Brevet FR2697885A1 — publié le 19940513

La présente invention se rapport à un segment de piston qui a une section transversale unique pour empêcher le passage des fluides. Les segments de piston sont bien connus Ils sont usuellement reçus dans une gorge annulaire qui est disposée sur le pourtour externe d'un piston A son tour, le piston a un mouvement de va-et-vient dans un cylindre Un piston comprime des fluides tels que des gaz dans un cylindre Dans le cas d'un moteur à combustion interne, ces fluides sont allumés et se dilatent, forçant le piston à s'éloigner du point d'allumage Les segments conventionnels de piston ne sont pas en contact circonférentiel total avec les parois d'un cylindre Au contraire, il y a un jeu à extrémité ouverte qui a pour résultat l'échappement non souhaitable des fluides du cylindre Cela diminue l'efficacité et, dans certains cas, comme avec les moteurs à combustion interne, cela a un impact néfaste sur l'environnement Par ailleurs, des fluides tels que des gaz peuvent également contourner la portion du segment reçue dans la gorge annulaire du piston. Les charges agissant axialement appliquées au segment, ont pour résultat une usure qui dégrade le segment et les côtés de la gorge du piston Le fluide additionnel peut alors contourner le segment. On connaît des segments de piston qui sont en engagement étanche avec une paroi de cylindre Dans un tel segment de piston, plusieurs couches sont rivetées ensemble pour former le joint Cependant, de tels organes d'étanchéité sont sujets à un certain nombre d'inconvénients D'abord, de tels segments de piston sont typiquement coûteux à produire à cause de leurs structures et constructions compliquées De plus, un grand nombre de ces organes d'étanchéité sont difficiles à installer, augmentant le temps requis pour l'assemblage Même lorsqu'ils sont correctement installés, de tels organes d'étanchéité ont typiquement pour résultat un niveau élevé d'interaction non voulue de friction entre le segment de piston et la paroi du cylindre Cette interaction de friction a pour résultat l'augmentation de l'usure, aussi bien sur l'organe d'étanchéité que la paroi du cylindre, avec une efficacité réduite correspondante du piston en fonctionnement. La présente invention se rapport à un segment de piston ayant une section transversale en forme de "Y" ainsi qu'à un procédé pour sa fabrication. Selon la présente invention, un segment de piston d'un poids léger, ayant de meilleures caractéristiques d'étanchéification, est produit de façon peu coûteuse en utilisant des procédés de façonnage au rouleau Le segment se compose d'une seule bande de matière qui a une jambe centrale avec une extrémité interne venant de matière Dans un mode de réalisation, la jambe centrale a deux portions se recouvrant qui se séparent en un point espacé de l'extrémité interne pour former deux ailes qui s'étendent latéralement vers l'extérieur, à un angle par rapport à la portion de jambe centrale restante Dans un mode de réalisation préféré, l'extrémité externe de chaque aile est traitée pour sa résistance à l'usure et au frottement. L'organe d'étanchéité est reçu dans une gorge annulaire disposée sur le pourtour externe d'un piston La gorge a une portion s'étendant radialement vers l'intérieur pour recevoir la portion de jambe centrale du segment, dont les extrémités circonférentielles sont en aboutement lors d'un assemblage dans le cylindre La gorge comporte également une portion en forme de "V" qui s'étend radialement vers l'extérieur et qui est définie par deux surfaces inclinées Chaque surface se trouve en dessous de l'une des ailes. Quand le segment de piston de cette invention est assemblé sur le piston et installé dans le cylindre, les extrémités circonférentielles sont en aboutement, pour former un segment annulaire qui est contigu Cette caractéristique de l'invention élimine un trajet pour l'échappement des gaz qui est courant dans les segments de piston conventionnels. Le diamètre externe libre et non sollicité des ailes est plus grand que le diamètre du cylindre o on les assemble Ainsi, c'est l'élasticité des ailes en forme de "V" qui permet l'assemblage et qui augmente l'étanchéité entre le piston et la surface du cylindre. L'extrémité externe de chacune des ailes est sollicitée élastiquement contre la paroi du cylindre quand le piston est placé dans le cylindre Dans un mode de réalisation préféré, les ailes ont une longueur commune et un angle commun mais opposé par rapport à la jambe centrale Il est également prévu que les ailes puissent venir en contact sélectif avec les surfaces inclinées de la portion en forme de "V" de la gorge du piston pour mieux améliorer le degré d'étanchéification. Un segment de piston produit selon la présente invention est facile à adapter pour une utilisation dans un grand nombre d'applications comprenant des moteurs à combustion interne et des compresseurs. 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 montre une vue fragmentaire en perspective d'un assemblage d'un cylindre et d'un piston selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'une portion de l'assemblage de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe transversale illustrant un second mode de réalisation d'un segment de piston produit selon la présente invention; et la figure 4 est une vue en coupe transversale illustrant un procédé de fabrication du mode de réalisation de la figure 3, en plus de détail. Un assemblage 20 est illustré à la figure 1 qui comprend un cylindre 22 avec un piston annulaire 24 qui a un mouvement de va-et-vient dans le cylindre Le piston 24 comporte une gorge annulaire 26 qui est disposée sur sa surface périphérique externe Un segment de piston annulaire en un pièce ou organe d'étanchéité 28 est monté dans la gorge 26 pour former un engagement étanche entre le piston 24 et une surface périphérique interne 29 de la paroi 30 du cylindre A l'orientation est assemblé montrée, les extrémités circonférentielles 31 de l'organe d'étanchéité 28 sont en engagement d'aboutement l'une avec l'autre. La figure 2 montre en plus de détail l'organe d'étanchéité 28 qui est formé d'une seule bande de matière telle que de l'acier et qui comporte une jambe centrale 32 formée par deux portions 34 et 36 se recouvrant Comme la jambe centrale 32 est de préférence formée en pliant la bande de matière, on obtient une extrémité interne contiguë 38, venant de matière, de la jambe centrale 32. Deux ailes, une aile supérieure 40 et une aile inférieure 42, s'étendent latéralement vers l'extérieur à un certain angle à partir d'un bord externe 44 de la jambe centrale 32, l'aile 40 s'étendant de la portion de recouvrement 34 et l'aile 42 s'étendant de la portion de recouvrement 36 Le bord externe 44 est radialement espacé vers l'extérieur de l'extrémité interne 38. Dans la pratique, tandis que le piston 24 a son mouvement de va-et-vient dans l'alésage du cylindre 22, l'organe d'étanchéité 28 réduit les chocs lors du passage des gaz de combustion Une caractéristique clé de la présente invention est le joint positif créé entre l'organe 28 et la surface interne 29 de la paroi 30 du cylindre, résultant du contact circonférentiel total entre eux L'organe d'étanchéité 28 est assemblé sur le piston 24 et dans le cylindre 22 en tant que segment généralement annulaire ayant deux extrémités séparées A l'assemblage, les extrémités de l'organe d'étanchéité 28 sont en aboutement, formant un segment annulaire qui est contigu à ses extrémités Cette caractéristique de l'invention élimine le trajet pour l'échappement des gaz, qui est courant dans les organes conventionnels d'étanchéité Le diamètre externe libre et non sollicité des ailes 40 et 42 est plus grand que le diamètre interne du cylindre o elles sont assemblées Pour l'assemblage, les ailes 40 et 42 sont sollicitées radialement vers l'extérieur de façon que l'extrémité externe 45 de chacune soit sollicitée contre la surface interne 29 de la paroi 30 du cylindre C'est l'élasticité des ailes en forme de "V" qui permet l'assemblage et qui augmente l'étanchéité entre le piston 24 et la surface interne 29 La force agissant radialement vers l'intérieur contre les ailes 40 et 42, résultant de l'insertion du piston 24 avec l'organe d'étanchéité 28 dans le cylindre 30, force les extrémités circonférentielles 31 que l'on peut voir à la figure 1, en engagement d'aboutement l'une avec l'autre à l'orientation assemblée Dans le mode de réalisation illustré, chaque extrémité externe 45 comporte une surface externe extrême 46. Chaque surface 46 est de préférence une surface cylindrique centrée sur l'axe annulaire de l'organe d'étanchéité 28, parallèlement à la surface interne 29 Pour empêcher des effets non souhaitables de frottement entre l'organe d'étanchéité 28 et la surface 29 tout en permettant encore l'engagement nécessaire d'étanchéité, un contact facial réel est limité autant que possible. Quand le piston 24 est forcé vers le bas par suite de la dilatation des fluides, comme de l'allumage air-carburant, l'aile 40 reçoit la plus grande partie de la pression résultante du segment L'aile 42 donne sa stabilité à l'organe d'étanchéité et aide également à l'étanchéification autour du diamètre interne 47 de la gorge 26 L'aile 42 permet également un contrôle de l'huile quand cela est nécessaire, en raclant l'huile résiduelle vers le bas, le long de la surface 29 de la paroi 30 du cylindre Afin que l'aile 42 donne sa stabilité à l'organe d'étanchéité 28 en fonctionnement, les ailes 40 et 42 ont une longueur commune et partagent un angle commun mais opposé par rapport à la jambe centrale 32 Ainsi, l'extrémité externe 45 de chaque aile est également espacée radialement vers l'extérieur du bord externe 44. La gorge 26 comporte une portion 48 qui s'étend radialement vers l'intérieur et qui reçoit la jambe centrale 32 La jambe centrale 32 n'est de préférence pas fixée dans la portion 48 car cela pourrait avoir pour résultat un grippage du segment du piston En pliant la bande de matière en portions 34 et 36 se recouvrant et en les enroulant, il y a une plus grande épaisseur sur le diamètre interne de la jambe centrale 32 Cela a pour résultat un effet de clé de voûte qui réduit le jeu latéral et offre un ajustage précis au diamètre interne 47 Cela empêche les gaz de passer entre l'extrémité interne 38 de l'organe d'étanchéité 28 et le diamètre interne 47 de la gorge 26 Ainsi, on obtient un meilleur joint qui comprend les extrémités adjacentes de l'organe d'étanchéité 28 Par ailleurs, avec l'extrémité interne contiguë et venant de matière 38, aucun dispositif de fixation comme des rivets n'est requis Cela simplifie encore la fabrication et l'assemblage. L'ajustage précis réduit également l'usure entre l'organe 28 et la gorge 26 Avec les segments conventionnels, les forces inertielles, comme les charges agissant axialement appliquées au segment de piston, ont pour résultat une usure qui endommage le segment et les côtés de la gorge du piston. L'usure est également amoindrie grâce au poids léger de l'organe d'étanchéité 28 qui est formé d'une seule bande de matière. La gorge 26 comporte également une portion en forme de "V" qui s'étend radialement vers l'extérieur, ayant deux surfaces inclinées 50 et 52 Chacune de ces surfaces se trouve sous l'une des ailes 40 et 42 Ces surfaces inclinées aident à contrôler le degré d'étanchéification en affectant la déformation des ailes Tandis que le piston 24 a son mouvement alternatif vers le haut et vers le bas dans le cylindre 22, les ailes 40 et 42 peuvent se fléchir avec l'aile 40 venant en contact sélectif avec la surface 50 et l'aile 42 venant en contact sélectif avec la surface 52 Les surfaces 50 et 52 peuvent être éloignées de et inclinées à un angle plus grand que celui des ailes 40 et 42 afin de permettre cette déformation sélectionnée des ailes. L'organe d'étanchéité 28 peut être produit de manière peu coûteuse en utilisant des procédés de façonnage au rouleau La bande de matière peut être repliée pour former les portions se recouvrant 34 et 36 La bande peut alors être enroulée au diamètre approprié Des matrices à contourer en rouleau peuvent alors être utilisées pour former les ailes 40 et 42 La bande est alors découpée à la longueur circonférentielle correcte et les extrémités 31 que l'on peut voir à la figure 1 sont portées en engagement d'aboutement à l'orientation assemblée Les extrémités externes 45 peuvent être meulées pour former les surfaces d'extrémité externes 46. L'organe d'étanchéité 28 est facile à adapter pour une utilisation dans un grand nombre d'applications Un facteur clé dans la conception des segments de piston implique la pression unitaire qui doit être exercée par l'organe d'étanchéité contre la paroi du cylindre Il est souhaitable d'obtenir une bonne conformabilité et une relativement petite perte de pression unitaire d'une moindre déformation du fait de l'usure du cylindre et du segment Les paramètres que l'on peut facilement changer en utilisant la présente invention comprennent le matériau dont l'organe d'étanchéité 28 est fait, la fonction de charge ou de tension du matériau choisi, son épaisseur, la longueur de la jambe centrale 32, des ailes et 42 et la quantité de déformation permise. Un autre mode de réalisation de fabrication pour former un organe d'étanchéité 59 est illustré aux figures 3 et 4. Sur la figure 3, un tube d'un matériau 60, ayant une section transversale épaisse, est placé dans un mandrin rotatif 62. Ce tube peut être soit de la fonte ou de l'acier L'organe d'étanchéité 59 est configuré de manière à avoir des ailes 40 et 42 Cependant, contrairement aux modes de réalisation des figures 1 et 2, la jambe centrale 63 a une section transversale pleine et venant de matière à la place des portions 34 et 36 se recouvrant. Le processus pour la production de l'organe d'étanchéité 59 est montré en plus de détail à la figure 4. Le matériau 60 est fourni au mandrin rotatif 62 Tandis que le matériau avance, un outil 64 de mise en forme au diamètre externe en forme de plongeur configure les surfaces externes inclinées 66, 68 des ailes 40 et 42 en enlevant de la matière Alors, tandis que le matériau 60 continue à avancer, un outil 69 de mise en forme au diamètre interne en forme de plongeur configure les surfaces internes inclinées 70 et 72 des ailes 40 et 42 en enlevant de la matière Il reste une bande de support 74 entre les organes successifs d'étanchéité 28 Un outil tournant 76 sépare l'organe d'étanchéité 28 de la bande 74 Enfin, chaque organe d'étanchéité est radialement coupé pour former des extrémités circonférentielles 31. Dans la pratique, l'organe d'étanchéité est de préférence formé en acier plaqué contenant du cuivre afin de favoriser le transfert de chaleur vers la paroi 30 du cylindre Cela permet d'utiliser l'organe d'étanchéité dans un environnement à haute température Pour mieux augmenter la durée de vie de l'assemblage 20, l'extrémité externe 45 peut être traitée pour résister à l'usure De tels traitements peuvent comprendre un chromage et une nitruration au gaz, mais n'est pas limité à cela Un traitement contre le frottement peut également être préférable La bande de matière peut avoir les extrémités appropriées formées et être traitée contre l'usure ou le frottement avant d'être configurée par les procédés de façonnage au rouleau. REVENDICATIONS 1 Segment de piston caractérisé en ce qu'il comprend une seule bande de métal formée en un segment annulaire fendu ( 28) ayant deux extrémités circonférentielles et une jambe centrale ( 32), ladite jambe venant de matière à une extrémité interne; deux ailes ( 40, 42), s'étendant latéralement vers l'extérieur d'un bord externe de ladite jambe centrale, lesdites ailes s'étendant à des angles et en direction opposée l'une à l'autre et étant configurées de manière que lesdites ailes s'étendent jusqu'à une position radiale devant être plus grande qu'une dimension radiale d'une surface périphérique interne d'un cylindre qui doit recevoir ledit segment de piston pour forcer lesdites extrémités circonférentielles en engagement d'aboutement à l'orientation assemblée. 2 Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jambe centrale ( 32) est formée par deux portions ( 36, 38) de ladite bande qui se recouvrent, chacune desdites ailes s'étendant d'un bord externe de chacune desdites portions se recouvrant. 3 Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la jambe centrale ( 32) a une section transversale solide et venant de matière. 4 Segment de piston selon la revendication 1 caractérisé en ce que le métal est de l'acier plaqué. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ailes ( 40, 42) ont une longueur commune et un angle commun mais opposé par rapport à la jambe centrale. 6 Segment de piston selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité de contact de chaque aile ( 40, 42) avec la paroi du cylindre s'étend à partir d'un point commun qui est radialement espacé vers l'extérieur de l'extrémité interne. 7 Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment annulaire ( 28) est centré autour d'un axe, ledit segment ayant une extrémité contactant une paroi du cylindre qui comporte une surface d'extrémité contactant une paroi cylindrique, ladite surface ( 46) étant cylindrique et centrée autour dudit axe. 8 Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une extrémité ( 45) contactant la paroi cylindrique de chaque aile ( 40, 42) est traitée contre l'usure et le frottement. 9 Assemblage du type comprenant un cylindre ayant une surface périphérique interne définissant un alésage et un piston annulaire ayant un mouvement de va-et-vient dans ledit alésage, ledit piston ayant une gorge annulaire disposée sur sa surface périphérique externe, caractérisé par un organe d'étanchéité en une pièce ( 28) qui est monté dans ladite gorge ( 26) pour former l'engagement d'étanchéité entre le piston et une paroi de la surface périphérique interne du cylindre, ledit organe d'étanchéité étant formé d'une seule bande de métal et comprenant une jambe centrale formée de deux portions se recouvrant, et une aile s'étendant latéralement vers l'extérieur à partir de chacune desdites portions se recouvrant, avec une extrémité externe de chaque aile en engagement d'étanchéité avec ladite paroi, ladite gorge comportant une portion s'étendant radialement vers l'intérieur pour recevoir ladite jambe centrale et une portion en forme de "V" s'étendant radialement vers l'extérieur avec deux surfaces inclinées devant chacune se trouver sous l'une desdites ailes. 10 Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'extrémité externe comprend une surface d'extrémité externe parallèle à la paroi ( 30). 11 Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'extrémité externe de chaque aile ( 40, 42) est continuellement sollicitée radialement contre ladite paroi. 12 Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque aile ( 40, 42) a une longueur commune et un angle commun mais opposé par rapport à la jambe centrale ( 32). 13 Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'extrémité externe ( 45) est traitée pour résister à l'usure. 14 Assemblage selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque aile ( 40, 42) peut se fléchir et venir en contact facial sélectif avec l'une des surfaces inclinées pendant le mouvement alternatif du piston dans le cylindre. 15 Procédé de fabrication d'un segment de piston, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: plier une bande de matière pour former deux portions se recouvrant avec une extrémité interne contiguë; former deux ailes en séparant lesdites portions se recouvrant en un point espacé de ladite extrémité interne, une portion de jambe centrale s'étendant à partir de ladite extrémité interne jusqu'au dit point de séparation; fléchir lesdites ailes de manière qu'elles s'étendent latéralement vers l'extérieur à un angle par rapport à ladite portion de jambe centrale; couper ladite bande; et mettre les extrémités de ladite bande coupée en aboutement à l'orientation assemblée avec lesdites ailes s'étendant radialement vers l'extérieur de ladite jambe centrale. 16 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'étape d'enrouler ladite bande à un diamètre souhaité. 17 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'étape de traiter une extrémité externe de chacune des ailes pour la rendre résistante à l'usure. 18 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'étape d'espacer également une extrémité externe de chacune des ailes du point de séparation. il 12 2697885 19 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend de plus l'étape de meuler l'extrémité externe pour former une surface d'extrémité externe.