscillant guidé dans l'alésage du cylindre et muni d'une zone sphérique, la tige de piston étant reliée rigidement à cette zone sphérique et l'ensemble de piston pouvant, par son axe longitudinal, dévier d'un certain angle par rapport à l'axe central du cylindre. Dans l'hydraulique des freins et embrayages de véhicules, on utilise habituellement des ensembles de piston comprenant un élément d'étanchéité, un piston et une tige de piston, dont les pistons présentent un profil cylindrique et dont la surface latérale glissant dans l'alésage du cylindre guide l'ensemble de piston. Pour la transmission des forces et pour engendrer une force hydraulique, on utilise des goujons de pression ou des tiges de piston qui, lors de la course du piston, effectuent un mouvement de pivotement par rapport à l'axe central du cylindre. A cette fin, et dans l'état actuel de la technique, les goujons de pression ou les tiges de piston sont montés de façon articulée dans le piston (voir par exemple les demandes de brevet allemand DE-OS n 11 97 770 ou 29 34 218). Si donc le piston effectue une certaine course et la tige de piston un mouvement de pivotement par rapport à l'axe du cylindre, il se produit dans le piston, par le point de trans- mission, des forces radiales qui agissent sur la paroi du cylindre. Ces forces radiales dépendent de la force appliquée en direction axiale sur le piston et de la valeur de l'angle de pivotement. La conséquence désa- vantageuse en est un enlèvement unilatéral et prématuré de matière sur la paroi latérale du piston et sur la paroi du cylindre, ce qui conduit & une destruction prématurée des surfaces d'étanchéité et à la défaillance de l'élément d'étanchéité et finalement, de tout l'en- semble. Par le brevet suédois n 210 202, on connaît déjà des ensembles de piston pivotants d'une seule pièce avec un piston sphérique et des éléments d'étan- chéité façonnés sous forme sphérique. Ainsi, la fixa- tion mobile relativement coûteuse de la tige de piston est supprimée et l'ensemble de piston devient capable de pivoter. Toutefois, les forces latérales qui appa- raissent restent inchangées du fait que le plan d'é- tanchéité agit perpendiculairement & l'axe du cylin- dre. En outre, un ensemble de piston conçu de cette manière n'est ---connu que dans le cas de pompes à piston axial, mais non dans des ensembles de piston du genre indiqué au début. C'est pourquoi l'invention vise à fournir un ensemble de piston qui, étant soumis à une pression, n'exerce pas de forces latérales sur la paroi de l'a- lésage du cylindre, mOme si la tige de piston est in- clinée par rapport à l'axe du cylindre. Ce problème est résolu par le fait que la zone sphérique de l'ensemble de piston présente un plan de pivotement perpendiculaire A l'axe de la tige de piston et dans lequel, ou parallèlement auquel, sont disposés des éléments d'étanchéité qui forment un plan d'étan- chéité pouvant participer au pivotement. Selon un mode d'exécution avantageux, les éléments d'étanchéité sont disposés, par encastrement et/ou sous l'action d'une force, dans une gorge annulaire de l'ensemble de pis- ton. Selon un autre mode d'exécution avantageux, l'en- semble de piston et l'élément d'étanchéité sont d'une seule pièce, l'élément d'étanchéité en élastomère et la zone sphérique en élastomère étant vulcanisés sur la partie métallique du piston. Pour résoudre le problème posé, la tige de pis- ton qui transmet la force, est reliée rigidement au pis- ton portant l'élément d'étanchéité. Lors d'un mouvement de pivotement de la tige de piston d'un angle déterminé, le piston effectue également, dans l'alésage du cylindre, un mouvement de pivotement du même angle. Pour permettre ce mouvement de pivotement, le collet du piston, dans la région de contact avec la paroi du cylindre, est con- çu de telle sorte qu'un pivotement est possible. Le col- let est réalisé sous la forme d'une zone sphérique en forme de disque. Par suite, il s'établit entre la paroi du cylindre et la zone sphérique, pour la marge de pi- votement fixée par construction, une ligne de contact tournante dont le plan est toujours perpendiculaire à l'axe du cylindre. On évite tout coincement de l'en- semble de piston. La surface frontale de la zone sphé- rique, du c8té de la chambre de pression, est elle-m9me le collet de soutien de l'élément d'étanchéité qui, lors du pivotement ou lors d'une transmission oblique de force au moyen de la tige de piston, participe au pivotement, de sorte que le plan d'étanchéité de l'élé- ment d'étanchéité effectue le même mouvement relativement à la paroi du cylindre. Ainsi, le plan d'étanchéité prend, par rapport au plan transversal du cylindire, le même angle que la tige de piston par rapport à l'axe longitudinal du cylindre. Etant donné que la force hy- draulique agissant sur le plan d'étanchéité présente une composante dirigée perpendiculairement à la paroi du cylindre et qui est exactement aussi grande que la composante correspondante, agissant en sens opposées de le tige de piston placée obliquement, l'ensemble de piston est exempt de forces raidales. L'invention per- met de réaliser des surfaces de glissement de piston et de cylindre en matières de moindre dureté superfi- cielle, et même d'utiliser des élastomères, donc de di- minuer la qualité de la liaison par glissement des surfaces du piston et du cylindre. En outre, on obtient une réduction de la longueur et du poids du corps de cylindre, parce que les régions de guidage et les ré- gions porteuses du piston peuvent être très courtes. Une autre application avantageuses est offerte par la réalisation en une seule pièce des éléments d'étanchéité et de guidage, en élastomère que l'on vulcanise sur la partie métallique du piston. Grace à l'invention, on peut donc supprimer les liaisons articulées des tiges de piston pivotantes fi- xées dans le piston. Le grippage connu du piston cy- lindrique par les salissures et la corrosion, connu dans les cylindres récepteurs de freins à tambour, est diminué. Une autre application avantageuse de l'invention produit spécialement ses effets dans la coopération de cylindres en matière synthétique et de piston en ma- tière synthétique, car outre les avantages selon l'in- vention, il suffit de rendre indépendant de la tempé- rature le jeu du piston dans l'alésage du cylindre. On expliquera plus précisément l'invention en regard des figures parmi lesquelles: - la figure I montre une forme de réalisation de l'ensemble de piston selon l'invention; avec les forces qui sont théoriquement engendrées; - la figure 2 représente une forme de réalisation de cet ensemble de piston dans laquelle les plans d'é- tanchéité et de pivotement sont parallèles; - la figure 3 montre un tel ensemble de piston dans lequel le plan d'étanchéité est situé dans le plan de pivotement; - la figure 4 représente une réalisation en une seule pièce des éléments d'étanchéité et de guidage, sous la forme d'un assemblage élastomère-métal. Le modèle fonctionnel de la figure I montre un ensemble de piston I dévié, représenté schématiquement, dans l'alésage 2 d'un cylindre 3, l'ensemble étant dé- vié, par la tige de piston rigide 4 et le plan d'étan- chéité 6 de l'élément d'étanchéité 5, perpendiculaire a cette tige, de l'angle a. En outre, on a représenté les vecteurs des composantes de force avec leur sens d'action. Ce sont, en détail, la force FD appliquée par l'intermédiaire de la tige de piston 4, présentant la composante axiale FDaxial = FD x cosa et la com- posante radiale FDRadial = FD x sine, qui ferment le triangle des forces et dont les lignes d'action sont perpendiculaires entre elles. Du c8té de la chambre de pression, la force hydraulique FH = p x Az agit en direction axiale, la force YH se composant du produit de la pression de fluide 2 par l'aire de projection Az du diamètre D de l'alésage. La composante radiale FHRadial = P x Aproj.' est donnée par le produit de la pression de fluide p par l'aire de projection radiale proj = i x -D2 x sina. Lorsqu'il y a équilibre 4 proj. - -> de forces, on a FH + F = FD, avec FD FDial + H Hr Dlavec "D= PDaxial FDradial et les composantes radiales égales et de sens opposé FHradia = F radiaI s'annulent, de sorte qu'il y a absence de forces latérales entre l'ensemble de piston et la paroi de l'alésage du cylindre. Toutefois, cette considération est seulement valable pour le cas o le plan d'étanchéité 6 et le plan de pivotement 8 du collet 7 sont situés, avec coïncidence, dans le plan de pivotement. Par suite, avec les anneaux à lèvres habituellement utilisées dans l'hydraulique des freins de véhicules, le plan d'étan- chéité 6 sera situé au moins à une distance "f" en avant du plan de pivotement 8, en direction de la cham- bre de pression 9 (figure 2). Par suite, à mesure que l'angle de déviation cx augmente et sous la dépendance de la valeur de "f", il se produit, dans le domaine limite de fonctionnement de l'invention, jusqu'à une déviation d'environ 8 , un déplacement parallèle no- table de la ligne d'action FD sur la tige de piston 41 ce qui engendre un moment résultant M avec le produit de la force latérale F ainsi engendrée par la lo0gueur lk de la tige de piston, avec la force latérale FS = p.f. tgc.iT.D2 cosc.îke4. La force latérale Fs qui apparaît cosa.lk.4 ainsi, et qui dépend de la distance "f" entre le plan d'étanchéité 6 et le plan de déviation 8 et de la lon- gueur lk de la tige de piston 4, représente, avec les angles de déviation usuels et les longueurs usuelles de tige de piston, moins de 8 % des forces latérales de tiges de piston montées de façon mobile dans le piston. La figure 4 montre une forme de réalisation de l'ensemble de piston 1, ainsi que sa position dans le cylindre 3. Dans cette variante, les plans de pivo- tement et d'étanchéité sont décalés de "fl", du fait de la géométrie de l'élément d'étanchéité utilisé. Cette variante est essentiellement formée d'éléments alignés axialement, symétriques en rotation et elle est indiquée avec et sans ressort de rappel 10 dans le cy- lindre 3. Dans la variante avec ressortaPeu côté de la chambre de pression se trouve un appendice conique de centrage 11 servant à fixer le ressort de rappel 10 appliqué contre lui et qui, par l'intermédiaire d'un collet de plus grand diamètre 12, évité à l'élément d'étanchéité 5 tout coulissant axial dans la gorge 13 du siège d'élément d'étanchéité. La butée destinée au fond de l'élément d'étanchéité du c8té de l'atmosphère est formée par le collet 7 à plans parallèles qui pré- sente une génératrice 15 circulaire en élévation laté- rale et une zone sphérique 16 de telle sorte que lorsqu'on l'actionne et qu'on le fait dévier relative- ment à l'axe 14 de l'alésage du cylindre, l'ensemble de piston 1 dévié de l'angle a peut basculer ou dévier dans tous les sens sur la paroi de l'alésage du cylin- dre 3, et sans coincement. La zone sphérique à plans parallèles 16 fait partie d'une sphère d'enveloppe 17 dont le diamètre "D" est égal & la dimension nominale de l'alésage 2 du cylindre 3, la position du centre 18 de la sphère d'enveloppe 17 devant se situer sur la surface plane 19 ou au sein de la zone sphérique à plans parallèles 16, afin que, lors du basculement, il existe toujours un contact linéaire avec la paroi du cylindre. La largeur minimale "2e" de la zone sphéri- que 16, nécessaire à cet effet, est obtenue dans cette réalisation en fonction de l'angle de déviation a de l'ensemble de piston I relativement à l'axe 14 de l'a- lésage du cylindre, ainsi que du diamètre nominal "D" de l'alésage 2 du cylindre, et elle est située symé- triquement autour du centre de la sphère d'enveloppe 17. Lorsque la zone sphérique 16 est réalisée sur la largeur minimale "e", la surface plane 19 est le siège du centre 18 de la sphère d'enveloppe 17, et elle est donc la butée destinée au fond de l'élément d'étanchéité 5. On a mis en regard, de façon symétrique autour de l'axe, l'ensemble de piston I présentant une zone sphé- rique de largeur le" et, dans la variante sans ressort de rappel 10, en tant qu'ensemble accroché à la pédale d'actionnement. L'appendice conique de centrage 11 et le ressort de rappel 10 sont supprimés, ainsi que la grandeur "e" de la zonD sphérique 16, ce qui conduit a de plus petites longueurs de l'ensemble de piston 1. L'application des deux ensembles de piston 1 représentés sur la figure 4, qui, lors de la déviation par suite de la forme elliptique de la section à ren- dre étanche, subissent aussi un elargissement "sl de l'interstice variant en fonction de l'angle de dévia- tion, se référent toujours au cas d'application de l'ensemble de piston 1, puisque l'interstice Is", pour la largeur "e" de la zone sphérique, est augmenté dans la même mesure des deux cStés sans contact linéaire étendu et que, pour la largeur "2e" de la zone sphérique, l'interstice est doublé unilatéralement, mais en revan- che conserve un contact ou un guidage linéaire étendu. On évite des dommages par extrusion sur l'élément d'étan- chéité en introduisant une rondelle de soutien 20 pour les anneaux à lèvres représentés par la figure 4 et classiques dans l'hydraulique des véhicules. La figure 3 montre une réalisation concrète de l'ensemble de piston de forme sphérique 1, avec un anneau d'étanchéité primaire 5' formé de polytétrafluoréthylène et placé dans la gorge annulaire 13 et un anneau torique en élastomère, 21, servant d'élément élastique de pré- charge. Le bord d'étanchéité 22 (qui a la m8me significa- tion que le plan d'étanchéité 6 de l'anneau d'étanchéité primaire) coincide avec le plan de pivotement 8 de la zone sphérique 16 du piston et assure l'absence de forces latérales, décrite plus haut. L'anneau d'étanchéité pri- maire dur 5' assume en outre, par la position du bord d'étanchéité 22 dans le plan de pivotement 8, le guidage du piston dans le corps 3 du cylindre. La constitution est la m8me que l'on a déjà décrite à propos de la figu- re 4. La figure 5 représente une réalisation en une seule pièce de l'élément d'étanchéité 5 et de la zone sphérique 16, en un même matériau. la partie métallique 23 du piston est avantageusement réalisée sous la forme d'une pièce emboutie combinée avec une tige de piston détachée, que l'on assemble alors rigidement par encas- trement ou sous l'action d'une force. La partie métallique 23 du piston est formée d'un godet cylindrique en forme de trou borgne 24 à l'extrémité ouverte duquel le fond de piston 25 s'étend radialement et perpendiculairement à l'axe longitudinal et se termine par un arrondi ou collet parallèle à l'axe 26. Le fond de piston 25 et le collet 26 de la partie métallique 23 du piston sont les surfaces de fixation de l'élément d'étanchéité en élastomère 5", vulcanisé sur eux d'une seule pièce avec la zone sphé- rique en élastomère 16. L'action de pivotement du plan d'étanchéité 6, en combinaison avec la zone sphérique 16, et l'action donc à peu près exempte de forces radiales permettent donc de fabriquer la partie de centrage et de guidage, la zone sphérique 16, et en même temps l'élément d'étanchéité 5", d'une seule pièce en un élastomère ayant lune résistance à la compression relativement faible et de les vulcaniser en une seule opération, ce qui repré- sente une solution optimale en ce qui concerne l'usure et le risque d'endommagement, et diminue le prix de re- vient. REVENDICATIONS 1. Ensemble de piston pour mattre cylindre et/ou cylindre récepteur d'embrayages et/ou de freins de véhi- cules, comprenant un élément d'étanchéité, une tige de pis- ton non guidée et un piston oscillant guidé dans l'alésage du cylindre et muni d'une zone sphérique, la tige de pis- ton étant reliée rigidement à cette zone sphérique et l'ensemble de piston pouvant, par son axe longitudinal, dé- vier d'un certain angle par rapport à l'axe central du cylindre, caractérisé par le fait que la zone sphérique (16) de l'ensemble de piston (1) présente un plan de pivo- tement (8) perpendiculaire à l'axe de la tige de piston et dans lequel, ou parallèlement auquel, sont disposés des éléments d'étanchéité (5, 5', 5") qui forment un plan d'étanchéité (6) pouvant participer au pivotement. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments d'étanchéité (5, 5') sont disposés, par encastrement et/ou sous l'action d'une force, dans une gorge annulaire (13) de l'ensemble de piston (1). 3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'ensemble de piston (1) et l'élément d'é- tanchéité (5") sont d'une seule pièce, l'élément d'é- tanchéité en élastomère (5") et la zone sphérique en élas- tomère (16) étant vulcanisés sur la partie métallique (23) du piston.