Brevet FR2770591A1 — publié le 19990507

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un sabot pour un compresseur à plateau batteur utilisé dans un climatiseur d'automobile ou analogue. L'invention concerne également un procédé de fa- brication de ce sabot. DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR Dans un compresseur à plateau batteur, comme re- présenté sommairement à la figure 2, un arbre rotatif 3 por- tant un plateau batteur 2 est monté en rotation dans une paire de blocs de cylindres 5a et 5b. Dans les blocs de cy- lindres 5a et 5b sont formés un certain nombre d'alésages de cylindre 5 circonférentiellement espacés par des intervalles égaux, et un piston à deux extrémités 4 est introduit en glissement dans chaque alésage 5. Dans la partie centrale de chaque piston 4 est formé un évidement 4a destiné à venir à cheval sur la circonférence extérieure du plateau batteur 2, un siège sphérique 4b étant formé dans chacune des surfaces axialement opposées de l'évidement 4a. Un sabot 1, logé dans le siège sphérique 4b, est interposé entre le plateau batteur 2 et le piston 4 pour transformer le mouvement de rotation du plateau batteur 2 en un mouvement alternatif du piston 4. Bien qu'on ait représenté le type à double action utilisant des pistons à deux extrémités, la constitution est également fondamentalement la même dans le cylindre à simple action. Le sabot 1, qui est généralement hémisphérique, s'engage par sa surface sphérique contre le siège sphérique 4b du piston 4, et se trouve en contact de glissement, par son fond plat, avec le plateau batteur 2. Le sabot 1 est formé par forgeage à la matrice à partir d'une boule d'acier pour obtenir un aspect hémisphéri- que ou analogue à une sorte de bouton. Le sabot 1 est fabri- qué habituellement à partir d'une boule d'acier réalisée en acier pour paliers (SUJ2 selon le Japanese Industrial Stan- dard), par les processus de forgeage à la matrice (boutoir), égalisation, meulage et pressage (Publications de Brevet Ja- ponaises No. 3-33419 et No. 7-24913). Dans le compresseur à plateau batteur, du fait de la rotation du plateau batteur, le sabot est forcé de se dé- placer à la manière d'un pilon dans un mortier, ce qui peut produire un contact local. De plus, l'huile de lubrification se trouvant dans cette zone, diluée avec un réfrigérant, est relativement peu efficace pour lubrifier les parties glissan- tes. Le sabot doit donc travailler dans un environnement de très mauvaise lubrification, ce qui conduit à un grippage ou autre panne. Dans ces circonstances, on a besoin d'un sabot résistant à l'usure et résistant au grippage. La présente invention a donc pour but d'améliorer la résistance à l'usure et la résistance au grippage du sabot pour compresseur à plateau batteur. L'invention a également pour but de créer un procédé de fabrication du sabot présen- tant de telles caractéristiques. RESUME DE L'INVENTION Les buts ci-dessus sont atteints, selon l'inven- tion, par un sabot pour compresseur à plateau batteur compor- tant une surface nitrurée, de manière à former une couche durcie de dureté très élevée. A cet effet, la présente invention concerne, sous un premier aspect, un sabot hémisphérique pour compresseur à plateau batteur, comprenant une surface sphérique convexe destinée à s'engager contre le siège sphérique d'un piston, et une surface plate destinée à venir en contact de glisse- ment avec un plateau batteur, caractérisé en ce que le sabot est cémenté par nitruration. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci concerne un procédé de fabrication d'un sabot pour compres- seur à plateau batteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à donner une forme sphérique à une ébauche en acier pour paliers de roulement, par forgeage à la ma- trice, à meuler le matériau en acier sphérique ainsi obtenu, à cémenter le matériau en acier sphérique par nitruration, et à donner au matériau en acier sphérique une forme hémisphéri- que par pressage. Plus spécifiquement, dans le processus de fabri- cation, le forgeage à la matrice, l'égalisation, la nitrura- tion, l'adoucissement, le meulage, le pressage, la trempe et le recuit, le cylindrage, le meulage plan et le polissage plan, sont effectués séquentiellement. La nitruration du matériau sphérique avant de lui donner une forme hémisphérique par pressage, diminue avanta- geusement des traces ou marques de coups qui sinon seraient produites dans le processus suivant. La nitruration peut être effectuée après avoir donné une forme hémisphérique au maté- riau d'acier, bien que la nitruration du matériau en forme10 sphérique conduise avantageusement à une couche durcie uni- forme. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation re- présenté sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un sabot engagé contre le siège sphérique d'un piston; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un com- presseur à plateau batteur; - la figure 3 est un organigramme destiné à expliquer le pro- cessus de fabrication; - les figures 4 à 8 sont des diagrammes représentant les ré- sultats de test; et - la figure 9 est un graphique représentant les résultats de test. DESCRIPTION DU MODE DE REALISATION PREFERENTIEL La figure 1 représente un exemple de forme d'un sabot 10. Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée au sabot ayant la forme représentée à la figure 1, mais peut s'appliquer à n'importe quelle autre forme. Le sabot 10, qui présente un aspect hémisphérique ou analogue à une sorte de bouton, s'engage par sa circonférence extérieure 14 contre un siège sphérique 4b d'un piston 4, tandis que son fond plat 18 est en contact de glissement avec un plateau batteur 2. La circonférence extérieure 14 est une surface sphérique convexe ayant le même rayon de courbure que le rayon de courbure Rl du siège sphérique 4b. La circonférence extérieure 14 et le fond 18 se rejoignent mutuellement de façon douce et conti- nue. Un évidement peut être formé dans la partie centrale du fond 18. Le sommet 16 du sabot est espacé du siège sphérique 4b de manière à former un intervalle entre les deux. Dans l'exemple illustré, le sommet 16 est constitué d'une surface partiellement sphérique de plus grand rayon de courbure R2 que le rayon de courbure Ri de la circonférence extérieure 14. En variante, le sommet peut être formé en découpant li- néairement une partie de la circonférence extérieure de la forme sphérique convexe. Dans chaque cas, le sommet 16 et la circonférence extérieure 14 se rejoignent mutuellement de préférence de façon douce et continue. Un autre évidement peut être formé dans le sommet 16. Le sabot 10 est formé à partir d'une boule d'acier par forgeage à la matrice. L'utilisation d'une boule d'acier réalisée en acier pour paliers durci (SUJ2) destiné à être utilisé dans des roulements à billes, permet d'assurer une production en grande série avec une précision élevée et à un coût relativement bas. On décrira maintenant le processus de fabrication tel qu'illustré à la figure 3. On donne à un matériau d'ébau- che une forme sphérique par forgeage à la matrice en utili- sant un boutoir et, après égalisation, le matériau est nitruré de manière à former une couche durcie sur sa surface. Le procédé pratique de nitruration peut être n'importe quel procédé connu tel qu'une nitruration au gaz, une nitruration au liquide ou une nitruration aux ions. Le matériau nitruré est soumis à un recuit qui est suivi d'un meulage pour effec- tuer une finition permettant d'obtenir une boule d'acier d'une précision voulue, et on donne à la boule d'acier une forme hémisphérique par pressage. Ensuite, par trempe, cylin- drage, meulage plan et polissage plan, on obtient un produit de sabot tel que représenté à la figure 1. Pour vérifier la résistance au grippage et la ré- sistance à l'usure du sabot 10 selon l'invention, les effets du traitement de surface du sabot sur l'usure et le frotte- ment du sabot hémisphérique et du plateau batteur utilisés dans le compresseur à plateau batteur pour climatiseur d'au- tomobile, ont été examinés par des tests de modèles dans des conditions de glissement pur. Comme machine de test, on a mo- difié la machine de test de type pointe-sur-disque pour obte- nir une machine de type bille-sur-disque dans laquelle une boule d'acier a été pressée verticalement avec un poids spé- cifié contre un disque d'aluminium tournant à une vitesse spécifique, et l'on a testé les effets de la présence ou de l'absence de traitement de surface de la boule d'acier, sur le frottement et l'usure. Le matériau du disque était un ma- tériau à forte teneur en silicium-aluminium A390 (17 % de Si, Al estimé standard) ayant subi un traitement de finition douce. La machine de test est capable d'augmenter et de diminuer la pression dans la chambre de manière à effectuer des tests sous une atmosphère de réfrigérant pressurisé. Après avoir fait le vide dans la chambre jusqu'à 50 mmHg, on a chargé dans la chambre du gaz réfrigérant de remplacement de chlorofluorocarbone jusqu'à la pression de 4 kgf/cm2, et le test a été effectué. A la concentration d'huile de 1 %, les performances de résistance au grippage du produit nitruré étaient 15 fois supérieures à celles des produits standard, c'est-à-dire de 1,5:0,1 (min), et à la concentration de 2 %, la résistance au grippage était 1,8 fois plus élevée, c'est- à-dire de 4,5:2,5 (min). Pour comparer les quantités d'usure ou le taux d'usure, on effectuait le test dans lequel on fournissait une quantité d'huile suffisante pour ne pas pro- voquer de grippage pendant le test. Les résultats sont indi- qués dans le Tableau 1. La force de frottement était évaluée en termes de coefficient de frottement, les valeurs étant prises au bout d'un temps de fonctionnement de 10 minutes lorsque le coefficient de frottement était stabilisé. La quantité d'usure était évaluée en termes de profondeur et de largeur des marques d'usure sur le disque. Le test était ef- fectué deux fois. TABLEAU 1 Traitement de Profondeur Largeur Coefficient surface de la d'usure um d'usure de frottement boule d'acier 30 minutes 30 minutes 10 minutes Standard Standard 4,5 4,5 0,48 0,56 0,28 0,32 (non traitée) Nitrurée 5,0 4,0 0,58 0,52 0,30 0,24 Les conditions de test sont indiquées dans le Ta- bleau 2. Tableau 2 Machine de test Machine de test bille-sur-disque Vitesse de glissement 60 m/min (597 tours/min.) Pression de surface 2 Pression de surface 35,27 kgf/cm (poise 1 kgf) moyenne Matériau du disque A390 (matériau d'aluminium à 17 % de Si) Rugosité de surface 0,4 - 0,5 uRa 0,4 - 0,5 mRa du disque Boule 0,5 pouce Temperature Temperature ambiante Quantité d'huile de l) 2) Quantit d'huile de 1: bas (3 taux de dilution)) 2:haut2) lubrification 3) Temps de test Dans 30 minutes3 Atmosphère HFC134a (4,0 kgf/cm de pression) Nota l-)10 L'huile de lubrification était diluée dans de l'acétone jusqu'à la concentration d'huile de 1 %, 2 % et 3 %. Le disque était immergé dans la solution puis retiré de celle-ci pour laisser l'acétone s'évaporer. La quantité d'huile déposée sur le disque était de 1,5 à 2 mg à la concentration de 1 %, d'environ 3 mg à la concentration de 2 %, et de 4 à 5 mg à la concentration de 3 %. On laissait tomber goutte à goutte environ 0,25 g d'huile de lubrification sur le disque (10 gouttes au moyen d'une pipette de goutte à goutte). On effectuait la mesure du taux d'usure 30 minutes après. 3)On stoppait à un coefficient de frottement de 1,0 ou au bout de 30 minutes. Le traitement de surface de la boule est indiqué dans le Tableau 3. Tableau 3 Objet de test Traitement Comparatif Standard (non traitée) Réalisation invention Nitrurée Avant d'effectuer le test dans le gaz réfrigé- rant, on effectuait un test préliminaire dans de l'air dans le but de régler les conditions de mesure. Les résultats sont indiqués à la figure 4. La quantité d'huile de lubrification était la quantité minimum car le disque était immergé dans la solution à 1 % de concentration. Le temps écoulé jusqu'au grippage était initialement prévu pour se situer à l'inté- rieur de 30 minutes. En fait, la durée de vie était à l'inté- rieur de 15 minutes dans tous les échantillons, et les résultats étaient pratiquement ceux prévus. Si la durée avant grippage était plus longue, on augmentait n. En ce qui con- cerne la durée de vie avant grippage, le mode de réalisation selon l'invention était légèrement supérieur à l'exemple com- paratif. Dans le test préliminaire, on déterminait les va- leurs approximatives de la quantité d'huile de lubrification et de la durée de vie, tandis que dans les tests suivants, la pression du gaz réfrigérant (HFC134a) était réglée à la pres- sion de 4 kgf/cm2, et l'on déterminait (1) la durée de vie avant grippage pour des quantités variables d'huile de lubri- fication ainsi qu'avec ou sans traitement de surface de la boule, et (2) le taux d'usure avec suffisamment d'huile pour ne pas provoquer de grippage, ainsi qu'avec ou sans traite- ment de surface de la boule. Les résultats à 1 % de concentration sont indi- qués à la figure 5. Dans le gaz réfrigérant, tous les résul- tats étaient classés à l'intérieur de 1,5 minute, et la durée de vie était très courte. Comparativement aux résultats dans l'air (figure 4), la durée de vie est inférieure à 1/5. Il semble que la raison pour laquelle la durée de vie était rac- courcie, était que le gaz réfrigérant se dissolvait dans l'huile de lubrification, en diminuant ainsi la fonction de formation du film d'huile. Les résultats à 2 % de concentration sont indi- qués à la figure 6. Comparativement aux résultats à 1 % de concentration, la durée de vie jusqu'au grippage était légè- rement plus longue, mais n'était pas notablement prolongée. Les résultats à 3 % de concentration sont indi- qués à la figure 7. Comparativement aux résultats à 2 % de concentration, la durée de vie jusqu'au grippage était plus longue, mais les fluctuations étaient également plus grandes. L'exemple comparatif et le mode de réalisation selon l'inven- tion semblent être pratiquement au même niveau. Dans le but de comparer les taux d'usure, le test a été effectué avec suffisamment d'huile pour ne pas provo- quer de grippage pendant le test. L'huile de lubrification était préalablement appliquée dans la zone centrale du diamè- tre de la piste sur le disque, par 10 gouttes (0,25 g) au moyen d'une pipette de goutte à goutte. On ne notait aucun grippage pendant 30 minutes de fonctionnement. La force de frottement était évaluée en termes de coefficient de frottement. Le taux d'usure était mesuré aux endroits o les marques d'usure sur le disque étaient paral- lèles aux marques de meulage (positions à 0 et 180 ), et évalué en termes de profondeur maximum et de largeur maximum des marques d'usure. Le nombre de répétitions des tests était de 2. Les résultats de mesure de profondeur des marques d'usure après le test, sont indiqués à la figure 8. La pro- fondeur dans le mode de réalisation selon l'invention était presque la même que celle de l'exemple comparatif. Les chan- gements du coefficient de frottement au cours du temps, obte- nus dans le test d'usure, sont indiqués à la figure 9. Comme cela a été décrit jusqu'ici, du fait que le sabot pour compresseur à plateau batteur selon l'invention est nitruré au moins sur la surface de la circonférence exté- rieure qui s'engage contre le siège sphérique du piston, et sur la surface plate qui vient en contact de glissement avec le plateau batteur, la résistance au grippage est considéra- blement augmentée, en augmentant ainsi la durée de vie du compresseur. La nitruration de l'ébauche de sabot au stade d'une boule d'acier, est avantageuse du fait qu'on forme une couche de nitrure uniforme, et que des bosses ne risquent pratiquement pas de se produire dans les étapes de traitement ultérieures. De plus, l'utilisation d'acier pour paliers de roulement, comme matériau de réalisation du sabot, augmente la résistance à l'usure de ce sabot, tandis que la résistance15 au grippage est encore augmentée par nitruration. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Sabot hémisphérique (10) pour compresseur à plateau bat- teur, comprenant une surface sphérique convexe (14) destinée à s'engager contre le siège sphérique (4b) d'un piston (4), et une surface plate (18) destinée à venir en contact de glissement avec un plateau batteur (2), caractérisé en ce que le sabot (10) est cémenté par nitruration. 2 ) Procédé de fabrication d'un sabot (10) pour compresseur plateau batteur, caractérisé en ce qu' il comprend les étapes consistant à donner une forme sphéri- que à une ébauche en acier pour paliers de roulement, par forgeage à la matrice, à meuler le matériau en acier sphéri- que ainsi obtenu, à cémenter le matériau en acier sphérique par nitruration, et à donner au matériau en acier sphérique une forme hémisphérique par pressage. 3 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le forgeage à la matrice, l'égalisation, la nitruration, l'adoucissement, le meulage, le pressage, la trempe et le re- cuit, le cylindrage, le meulage plan et le polissage plan, sont effectués séquentiellement. 4 ) Sabot (10) pour compresseur à plateau batteur, fabriqué par le procédé selon la revendication 2 ou la revendica- tion 3.