Brevet FR2755206A1 — publié le 19980430

La présente invention se rapporte à un segment de piston et plus particulier à un segment de piston de configuration trapézoïdale comportant une caractéristique d'orientation pour assurer une installation appropriée. Le segment de piston comporte une surface périphérique extérieure ayant une zone d'étanchéité avec une surface durcie par du nitrure et une surface conique adjacente à la zone d'étanchéité. Les segments de piston sont bien connus. Ils sont habituellement reçus dans une rainure annulaire ménagée autour d'une périphérie extérieure d'un piston. Le piston, quant à lui, peut effectuer un mouvement de vaet-vient dans un cylindre. Le piston comprime des fluides, comme des gaz, dans une chambre de combustion du cylindre. Dans le cas d'un moteur à combustion interne, ces fluides sont allumés et se dilatent, en contraignant le piston à s'éloigner du point d'allumage. La fonction primaire du segment de piston est de réaliser une étanchéité efficace des gaz des combustions, désignés par "contrôle des gaz contournant le piston". Une seconde fonction du segment de piston est d'empêcher que l'huile de lubrification excédentaire entre dans la chambre de combustion. Pour accomplir ces fonctions d'étanchéité, le segment de piston doit être constamment et complètement en contact avec le cylindre. Les gaz d'expansion ont tendance à contraindre le segment de piston radialement vers l'extérieur contre le cylindre ce qui contribue à l'étanchéité. Cependant, la conception du segment de piston joue également un rôle important pour l'étanchéité. On sait réaliser un segment de piston avec une section transversale sous la forme d'un trapèze. La forme trapézoïdale permet aux gaz d'expansion de contraindre le segment de piston plus facilement radialement vers l'extérieur. I1 est également connu de diminuer une surface périphérique extérieure entière d'un segment de piston. La diminution est réalisée pour la mise en place initiale seulement et est conçue pour avoir un contact par points entre le segment de piston et le cylindre. Après l'usure du segment de piston, toute la face périphérique extérieure vient entièrement en contact avec le cylindre. Dans un autre segment de piston connu, il est prévu une saillie à la partie la plus haute de la face périphérique extérieure qui est conçue pour s'user pendant la mise en place initiale. Après la mise en place, toute la surface périphérique extérieure agit comme surface d'étanchéité. Aucun des segments de piston de l'art antérieur n'a de zone d'étanchéité durcie qui fait saillie depuis la surface périphérique extérieure conçue pour établir une étanchéité relativement au cylindre pendant toute la durée de vie du segment de piston. Par ailleurs, aucune des conceptions de l'art antérieur diminue seulement une portion de la surface périphérique extérieure en combinaison avec une zone d'étanchéité. Enfin, les segments de piston de l'art antérieur n'ont pas de caractéristique d'orientation qui assure une orientation appropriée pendant l'installation. La présente invention a pour objet la création d'un segment de piston perfectionné destiné à être utilisé avec un piston. Cet objet est atteint conformément à l'invention par un segment de piston destiné à être utilisé avec un piston, caractérisé en ce qu'il comprend un corps généralement annulaire d'une section transversale trapézoïdale ayant une surface supérieure, une surface inférieure, une surface périphérique intérieure et une surface périphérique extérieure ; ledit corps annulaire incluant une caractéristique d'orientation sur l'une desdites surfaces pour fournir une indication visuelle afin d'assurer que ledit segment de piston soit orienté correctement pendant l'installation. La caractéristique d'orientation diminue le risque que le segment de piston soit monté à l'envers. La caractéristique d'orientation a une seule fonction, et cette fonction est d'indiquer visuellement l'orientation correcte du segment de piston. Cette caractéristique d'orientation se situe sur l'une desdites surfaces supérieure ou inférieure. Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite caractéristique d'orientation est choisie parmi au moins une rainure, une saillie et une encoche. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le segment de piston a une forme trapézoïdale en section transversale, et ladite caractéristique d'orientation se situe sensiblement tout autour de ladite surface supérieure. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ladite caractéristique d'orientation a une forme généralement annulaire. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ladite caractéristique d'orientation est sensiblement coaxiale avec ledit segment de piston. L'invention concerne également un segment de piston pour utilisation avec un piston se trouvant dans un cylindre comportant : un corps généralement annulaire avec une surface supérieure, une surface inférieure, une surface périphérique intérieure et une surface périphérique extérieure ; ladite surface périphérique extérieure incluant une zone d'étanchéité pour concentrer des charges de force dudit segment de piston contre ledit cylindre : et ladite zone d'étanchéité a une surface durcie pour résister à l'usure pendant toute une durée de vie dudit segment de piston. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ladite surface périphérique extérieure comporte en outre une portion conique adjacente à ladite zone d'étanchéité qui s'étend vers l'une desdites surfaces supérieure et inférieure et qui diminue radialement vers l'intérieur depuis ladite zone d'étanchéité vers ladite surface précitée. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ladite portion conique s'étend de ladite surface supérieure à ladite zone d'étanchéité, et ladite zone d'étanchéité est adjacente à ladite surface de fond. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ladite portion conique a une conicité d'environ 1 à 2 degrés et ledit segment de piston a une forme trapézoïdale en section transversale. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ladite zone d'étanchéité se situe sur une moitié inférieure de ladite surface périphérique extérieure, et ladite portion conique s'étend radialement vers l'intérieur, vers ladite surface supérieure. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ladite surface durcie est une surface nitrurée. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, ladite surface durcie a une dureté d'une VHN d'environ 900-1400. Un avantage de la zone d'étanchéité est celui que les charges de force sur la surface périphérique extérieure du segment de piston sont concentrées sur une plus petite zone de contact avec le cylindre ce qui améliore l'étanchéité. L'invention concerne également un segment de piston pour utilisation avec un piston dans un cylindre comprenant : un corps généralement annulaire avec une surface supérieure, une surface inférieure, une surface périphérique intérieure et une surface périphérique extérieure ; une caractéristique d'orientation sur l'une desdites surfaces pour fournir une indication visuelle afin d'assurer que ledit segment de piston soit orienté correctement pendant l'installation ; ladite surface périphérique extérieure incluant une zone d'étanchéité pour concentrer des charges de force dudit segment de piston contre ledit cylindre, ladite zone d'étanchéité ayant une surface durcie pour résister à l'usure pendant toute une durée de vie dudit segment de piston ; et ladite surface périphérique extérieure ayant une portion conique adjacente à ladite zone d'étanchéité. La portion conique est réalisée suivant un angle radialement vers l'intérieur de la zone d'étanchéité vers l'une des surfaces supérieure ou inférieure. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, le segment de piston a en outre une section transversale en forme de trapèze. Un segment de piston réalisé conformément à la présente invention requiert moins d'étapes de procédé étant donné que le segment de piston est réalisé en un fil étiré présentant la plupart des caractéristiques cidessus réalisées pendant l'étirage. Seulement des opérations de finition comme la rectification finale, la nitruration et le rodage sont requis. La nitruration élimine le besoin d'un placage au chrome tout en fournissant une résistance équivalente à l'usure. Par conséquent, le segment de piston de la présente invention est moins coûteux à fabriquer que les segments de piston de l'art antérieur et de plus, pour ce faire, on utilise des procédés plus propres du point de vue de l'environnement. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence au dessin schématique annexé donné uniquement à titre d'exemple illustrant des modes de réalisation de l'invention, et dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective d'un segment de piston en accord avec la présente invention. La figure 2 est une vue en section d'un segment de piston en accord avec la présente invention, adjacent à un cylindre. La figure 1 représente un segment de piston 20 en accord avec la présente invention incluant un corps 22 généralement annulaire ayant une caractéristique d'orientation 24 et une zone d'étanchéité 26. Comme représenté sur la figure 2, le corps annulaire 22 comporte une surface supérieure 28, une surface inférieure 30, une surface périphérique intérieure 32 et une surface périphérique extérieure 34. Bien que le corps annulaire 22 peut avoir n'importe quelle forme en section transversale, une forme préférée est un trapèze ou une forme trapézoïdale où la surface supérieure 28 et la surface inférieure 30 sont réalisées suivant un angle relativement à la surface périphérique intérieure 32. Le corps annulaire 22 est réalisé en un fil étiré, de préférence en un fil en acier inoxydable martensitique, par exemple en acier inoxydable de 420 ou 440B, durci et trempé à environ 35-40 Rockwell 'C'. Cependant, d'autres matériaux appropriés peuvent être utilisés, et le traitement peut être différent, on peut utiliser par exemple l'extrusion à la place de l'étirage. La caractéristique d'orientation 24 peut se situer sur l'une quelconque des surfaces 28, 30, 32, 34 du segment de piston. La caractéristique d'orientation 24 a une seule fonction, à savoir la réalisation d'une indication visuelle pour assurer que le segment de piston 20 soit orienté correctement pendant l'installation sur un piston (non représenté). La caractéristique d'orientation 24 est réalisée de préférence pendant l'étirage en éliminant ainsi la nécessité d'opérations d'usinage séparées. Par conséquent, la caractéristique d'orientation 24 est formée continuellement autour de la périphérie du segment de piston 20 et est sensiblement coaxiale avec celui-ci. La caractéristique d'orientation 24 est également réalisée de préférence sous forme de rainure située sur la surface supérieure 24 pour qu'on puisse la voir facilement pendant l'installation. Cependant, il est envisagé que la caractéristique d'orientation 24 peut également être non-continue ou avoir des formes différentes qui ont toujours la fonction d'indication visuelle. A titre d'exemple, une seule encoche, une série de moletages, une saillie ou une marque peut être utilisée pour indiquer visuellement l'orientation correcte du segment de piston. Le segment de piston 20 comporte en outre une zone d'étanchéité 26 disposée le long de la surface périphérique extérieure 34 en vue d'une mise en prise étanche avec le cylindre 36. La zone d'étanchéité 26 est également réalisée de préférence pendant l'étirage. Dans le mode de réalisation préféré représenté, la zone d'étanchéité 26 est située sur la surface périphérique extérieure 34 adjacente à la surface inférieure 30 pour réaliser un meilleur effet d'étanchéité. Cependant, la zone d'étanchéité 26 peut se trouver à n'importe quel endroit le long de la surface périphérique extérieure 34. La zone d'étanchéité 26 sert à concentrer les forces de dilatation radiales du segment de piston 20 à une zone de contact réduite avec le cylindre 36. La concentration des forces à la zone d'étanchéité 26 permet une meilleure étanchéité des gaz de combustion et empêche que le lubrifiant excédentaire fuit au-delà du segment de piston 20. La zone d'étanchéité 26 s'étend de préférence sur 0,0508 mm dans la direction radiale et sur 0,0508 mm dans la direction longitudinale. Bien que la zone d'étanchéité 26 puisse avoir n'importe quelle forme connue, une forme préférée est une forme semi-circulaire qui est facilement obtenue par extrusion et qui fournit des caractéristiques d'étanchéité excellentes. La zone d'étanchéité adjacente 26 est une portion conique 38 qui est réalisée suivant un angle radialement vers l'intérieur depuis la zone d'étanchéité 26 soit vers la surface supérieure 28 soit vers la surface inférieure 30. La portion conique 38 se trouve sur l'un des côtés de la zone d'étanchéité 26 ou sur les deux cotés. De préférence, la portion conique 38 se situe entre la zone d'étanchéité 26 et une surface supérieure 28 de façon qu'une force de torsion puisse être impartie au segment de piston 20. Une force de torsion est produite lorsque les gaz de combustion en expansion agissent contre la portion conique 38. Une telle force de torsion a tendance à forcer la zone d'étanchéité 26 radialement vers l'extérieur et elle améliore ainsi l'étanchéité. Dans le mode de réalisation préféré, la portion conique 38 a un angle conique d'environ 1 à 2 degrés relativement à la verticale. De plus, toutes les surfaces 28, 30, 32, 34 du segment de piston, y compris la zone d'étanchéité 26, sont durcies par une opération de durcissement qui donne une résistance à l'usure et qui améliore les caractéristiques d'étanchéité du segment de piston 20. De préférence, le durcissement est accompli en utilisant un procédé de nitruration au gaz qui crée une dureté de surface d'une VHN d'environ 900-1400 et qui réalise une profondeur de couche durcie d'environ 0,1016 mm. Un avantage de la nitruration au gaz est celui qu'elle est plus propre du point de vue de l'environnement que les procédés de placage au chrome standard tout en produisant une surface d'une dureté équivalente. La zone d'étanchéité 26 est durcie pour résister à l'usure pendant toute la durée de vie du segment de piston 20. La zone d'étanchéité 26 n'est pas simplement une caractéristique conçue pour s'user pendant l'introduction initiale d'un dispositif de piston et de cylindre. La zone d'étanchéité 26 est conçue pour fonctionner pendant toute la durée de vie du segment de piston 20. Après le durcissement, une opération de rodage peut être effectuée en option sur le segment de piston 20 de façon que la zone d'étanchéité 26 soit dimensionnée correctement et soit lisse pour mieux s'adapter et rendre étanche un cylindre respectif. Le rodage peut diminuer l'extension radiale de la zone d'étanchéité 26 jusqu'à environ 0,0254 mm. Des modes de réalisation préférés de la présente invention ont été divulgués. Cependant, l'homme de l'art comprendra que certaines modifications seraient comprises dans les enseignements de cette invention. Par conséquent, les revendications suivantes devraient être étudiées pour déterminer la véritable portée et le contenu de l'invention. REVENDICATIONS 1. Segment de piston utilisable dans un piston, caractérisé en ce qu'il comprend un corps généralement annulaire (22) ayant une surface supérieure (28), une surface inférieure (30), une surface périphérique intérieure (32) et une surface périphérique extérieure (34) ; ledit corps annulaire (22) incluant une caractéristique d'orientation (24) sur l'une desdites surfaces pour fournir une indication visuelle afin d'assurer que ledit segment de piston (20) soit orienté correctement pendant 1' installation. 2. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite caractéristique d'orientation a seulement une fonction unique et en ce que ladite fonction unique consiste à indiquer visuellement une orientation correcte dudit segment de piston (20). 3. Segment de piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite caractéristique d'orientation (24) se situe sur l'une desdites surfaces supérieure (28) ou inférieure (30). 4. Segment de piston selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite caractéristique d'orientation (24) est choisie parmi au moins une rainure, une saillie et une encoche. 5. Segment de piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit segment de piston a une forme trapézoidale en section transversale et en ce que ladite caractéristique d'orientation (24) se situe sensiblement tout autour de ladite surface supérieure (28). 6. Segment de piston selon la revendication 4, où ladite caractéristique d'orientation (24) a une forme généralement annulaire. 7. Segment de piston selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite caractéristique d'orientation est sensiblement coaxiale avec ledit segment de piston (20). 8. Segment de piston selon la revendication 1 pour utilisation dans un piston situé dans un cylindre, caractérisé en.ce que la surface périphérique extérieure précitée t34) comprend une zone d'étanchéité (26) pour concentrer des charges de force dudit segment de piston (20) sur ledit cylindre (36), et ladite zone d'étanchéité (26) a une surface durcie pour résister à l'usure pendant toute la durée de vie dudit segment de piston (20). 9. Segment de piston selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite surface périphérique extérieure comporte en outre une portion conique (38) adjacente à ladite zone d'étanchéité (26) qui s'étend vers l'une desdites surfaces supérieure (28) et inférieure (30) et diminue radialement vers l'intérieur depuis ladite zone d'étanchéité (26) vers ladite surface précitée. 10. Segment de piston selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite portion conique (38) s'étend de ladite surface supérieure (28) vers ladite zone d'étanchéité et en ce que ladite zone d'étanchéité est adjacente a ladite surface de fond (30). 11. Segment de piston selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite portion conique (38) a une conicité d'environ 1 à 2 degrés, et ledit segment de piston (20) a une forme trapézoidale en section transversale. 12. Segment de piston selon la revendication 9, caractérisé en ce que ladite zone d'étanchéité (26) se situe sur une moitié inférieure de ladite surface périphérique extérieure, et ladite portion conique (38) s'étend radialement vers l'intérieur vers ladite surface supérieure 13. Segment de piston selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite surface durcie est une surface nitrurée. 14. Segment de piston selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite surface durcie a une dureté d'une VHN d'environ 900-1400. 15. Segment de piston utilisable dans un piston dans un cylindre, caractérisé en ce qu'il comporte un corps généralement annulaire (22) avec une surface supérieure (28), une surface inférieure (30), une surface périphérique intérieure (32) et une surface périphérique extérieure (34), une caractéristique d'orientation (24) sur l'une desdites surfaces pour fournir une indication visuelle afin d'assurer que ledit segment de piston soit orienté correctement pendant l'installation, ladite surface périphérique extérieure (34) incluant une zone d'étanchéité (26) pour concentrer des forces de charge dudit segment de piston (20) contre ledit cylindre, ladite zone d'étanchéité (26) ayant une surface durcie pour résister à l'usure pendant toute une durée de vie dudit segment de piston et ladite surface périphérique extérieure (34) ayant une portion conique adjacente à ladite zone d'étanchéité (26). 16. Segment de piston selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il a en outre une section transversale trapézoïdale.