Brevet FR2702024A1 — publié le 19940902

PISTON A SEGMENT FERME, SEGMENT, MACHINE COMPORTANT UN TEL PISTON ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN PISTON. L'invention concerne un piston pour machine du type destiné à coulisser en translation alternative dans un cylindre, et comprenant au moins un segment périphérique monté dans un logement périphérique ménagé en retrait de la surface cylindrique du piston. Les machines à piston(s) alternatif(s) telles que les moteurs à combustion interne diesel, deux temps, quatre temps, les pompes ou compresseurs à piston(s) nécessitent l'emploi d'un ou plusieurs segments d'étanchéité entre la surface cylindrique du piston et le cylindre dans lequel le piston est monté mobile. Pour assurer une bonne étanchéité, on utilise de façon généralisée et depuis toujours des segments sous la forme d'une couronne à coupe radiale dont la forme au repos est plus grande que l'alésage du cylindre et qui est comprimée élastiquement radialement lors du montage du piston dans le cylindre, les deux extrémités en regard de la coupe radiale étant rapprochées l'une de l'autre. Et il est considéré de façon générale que la présence de cette coupe radiale est indispensable pour réaliser la compression élastique, même si elle laisse un certain jeu limité entre les extrémités du segment après montage dans le cylindre en autorisant une légère fuite. En effet, dans le cas des moteurs à combustion interne à quatre temps où l'étanchéité entre le bas moteur comprenant l'huile et la culasse doit être parfaite, on utilise généralement plusieurs segments d'étanchéité et/ou un segment de feu et un ou plusieurs segments racleurs.On remédie ainsi à la légère fuite résultant de la coupe radiale des segments par la multiplication des segments, voire même par l'utilisation d'un ergot de blocage des segments d'étanchéité interdisant leur rotation propre autour de l'axe du piston, les coupes radiales des différents segments d'étanchéité étant disposées non en regard axialement les unes des autres. Par ailleurs, dans le cas des moteurs à combustion interne à deux temps, on utilise généralement deux ou trois segments. Chaque segment est toujours bloqué en rotation propre autour de l'axe du piston par un ergot en saillie dans le logement (les ergots des différents segments d'un même piston sont encore décalés) afin d'éviter que la coupe radiale du segment ne vienne en regard des lumières de transfert, ce qui conduirait à une rupture du segment et à une usure prématurée voire à une destruction des lumières. Néanmoins, on constate que la durée de vie des segments de moteur deux temps est un des obstacles principaux qui limitent les performances du moteur ou sa durée de vie. Pour pallier cet inconvénient, de nombreuses recherches ont été récemment réalisées dans le domaine des matériaux constitutifs des segments en essayant de les rendre plus durs pour leur donner une plus grande durée de vie. Néanmoins, l'utilisation de tels matériaux plus élaborés grève fortement le prix de revient des segments et de la machine. De plus, même en utilisant les matériaux les plus élaborés connus à ce jour, on constate, notamment dans le domaine de la compétition, que la longévitié et la fiabilité des moteurs sont limitées. L'invention vise donc à pallier ces inconvénients et a pour objet principal d'augmenter la longévité des machines à piston, et ce à performances égales ou supérieures et à poids et prix de revient équivalents ou inférieurs. L'invention a également pour objet d'améliorer l'efficacité, notamment en étanchéité, des segments de piston. L'invention a donc aussi pour objet de permettre de diminuer le nombre de segments d'une machine à pistons telle qu'un moteur et donc simultanément de baisser le prix de revient, et ce pour des caractéristiques d'étanchéité équivalentes ou supérieures. L'invention vise simultanément à permettre l'utilisation de matériaux ordinaires ou moins sophistiqués pour la réalisation des segments et des chemises de cylindre, et ce y compris dans les machines à très haute vitesse de rotation telles que les moteurs de compétition moto à deux temps. Plus particulièrement, l'invention a pour objet de faire en sorte que les segments d'étanchéité d'une machine à piston(s) ne constituent pas l'obstacle principal de limitation des performances de la machine, notamment en terme de vitesse de rotation, de longévité et de fiabilité. Plus particulièrement, l'invention a pour objet de proposer un moteur à combustion interne, notamment à deux temps, qui ait, par rapport aux moteurs de l'art antérieur, une longévité augmentée à performances équivalentes ou supérieures et ce pour un prix de revient équivalent ou inférieur. L'invention a simultanément pour objet d'améliorer le rendement et de diminuer l'effet polluant des moteurs à combustion interne notamment à deux temps. Pour ce faire, l'invention concerne un piston pour machine telle qu'unie pompe, un compresseur, un moteur à combustion interne diesel ou à explosion, deux temps ou quatre temps, du type destiné et à coulisser en translation alternative dans un cylindre (pourvu ou non d'une chemise), comprenant au moins un segment périphérique monté dans un logement périphérique ménagé en retrait de la surface cylindrique du piston, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un segment constitué d'une couronne fermée présentant une élasticité radiale au moins en compression à partir de sa forme au repos qui est suffisante pour assurer le contact d'étanchéité avec le cylindre c'est à dire en général avec la chemise. En effet, l'inventeur a déterminé que l'utilisation d'un segment qui est fermé, au moins après son montage dans le logement du piston, offre des avantages prépondérants du point de vue de la qualité de l'étanchéité et de l'usure du segment. De plus, le segment étant constitué d'une couronne fermée, les contraintes de compression élastique s'exerçant radialement vers le cylindre sont régulièrement réparties, contrairement au cas d'un segment à coupe radiale. De plus, selon l'invention et plus particulièrement dans le cas d'une machine comportant des lumières de transfert, par exemple un moteur à combustion interne à deux temps, le logement correspondant au et recevant le segment fermé est exempt d'ergot de blocage, et ce segment fermé peut tourner librement en rotation propre dans le logement autour de l'axe du piston, y compris après l'introduction du piston dans le cylindre. Et cette possibilité de rotation propre du segment autour de l'axe du piston en fonctionnement diminue grandement l'usure du segment et de la chemise qui se fait plus régulièrement, et améliore ainsi l'étanchéité entre le piston et la chemise. Dès lors, la durée de vie du segment et de la chemise n'est plus l'obstacle principal à l'augmentation des performances de la machine, notamment de sa vitesse de rotation. L'invention peut être réalisée essentiellement selon deux variantes. Dans la première variante, le piston est un piston composite formé d'au moins deux pièces associées rigidement l'une à l'autre pour former entre elles un logement de réception d'un segment emprisonné entre ces deux pièces. Dans cette variante, le segment peut être un segment fermé d'origine, c'est à dire avant son montage sur le piston. Dans la deuxième variante, le segment est du type comportant une coupe radiale avant son montage dans le logement du piston, et cette coupe radiale est fermée par soudure après le montage du segment dans le logement mais avant l'introduction du piston dans le cylindre. L'invention concerne également une machine à piston(s) caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un piston selon l'invention. L'invention concerne plus particulièrement une machine à lumière(s) de transfert, notamment un moteur à combustion interne à cycle de fonctionnement à deux temps, et plus particulièrement un moteur à explosion à deux temps de compétition, caractérisée en ce que chacun de ses pistons comporte au moins un -notamment un et seul- segment fermé libre en rotation propre dans son logement autour de l'axe du piston. L'invention concerne également un moteur à combustion interne à cycle de fonctionnement à quatre temps, de grande série, caractérisé en ce que chacun de ses pistons comporte au moins un -notamment un et un seul- segment d'étanchéité fermé libre en rotation propre dans son logement autour de l'axe du piston et un segment racleur. Le segment racleur peut aussi être un segment fermé selon l'invention libre en rotation propre dans son logement. L'invention concerne également un segment pour piston de machine mobile en translation alternative, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une couronne fermée radialement élastique au moins en compression à partir de sa forme au repos. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un piston selon l'invention caractérisé en ce que l'on réalise le piston d'une seule pièce avec son logement pour chaque segment, on monte un segment à coupe radiale dans le logement et on soude la coupe radiale du segment pour former une couronne fermée. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un piston selon l'invention caractérisé en ce que l'on emprisonne un segment constitué d'une couronne fermée entre les deux pièces constituant le piston lors de leur assemblage l'une sur l'autre. L'invention concerne également un piston, une machine, un segment et un procédé de fabrication comprenant en combinaison tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un piston selon un premier mode de réalisation d'une première variante de l'invention. - la figure 2 est une vue de dessus de la figure 1. - la figure 3 est une vue en demi coupe axiale d'un piston selon un deuxième mode de réalisation de la première variante de l'invention. - la figure 4 est une vue en demi coupe axiale d'un piston selon un troisième mode de réalisation de la première variante de l'invention. - la figure 5 est une vue en demi coupe axiale d'un piston selon la deuxième variante de l'invention. - la figure 6 est une vue en plan d'un mode de réalisation d'un segment selon l'invention. La figure 1 représente un piston 1 selon l'invention de moteur à explosion à cycle de fonctionnement à deux temps. Un tel piston 1 comprend un segment 2 unique périphérique monté dans un logement 3 périphérique ménagé en retrait de la surface cylindrique de révolution 4 du piston 1. Le segment 2 est constitué d'une couronne fermée présentant une élasticité radiale au moins en compression à partir de sa forme au repos qui est suffisante pour assurer le contact d'étanchéité avec le cylindre. Le logement 3 correspondant recevant le segment fermé 2 est cylindrique de révolution et est exempt d'ergot de blocage, et ce segment 2 peut tourner librement en rotation propre dans le logement 3 autour de l'axe 5 de symétrie et de translation du piston 1, et ce y compris après l'introduction de ce piston 1 dans la chemise ou dans le cylindre du moteur. Le piston 1 représenté à la figure 1 est formé de deux pièces la, lb associées rigidement l'une à l'autre pour former entre elles le logement 3 de réception du segment 2 emprisonné entre ces deux pièces la, lb. Ainsi, le segment 2 peut être réalisé sous forme de couronne fermée avant son montage sur le piston 1 dont le diamètre est légèrement supérieur au diamètre interne de la chemise ou du cylindre recevant le piston 1. Et le segment 2 est monté emprisonné entre les deux pièces la, lb constituant le piston lors de leur assemblage l'une sur l'autre. Les figures 3 et 4 représentent d'autres modes de réalisation de cette même variante de l'invention. Si le piston 1 doit comporter plusieurs segments, il peut être constitué d'un nombre supérieur de pièces pour permettre le montage de chaque segment fermé entre deux pièces constitutives du piston 1. Néanmoins grâce à l'amélioration de l'étanchéité obtenue, on peut envisager la fabrication d'un piston composite en deux pièces uniquement et à un seul segment, notamment dans le cas d'un moteur deux temps. Selon l'invention, deux pièces la, lb formant entre elles un logement 3 de réception d'un segment 2 fermé sont associées rigidement et définitivement l'une à l'autre sans possibilité de démontage ultérieur. Dans le mode de réalisation de la figure 1, les deux pièces la, lb sont emmanchées à force par frettage l'une dans l'autre et/ou sont associées rigidement l'une à l'autre par soudure. Dans le cas où les deux pièces la, lb sont soudées l'une à l'autre, on utilise un procédé de soudure compatible avec les contraintes thermiques et mécaniques d'utilisation du piston, et notamment une soudure au laser ou par bombardement d'électrons. Sur la figure 1, l'une la des deux pièces constitue le corps du piston, et comporte un épaulement périphérique 6 supérieur ménagé au dessus du logement 3 de réception du segment 2. Le corps la du piston forme donc la partie centrale 7a de la surface supérieure 7 de la tête du piston 1, et cette partie centrale 7a a un diamètre inférieur au diamètre du logement 3 périphérique recevant le segment 2. L'autre pièce lb du piston 1 est constituée d'une couronne périphérique emmanchée au dessus du logement 3 après insertion du segment 2 dans ce logement 3. Cette couronne lb a une forme telle qu'elle constitue la bordure 7b de la surface supérieure 7 de tête du piston 1, en prolongement de la partie centrale 7a de la surface 7. Après l'avoir été emmanchée, notamment par frettage - sur le corps la du piston, on soude la couronne lb à ce corps la de piston. Plus précisément, on soude la paroi cylindrique interne 8 de la couronne périphérique lb à la paroi cylindrique externe 9 de l'épaulement 6 de la tête de piston. Pour ce faire, on peut réaliser une soudure à laser ou par bombardement d'électrons selon la ligne de jonction circulaire 10 entre la partie centrale 7a et la bordure 7b de la surface de tête 7. En variante non représentée, la pièce lb formant la bordure 7b peut être vissée directement sur le corps la de piston dont la partie centrale de tête comporte un filetage. Dans le mode de réalisation de la figure 3, les deux pièces la, lb sont vissées l'une dans l'autre. Ainsi, le corps la de piston comporte un taraudage 11 destiné à recevoir un filetage 12 de la tête lb du piston qui constitue l'autre pièce. Le logement 3 est ménagé à la bordure périphérique supérieure du corps la de piston et la tête lb est rapportée par dessus le segment et vissée dans le taraudage 11. Dans ce mode de réalisation, toute la surface supérieure 7 de la tête du piston est réalisée par l'une lb des pièces emprisonnant le segment 2 dans son logement 3. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 4, les deux pièces la, lb sont associées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'au moins une pièce 13 de liaison telle qu'unie vis, une clavette ... Le corps la de piston comporte des alésages 15 débouchant à axe vertical. La tête lb du piston comporte des jupes cylindriques 16 à axe vertical s'étendant en saillie vers le bas pour pouvoir être engagées dans les alésages 15 du corps la. Chaque jupe 16 est pourvue d'un taraudage borgne 14, et des vis 13 à tête sont engagées par le bas dans ces taraudages 14 et prennent appui sur la face inférieure 17 du corps la pour serrer la tête lb sur ce corps la. Ce mode de réalisation est plus particulièrement destiné à l'utilisation d'une tête la en céramique. Dans la première variante de l'invention représentée sur les figures 1 à 4, le piston est un piston composite. Ainsi, on peut réaliser les deux pièces la, lb dans des matières différentes. En particulier, la tête de piston pourra être réalisée dans une matière appropriée notamment du type favorisant la combustion, alors que le corps la de piston peut être dans une autre matière, notamment déterminée en fonction des contraintes mécaniques de guidage du piston dans le cylindre. Dans les trois modes de réalisation représentés, le logement 3 recevant le segment 2 est formé d'un épaulement en forme de couronne dans le corps la du piston refermé par la tête lb dont une face radiale annulaire inférieure 25 recouvre l'épaulement. Les modes de réalisation des figures 1 à 4 ne sont donnés qu'à titre d'exemple, d'autres types d'assemblage étant possibles, notamment avec le logement 3 ménagé dans la tête lb du piston ou pour partie dans la tête lb du piston et dans le corps la du piston. Sur la figure 5, on a représenté une autre variante de l'invention dans laquelle le piston 1 est constitué d'une seule pièce, de façon conventionnelle, et le segment 2 est du type comportant une coupe radiale 18 avant son montage dans le logement 3. Cette coupe radiale 18 est fermée par soudure après le montage du segment 2 dans le logement 3, mais avant l'introduction du piston 1 dans le cylindre. Ainsi, dans cette variante, le piston 1 peut être un piston de type conventionnel, le segment 2 peut être un segment coupé radialement, et le montage du segment 2 par rapport au piston 1 se fait de façon conventionnelle en écartant la coupe radiale 18 du segment 2. Néanmoins, on utilise un segment 2 à élasticité radiale par compression, c'est à dire dont les dimensions lorsque la coupe radiale 18 est fermée sont supérieures au diamètre de la chemise du cylindre.Et le segment 2 est soudé après son montage dans le logement 3 par une soudure laser et/ou par bombardement d'électrons. Cette soudure peut être réalisée à partir de l'extérieur du piston 1 radialement selon la coupe radiale 18. Néanmoins, dans le mode de réalisation représenté et selon l'invention, le piston 1 comporte une lumière 19 ménagée à travers une face radiale 20 du logement 3 notamment à travers la face radiale inférieure du logement 3 jusqu'à la face interne inférieure 17 de la tête du piston 1. De la sorte, la soudure du segment 2 après son montage dans le logement 3 peut être réalisée par dessous sur toute la largeur du segment 2 avec une plus grande facilité. Cette lumière 19 a des dimensions aussi faibles que possible afin de ne pas déséquilibrer le piston 1.On peut néanmoins prévoir plusieurs lumières 19 régulièrement réparties angulairement autour de l'axe 5 de symétrie du piston 1. Chaque lumière 19 est constituée d'un alésage cylindrique à axe 21 légèrement incliné par rapport à l'axe 5 du piston 1. L'orifice de sortie de la lumière 19 dans le logement 3 a une largeur correspondant au moins sensiblement à celle du logement 3 pour permettre la soudure sur toute la largeur du segment dont la coupe radiale est placée serrée en regard de la lumière 19 en vue de sa soudure. Un mode de réalisation d'un segment 2 selon l'invention est représenté à la figure 6. Ce segment 2 est constitué d'une couronne fermée radialement élastique au moins en compression à partir de sa forme au repos. Pour permettre la déformation élastique radialement en compression du segment 2, on peut utiliser par exemple un segment du type "I Flex" (marque déposée) commercialisé par la Société SPT (Pringy France). Un tel segment est connu en lui même et est constitué d'une bande métallique perforée repliée selon son axe longitudinal et recourbée sur ellemême de telle façon que les perforations forment des créneaux 22 à la bordure interne du segment. Ces créneaux 22 combinés à des découpes en quinconce 23 rendent le segment 2 radialement élastique.Selon l'invention, on rapproche l'une contre l'autre et on soude donc les deux extrémités 24 du segment 2 en regard formant la coupe 18 radiale de ce segment 2. Après cette soudure, le segment 2 est constitué d'une couronne fermée radialement élastique. Comme indiqué précédemment, cette soudure du segment 2 peut intervenir soit avant le montage et alors le piston est un piston composite formé de plusieurs pièces soit après le montage lorsque le piston est en une seule pièce. Le piston 1 peut être utilisé dans une machine constituée d'un moteur à combustion interne à cycle de fonctionnement à deux temps, chaque piston 1 comportant au moins un -notamment un et un seul- segment 2 libre en rotation propre dans son logement 3 autour de l'axe 5 du piston, le logement 3 étant exempt d'ergot de blocage. On peut aussi réaliser un moteur deux temps de compétition ou de grande série à un seul segment, ou un moteur quatre temps de grande série à deux segments (un segment d'étanchéité unique et un segment racleur) de grande longévité. Dans ce dernier cas le segment d'étanchéité, et même le segment racleur, peut être un segment selon l'invention monté libre en rotation propre dans son logement comme décrit précédemment. L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes par rapport aux modes de réalisation représentés. En particulier, le piston et le segment ne sont pas nécessairement strictement cylindriques de révolution et peuvent être ovales. REVENDICATIONS 1. Piston pour machine destiné à coulisser en translation alternative dans un cylindre, comprenant au moins un segment (2) périphérique monté dans un logement (3) périphérique ménagé en retrait de la surface cylindrique (4)du piston caractérisé en ce qu'il comporte au moins un segment (2) constitué d'une couronne fermée présentant une élasticité radiale au moins en compression à partir de sa forme au repos, qui est suffisante pour assurer le contact d'étanchéité avec le cylindre. 2. Piston selon la revendication 1 caractérisé en ce que le logement (3) correspondant au segment (2) fermé est exempt d'ergot de blocage de sorte que le segment (2) peut tourner librement dans le logement (3) autour de l'axe (5) du piston, y compris après l'introduction du piston dans le cylindre. 3. Piston selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le segment (2) est du type comportant une coupe radiale (18) avant son montage dans le logement (3) et en ce que cette coupe radiale est fermée par soudure après son montage dans le logement (3) mais avant l'introduction du piston (1) dans le cylindre. 4. Piston selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comporte une lumière (19) ménagée à travers une face radiale (20) du logement (3) pour la soudure du segment (2) après son montage dans le logement. 5. Piston selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il est formé d'au moins deux pièces (la, lb) associées rigidement l'une à l'autre pour former entre elles un logement (3) de réception d'un segment (2) emprisonné entre ces deux pièces (la, lb). 6. Piston selon la revendication 5 caractérisé en ce que les deux pièces (la, lb) sont associées rigidement et définitivement l'une à l'autre sans possibilité de démontage ultérieur. 7. Piston selon l'une des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que les deux pièces (la, lb) sont emmanchées à force par frettage l'une dans l'autre. 8. Piston selon l'une des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que les deux pièces (la, lb) sont vissées l'une dans l'autre. 9. Piston selon l'une des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que les deux pièces (la, lb) sont associées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'au moins une pièce de liaison (13) telle qu'une vis, clavette ... 10. Piston selon l'une des revendications 5 à 9 caractérisé en ce que les deux pièces (la, lb) sont associées rigidement l'une à l'autre par soudure. 11. Piston selon l'une des revendications 5 à 10 caractérisé en ce que l'une (lb) des pièces forme toute la surface supérieure (7) de tête de piston. 12. Piston selon l'une des revendications 5 à 10 caractérisé en ce que sa surface supérieure (7) de tête est formée par les deux pièces (la, lb) dont l'une (lb) forme la bordure (7b) et l'autre (la) forme la partie centrale (7a) de cette surface (7). 13. Machine caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un piston selon l'une des revendications 1 à 12. 14. Machine selon la revendication 13 caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un moteur à combustion interne à cycle de fonctionnement à deux temps et en ce que chaque piston (1) comporte au moins un -notamment un et un seulsegment (2) libre en rotation propre dans son logement (3) autour de l'axe (5) du piston (1). 15. Machine selon la revendication 13 caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un moteur à combustion interne à cycle de fonctionnement à quatre temps de grande série et en ce que chaque piston comporte au moins un -notamment un et un seul- segment d'étanchéité fermé libre en rotation propre dans son logement autour de l'axe du piston et un segment racleur. 16. Machine selon la revendication 15 caractérisée en ce que le segment racleur est un segment fermé libre en rotation propre dans son logement autour de l'axe du piston. 17. Segment pour piston de machine mobile en translation alternative caractérisé en ce qu'il est constitué d'une couronne fermée radialement élastique au moins en compression à partir de sa forme au repos. 18. Procédé de fabrication d'un piston selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que l'on réalise le piston (1) d'une seule pièce, avec son logement (3) pour chaque segment (2), on monte un segment (2) dans le logement (3) et on soude la coupe radiale (18) du segment (2) pour former une couronne fermée. 19. Procédé selon la revendication 18 caractérisé en ce que l'on soude le segment (2) par soudure laser ou bombardement d'électrons. 20. Procédé de fabrication d'un piston selon l'une des revendications 5 à 12 caractérisé en ce que l'on emprisonne un segment (2) constitué d'une couronne fermée entre les deux pièces (la, lb) constituant le piston (1) lors de leur assemblage l'une sur l'autre.