Brevet FR2699600A1 — publié le 19940624

La présente invention se rapporte à des segments de piston, à une méthode de fabrication de segments de piston ainsi qu'à un assemblage d'un piston utilisant ces segments de piston. Plus particulièrement, la présente invention se rapporte à des segments de piston, à une méthode de fabrication de segments de piston et à un assemblage d'un piston, où les faces latérales des segments de piston sont modifiées pour avoir une configuration autre qu'une surface plate continue. Les moteurs à combustion interne emploient typiquement un assemblage de pistons et cylindres, où les pistons ont un mouvement de va-et-vient longitudinalement dans les cylindres parce qu'ils sont entraînés par la dilatation des gaz résultant de la combustion du carburant. Typiquement, le mouvement du piston est récupéré par un vilebrequin pour faire tourner un arbre d'entraînement. Le diamètre du piston est plus petit que celui du cylindre avec lequel il a un mouvement de va-et-vient afin de faciliter le mouvement de glissement du piston par rapport au cylindre. Afin d'obturer l'espace résultant entre le piston et la paroi du cylindre, un piston typique utilisé dans un moteur à combustion interne a un certain nombre de segments de piston qui s'étendent entre la surface cylindrique du piston et celle de la paroi. Chaque segment de piston est fait en un matériau élastique et il présente une fente radiale, que l'on peut appeler espace d'extrémité, qui permet la dilatation du segment pendant l'assemblage et qui compense l'usure. Comme, pendant la combustion, les gaz se détendant passent à travers l'espace, il y a usuellement un certain nombre de segments de piston avec des espaces normalement non alignés de façon que le passage des gaz de combustion au-delà des segments de piston sont minimisés. Comme les gaz de combustion se dilatant appliquent une pression aux segments de piston, on peut utiliser les gaz eux-mêmes pour améliorer le joint. Récemment, on a porté une attention considérable sur la réduction des agents polluants émis par les moteurs à combustion interne. Un mode de réduction des agents polluants émis consiste à rapprocher les segments de piston du sommet du piston. Afin de pouvoir effectuer cela sans effet délétère, il est nécessaire de réduire le poids des segments de piston afin de diminuer leur inertie. Les pistons changent de direction jusqu'à 4000-8000 fois par minute pendant le fonctionnement d'un véhicule de tourisme ordinaire. Comme les pistons se déplacent à des vitesse de l'ordre de 600-1200 mètres par minute, de légères réductions du poids des segments de piston peuvent mener à des réductions sensibles des forces d'inertie des segments.En plus de permettre la mise en place des segments plus près du sommet des pistons, la réduction de l'inertie des segments réduit la tendance des segments à s'immerger dans les fentes du segment du piston tandis que les pistons changent de direction, ce qui réduit l'usure. Etant donné les considérations ci-dessus mentionnées, la présente invention a pour objet de procurer de nouveaux segments perfectionnés de piston présentant un moindre poids, permettant de compenser l'usure et ayant une meilleure dynamique des gaz. La présente invention concerne un segment de piston à monter dans une gorge d'un piston pour venir hermétiquement contre une paroi d'un cylindre contenant le pistonn, où le segment de piston comprend un ruban d'un matériau métallique ayant un certain nombre de gorges allongées dans au moins l'un de ses côtés. Les gorges allongées sont séparées par des nervures s'étendant radialement. Selon un mode de réalisation de l'invention, les gorges allongées s'étendent près et au travers du bord arrière des segments pour définir des barrages proches et tournés au loin de la face avant des segments, ainsi la pression des gaz dans les gorges, développée par la pression dans le cylindre contenant le piston, est appliquée contre les barrages, sollicitant la face du segment de piston contre la paroi du cylindre. La présente invention envisage de plus une méthode de fabrication du segment ci-dessus mentionné de piston, où les segments présentent un poids et un prix réduits. La méthode comprend les étapes de faire passer des ébauches d'acier entre deux rouleaux pour produire des bornes d'une épaisseur plus petite que celle des ébauches. En même temps que l'on lamine les ébauches, on y forme une série circonférentielle de protubérances allongées et circonférentiellement espacées pour former des rubans avec des gorges allongées et longitudinalement espacées. Les rubans sont alors formés en segments fendus pour insertion dans les fentes d'un piston, prévues pour les segments. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l'invention et dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation latérale montrant un mode de réalisation d'un segment de piston configuré selon les principes de la présente invention, monté dans une fente d'un piston et engageant une paroi de cylindre - la figure 2 est une vue en plan du segment de piston de la figure 1 - la figure 3 est une vue en élévation latérale montrant un piston avec un certain nombre de segments de piston en engagement avec une paroi du cylindre ;; - la figure 4 est une vue en perspective montrant une ébauche d'acier où sont formées des gorges pour obtenir un ruban qui reçoit subséquemment la forme d'un segment de piston circulaire - la figure 5 est une vue en coupe transversale faite à travers le ruban de la figure 4 - la figure 6 est une vue similaire à la figure 4 mais montrant la formation de gorges d'une configuration différente - la figure 7 est une vue en coupe transversale faite à travers un ruban estampé des deux côtés en utilisant les rouleaux tels que ceux de la figure 6 - la figure 8 est une vue en coupe transversale d'un ruban estampé sur une seule face en utilisant les rouleaux de la figure 6 ; - la figure 9 est une vue en perspective montrant une ébauche estampée tandis qu'elle est formée en un ruban avec des gorges d'une forme différente de celle des figures 4 et 6 ; et - la figure 10 est une vue en coupe transversale à travers le ruban de la figure 9. En se référant maintenant à la figure 1, elle montre un segment de piston 20 configuré selon les principes de la présente invention qui est monté dans une fente 22 dans un piston 24 ayant un mouvement de va-et-vient axial. Le piston 24 a son mouvement de va-et-vient longitudinal dans la direction de la flèche 26 dans une paroi 28 de cylindre. Le segment de piston 20 glisse hermétiquement contre la surface 30 de la paroi 28 du cylindre dans un film 32 de lubrifiant. I1 existe un espace 36 entre la surface 30 de la paroi et la surface latérale 38 du piston, lequel espace est occupé par le segment 20 du piston. Comme on peut le voir sur la figure 2, le segment de piston 20 est de configuration circulaire et il présente un espace radial 40 pour faciliter son montage dans la fente 22 prévue à cet effet et pour permettre au segment de piston de tenir compte de l'usure en se dilatant radialement contre la paroi 30. Selon les principes de la présente invention, le segment de piston 20 a une série de gorges 42 qui y sont disposées dans une surface latérale supérieure qui s'étend dans une direction normale jusqu'à une face périphérique externe 46. Les gorges 42 sont de préférence des gorges allongées et circonférentiellement espacées qui s'étendent sur le bord périphérique interne 47 du segment de piston 20 et qui sont séparées par des nervures radiales 48 disposées entre chaque gorge. Les nervures radiales 48 accomplissent les deux fonctions d'interface de la surface latérale supérieure 44 du segment de piston 20 avec la surface supérieure 50 de la fente 22 du segment de piston et de conserver la résistance du segment de piston.Le segment de piston 20 ne s'adapte pas hermétiquement dans la fente 22 il y a donc un léger espace supérieur entre la surface latérale supérieure 44 et la surface supérieure 50 de la fente quand le piston remonte et un léger espace inférieur entre la surface latérale inférieure 51 du segment de piston et la surface inférieure 52 de la fente du segment de piston quand le piston descend. Comme il y a de petits espaces supérieur et inférieur entre le segment 20 et la fente 22, le segment de piston 20 peut se dilater radialement mais il est également libre de monter et descendre légèrement dans la fente du segment de piston. En conséquence, tandis que le piston 24 a son mouvement de va-et-vient, le segment de piston 20 a tendance à s'immerger dans la fente 22 du segment de piston ce qui provoque son usure. En réduisant le poids du segment de piston 20, l'impulsion qui lui est impartie par cet enfoncement est réduite, ce qui diminue l'usure et prolonge la durée de vie du segment de piston. En prolongeant la durée de vie des segments de piston 20, cela étend la durée de vie du moteur utilisant les segments parce que les produits de combustion ne peuvent entrer dans le carter du vilebrequin du moteur où ils dégradent les paliers et les joints. De plus, si un véhicule reste en service pendant de longues périodes de temps, le moment auquel les segments de piston 20 doivent être remplacés est retardé ce qui repousse une très grande dépense d'entretien qui nécessite le démontage du moteur du véhicule. Si le démontage d'un moteur pour remplacer les segments de pistons 20 peut être retardé pendant la durée effective d'un véhicule, cela représente des économies considérables pour le propriétaire du véhicule. Un avantage additionnel de la présente invention réside dans l'amélioration de la dynamique des gaz des agencements d'étanchéification des segments de piston avec l'amélioration de l'efficacité du joint entre le segment de piston 20 et la surface de la paroi 30. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 3, la combustion dans le cylindre 28 a pour résultat une pression 60 des gaz contre la face 62 du piston 24 qui déplace le piston vers le bas dans la direction de la flèche 26. Comme on peut mieux le voir à la figure 1, tandis que les gaz de combustion se dilatent, ils se déplacent contre les surfaces supérieures 49 des segments de piston 20 et s'écoulent également latéralement dans les gorges 42. Les gorges 42 permettent une accumulation des gaz pressurisés de combustion qui appliquent une pression dans la direction des flèches 64 contre les faces internes 66 des gorges.Comme la paroi de fond 68 de la fente 22 du segment de piston est fixe relativement au segment de piston 20, la pression appliquée dans la direction des flèches 64 a tendance à forcer tout le segment 20 à se dilater radialement, donc la surface périphérique externe 46 du segment se trouve pressée en engagement très étanche avec le film d'huile 32 revêtant la surface 30 de la paroi 28 du cylindre. Comme les gorges 42 sont sensiblement régulièrement espacées sur le segment de piston 20, cette force radiale se trouve régulièrement distribuée autour du segment de piston. Comme on peut le voir sur la figure 3, il y a un certain nombre de segments de piston 20 qui sont identifiés par les chiffres de référence 20, 20' et 20" sur chaque piston 24. En utilisant un certain nombre de segments de piston 20, les espaces 40 sont rarement alignés donc la pression des gaz, qui est identifiée par la flèche 60, passe rarement sinon jamais par tous les espaces 40 dans le carter du vilebrequin (non représenté) en dessous du piston 24. Selon les principes de la présente invention, tous les pistons 20 peuvent avoir une configuration sensiblement similaire à celle montrée à la figure 1 ou bien ils peuvent avoir différentes configurations, les configurations étant sélectionnées pour rendre maximale l'efficacité des considérations de dynamique des gaz dans le maintien du joint entre les segments de piston 20 et la paroi 30 du cylindre. En se référant maintenant aux figures 4-10, on peut y voir trois exemples d'ébauches d'acier 80 qui sont laminées en rubans 82, 84 et 86 respectivement, pour former subséquemment les segments circulaires de piston 20 que l'on peut voir à la figure 2. Comme on peut le voir aux figures 5, 7, 8 et 10, les rubans 82, 84 et 86 ont une grande variété de sections transversales résultant des surfaces des rouleaux 90 et 92. Selon la pratique conventionnelle, les rubans 82, 84 et 86 sont enroulés sur des tambours, non représentés, tandis qu'ils émergent d'entre les rouleaux 90 et 92. Les enroulements sont configurés en "enroulements minces". Pour former les segments séparés de piston, les enroulements minces sont découpés pour former les espaces 40, ce qui divise les enroulements minces en segments individuels de piston. En se référant maintenant plus particulièrement aux figures 4 et 5, on peut voir que les rouleaux 90 et 92 tournent en directions opposées 94 et 96 tandis qu'ils forment le ruban 82 à partir de l'ébauche 80. En général, l'épaisseur de l'ébauche 80 diminue tandis que son matériau s'écoule sous pression pour augmenter sa longueur. Le rouleau 90 a un certain nombre de faces d'estampage 98 qui dépassent radialement et qui sont circonférentiellement espacées, qui sont proches d'un premier épaulement 100, lesquelles faces estampent l'ébauche 80 pour former les gorges 42 (voir également figures 1 et 2). L'épaulement opposé 102 ne présente pas les faces d'estampage 98 et détermine la configuration de la face 46 du segment de piston qui s'étend perpendiculairement à la surface inférieure 49 et la surface supérieure 44 du segment de piston 20. En moulant les gorges 42, il faut moins d'acier pour former les rubans 82, ce qui diminue le prix du matériau. De plus, les gorges 42 donnent des segments de piston 20 qui sont plus légers, offrant les avantages ci-dessus mentionnés de contrôle de la pollution et de réduction de l'usure. Par ailleurs, la nécessité d'usiner ou de meuler les segments individuels 20 pendant le procédé de fabrication est éliminée ce qui rend le procédé de fabrication des segments de piston plus rapide et moins coûteux. En utilisant le procédé de laminage, les sections transversales des segments 20 peuvent être facilement configurées pour tenir compte des avantages tels que les avantages de dynamique des gaz ci-dessus mentionnés de la gorge 42, lesquels avantages ne peuvent être obtenus à peu de frais en utilisant des procédés normaux d'usinage. En se référant maintenant à la figure 6, un certain nombre d'estampes 110 sont placées en relation espacée vis-àvis des épaulements 100 et 102 de manière à former les gorges 112 dans un ruban 84 formé de l'ébauche d'acier 80. Comme on peut le voir sur les figures 7 et 8, les gorges 112 dans le ruban 84 ne s'étendent pas à travers le pourtour interne 114 du segment de piston 20. Comme on peut le voir à la figure 7, les gorges 112 peuvent être formées des deux côtés du segment de piston 20 au lieu d'un seul côté comme le montre la figure 8. En se référant maintenant aux figures 9 et 10, un certain nombre de protubérances 120 sont montrées sur le rouleau supérieur 90 et elles sont placées en aboutement avec l'épaulement annulaire 100 tandis que l'épaulement annulaire 102 n'a pas les protubérances. Le ruban résultant 86 a une gorge rectangulaire 122 qui traverse le pourtour interne 124 du segment de piston résultant 20. On peut par conséquent voir que la série des gorges 42 formées dans les segments de piston 20 peut avoir une grande variété de configurations. Une configuration préférée pour l'amélioration de la dynamique des gaz avec au moins le segment supérieur 20 est montrée aux figures 1, 3, 5 et 10, où il y a une augmentation du volume des gaz se dilatant pour solliciter radialement au moins le segment de piston supérieur 20 contre la paroi 30. Comme la pression des gaz aux segments de piston 20' et 20" est sensiblement réduite, les avantages obtenus par l'emploi des gorges 42 (figures 1 et 5) et 122 (figure 10) sont minimisés ce qui permet de recourir à d'autres formes avantageuses pour les gorges 42. I1 est préférable que les ébauches d'acier 80 utilisées dans la fabrication des segments de piston 20 soient faites en acier tel qu'un acier inoxydable martensitique avec une teneur en chrome comprise entre 13 et 17 %. Afin de maintenir les surfaces des segments de piston 20 résistantes à l'usure, il est préférable qu'après avoir formé les segments par les rouleaux 90 et 92, ceux-ci soient trempés par nitruration au gaz des surfaces pour produire des surfaces dures solides et résistantes à l'usure. Le procédé de nitruration au gaz consiste à maintenir les segments de piston en acier dans un four fermé, à une température comprise entre 510 et 5660C, tout en dosant des quantités préétablies d'azote et d'ammoniac gazeux dissociées dans le four. L'azote se diffuse dans la surface et réagit avec la matrice de l'acier inoxydable pour donner la surface dure souhaitée. Pendant le procédé, le contrôle est maintenu de manière qu'aucun composé ou couche "blanche" ne se trouve dans le composant fini. La profondeur de la couche de diffusion est comprise entre 0,076 mm et 0,127 mm, la profondeur étant une fonction dépendant du temps du procédé. REVENDICATIONS 1. Segment de piston à monter dans une fente prévue à cet effet dans un piston ayant un mouvement de va et vient axial pour venir hermétiquement contre une paroi d'un cylindre contenant ledit piston, caractérisé en ce qu'il se compose d'un ruban d'un matériau métallique, le ruban ayant une face d'étanchéité, un bord arrière et des premier et second côtés et le ruban comportant une série de gorges allongées (42) dans au moins l'un des côtés, les gorges allongées étant séparées par des nervures radiales (48). 2. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gorges allongées (42) s'étendent plus en direction circonférentielle qu'en direction radiale, par rapport au segment de piston (20). 3. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau métallique est de l'acier. 4. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gorges allongées (42) s'étendent près et à travers le bord arrière du segment, lesdites gorges définissant des barrages proches et tournés au loin de la face avant du segment, ainsi la pression des gaz dans les gorges développée par la pression dans le cylindre contenant le piston utilisant le segment (20) est appliquée contre les barrages sollicitant la face du segment de piston contre la paroi du cylindre. 5. Segment de piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau est de l'acier. 6. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gorges (112) sont disposées des deux côtés du piston. 7. Assemblage d'un piston comportant un piston avec un certain nombre de fentes pour des segments de piston et un certain nombre de segments de piston dont chacun a une face périphérique externe et des côtés opposés, lesdits segments étant disposés dans lesdites fentes, caractérisé par une série de gorges allongées (42) dans au moins un côté de chacun desdits segments, lesdites gorges étant séparées par des nervures (48) s'étendant radialement, lesdites gorges d'au moins un segment de piston étant configurées différemment de celles des autres segments de piston. 8. Assemblage selon la revendication 7, caractérisé en ce que les gorges de chaque segment de piston (20, 20', 20") sont configurées différemment des gorges des autres segments de piston. 9. Procédé pour réduire le poids et le prix d'un segment de piston en acier, ayant une face périphérique externe et des côtés opposés, ledit segment de piston s'adaptant dans une fente dans un piston, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de laminer une ébauche d'acier entre deux rouleaux pour produire des rubans d'une épaisseur plus faible que celle de l'ébauche en même temps qu'on lamine l'ébauche, former dans au moins un côté de l'ébauche une série circonférentielle de protubérances allongées et circonférentiellement espacées pour former un ruban ayant des gorges allongées et longitudinalement espacées ; et former les rubans en segments fendus à insérer dans les fentes. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les gorges allongées sont formées d'un côté du ruban. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les gorges allongées sont formées des deux côtés du ruban. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les gorges sont formées près et s'étendent à travers un bord du ruban.