Brevet FR2574124A1 — publié le 19860606

PISTON A TETE EN CERAMIQUE La présente invention concerne un piston à tête en céramique, et plus particulièrement un piston ayant une tête en céramique et une partie filetée arrondie à sa périphérie externe. Jusqu'ici, les corps frittés en céramique résistant à la cha- leur et présentant une faible conductivité thermique ont été utilisés dans les têtes de piston de moteurs à combustion interne pour réduire les pertes de chaleur, améliorer la consommation de carburant, réduire la quantité d'hydrocarbure, de monoxyde de carbone... émis, et augmenter le rendement pendant le fonctionnement du moteur. A cet effet, plusieurs méthodes ont été proposées pour assembler un corps de piston en alliage léger comme matériau ordinaire et la tête de piston en céramique, ainsi que des possibilités concernant la configuration et la structure des tê- tes de piston en céramique. Toutefois, étant donné la grande différence de coefficient de dilatation thermique entre le matériau céramique de la tête de piston en céramique et l'alliage léger du corps de piston, les pistons tradition- nels présentent l'inconvénient que le dispositif de serrage entre le corps de piston en métal et la tête de piston en céramique se desserre en cours de fonctionnement du moteur ou qu'une contrainte locale s'exerce sur la tête de piston en céramique pendant le mouvement réciproque du piston à vitesse élevée, de sorte que la tête de piston risque de se cas- ser du fait de la friabilité de la céramique. En outre, la structure de la tête de piston en céramique est compliquée par la fixation de la tête de piston en céramique au corps de piston en métal, de sorte que la fabrication, sur le plan pratique, devient difficile vu que la céramique se travaille par essence difficilement. La présente invention se propose donc comme but de pallier les inconvénients susmentionnés du piston à corps en céramique selon l'art antérieur. Conformément à la présente invention, on prévoit un piston à tête en céramique, ce piston comportant un tête en céramique ayant une partie filetée arrondie mâle à sa périphérie externe, un corps de piston en métal ayant une dépression dans la partie supérieure en vue de rece- voir la tête de piston, et une partie filetée arrondie femelle sur la pé- riphérie interne de la dépression en vue de s'adapter à la partie mâle, 2- et un élément de retenue en rotation disposé entre la partie filetée mâle et la partie filetée femelle afin d'empêcher la tête de piston de tourner par rapport au corps de piston, le rapport entre la hauteur du filet et le pas allant de 1/5 à 1/1. Selon l'invention, la tête de piston en céramique comportant à sa périphérie externe la partie filetée arrondie o le rapport entre la hauteur du filet et le pas va de 1/5 à 1/1 est visséeau corps de piston en métal, le piston étant doté d'un élément de retenue en rotation. On peut obtenir un ensemble piston/tête de piston présentant une excellente résistance à la flexion et une excellente endurance par vissage à l'aide du profil fileté arrondi spécifique. La description suivante de l'invention permettra de mieux ap- précier les différents buts,caractéristiques et avantages de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: Les figures 1-4 représentent des vues en coupe de modes de réalisation préférés du piston à tête en céramique selon la présente invention. Selon l'invention, la tête de piston, faite en céramique et comprenant une partie filetée arrondie est fixée à un corps de piston en métal par vissage. La périphérie externe de la tête de piston en céra- mique est pourvue de la partie filetée arrondie, et le rapport entre la hauteur du filet de la partie filetée arrondie et le pas se situe dans une plage spécifique de sorte que la surface de contact entre le corps du piston en métal et la tête de piston en céramique soit augmentée afin que les contraintes s'exerçant sur la partie filetée soient extrêmement ré- duites et qu'on empêche facilement une cassure de la tête de piston en céramique due à la concentration des contraintes, au jeu ou à l'écaillage de la tête de piston en céramique. Des modes de réalisation préférés de la présente invention vont à présent être expliqués plus en détail, à titre nullement limita- tif, en référence aux dessins annexes. La figure 1 représente le piston à tête en céramique selon le premier mode de réalisation de la présente invention, o une tête de pis- ton 4 se trouve dans la partie supérieure d'un corps de piston en métal 1 en vissant des filets mâles arrondis 5 ménagés à la périphérie extérieure 2574 1 24 -3- de la tête de piston en céramique 4 à des filets femelles arrondis 3 mé- nagés dans une dépression 2 disposée à la partie supérieure du corps de piston en métal 1, et la tête de piston en céramique et le corps de piston en métal sont immobilisés en rotation l'un par rapport à l'autre par une goupille de retenue 6 soudée à la tête. Les matériaux utilisés pour la tête de piston en céramique sont des oxydes tels que A12 03, Zr02 et MgAl2 04, des carbures tels que SiC, B4C et TiC, des nitrures tels que Si3N4, AlN et TiN, un oxynitrure tel que le sialon, un matériau composite tel que la céramique renforcée par des fibres, la cordiérite, la vitrocéramique, etc. Parmi eux, on préfère comme matériau destiné à la tête de piston le Si3 N4 caractérisé par une excellente résistance aux chocs thermique et une résitance ther- mique élevée. Pour le moulage de la tête de piston en céramique de la pré- sente invention, on peut recourir au matriçage, au coulage en barbotine, au moulage par injection, etc...Parmi ces méthodes, le coulage en barbo- tine et le moulage par injection sont avantageux car ils donnent des mou- lages dont les profils sont proches de ceux du produit fini. Les moulages obtenus par ces méthodes sont cuits, grossièrement façonnés si nécessaire puis passés au feu avant de subir un usinage final. Pour les parties filetées de la tête de piston en céramique et du corps de piston en métal, on peut utiliser des filets arrondis tels que le rapport de la hauteur du filetage avec le pas aille de 1/5 à 1/1 et de préférence de 1/4 à 1/2. Il est préférable que l'angle d'inclinaison du filet se situe dans la plage allant de 0,50 à 1,5 . Ceci tient au fait que si l'angle d'inclinaison est supérieur à 1,5 , le pas augmente et par conséquent la contrainte s'exerçant sur la partie filetée de la céramique tendra à aug- menter, tandis que si cet angle est inférieur à 0,5 le pas diminue, le travail de filetage devient difficile, et écrase les filets sur le côté métallique pendant le vissage. L'espacement entre le filet mile et le filet femelle doit être aussi réduit que possible, et d'une manière générale, il peut être d'au- tant plus réduit que l'aspérité de surface de la partie filetée est ré- duite. Il est préférable que plus la différence de dilatation thermique 2574 124 -4- entre la céramique et le métal est grande, plus l'espacement soit réduit. L'espacement doit de préférence être inférieur à 1/10e de la hauteur du filet. On peut utiliser pour fileter la partie filetée d'une tête de piston en céramique des outils d'usinage du genre machine à rectifier à vis, un tour, et une machine à rectifier sans centre dotée d'un mécanisme d'alimentation. Le corps du piston en métal peut être usiné suivant une méthode traditionnelle. Afin de diminuer l'influence de la différence de dilatation thermique entre la tête de piston en céramique et le corps de piston en métal, on peut les assembler en utilisant une méthode d'ajustement par dilatation dans laquelle la tête de piston en céramique est refroidie par un agent réfrigérant comme l'azote liquide, puis vissée au corps de pis- ton en métal, lequel est à température ambiante, ou en utilisant une mé- thode par rétrécissement dans laquelle le corps du piston en métal, chauffé, est vissé à la tête de piston en céramique, laquelle est à température ambiante. La raison pour laquelle le rapport entre la hauteur du filet de la partie filetée arrondie et le pas est, conformément à la présente invention, limité à la plage 1/5 - 1/1 est que lorsque l'on fait une com- paraison avec la même longueur de pas, si le rapport est supérieur à 1/1, les contraintes se-concentreront davantage sur la partie filetée de la céramique qui risquera alors de se casser, tandis que si ce rapport est inférieur à 1/5, les contraintes s'exerçant dans le sens de séparation de la tête de piston en céramique augmentent, de sorte que la tête de piston en céramique risque de se séparer du fait du mouvement réciproque du - piston. Par exemple, une tête de piston faite en nitrure de silicone et ayant un diamètre externe de 65 mm, un rapport entre la hauteur du filet et le pas et un angle d'inclinaison indiqués au tableau 1, est vissée à un corps de piston en aluminium de diamètre externe de 100 mm selon le mode indiqué à la figure I. Le piston et la tête de piston en céramique dans laquelle est soudée une goupille de retenue ont été montés dans un moteur diesel qui a été soumis à un test d'endurance de 100 h à un régime indiqué au tableau 1. Comme le montre ce tableau 1, aucune 2574 1 24 -5- anomalie n'est apparue pour un régime supérieur à 2200 tr/mn par rapport aux échantillons n 2-10 selon la présente invention, le rapport entre la hauteur du filet et le pas se situant dans une plage allant de 1/1 à 1/5. Par ailleurs, dans les échantillons n 1 et 11 non conformes à la présente invention, et o le rapport entre la hauteur du filet et le pas est respectivement de 2/1 et 1/7, on a pu observer après le test une cassure et du jeu dans la tête de piston pour un régime inférieur à 2000tr/mn. Tableau 1 Piston Rapport Angle Régime Cassure Jeu dans la hauteur d'incli- (tours par tête de n filet/pas naison mn) piston 15... 1 2/1 2,20 2 000 oui 2 1/1 1,0 0 2 400 non non 3 1/2 0,8 2 800 non non 4 1/3 2,0 2 200 non non 1/3 1,5 3 000 non non 6 1/3 1,0 3 600 non non 7 1/3 0,5 13 100 non non 8 1/3 0,4 2 300 non non 9 1/4 1,0 2 700 non non 1/5 0,8 2 300 non non il 1/7 0,7 1 800 non oui La figure 2 représente un second mode de réalisation de la présente invention. Dans ce mode de réalisation, une tête de piston 4 en céramique est vissée à un corps de piston en métal 1 par l'intermédiaire d'un élément tampon 7 prévu sur une dépression 2 du corps de piston en métal 1. Le matériau utilisé pour l'élément tampon 7 sera de préférence -6- résistant à la chaleur et très élastique. Par exemple, on utilisera de préférence de la fibre de carbone, de la fibre céramique telle que la fi- bre d'oxyde d'aluminium ou d'amiante,un ressort, une rondelle et une pla- que métalliques. En prévoyant l'élément tampon 7, on peut considérable- ment réduire tout espace non uniforme entre la partie inférieure de la tête de piston en céramique 4 et le corps de piston en métal 1 afin d'em- pêcher le jeu, et permettre une fixation solide, tandis que la grande différence de dilatation thermique entre la-tête de piston en'céramique 4 et le corps de piston en métal 1 est diminuée. Ainsi, on peut améliorer les effets visant à empêcher une cassure due à une concentration des contraintes, ainsi que le jeu ou le glissement de la tête de piston en céramique. La figure 3 représente un troisième mode de réalisation de la présente invention. Dans ce mode de réalisation, le profil de la partie inférieure de la tête de piston en céramique 4 a une forme tronconique combinant une surface conique et une surface plane. Bien que l'on préfère les profils plans représentés dans le premier et le second modes de réalisation étant donné leur faisabilité de fabrication, les effets recherchés par la présente invention peuvent éga- lement être obtenusavec le piston ayant une tête de piston de surface in- férieure tronconique. On peut utiliser, dans la présente invention, d'au- tres profils de parties inférieures que la forme tronconique, notamment une forme sphérique ou cylindrique. La figure 4 représente un quatrième mode de réalisation de la présente invention. Dans ce mode de réalisation, une tête de piston en céramique 4 est pourvue d'une bride 8 dans la partie supérieure afin de recouvrir toute la surface supérieure du corps de piston avec la tête de piston en céramique 4. Une goupille de retenue 6 est insérée depuis la base du corps de piston par un orifice 9 ménagé dans le corps de piston 1 et fixéeau corps de piston 1 par soudage. Dans ce mode de réalisation, outre les effets de prévention de cassure, de jeu et de glissement de la tête de piston en céramique, la résistance thermique du piston est largement augmentée puisque toute la surface supérieure du piston est recouverte de céramique. Comme nous l'avons précédemment mentionné, conformément au 2574 1 24 -7- piston doté d'une tête de piston en céramique selon la présente inven- tion, puisque la tête de piston en céramique et le corps de piston en métal sont fixés l'un à l'autre par les filets arrondis ayant un profil particulier, on peut empêcher la tête de piston en céramique de glisser du piston en métal en cours de fonctionnement, et on peut en outre empê- cher que les contraintes s'exercent localement sur la tête de piston en céramique. Par conséquent, l'invention est particulièrement adaptée pour les pistons de moteurs à combustion interne. - 8 - Revendications 1. Piston à tête en céramique,caractérisé en ce qu'il com- porte une tête en céramique (4) ayant une partie filetée arrondie mâle (5) à sa périphérie externe, un corps de piston en métal (1) ayant une dépression (2) dans la partie supérieure en vue de recevoir la tête de piston (4), et une partie filetée arrondie femelle (3) à la périphérie interne de la dépression (2) en vue de s'adapter à la parti mâle (5), et un élément de retenue en rotation (6) disposé entre la partie filetée mâle et la partie filetée femelle afin d'empêcher la tête de piston de tourner par rapport au corps de piston (1), le rapport entre la hauteur du filet et le pas allant de 1/5 à 1/1. 2. Piston à tête en céramique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément tampon (7) est ménagé entre la partie inférieure de la tête de piston en céramique (4) et le corps de piston en métal (1). 3. Piston à tête en céramique selon la revendication 1 ou 2, earactérisé en ce que la partie inférieure de la tête de piston en céramique est plate.