Brevet FR2611232A1 — publié le 19880826

L'invention est relative aux pistons, destinés à coulisser dans les cylindres de moteurs alterna- tifs à combustion interne ou externe et compresseurs, c'est-à-dire de machines o le gaz de travail contenu dans le ou chaque cylindre par une surface transversale du piston est à la lois à haute pression et à haute température, et elle concerne de préférence, mais non exclusivement, les pistons pour moteurs alternatifs à combustion interne, à deux temps ou à quatre temps. L'invention est plus particulièrement relative à ceux de ces pistons qui possèdent, à l'intérieur d'une jupe extérieurement cylin- drique, une portée partiellement sphérique destinée à recevoir à la manière d'une rotule la tête partiellement sphérique d'une bielle. De tels pistons sont décrits par exemple dans les FR-A-965.449 et 1.547. 151. Dans ces pistons connus, les deux éléments partiellement sphériques du piston et de la bielle, qui sont en métal, se déplacent au contact l'un de l'autre, du moins si l'on fait abstraction du mince film d'huile entretenu entre eux par introduction d'huile sous pression qui provient par exemple d'un -canal passant longitudinalement à l'intérieur de la bielle (voir à cet égard le FR-A-965.449). L'invention a pour but de permettre à l'articulation entre le piston et la bielle de résister aux efforts importants appliqués sur le piston par les pressions maximales qui s'établissent cycliquement dans la chambre de volume variable délimitée par le piston à l'intérieur de son cylindre. Dans ce but, le piston conforme à l'invention est essentiellement caractérisé en ce qu'il possède une cavité intérieure ouverte à l'opposé de la susdite surface transversale et limitée latéralement au moins en partie par une portée cylindrique de révolution; en ce que l'espace limité à l'intérieur de cette cavité du piston par la tête partiellement sphérique de la bielle est rempli d'une sub- stance déformable plastiquement et pratiquement incompressi- ble aux températures et pressions de fonctionnement du pis- ton; et en ce que le diamètre de la susdite portée cylin- drique est très légèrement supérieur au diamètre de la tête partiellement sphérique de la bielle de telle façon que le jeu de fonctionnement entre lesdites portée cylindrique et tête partiellement sphérique soit suffisamment petit pour interdire toute migration de ladite substance hors dudit espace aux températures et pressions de fonctionnement du piston. De préférence, les génératrices de la susdite portée cylindrique sont parallèles à celles de la jupe cylindrique du piston, cette portée cylindrique étant généralement coaxiale à cette jupe. Pour éviter toute perte de la susdite sub- stance par abrasion à la longue, une mince coquille métallique est avantageusement interposée entre la tête par- tiellement sphérique de la bielle et la susdite substance et est maintenue localement par serrage entre ladite tête de bielle et la susdite portée cylindrique, l'ensemble étant tel que la partie de la coquille serrée entre ces tête et portée cylindrique puisse se déplacer parallèlement à l'axe de cette portée cylindrique sous l'effet d'efforts dépassant une limite donnée. De préférence, la susdite substance est constituée par un polymère fluoré et plus particulièrement par du PTFE (polytétrafluoréthylène) ou "TEFLON" bien que l'on puisse aussi utiliser avec profit d'autres matières chimiquement et physiquement stables aux températures et pressions de fonctionnement du piston, suffisamment déformables sous compression pour être capables de remplir le susdit espace aussi entièrement que possible (compte tenu de la présence éventuelle de la susdite coquille) mais suf- fisamment visqueuses pour rendre impossible en fonctionne- ment toute fuite de ladite substance dans le jeu de fonc- tionnement entre la tête de bielle partiellement sphérique et ladite portée cylindrique. On voit en particulier que cette définition exclut totalement les huiles. De cette manière, quelle que soit la position de la bielle par rapport au piston, les efforts exercés sur celui-ci sont transmis uniformément à la tête partiellement sphérique de la bielle par le matelas que constitue la sus- dite substance déformable plastiquement, laquelle est empêchée de fluer hors de l'espace qui lui est attribué. En raison de la faculté dont dispose la coquille (dans le cas préféré o elle existe) de se déplacer parallèlement à l'axe de la portée cylindrique, cette coquille ne travaille pra- tiquement qu'en compression perpendiculaire à sa surface et elle est donc soustraite aux risques de rupture ou de perçage, le débattement axial de la coquille permettant un rattrapage de jeu automatique. Il est à noter que le FR-A-1.547.151 men- tionnné ci-dessus propose de disposer une couche de matière plastique, telle que du polytétrafluoréthylène, directement entre le siège partiellement sphérique d'un piston et la tête partiellement sphérique d'une bielle, mais du côté opposé à celui qui est prévu selon la présente invention et 261 1232 dans un but totalement différent. Il est également à noter qu'il est connu de garnir de résine synthétique, telle que du PTFE, à la fois les parties mâle et femelle d'une rotule, par exemple pour les directions de véhicules (voir le US-A- 3.342.513), afin que les éléments se déplaçant au contact l'un de l'autre soient tous deux en résine synthétique. De préférence, la coquille métallique con- forme à l'invention est faite de bronze ou autre métal ou alliage ayant un bon coefficient de frottement en lubrification limite et son épaisseur est en général comprise entre 1 % et 2 % du diamètre de la tête partielle- ment sphérique de la bielle. De préférence encore, dans le cas préféré o la coquille métallique est prévue, la tête partiellement sphérique de la bielle ou la coquille métallique, sur sa face tournée vers la tête de bielle, est munie de rainures ou pattes-d'araignée destinées à répartir de l'huile intro- duite de façon connue entre cette coquille et la tête de bielle. Il est à souligner que ces pattes-d'araignée sont soustraites au risque d'être bouchées par le PTFE ou autre substance semblable étant donné qu'elles sont ménagées sur des surfaces qui ne sont pas en contact avec cette sub- stance. En l'absence de la susdite coquille, de l'huile sous pression pourra alimenter une chambre annulaire limitée en partie par la tête de bielle, comme décrit ci- après, de façon à favoriser par entraînement la formation d'une pellicule d'huile sur cette tête. L'invention va être maintenant décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés. La figure 1 de ces dessins représente par- tiellement, en coupe axiale, l'ensemble d'un piston conforme à un premier mode de réalisation de l'invention et de la bielle correspondante. La figure 2 représente la tête partiellement sphérique de la bielle, vue selon la flèche F de la figure 1. La figure 3 représente les détails des par- ties formant rotule du piston et de la bielle, avant l'assemblage de ceux-ci. Les figures 4 à 7 sont des schémas compara- tifs qui illustrent certains avantages de l'invention. La figure 8 représente, en demi-coupe axiale, l'ensemble d'un piston conforme à un deuxième mocd. de réalisation de l'invention et de la bielle correspondante. La figure 9 représente partiellement, en coupe axiale, l'ensemble d'un piston conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention et de la bielle correspondante. Le piston conforme au premier mode de réalisation de l'invention (figures 1 et 2), qui est désigné par i dans son ensemble, est destiné à coulisser dans un cylindre 2. Dans ce cylindre 2, le gaz de travail est con- tenu par la surface transversale 10 du piston 1. A l'intérieur d'une jupe extérieurement cylindrique 3, le piston 1 possède une portée partiellement sphérique 4 destinée à recevoir, à la manière d'une rotule, le tête partiellement sphérique 5 d'une bielle 6. Conformément à l'invention, le piston possède une cavité intérieure 7 (voir la figure 3) limitée au moins partiellement par une portée cylindrique de révolution 8 qui est de préférence (mais pas nécessairement) coaxiale à ladite jupe 3 (l'axe commun étant désigné par X-X) et dont le diamètre D est très légèrement supérieur au diamètre d de la tête 5. La cavité 7 est ouverte vers le bas de la figure 1, c'est-àdire à l'opposé de la surface transversale 10. Dans sa partie supérieure (selon les figures 1 et 3), la portée 4 est constituée par l'une 9a des faces, de forme approximative- ment hémisphérique, d'une mince coquille métallique 9, présentant sa concavité à l'opposé de la susdite surface transversale 10 du piston 1, c'est-à-dire vers le bas des figures 1 et 3, et maintenue par serrage entre la tête 5 et la portée cylindrique 8. Enfin, l'espace 12 limité à l'intérieur de la cavité 7 par l'autre 9b des faces de la coquille 9 est rempli d'une substance 13 déformable plas- tiquement et pratiquement incompressible aux températures et pressions de fonctionnement du piston 1. Comme indiqué ci-dessus, la substance 13 est avantageusement du polytétrafluoréthylène ou une pâte équivalente. L'avantage de la forme cylindrique de révolution de la portée 8, en coopération avec la forme par- tiellement sphérique de la tête de bielle 5, et de la valeur attribuée à son diamètre D ressort des schémas comparatifs des figures 4 à 7 o on a omis la coquille métallique 9 soit, lorsque cette coquille existe, pour rendre le dessin plus clair, soit pour tenir compte du mode de réalisation décrit ci-après dans lequel cette coquille 9 est supprimée. En effet, si le diamètre D de la portée cylindrique 8 est trop petit (figure 4), il se produit un contact métal sur métal entre la tête 5 et le bord de la portée cylindrique 8 et il n'existe pas de pression hydros- tatique dans la substance 13. Si le diamètre de la portée cylindrique 8 est trop grand (figure 5), il se produira des fuites latérales de la substance 13, comme schématisé par des flèches à la figure 5. Si le diamètre d'entrée de la cavité 7 est correct mais que la portée latérale 8 de celle-ci n'est pas cylindrique (figure 6), il n'y a pas de rattrapage du jeu qui peut provenir soit d'une usure, soit d'une déformation différentielle (élastique ou non élastique), soit d'une dilatation différentielle, et il se produira à la longue des fuites latérales comme dans le cas de la figure 5. Si la cavité 7 est agencée conformément à l'invention (figure 7), on obtient un rattrapage automatique des jeux. 2 6 1 1232 Selon un mode de réalisation préféré, ld coquille métallique 9 est faite de bronze ou autre métal ou alliage ayant un bon coefficient de frottement en lubrifica- tion limite, étant entendu que des moyens usuels, schématisés par des canaux 14 et 15 traversant respective- ment la bielle 6 et la tête 5, sont prévus pour introduire de l'huile sous pression entre la surface extérieure de la tête 5 et la face 9a de la coquille 9. De préférence encore, la tête par.iellement sphérique 5 (figure 2) ou la coquille 9 (figure 3), sur sa face 9a, est munie de rainures ou pattes-d'araignée 16. On obtient ainsi un piston dont le mode de fabrication ressort de ce qui précède et dans lequel on introduit dans le siège 4 la tête 5 de la bielle 6, celle-ci étant ensuite maintenue en position, tout au moins sur un piston pour moteur à quatre temps, par exemple par une bague rigide 17 sollicitée élastiquement vers le haut de la figure 1 par une bague élastique 18, prenant appui extérieurement sur le piston 1. Sur un piston pour moteur à deux temps, on peut se dispenser de moyens de maintien tels que les bagues 17-18, étant donné que les efforts s'exercent toujours dans le même sens sur le piston, au cours du cycle de fonctionne- ment du moteur. En fonctionnement, la force développée sur la face supérieure du piston par la pression du gaz de travail est répartie uniformément sur la tête 5 par le matelas con- stitué par la substance 13. Ainsi que le montrent schématiquement les figures 1 et 8, la coquille métallique 9 peut être maintenue par serrage contre la portée cylindrique 8 du piston 1, sous réserve qu'elle puisse se déplacer parallèlement à l'axe X-X de cette portée cylindrique sous l'effet d'efforts dépassant une limite donnée. Selon le mode de réalisation de la figure 1, la coquille 9, dont la partie hémisphérique est prolongée par une jupe cylindrique 11 en contact avec la portée cylindrique 8 du piston 1, est montée dans le piston 1 sans autre moyen de fixation que son serrage entre la tête 5 et la portée cylindrique 8 du piston, ce serrage étant dû à un choix approprié de l'épaisseur (au repos) et/ou du diamètre extérieur de la coquille 9 et de la différence entre les diamètres D et d. En général, cette épaisseur est comprise entre 1 % et 2 % du diamètre de la tête 5. Selon le mode de réalisation de la figure 8, la partie némisphérique de la coquille 9 est suivie d'une jupe fortement évasée 20 qui est bloquée entre le bas de la jupe 3 du piston et une bague 22 qui est fixée à ce bas de jupe par des moyens appropriés tels que des vis. Pour per- mettre à la coquille de se déplacer parallèlement à l'axe X-X, le bas de la jupe 3 du piston est muni d'une surface arrondie 21 et les dimensions de la coquille 9 et en parti- culier de sa jupe 20 sont déterminées, compte tenu du volume de la substance 13, pour qu'il existe au repos un jeu 23 entre la surface arrondie 21 et la partie en regard 9c de la coquille 9, ce jeu permettant à.la partie 9c de se déformer sans être soumise à des efforts de traction lors du déplacement de la coquille 9 par rapport à la portée cylin- drique 8 du piston. Le mode de réalisation de la figure 9 diffère de ceux des figures 1-2 et 8 par l'absence de la coquille 9 entre la tête partiellement sphérique 5 de la bielle 6 et la portée cylindrique 8 du piston 1. En d'autres termes, la substance déformable 13 est directement en contact avec la tête 5 et est empêchée de s'échapper de la cavité 7 par le simple choix du jeu existant entre cette tête 5 et la portée cylindrique 8 (ou, ce qui revient au même, de la différence entre les diamètres D et d), compte tenu des caractéristiques de viscosité de la substance 13. De préférence, le rapport entre la surface de la section diamétrale de la tête partiellement sphérique 5 et la surface de la section transversale de la portée 10 (mesurée perpendiculairement à l'axe X-X de cette portée) est supérieur ou égal à 0,5, ce qui limite avantageusement les contraintes de pression exercées en fonctionnemment sur la substance 13 et la tête 5. Cette caractéristique s'applique aussi avantageusement en présence d'une coquille 9, bien que les représentations schématiques des figures 1 et 8 ne l'illustrent pas. Selon le mode de réalisation de la figure 9, les pattes d'araignée telles que celles désignées par 16 aux figures 1, 2 et 8 ne sont pas à envisager car elles seraient bouchées par la substance 13 et tendraient à favoriser sa migration hors de l'espace qui lui est attribué. Dans ce cas, le canal d'arrivée d'huile sous pression 14 ménagé dans la bielle 6 communique avec des' canaux 15a traversant la tête de bielle 5 et débouchant en permanence au-dessous (selon la figure 9) du plan P perpendiculaire à l'axe X-X et passant par le centre C de la surface partiellement sphérique de la tête 5, dans une chambre annulaire 25 limitée, au-dessous du susdit plan P, par une bague 17a, analogue à la bague 17 de la figure 1, mais munie d'orifices de sortie tels que 26 pour l'huile arrivant dans la chambre par les canaux 14 et 15a. La circulation d'huile ainsi réalisée assure d'une part un refroidissement intense de la tête de bielle 5 et éventuellement du piston 1 et d'autre part l'entretien, par entraînement, d'une pellicule d'huile de lubrification sur la tête de bielle 5. De toute façon, la hauteur de la portée cylindrique 8 doit être suffisamment importante pour que puisse être absorbée la course relative de la tête 5 de la bielle 6, par rapport au piston 1, qui correspond: - à la dilatation thermique différentielle (due à la différence des coefficients de dilatation), et/ou - à la compressibilité de la substance 13, et/ou - aux tolérances de fabrication et/ou - à des phénomènes d'usure. REVENDICATIONS 1. Piston destiné à coulisser dans les cylin- dres de moteurs alternatifs à combustion interne ou externe et compresseurs, c'est-à-dire de machines o le gaz de tra- vail contenu dans le ou chaque cylindre (2) par une surface transversale (10) du piston (1) est à la fois à haute pres- sion et à haute température, de préférence pour moteurs alternatifs à combustion interne, à deux temps ou à quatre temps, lequel piston (1) possède, à l'intérieur d'une jupe extérieurement cylindrique (3), une portée partiellement sphérique (4) destinée à recevoir à la manière d'une rotule la tête partiellement sphérique (5) d'une bielle (6), caractérisé en ce qu'il possède une cavité intérieure (7) ouverte à l'opposé de la susdite surface transversale (10) et limitée latéralement au moins en partie par une portée cylindrique de révolution (8); en ce que l'espace (12) limité à l'intérieur de la cavité (7) par la tête partielle- ment sphérique (5) de la bielle (6) est rempli d'une sub- stance (13) déformable plastiquement et pratiquement incompressible aux températures et pressions de fonctionne- ment du piston (1); et en ce que le diamètre (D) de la sus- dite portée cylindrique (8) est très légèrement supérieur au diamètre (d) de la tête partiellement sphérique (5) de la bielle (6) de telle façon que le jeu de fonctionnement entre lesdites portée cylindrique (8) et tête partiellement sphérique (5) soit suffisamment petit pour interdire toute migration de ladite substance (13) hors dudit espace aux températures et pressions de fonctionnement du piston. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que les générarices de la susdite portée cylindrique (8) sont parallèles à celles de la jupe cylin- drique (3) du piston (1), cette portée cylindrique (8) étant généralement coaxiale à cette jupe (3). 3. Piston selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une mince coquille métallique (9) est interposée entre la tête partiellement sphérique (5) de 1 1 la bielle (6) et la susdite substance (13) et est maintenue localement par serrage entre ladite tête de bielle (5) et la susdite portée cylindrique (8), l'ensemble étant tel que la partie de la coquille (9) serrée entre ces tête (5) et portée cylindrique (8) puisse se déplacer parallèlement à l'axe de cette portée cylindrique (8) sous l'effet d'efforts dépassant une limite donnée. 4. Piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que la coquille iétallique (9) est faite de bronze ou autre métal ou alliage ayant un bon coefficient de frottement en lubrification limite. 5. Piston selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la tête partiellement sphérique (5) de la bielle (6) ou la coquille métallique (9), sur sa face (9a) tournée vers la tête de bielle (5), est munie de rainures ou pattes-d'araignée (11) destinées à répartir de l'huile introduite de façon connue entre cette coquille (9) et la tête de bielle (5). 6. Piston selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 5, caractérisé en ce que la coquille (9) est montée dans le piston (1) sans autre moyen de fixation que son serrage entre la tête de bielle (5) et la surface cylin- drique (8) du piston (1). 7. Piston selon la revendication 6, caractérisé en ce que la coquille (9) comprend une partie hémisphérique prolongée par une jupe cylindrique (11) en contact avec la surface cylindrique (8) du piston (1). 8. Piston selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 5, caractérisé en ce que la coquille (9) comprend une partie hémisphérique suivie d'une jupe forte- ment évasée (20) qui est bloquée contre le bas de la jupe (3) du piston (1), l'ensemble étant tel qu'il existe au repos un jeu (23) entre le bas de la jupe (3) du piston (1) et la partie en regard (9c) de la coquille (9). 9. Piston selon l'une quelconque des revendi- cations 3 à 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de la coquille (9) est comprise entre 1 %. et 2 % du diamètre (d) de la tête partiellement sphérique (5) de la bielle (6). 10. Piston selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en ce que la substance (13) est constituée par un polymère fluoré et plus particulièrement par du polytétrafluoréthylène. 11. Piston selon 1 'une quelconque des reven- dications 1 à 10, caractérisé en ce que le rapport entre la surface de la section dial,.étrale de la tête partiellement sphérique (5) et la surface de la section transversale de la portée cylindrique (8) est supérieur ou égal à 0,5.