Brevet FR2677079A1 — publié le 19921204

i SEGMENT DE COMPRESSION POUR MACHINES A PISTONS ALTERNATIFS. La présente invention se rapporte à un segment de compression pour des machines à pistons alternatifs, constitué d'un tronçon de profilé en acier en forme d'anneau fendu. Sur les machines à pistons alternatifs et en particulier sur les moteurs à combustion interne (moteurs à allumage commandé et moteurs à allumage par compression), les segments de compression (segments dits de coup de feu, segments d'étanchéité) sont constitués jusqu'à présent habituellement par des segments en fonte Ces segments en fonte sont produits soit directement par fonderie unitaire, à savoir généralement par coulée en grappe, soit par tronçonnage dans des tubes de fonte centrifuge Dans tous les cas, il est donc nécessaire de passer par une phase de fonderie suivie d'un usinage. Les segments en fonte rigides de hauteur relativement importante compte tenu de la fragilité de la fonte, donc massifs et lourds, sont dimensionnés de manière à présenter, à l'état libre, c'est-à-dire avant leur montage dans le cylindre, entre leurs becs une ouverture telle que lorsque le segment est monté dans le cylindre, il subsiste entre les becs un jeu, dit jeu à la coupe, d'une valeur telle que les deux becs du segment ne puissent jamais se toucher, quelles que soient les conditions de fonctionnement du moteur Ce jeu à la coupe provoque une fuite des gaz de combustion du moteur (dit "blow-by") Pour réduire ces fuites de gaz, il est usuel de décaler circonférentiellement les coupes des segments de compression montées sur un même piston. Néanmoins, ces fuites restent non négligeables, ce qui diminue le rendement du moteur. Un autre inconvénient des segments de compression en fonte réside dans la pression non uniforme que les segments exercent sur le cylindre En effet, pour permettre une meilleurs étanchéité à la coupe, les segments en fonte rigides sont usinés en forme "poire", d'o une usure très importante des becs et une usure non uniforme correspondante du cylindre. Pour réduire d'une manière générale l'usure des segments, il a déjà été proposé de réaliser les segments de compression en acier, ce qui permet de fabriquer un tel segment de compression par cintrage en forme d'anneau d'un tronçon de profilé en acier Cependant, ces segments de compression en acier conservent la plupart des autres inconvénients des segments de compression en fonte, dus notamment au poids à la hauteur et à la rigidité de ces segments et à la présence du jeu à la coupe. D'un autre côté, on connaît depuis longtemps des segments racleurs d'huile constitués par un tronçon de ruban de tôle d'acier plié sous la forme d'un U à ailes espacées et cintré en anneau, de manière que l'âme du U soit tournée vers l'intérieur et les deux ailes du U vers l'extérieur du segment Pour augmenter l'élasticité d'un tel segment racleur, on munit le tronçon de ruban de tôle en U d'une rangée d'ajours ménagés dans l'âme du U et de fentes radiales ménagées en alternance dans les ailes du U, chacune au droit d'un desdits ajours, de telle manière que les fentes dans une aile soit en quinconce avec les fentes dans l'autre aile. Ces segments racleurs d'huile, du fait que leur élasticité, exercent une pression uniforme sur le cylindre, mais la structure de ces segments racleurs ne paraissait pas transposables aux segments de compression dont les fonctions et sollicitations sont différents. La présente invention a pour objet un segment de compression présentant des performances améliorées par rapport aux segments de compression connus en fonte ou en acier en ce qui concerne l'effet d'étanchéité, c'est-à-dire le contrôle des fuites de gaz de combustion, la hauteur et le poids des segments, l'usure et la pression des segments ainsi que la fragilité et la simplicité de montage des segments dans le moteur. Le segment de compression conforme à l'invention pour machines à pistons alternatifs est formé d'un tronçon de profilé en acier en forme d'anneau fendu Selon l'invention, le tronçon de profilé est constitué par un tronçon de ruban de tôle d'acier plié sous la forme d'un U à ailes jointives et cintré en anneau, de manière que l'âme du U soit tournée vers l'intérieur et les deux ailes vers l'extérieur du segment Ce tronçon de ruban comporte des fentes radiales ménagées en alternance dans les ailes du U, de telle manière que les fentes dans une aile soient en quinconce avec les fentes dans l'autre aile La longueur circonférentielle du segment est telle que les deux extrémités du segment se touchent à l'endroit de la coupe dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur. Pour améliorer encore l'élasticité du segment conforme à l'invention, il est possible de prévoir dans le ruban de tôle en U, dans l'âme de ce dernier, une rangée circonférentielle d'ajours dans lesquels débouchent lesdites fentes. Le segment de compression conforme à l'invention reprend donc une partie des caractéristiques connues pour les segments racleurs, à savoir notamment celles concernant l'élasticité (constitution du segment par un tronçon de ruban de tôle d'acier plié en U, avec des fentes radiales en quinconce dans les ailes du U et éventuellement une rangée d'ajours dans l'âme du U), en prévoyant cependant une caractéristique (ailes jointives du U) qui, d'une manière étonnamment simple, permet d'adapter à des segments de compression cette structure générale connue pour des segments racleurs d'huile, tout en conservant les avantages offerts par cette structure générale En effet, le fait que les deux ailes comportant des fentes en quinconce soient jointives supprime ou pour le moins réduit considérablement les fuites de gaz qui pourraient sinon se produire par lesdites fentes et permet simultanément de donner au ruban de tôle en U une inertie thermique comparable à celle d'un profilé massif, d'o une évacuation de chaleur équivalente ce qui est essentiel pour un segment de compression et surtout pour un segment coup de feu En outre, du fait de sa constitution en acier, le segment peut être réalisé avec une très faible hauteur, donc avec un poids très réduit De plus, du fait de la multitude de fentes réparties sur la circonférence du segment, ce dernier présente une élasticité circonférentielle telle que le segment puisse être monté dans le cylindre sans jeu à la coupe, ce qui permet un contrôle optimal des fuites de gaz, sans aucun risque de grippage du segment dans le cylindre. En se référant aux dessins schématiques annexés, on va décrire ci- après plus détail un mode de réalisation illustratif et non limitatif d'un segment de compression conforme à l'invention; sur les dessins la figure 1 est une vue en plan d'un partie d'un segment de compression conforme à l'invention; la figure 2 est une vue suivant II-Il de la figure 1; les figures 3 et 4 sont des coupes, à plus grande échelle, suivant II-m H et IV-IV de la figure 1; la figure 5 représente une partie d'un ruban de tôle ajouré et fendu, avant son pliage en U pour la constitution d'un segment conforme à l'invention. Tel qu'illustré par les figures 1 à 4, un segment de compression 1 conforme à l'invention est constitué par un ruban de tôle 2 plié sous la forme d'un U symétrique dont les deux ailes 3 et 4 sont jointives Le ruban de tôle 2 comporte, dans la zone de l'âme du U, une rangée d'ajours 5 régulièrement espacés sur la longueur du ruban Dans l'exemple représenté, les ajours 5 s'étendent également sur une partie de la longueur des ailes 3 et 4, à savoir à peu près sur la moitié de cette longueur De plus, le ruban de tôle 2 comporte des fentes 6 et 7 ménagées transversalement à la longueur du ruban de tôle 2 en alternance dans les ailes 3 et 4 du U, chacune au droit d'un des ajours , de manière que les fentes 6 dans l'aile 3 soient en quinconce avec les fentes 7 dans l'aile 4. Le ruban de tôle 2 plié en U, muni des ajours 5 et des fentes 6 et 7, est cintré sous la forme d'un anneau (segment) de telle manière que l'âme (avec les ajours 5) soit tournée vers l'intérieur du segment 1 et les ailes 3 et 4 (avec les fentes 6 et 7 orientées radialement) vers l'extérieur du segment 1. Il y a par ailleurs lieu de noter que les deux flancs de chacune des fentes 6 et 7 sont légèrement espacés l'un de l'autre et que le ruban de tôle 2 présente une longueur telle que lorsque le segment 1, cintré en anneau, est monté sur le piston lui-même introduit dans son cylindre, les deux extrémités du segment soient plaquées l'une contre l'autre avec une tare tangentielle assurant à la fois l'absence de jeu à la coupe 8 et une pression unitaire suffisante contre le cylindre Cela est possible grâce à la largeur prédéterminée des fentes 6 et 7, qui procure au segment son élasticité tangentielle. L'élasticité radiale du segnment conforme à l'invention est due à la fois à la présence des fentes 6 et 7 et à la présence des ajours 5 dont les dimensions peuvent être choisies plus ou moins importantes en fonction des besoins et qui allègent le segment. Selon la figure 5, les segments de compression conformes à l'invention peuvent être fabriqués par découpage d'une rangée médiane d'ajours 5 rectangulaires, transversaux, dans un ruban de tôle d'acier au carbone 2, avec réalisation simultanée par cisaillement, au droit des ajours 5, de fentes 6 et 7 s'étendant transversalement au ruban 2 depuis les ajours 5 en alternance vers un bord transversal vers l'autre du ruban 2 Cette opération de découpage et de cisaillement est suivie du pliage en U du ruban, de la coupe à longueur pour former des tronçons, d'une compression du ruban plié pour rendre jointives les deux ailes du U, éventuellement en donnant au U une forme légèrement trapézoïdale, du cintrage de chaque tronçon de ruban en anneau, d'une expansion de l'anneau pour augmenter la largeur des fentes 6 et 7 et donner au segment la tare tangentielle recherchée, d'un éventuel traitement thermique des segments pour donner à ces derniers une dureté de 50 à 60 HRC après revenu, d'une rectification extérieure au diamètre nominal, d'un rodage si nécessaire et d'une phosphatation éventuelle De plus, dans le cas des segments coup de feu, il est possible de prévoir un revêtment par projection sur la face supérieure et la face frottante, par exemple un revêtement isolant de molybdène, céramique etc. Les avantages des segments de compression conformes à l'invention par rapport aux segments de compression massifs connus sont multiples. 1 Amélioration de l'étanchéité au gaz. Le segment conforme à l'invention ne comporte pas de jeu à la coupe après montage dans le moteur, mais présente une multitude de petites fentes réparties sur toute la circonférence Les fentes successives étant disposées en quinconce dans une aile et dans l'autre du segment et les deux ailes étant jointives, les fuites de gaz se trouvent réduites et peuvent être contrôlées par la largeur de chaque fente unitaire Un tel contrôle n'est pas possible sur un segment massif et rigide sur lequel l'indispensable jeu à la coupe dépend de la dilatation du segment en fonctionnement, dilatation qui est très variable pendant le cycle du moteur. 2 Diminution du poids du segznment. Du fait des ajours qui allègent le segment et du fait de la hauteur totale très faible du segment conforme à l'invention (hauteur réduite jusqu'à 0,8 mm si nécessaire), ce segment est très léger (entre la moitié et le tiers du poids d'un segment en fonte). La réduction de la hauteur du segment permet de réduire la hauteur des gorges de piston, donc de diminuer la hauteur totale du piston Il en résulte un allègement du piston qui, tout comme la réduction de la masse du segment, permet de diminuer la masse et donc l'inertie des pièces en mouvement, d'o une augmentation du rendement du moteur. 3 Usure réduite. L'usure du segment conforme à l'invention est réduite comparée à l'usure d'un segment en fonte, pour deux raisons principales: a) l'acier au carbone utilisé pour la fabrication du segment conforme à l'invention a une meilleure résistance à l'usure que la fonte; b) du fait de sa grande élasticité, le segment conforme à l'invention présente une pression unitaire régulièrement répartie sur la circonférence, d'o une usure mieux répartie sur le cylindre, tandis que le segment en fonte rigide possède une pression unitaire mal répartie, d'o une usure importante des becs du segment. 4 Profil plus efficace du seement. Le segment conforme à l'invention étant en acier, il est possible sans risque de lui donner des angles plus vifs que ceux que l'on peut réaliser sur des segments en fonte Or, ces angles vifs sont favorables au contrôle des fuites de gaz entre la chambre de combustion et le carter. Souplesse et confom-abilité. La souplesse et la conformabilité du segment conforme à l'invention permettent à ce dernier de suivre les déformations des chemises qui se produisent lors du fonctionnement du moteur, ce qui améliore le rendement de celui-ci. 6 Fragilité réduite Du fait de sa souplesse, le segment conforme à l'invention peut être manipulé très facilement sans subir des déformations permanentes, ce qui n'est pas le cas pour un segment en fonte qui est très fragile et peut se casser lors des manipulations ou des chocs thermiques. 7 Montage simplifié dans le moteur. Le montage des segments en fonte sur le piston et ensuite le montage de l'ensemble dans une chemise constitue une opération très délicate qui nécessite beaucoup de précaution et qui est une source importante d'ennuis par rupture, écaillage etc. Au contraire, du fait de sa souplesse et de sa fragilité réduite, le segment conforme à l'invention se monte très facilement sur le piston et surtout dans le cylindre, cela sans précaution particulière. Il va de soi que le mode de réalisation décrit ci-dessus et illustré par les dessins annexés n'a été donné qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses modifications et variantes sont possibles dans le cadre de l'invention. Ainsi, la forme des ajours 5 ainsi que la taille de ces derniers peuvent être modifiées selon les besoins Il est même possible d'envisager, le cas échéant, de renoncer à la présence des ajours 5, c'est-à-dire de prévoir uniquement des fentes 6 et 7 en quinconce dans les deux ailes 3 et 4 du segment Le nombre des fentes 6 et 7 et la largeur et longueur de ces fentes sont principalement fonctions de l'élasticité recherchée du segment et du diamètre de ce dernier, ainsi que du taux de fuites de gaz maximal recherché. REVENDICATIONS 1 Segment de compression pour machines à pistons alternatifs, constitué d'un tronçon de profilé en acier en forme d'anneau fendu, caractérisé par le fait que le tronçon de profilé est constitué par un tronçon de ruban de tôle d'acier ( 2) plié sous la forme d'un U à ailes jointives ( 3,4) de manière que l'âme du U soit tournée vers l'intérieur et les deux ailes vers l'extérieur du segment, avec des fentes radiales ( 6, 7) ménagées en alternance dans les ailes ( 3,4) du U de manière que les fentes dans une aile se trouvent en quinconce avec les fentes dans l'autre aile, la longueur circonférentielle du segment étant telle que les deux extrémités du segment se touchent à l'endroit de la coupe ( 8) dans toutes les conditions de fonctionnement du moteur. 2 Segment de compression suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, une rangée d'ajours ( 5) ménagés dans l'âme du U et que lesdites fentes radiales ( 6, 7) sont ménagées dans les ailes ( 3, 4) au droit desdits ajours ( 5). 3 Segment de compression suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que lesdites fentes ( 6, 7) sont élargies par expansion du segment.