Brevet FR2790285A1 — publié le 20000901

L'invention part d'un moteur à combustion in- terne comportant au moins une chemise montée dans un bloc-cylindre(s), la chemise présentant un épaulement radialement extérieur présentant une face d'appui par laquelle elle est pressée, avec précontrainte axiale, contre une face de support d'un élément de support radialement intérieur du bloc-cylindre(s). Par l'état de la technique, on connaît des moteurs à combustion interne dans les cylindres du bloc-cylindres desquels sont montées des chemises. On produit, dans ce but, des chemises baignant dans l'eau de refroidissement (chemises "humides") et pourvues à leur extrémité supérieure ou dans leur zone médiane d'un épaulement radialement extérieur, mais un tel épaulement peut être prévu aussi sur des chemises qui ne baignent pas directement dans l'eau de refroidissement (chemises "sèches"). L'épaulement des chemises connues possède une face d'appui plane dirigée vers le bloc-cylindres et perpendiculaire à la direction axiale. Au montage des chemises dans les cylindres du bloc-cylindres, cette face d'appui est amenée en butée contre une face de butée plane d'un élément de support prévu à cet effet dans le bloc- cylindres. Une culasse est fixée sur le bloc-cylindres par des goujons ou des vis à tête et maintient les chemises dans les cylindres en serrant la face d'appui de chacune d'elles axialement avec précontrainte contre la face de support de l'élément de support coordonné du bloc- cylindres. Cependant, lors de la fabrication des chemises et du bloc-cylindres, des tolérances d'usinage provoquent des défauts de planéité, d'étagement et angulaires de la face de support et de la face d'appui. En raison de leur serrage l'une contre l'autre, il se produit, dans la zone du joint de séparation entre la face d'appui et la face de support, une distribution irrégulière de la contrainte dans la direction circonférentielle, avec des pointes de contrainte locales. Il s'ensuit que la paroi de la chemise se déforme, notamment en direction radiale, et une cambrure radiale est mesurable aussi dans des plans de niveau, dans la direction axiale, qui sont plus éloignés de l'épaulement. Le voilement indésiré de la chemise entraîne une puissance de frottement accrue et une abrasion irrégulière de la chemise et du piston guidé par elle, ainsi que des segments. Le voilement peut en outre diminuer l'effet d'étanchéité et de raclage des segments, de sorte que, d'une part, du mélange comprimé peut passer par les segments et que, d'autre part, de l'huile peut pénétrer dans la chambre de combustion par contournement du piston. La puissance du moteur diminue de ce fait et la consommation d'huile augmente. Partant de cette situation, l'invention vise à créer un moteur à combustion interne, du type mentionné au début, dans lequel le voilement des chemises soit évité dans une large mesure. Conformément à l'invention, on obtient ce ré- sultat par le fait que la rigidité de conformation de la face d'appui et/ou de la face de support est plus faible que celle des zones qui s'y raccordent. Le moteur à combustion interne selon l'inven- tion a notamment l'avantage qu'en raison de l'accroissement ciblé de la flexibilité dans la zone de la face d'appui et de la face de support, les pointes de contrainte dues à des imprécisions dans la fabrication sont réduites principalement dans la zone radialement extérieure du joint de séparation, et les déformations irrégulières qui en résultent se produisent principalement à cet endroit. Par contre, aucun voilement notable ne se produit dans les zones radialement intérieures plus rigides des chemises, dont la stabilité dimensionnelle est essentielle pour une marche à faible frottement et peu d'usure du moteur. Une telle chemise à faible voilement diminue les pertes par frottement dans les cylindres et garantit ainsi une plus longue durée de vie et une plus faible consommation de carburant du moteur. D'autres dispositions selon l'invention, dé- crites dans ce qui va suivre, permettent des développe- ments et des perfectionnements avantageux du moteur selon l'invention. Un développement particulièrement préféré de l'invention prévoit que la face d'appui soit orientée sous un angle par rapport à la face de support, et que ces deux faces soient en particulier disposées sous un angle l'une par rapport à l'autre dans un plan contenant l'axe de la chemise, et soient en contact entre elles seulement dans une zone radialement intérieure ou, inversement, dans une zone radialement extérieure. En raison de l'orientation angulaire, on obtient d'une part une plus petite surface de contact, ce qui conduit, pour la même précontrainte, à une plus forte pression spécifique de surface dans la zone du joint de séparation et par suite aussi à une plus grande flexibilité à cet endroit. D'autre part, le chanfreinage déporte la surface de contact entre la face d'appui et la face de support radialement vers l'intérieur, raison pour laquelle le bras de levier entre l'épaulement radialement extérieur et les forces axiales attaquant l'extrémité de tête de la chemise devient plus court. Ce bras de levier raccourci diminue à son tour le couple fléchissant exercé sur la chemise, avec le résultat que sa tendance au renflement décroît. Le chanfreinage angulaire de la face d'appui et/ou de la face de support peut être exécuté, de manière simple, à symétrie de révolution, de sorte que les coûts de cette opération sont faibles. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, une couche intermédiaire est disposée entre l'épaulement et son élément de support, couche qui comprend au moins un anneau qui, sous l'effet de la précontrainte, est déformable élastiquement et/ou dans le domaine plastique, de manière que les déformations provoquées par la précontrainte se produisent principalement dans l'anneau. Partant d'un tel mode de réalisation, la couche intermédiaire est prévue, selon un développement, pour plusieurs cylindres disposés en une rangée et est faite de plu- sieurs anneaux reliés les uns aux autres en une rangée et déformables élastiquement et/ou dans le domaine plastique. La couche intermédiaire élastique est ainsi réalisée à la façon d'un joint de culasse et peut être placée simplement dans le bloc-cylindres, par exemple sous la forme d'une pièce d'un seul tenant, ce qui permet une mise en place facile et peu coûteuse. Un autre mode de réalisation de l'invention prévoit que la face de support et/ou la face d'appui soit profilée en direction axiale, de préférence sous forme ondulée. L'appariement de faces généré par l'ondulation peut alors être calculé de manière que la déformation de la chemise soit réduite à un minimum. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective et en coupe d'un bloc-cylindres et d'une chemise, avec prévision d'une couche intermédiaire réalisée comme une rangée d'anneaux attachés les uns aux autres entre les chemises et le bloc-cylindres, couche qui est déformable par déformation élastique/plastique; - la figure 2 est une coupe transversale d'un anneau selon la figure 1; - la figure 3 est une coupe transversale d'un anneau selon la figure 1 d'après un autre mode de réalisation; - la figure 4 est une vue en perspective d'une chemise pourvue d'un épaulement présentant une face d'appui oblique; - la figure 5 montre à plus grande échelle une coupe partielle dans la zone du détail Y de la figure 4, représentant en plus, à la différence de ce détail, une partie du bloc-cylindres; - la figure 6 est une représentation schéma- tique d'une simulation, par la méthode des éléments finis (MEF) de la configuration d'une chemise à l'état monté; - la figure 6a est une représentation fortement exagérée de la déformation d'une chemise dont la face d'appui est perpendiculaire à la direction axiale; - la figure 6b est une représentation fortement exagérée de la déformation d'une chemise dont la face d'appui est biseautée sous un angle a = 0,4 degré; - la figure 6c est une représentation fortement exagérée de la déformation d'une chemise dont la face d'appui est biseautée sous un angle a = 0,5 degré; - la figure 6d est une représentation fortement exagérée de la déformation d'une chemise dont la face d'appui est biseautée sous un angle a = 0,6 degré; - la figure 7 montre un autre mode de réalisation de l'invention, selon lequel la face d'appui de la chemise est profilée en direction axiale; - la figure 8 montre un autre mode de réalisation de l'invention, selon lequel une couche intermédiaire sous la forme d'un anneau est profilée en direction axiale; - la figure 9 montre encore un autre mode de réalisation de l'invention, selon lequel la face d'appui de la chemise est profilée en direction axiale et orientée en outre obliquement; et - la figure 10 est une coupe partielle à plus grande échelle prise dans la zone du détail Y de la fi- gure 9, mais montrant en plus, à la différence de ce détail, une partie du bloc-cylindres. La figure 1 représente une chemise humide 1 peu avant son montage dans le cylindre 2 d'un bloc- cylindres 4 d'un moteur à combustion interne. Pour sa fixation axiale dans le cylindre 2, la chemise 1 est pourvue d'un épaulement 6 situé radialement à l'extérieur et présentant une face d'appui annulaire 8 dirigée vers le bloc-cylindres 4. La face d'appui 8 est située de préférence dans un plan perpendiculaire à l'axe de la chemise 1 et, vue dans le sens de la longueur de la chemise, essentiellement au milieu, la hauteur de l'épaulement correspondant de préférence à environ 0,5 à 1,5 fois l'alésage de la chemise 1. Des chemises possédant un tel épaulement 6 au milieu sont appelées aussi "chemises à butée médiane". L'épaulement médian 6 sépare une partie supérieure 10 de plus grand diamètre d'une partie inférieure 12 de plus petit diamètre de la chemise 1. Ce type de chemise est en lui-même connu. Les cylindres 2 du bloc-cylindres 4 sont chacun pourvus d'un élément de support 14, lequel présente une face de support 16 plane, de forme en anneau. Au montage, la partie inférieure 12 de plus petit diamètre de la chemise est glissée dans le cy- lindre 2, jusqu'à ce que la face d'appui 8 repose sur la face de support 16. Ensuite, une culasse, non représentée, est placée sur le bloccylindres 4, auquel elle est reliée de façon connue par des goujons ou des vis à tête. Les chemises 1 sont ainsi maintenues dans les cylindres 2 par la pression exercée sur leur extrémité de tête par la culasse et la face d'appui 8 de chaque chemise 1 est pressée avec précontrainte axiale contre la face de support 16 correspondante du bloc-cylindres 4. Selon un mode de réalisation préféré de l'in- vention, la zone du joint de séparation entre la face d'appui 8 et la face de support 16 est plus flexible que les zones adjacentes à cette zone de joint de la chemise 1 et du bloc-cylindres 4, grâce à l'interposition entre lesdites deux faces 8 et 16 d'une couche intermédiaire 18 déformable élastiquement et/ou dans le domaine plastique et ayant la forme de plusieurs anneaux 20 attachés les uns aux autres en une rangée. Un tel anneau 20 possède de préférence une plus faible rigidité de son matériau constitutif que la chemise 1 et le bloc-cylindres 4. En variante ou en supplément, la rigidité de forme d'un tel anneau peut également être faible. Le résultat est que les déformations provoquées par la précontrainte axiale se produisent principalement dans les anneaux 20, lesquels se déforment élastiquement et/ou dans le domaine plastique. Comparativement à ces déformations des an- neaux, les déformations axiales et radiales de la che- mise 1 plus rigide sont nettement plus faibles, de sorte que celle-ci ne se déforme pratiquement pas sous l'action de la précontrainte axiale. Afin que le matériau flexible des anneaux 20 - chargés axialement - puisse s'échapper en direction radiale, des zones de fluage radial peuvent être prévues dans la région de l'épaulement 6 et de l'élément de support 14. La figure 2 montre une coupe transversale prise suivant la ligne II-II de la figure 1 d'un anneau a selon un mode de réalisation préféré. Cet anneau est fabriqué d'un seul tenant et son matériau constitutif présente une plus faible rigidité que le matériau de la chemise 1 ou du bloc-cylindres 4. L'anneau 20a possède une lèvre annulaire 22 disposée radialement au milieu et dirigée de préférence vers la face d'appui 8 de la chemise 1. La lèvre 22 est formée directement sur l'anneau 20a dont l'autre côté présente une gorge annulaire 24, de sorte que le matériau saillant de la lèvre annulaire 22 peut être refoulé sous la contrainte axiale dans la gorge annulaire 24. La lèvre 22, en combinaison avec la gorge 24 complémentaire à elle, permet d'obtenir une flexibilité particulièrement grande de la couche intermédiaire 18, flexibilité qui est en outre restreinte à une zone étroitement limitée. Il est possible aussi, en variante, d'utiliser un anneau 20b comme celui représenté en coupe sur la figure 3 et qui est réalisé en deux parties, constituant respectivement un anneau de soutien 26 et un anneau de déformation 28 porté par lui et qui est flexible. L'anneau de soutien 26 a de préférence un profil en forme de L dont une branche axiale 30 est disposée adjacente à la paroi de la chemise 1 et une branche radiale 32 s'étend radialement vers l'extérieur. L'anneau de déformation 28 est logé dans la demi-rainure formée par les branches axiale 30 et radiale 32 et dépasse en direction axiale de la première. Le matériau de l'anneau de déformation 32 se déforme, de préférence dans le domaine plastique, sous l'effet de la précontrainte et peut s'échapper radiale- ment vers l'extérieur. La branche axiale 30 agit alors comme une butée pour la face d'appui 8 ou la face de support 16 et peut se déformer élastiquement. Au lieu que la couche intermédiaire 18 flexible soit prévue séparément de la chemise 1, elle pourrait aussi être reliée à la face d'appui 8, ou la face de support 16, par force, par leurs formes respectives ou par leurs matériaux constitutifs. La figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'invention, selon lequel la face d'appui 8 de l'épaulement 6 de la chemise 1 est légèrement biseautée. D'après la figure 5, qui est une coupe longitudinale dans la zone du détail Y de la figure 4 et montre en plus, à la différence de celui- ci, l'élément de support 14 du bloc-cylindres 4, la face de support 16 est plane et parallèle à un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre 2. Par contre, la face d'appui 8 est orientée obliquement et forme un angle a avec la face de support 16, avec laquelle, pour cette raison, elle est seulement en contact dans une zone radialement intérieure. A l'inverse, la face d'appui 8 pourrait aussi être plane et parallèle à un plan perpendiculaire à l'axe de la chemise 1, et la face de support 16 pourrait être inclinée sous un angle a par rapport à elle. De plus, à la fois la face d'appui 8 et la face de support 16 pourraient être disposées chacune sous un angle a par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de la chemise 1. En raison de l'orientation inclinée de la face d'appui 8 et/ou de la face de support 16, on obtient une plus petite surface de contact entre l'épaulement 6 et l'élément de support 14, ce qui conduit, pour la même précontrainte, à une plus grande pression spécifique de surface (force de précontrainte/surface de contact) et, partant, à une plus haute flexibilité - ce qui est désiré - dans la zone du joint de séparation. Le biseautage ou chanfreinage de la face d'appui 8 est réalisable par un usinage avec enlèvement de copeaux, de sorte qu'il est préférable de prévoir un dégagement 34 pour l'outil dans l'épaulement 6. D'après un autre développement de l'invention, un anneau 20 d'une couche intermédiaire 18 selon la figure 1 pourrait également être doté d'une telle inclinaison. La figure 6 représente schématiquement une simulation, par la méthode des éléments finis (MEF), de la configuration d'une chemise 1 à l'état monté, la représentation correspondant à une coupe longitudinale de la paroi de la chemise. La précontrainte axiale par la culasse, appliquée contre l'extrémité de tête de la chemise 1, est simulée par une charge de surface statique p, agissant sur la surface de tête annulaire de la chemise 1, et l'élément de support 14 est simulé par un support 36. Sous la charge axiale p, la paroi relativement mince de la chemise a tendance à se renfler, ce qui est encore accentué par le fait qu'un bras de levier agit entre les lignes d'action des fractions radialement intérieures de la charge p et l'élément de support (support 36) radialement extérieur, de sorte qu'une contrainte supplémentaire de fléchissement est superposée à la contrainte de voile- ment agissant sur la paroi de la chemise 1. Cette charge de voilement et de fléchissement engendre des ondes de flexion dans la paroi de la chemise, ce qui est visible dans la représentation de déformation, fortement exagérée sur la figure 6a pour des raisons d'échelle et produite par une séquence de calcul MEF. La face d'appui 8 de l'épaulement 6 du modèle de calcul MEF selon la figure 6a est en fait plane et parallèle à un plan perpendiculaire à l'axe de la chemise 1 (x = 0 degré), de sorte que celle-ci correspond à une chemise selon l'état de la technique. Comme résultat du calcul dans le cadre de la séquence de calcul MEF, on a trouvé un voilement radial maximal de la chemise 1 de 16 pm à la hauteur de la face d'appui de l'épaulement. Pour permettre la comparaison, la figure 6b est une représentation de déformation d'un modèle de calcul MEF selon lequel la face d'appui 8 est inclinée d'un angle a = 0,4 degré par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de la chemise 1. Comme on peut le voir, le voilement radial de la chemise est nettement plus faible dans ce cas. Le voilement maximal calculé dans la zone de la face d'appui de l'épaulement 6 est seulement de 7 pm. Les représentations de déformation montrées par les figures 6c et 6d sont basées sur des modèles de calcul MEF selon lesquels la face d'appui 8 est chanfreinée respectivement suivant un angle a = 0,5 degré (figure 6c) et suivant un angle a= 0,6 degré (figure 6d). Dans le cas d'un chan- freinage de 0,5 degré, on a calculé un voilement radial maximal de 6 pm et, dans le cas d'un chanfreinage de 0,6 degré, on a calculé un voilement radial maximal de 5 pm. Comme expliqué dans ce qui précède, la diminution du voilement radial de la chemise 1 à mesure que l'inclinaison de la face d'appui de l'épaulement augmente est à attribuer d'une part à la plus faible rigidité de forme de la chemise dans la zone de joint de séparation. Le chanfreinage de la face d'appui 8 provoque d'autre part un décalage radialement vers l'intérieur de la zone de contact entre l'épaulement et son support, ce qui se traduit par un bras de levier plus court pour la fraction radialement intérieure de la charge axiale attaquant l'extrémité de tête de la chemise. De ce fait, le moment fléchissant exercé sur la chemise 1 et par suite également son voilement radial deviennent plus faibles. L'angle d'inclinaison a est de préférence compris dans une plage angulaire entre 0,4 et 0,6 degré. Avec un autre dimensionnement de la chemise, l'angle a pourrait aussi être compris dans une plage entre 0,2 et 1,5 degré. La figure 7 montre une chemise 1 dont la face d'appui 8 est profilée en direction axiale et réalisée de préférence avec une forme ondulée, le profilage étant représenté de façon fortement exagérée. Le profil ondulé se trouve en regard de la face de support 16, non représentée, et est serré contre elle lors du montage de la chemise. En raison de la plus petite surface de contact au droit des "sommets d'ondes", le profilage produit une plus forte pression spécifique de surface (force de précontrainte/surface de contact), ce qui provoque la réduction ciblée de la rigidité de forme de l'épaulement 8 dans la zone du joint de séparation. De ce fait, les déformations sous l'effet de la précontrainte se produisent principalement dans la face dTappui ondulée 8. En supplément ou en variante, la face de support 16 pourrait également être profilée selon une conformation ondulée ou d'une autre manière. Comme variante supplémentaire, une couche intermédiaire 18 sous forme d'un anneau 20c peut également être pourvue d'un tel profilage, ainsi que le montre la figure 8. Dans un tel cas, une première face annulaire 38, pouvant être amenée en contact avec la face d'appui 8, est plane, tandis que la seconde face annulaire 40, pouvant être amenée en contact avec la face de support 16, est réalisée avec une forme ondulée; il est cependant possible aussi de choisir la disposition in- verse ou de donner une forme ondulée aux deux faces annulaires 38 et 40. Selon le mode de réalisation supplémentaire montré par la figure 9, la face d'appui 8 possède un profilage ondulé et est en outre chanfreinée radialement, ainsi que le montre la figure 10 par la coupe partielle prise dans la zone du détail Y de la figure 9. On voit dans cette coupe que la face d'appui 8 et la face de support 16 renferment un angle entre elles, du fait que la face d'appui 8 est orientée sous un angle a par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe de la chemise 1 et est seulement en contact avec la face de support 16 dans une zone radialement intérieure. La face de support 16 pourrait être profilée et chanfreinée en plus. Pour résumer, l'invention procure une augmentation de la flexibilité de la zone du joint de séparation entre la face d'appui 8 et la face de support 16 du fait que la rigidité de forme et/ou la rigidité du matériau constitutif de la face d'appui 8 et/ou de la face de support 16 est ou sont réduite(s) par les dispositions qui viennent d'être décrites, ou par la prévision d'une couche intermédiaire flexible 18 entre ces deux faces. REVENDICATIONS 1. Moteur à combustion interne comportant au moins une chemise (1) montée dans un bloc-cylindre(s) (4), la chemise présentant un épaulement (6) radialement extérieur présentant une face d'appui (8) par laquelle elle est pressée, avec précontrainte axiale, contre une face de support (16) d'un élément de support (14) radialement intérieur du bloc-cylindre(s) (4), caractérisé en ce que la rigidité de conformation de la face d'appui (8) et/ou de la face de support (16) est plus faible que celle des zones qui s'y raccordent. 2. Moteur à combustion interne selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face de support (16) et/ou la face d'appui (8) est ou sont profilée(s) en direction axiale et présentent de préférence une forme ondulée. 3. Moteur à combustion interne selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la face d'appui (8) et la face de support (16) sont disposées sous un angle l'une par rapport à l'autre dans un plan contenant l'axe de la chemise (1). 4. Moteur à combustion interne selon la revendication 3, caractérisé en ce que la face d'appui (8) et la face de support (16) sont en contact entre elles seulement dans une zone radialement intérieure. 5. Moteur à combustion interne selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'angle (a) entre la face d'appui (8) et la face de support (16) est de préférence compris dans une plage angulaire entre 0,4 et 0,6 degré.