Brevet FR2652898A1 — publié le 19910412

La présente invention concerne une machine d'essai de segments de pistons en fatigue, en particulier des segments pour pistons de moteurs à combustion interne, de compresseurs et analogues. On sait que les segments assurent, dans ces types de machines, l'étanchéité aux gaz et à l'huile entre piston et cylindre, ceci avec des caractéristiques de friction sévères, devant répondre aux exigences croissantes des machines modernes, tant sur le plan de la longévité que sur celui des performances, notamment le rendement et la consommation spécifique. Du fait des frottements, de leur battement dans les gorges du piston et des différentes déformations auxquelles ils sont soumis lors de leur fonctionnement, les segments sont sujets à diverses sortes d'usure et de sollicitations, et ceci d'autant plus que la température de fonctionnement est élevée. Pour limiter l'usure, et en particulier celle qui affecte la périphérie des segments par suite des frottements sur la paroi du cylindre, on dépose sur cette périphérie une couche résistant au frottement, couramment à base de chrome ou de molybdène. Ces revêtements résistent bien à l'usure mais les fatigues mécaniques et thermiques auxquelles sont soumis les segments peuvent faire apparaître à la longue, dans ces revêtements, des fissures, des écaillages ou encore des décollements. I1 convient par suite d'examiner, en particulier, à quelles déformations peuvent être soumis les segments par suite des sollicitations mécaniques. Tout d'abord, les becs du segment, c'est-à-dire ses extrémités, peuvent s'écarter l'un de l'autre dans une direction normale à son plan, par suite de frottements non uniformes sur toute la périphérie du segment. Cela soumet ses deux branches à des efforts de flexion, et sa charnière (partie par laquelle ces deux branches se rejoignent à l'opposé des becs) à une torsion. Des contraintes complexes, également du type flexion-torsion, peuvent aussi apparaître par suite d'une "mise en parapluie" ou en cône du segment, causée par un frottement plus important à proximité de l'arête supérieure ou inférieure de ce segment. Enfin, les segments subissent des chocs thermiques dans le cas des moteurs à combustion interne, et les déformations qui en résultent sont encore accentuées par les différences des dilatations thermiques entre les différentes pièces. Les déformations que peuvent subir les segment s en cours de fonctionnement sont donc complexes et variées, et l'analyse théorique des différents modes de sollicitations a montré que les contraintes produites en différents points du segment, en particulier dans la zone de la charnière, ne pouvaient pas être définies par un calcul simple. Par ailleurs, les essais directement sur moteurs sont trop croûteux pour être envisageables systématiquement dans la pratique, et les essais simples existants, consistant à solliciter les deux becs de segment normalement à son plan, pour les écarter l'un de l'autre sous une forte amplitude, caractérisent insuffisamment l'ensemble des sollicitations mécaniques auxquelles un segment est soumis au cours de son fonctionnement, lors duquel les déplacements des becs sont en réalité très faibles. Le but de la présente invention est de remédier à ces lacunes de la technique actuelle, et d'élaborer une machine permettant de soumettre un segment à des efforts - simples ou complexes, de flexion et de torsion - très semblables à ceux auxquels il est soumis en cours de fonctionnement normal, et de mesurer ses déformations sous ces efforts. A cet effet, une machine conforme à l'invention est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte une paire de pinces de serrage des becs du segment et au moins une troisième pince de serrage du segment disposée à l'opposé des becs, ces trois pinces étant solidarisées d'une première structure de support, et en ce qu'il est prévu en outre au moins une paire de dispositifs de préhension du segment, ces deux dispositifs étant disposés l'un à l'opposé de l'autre, chacun entre ladite paire de pinces de serrage des becs et ladite troisième pince, et étant solidarisés d'une seconde structure de support, lesdites première et seconde structures étant, grâce à des moyens moteurs, rendues mobiles l'une par rapport à l'autre dans les deux sens, selon une direction (Z) perpendiculaire au plan du segment au repos. On conçoit que grâce à ces dispositions générales on puisse soumettre le segment à des déformations répétitives notablement plus complexes que celles qui sont produites par les machines d'essai de la technique antérieure. En effet, le segment peut être retenu en trois points, à savoir au niveau des deux becs et en un point opposé à ceux-ci, et il peut être sollicité répétitivement, dans un sens ou dans l'autre, dans une direction (Z) perpendiculaire à son plan, en au moins deux autres points, chacun situé entre l'un des becs et le point opposé à ce bec. Pour éviter une rupture du segment au niveau des becs, qui sont encastrés dans les pinces respectives de ladite paire de pinces, on monte ces pinces de sorte à ce qu'elles puissent pivoter librement autour d'un axe (X) radial, ce qui évite les contraintes excessives à ce niveau du segment. Par ailleurs, pour reproduire, dans la mesure du possible, le jeu d'un segment et son battement dans sa gorge, on peut prévoir en outre que ladite troisième pince de serrage est pourvue de moyens de réglage du jeu entre elle et le segment. Avantageusement aussi, lesdites pinces de serrage sont solidarisées de ladite première structure de support par des équerres associées à des moyens de réglage de leur distance radiale, ce qui permet d'en régler l'écartement pour l'adapter au diamète du segment testé. Une machine conforme à l'invention pourra encore se caractériser en ce que lesdits dispositifs de préhension comprennent, de part et d'autre du plan défini par lesdites pinces, une plaque dont le centre est relié par une colonne à ladite seconde structure de support, chacune de ces deux plaques étant pourvue de butées propres à transmettre les efforts au segment selon ladite direction (Z) perpendiculaire à son plan. Avantageusement aussi, lesdits dispositifs de préhension comportent chacun un couple de mâchoires pourvues de moyens de serrage sur le segment, et par l'intermédiaire desquelles lesdites butées transmettent au segment lesdits efforts. Pour pouvoir tester des segments de différentes grosseurs, on prévoit aussi que lesdits couples de mâchoires sont amovibles, de sorte à pouvoir être adaptés à chaque fois à la section dudit segment. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, dont l'utilité sera vue plus bas, cette machine peut encore se caractériser en ce que lesdites butées sont réglables en position dans ladite direction (Z), de sorte à laisser un espace variable, éventuellement nul, entre leurs extrémités d'appui et lesdites mâchoires. Encore une autre caractéristique importante d'une machine d'essai conforme à l'invention réside dans le fait que chacun desdits couples de mâchoires est relié à ladite seconde structure de support par un bras amovible articulé à ses deux extrémités et par un bras de levier permettant de déporter l'application des efforts à l'écart desdites mâchoires. Cette disposition, combinée à celle qui a été précédemment décrite, permettra d'obtenir les importantes possibilités suivantes 1") lorsque le segment sera sollicité, grâce à un déplacement relatif, dans la direction Z, des première et seconde structures de support, à la fois par ladite colonne et par lesdits bras articulés, il sera immédiatement soumis à la fois à des déformations de torsion et de flexion si l'on a réglé lesdites butées pour qu'il nty ait aucun jeu entre leurs extrémités d'appui et lesdites mâchoires ; la flexion du segment entre ses becs et ladite troisième pince sera causée directement par les efforts de la colonne dans la direction Z, tandis que la torsion de ces mêmes parties du segment sera causée par la légère rotation à laquelle seront alors soumis les couples de mâchoires du fait des bras articulés ; 2") en laissant en place les bras articulés mais en desserrant les butées pour qu'il y ait un certain espace entre leurs extrémités d'appui et les mâchoires, les bras soumettront ces mêmes parties du segment à une torsion pure, à laquelle se combinera ensuite, éventuellement, une flexion, si l'amplitude du déplacement en Z est suffisante pour que les mâchoires viennent en appui sur les butées ;; 3 ) si les bras articulés amovibles sont démontés, le segment ne pourra plus être soumis à une torsion, et il ne sera plus alors soumis qu'à des déformations de flexion pure. On voit donc qu'une machine conforme à l'invention offre de multiples possibilités. L'invention sera de toute façon mieux comprise, et d'autres caractéristiques et avantages apparaitront mieux à la lecture de la description suivante d'une machine conforme à l'invention, description donnée seulement à titre d'exemple, avec référence aux figures du dessin ci-annexé, dans lequel - la figure 1 est un schéma cinématique d'une machine conforme à l'invention, montrant le principe des différents essais possibles ; - la figure 2 est une vue en coupe axiale de la machine, selon la ligne Il-Il de la figure 3 (plan ZOY); - la figure 3 est une vue en coupe axiale selon la ligne III-III de la figure 4 (plan ZOX) ; et - la figure 4 est une demi-vue en coupe horizontale selon la ligne IV-IV de la figure 3. Sur la figure 1, dans laquelle les organes essentiels de la machine sont très schématisés, le segment est référencé en 1 et les pinces de serrage des becs de ce segment en 2. La troisième pince de serrage, à l'opposé des becs dans la direction X, est référencée 3. Ces trois pinces son solidarisées d'une première structure de support 4, laquelle est mobile et reliée à des moyens moteurs, par exemple à un vérin hydraulique, propre à la soumettre à des déplacements dans les deux sens (flèche f) dans la direction Z perpendiculaire au plan du segment 1. La machine comporte en outre deux dispositifs de préhension 5 opposés l'un à l'autre dans la direction Y, ces dispositifs se situant ainsi à peu près à mi-distance entre la pince 3 et le bec correspondant du segment.Ces dispositifs 5 sont reliés à une seconde structure 6, laquelle est fixe, d'une part par une colonne centrale et rigide 7, d'autre part par des bras à longueur réglable 8, articulés à leurs extrémités, en 9 et 10 et symétriques l'un de l'autre par rapport au plan ZOX. Bien entendu, les différents organes destinés à saisir le segment 1 sont réglables en position, notamment en direction radiale, en fonction du rayon R du segment, ainsi qu'en hauteur. En outre, les pinces 2 sont libres de pivoter selon un axe parallèle à l'axe X pour éviter toute contrainte du segment au niveau du serrage des becs lorsque le segment est soumis à des déformations. On voit déjà, grâce à cette figure 1, que les déformations du segment, entre chacun de ses becs et la troisième pince 3, pourront être à la fois de flexion, grâce à la colonne 7, et de torsion, grâce aux bras articulés 8, du fait de leurs liaisons, entre les articulations 10 et les dispositifs de préhension 5, par des bras de levier 11 déportant vers l'extérieur du segment l'application de la force 2F du vérin. En conséquence, la suppression des efforts directs exercés sur le segment dans la direction Z par la colonne 7 (par un désaccouplement quelconque entre cette colonne et les dispositifs 5) permettra de ne plus soumettre le segment qu'à des efforts de torsion dans les deux sens (flèches C), par l'intermédiaire des bras 8, tandis qu'au contraire le démontage de ces bras permettra de ne plus soumettre le segment qu'à des efforts de flexion, par l'intermédiaire de la colonne 7. On constate donc que l'on peut reproduire les efforts simples ou complexes qui s'exercent dans la réalité sur les segments. On peut également simuler les battements du segment dans sa gorge, en prévoyant un jeu - avantageusement réglable - au niveau de la troisième pince 3, c'est-à-dire au niveau de la charnière du segment. Pour contrôler les déformations du segment, on disposera des appareils de mesure aux emplacements appropriés. On mesurera notamment la flèche du segment au niveau de l'axe Y, c'est-à-dire au niveau des dispositifs 5, et l'angle de torsion autour de l'axe X, par exemple par une mesure de la rotation des bras de levier 11. L'analyse mécanique permettra de déterminer les déformations produites au niveau de la charnière. La connaissance de la tenue du segment en pratique ou sous des sollicitations quasi-statiques pour des états de contraintes complexes proches de la réalité permettra ainsi de parvenir à un choix optimal quant à l'élaboration et au dimensionnement des segments et quant à la nature de leur revêtement. Dans les figures 2 à 4, qui montrent le détail de réalisation de la machine, on a repris les références de la figure 1 pour désigner les mêmes organes ou des organes équivalents. On voit sur les figures 2 et 4 que la seconde structure de support 6, à savoir la structure fixe, est constituée par un plateau circulaire au centre duquel est fixée la colonne 7 de transmission des efforts de flexion, l'extrémité inférieure de cette colonne portant deux plaques de flexion 12 serrées sur une entretoise intermédiaire 13 par des boulons 14 vissés en bout de colonne. Les alésages 15 du plateau 6 permettent de le relier à la partie fixe d'une machine d'essai en fatigue appropriée, comportant le vérin hydraulique engendrant les efforts, les organes de contrôle de son alimentation et divers appareils de mesure, cette machine pouvant en elle-même être classique et n'ayant donc pas besoin d'être décrite. Au niveau du plan ZOY, le segment 1 est enserré, de chaque côté, par un couple de mâchoires 16-17 du dispositif de préhension 5 correspondant, la mâchoire inférieure 16 constituant le prolongement du bras de levier 11 cité plus haut et la mâchoire 17 pouvant être serrée sur la précédente par des vis 18. Le segment 1 est enserré entre ces mâchoires par l'intermédiaire de pastilles de bridage interchangeables 19. Les efforts de flexion peuvent être transmis des plaques 12 au segment 1 par des butées vissables 20 à contre-écrous 21. Les extrémités d'appui de ces butées 20 peuvent ainsi être amenées en contact avec les extrémités en regard des pastilles 19, ou au contraire un certain espace peut être ménagé entre ces extrémités. Les mâchoires 16-17 des dispositifs de préhension 5 peuvent aussi être reliées au plateau fixe 6 par des mécanismes propres à soumettre le segment 1 à des déformations de torsion. Ces mécanismes comprennent les bras 8 mentionnés plus haut, articulés en 9 sur une chape 22 solidaire du plateau, et en 10 sur le bras de levier 11. Chaque bras 8 comporte un manchon à vis 23 permettant d'en régler la longueur, en fonction du rayon R du segment. Les deux bras 8 sont en principe symétriques l'un de l'autre par rapport au plan ZOX, selon les côtés inclinés d'un trapèze isocèle, de sorte que les deux branches du segment 1 puissent être soumises exactement aux mêmes efforts de torsion. Les bras 8 sont maintenus sur leurs axes respectifs 9 et 10 par des circlips 24-25, ce qui permet de les démonter facilement. La figure 3 montre de quelle manière les becs et la charnière du segment 1 sont reliés, par l'intermédiaire de leurs pinces respectives 2 et 3, à la première structure, constituée par un plateau inférieur mobile 4, lequel peut être fixé, grâce aux trous taraudés 26, à l'organe mobile du vérin de la machine d'essai citée plus haut. Les pinces 2 et 3 sont reliées au plateau 4 par des équerres 27 fixées au plateau par des vis 28, ces dernières passant dans des trous oblongs 29 des équerres, grâce à quoi l'écartement radial respectif de ces dernières et par suite des pinces 2 et 3 peut être réglé, en fonction du rayon R du segment. Sur la figure 3 on voit par ailleurs que les pinces 2 sont constituées également de deux mâchoires 30-31 propres à être serrées sur le segment 1 et sur une cale réglable 32 par une vis 33. Chaque pince 2 peut pivoter librement, par un axe 34, sur le support 35 par lequel elle est maintenue, à hauteur réglable, par un système vis-écrou 36, sur l'équerre correspondante 27. Au niveau de la charnière du segment, la pince 3 comporte deux mâchoires 37-38 propres à être serrées sur le segment, mais éventuellement avec un certain jeu, par une vis 39. Le support 40 de cette pince est de même fixé, à hauteur réglable, sur l'équerre correspondante 27 par un système à vis-écrou 41. Le fonctionnement de la machine qui vient d'être décrite a déjà été expliqué plus haut, de sorte qu'il n'a besoin d'être rappelé ici que succinctement : - dans la position de la figure 2, un déplacement du plateau 4 dans la direction Z soumet immédiatement le segment 1 à des efforts de flexion par la colonne 7 et à des efforts de torsion par les bras 8 - si l'on desserre les butées 20 pour les écarter des pastilles 19, le segment n'est plus soumis tout d'abord qu'à des efforts de torsion, puis seulement ensuite - éventuellement - à des efforts de flexion si le déplacement du plateau 4 est suffisant pour que le jeu entre les extrémités d'appui des butées 20 et les pastilles 19 s'annule - enfin, si l'on resserre les butées 20 et si l'on démonte les bras articulés 8, le segment n'est plus soumis qu'à des efforts de flexion. On a ainsi une très grande latitude quant au choix des efforts de fatigue rapide alternés auxquels on peut soumettre un segment. On pourra ainsi tester rapidement la tenue mécanique des segments, et observer commodément comment se produisent ou progressent les fissurations ou décollements des revêtements qui se produisent du fait des déformations répétitives du métal. Il est à noter également que ces essais peuvent s'effectuer aussi bien à froid qu'à chaud, la machine pouvant être disposée dans un four. On pourra ainsi se rapprocher encore plus des conditions réelles régnant dans un moteur à combustion interne. REVENDICATIONS 1. Machine d'essai de segments de pistons en fatigue, caractérisée en ce qu'elle comporte une paire de pinces (2) de serrage des becs du segment (1) et au moins une troisième pince (3) de serrage du segment disposée à l'opposé des becs, ces trois pinces étant solidarisées d'une première structure (4) de support, et en ce qu'il est prévu en outre au moins une paire de dispositifs de préhension (5) du segment, ces deux dispositifs étant disposés l'un à l'opposé de l'autre, chacun entre ladite paire de pinces (2) de serrage des becs et ladite troisième pince (3), et étant solidarisés d'une seconde structure de support (6), lesdites première et seconde structures étant, grâce à des moyens moteurs, rendues mobiles l'une par rapport à l'autre dans les deux sens, selon une direction (Z) perpendiculaire au plan du segment (1) au repos. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les pinces (2) de ladite paire de pinces de serrage des becs peuvent pivoter librement autour d'un axe (X) radial. 3. Machine selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite troisième pince de serrage (3) est pourvue de moyens de réglage du jeu entre elle et le segment (1). 4. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites pinces de serrage (2, 3) sont solidarisées de ladite première structure de support par des équerres (27) associées à des moyens de réglage (28, 29) de leur distance radiale. 5. Machine selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits dispositifs de préhension (5) comprennent, de part et d'autre du plan défini par lesdites pinces (2, 3), une plaque (12) dont le centre est relié par une colonne (7) à ladite seconde structure de support (6), chacune de ces deux plaques (12) étant pourvue de butées (20) propres à transmettre les efforts au segment (1) selon ladite direction (Z) perpendiculaire à son plan. 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits dispositifs de préhension (5) comportent chacun un couple de mâchoires (16-19) pourvues de moyens de serrage (18) sur le segment (1), et par l'intermédiaire desquelles lesdites butées (20) transmettent au segment (1) lesdits efforts. 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits couples de mâchoires (16-19) sont amovibles, de sorte à pouvoir être adaptés à chaque fois à la section dudit segment (1). 8. Machine selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que lesdites butées (20) sont réglables en position dans ladite direction (Z), de sorte à laisser un espace variable, éventuellement nul, entre leurs ex trémités d'appui et lesdites mâchoires (16-19). 9. Machine selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que chacun desdits couples de mâchoires (16-19) est relié à ladite seconde structure de support (6) par un bras amovible (8) articulé à ses deux extrémités (9, 10) et par un bras de levier (11) permettant de déporter l'application des efforts à l'écart desdites mâchoires. 10. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits bras articulés (8) sont pourvus de moyens (23) de réglage de leur longueur.