Brevet FR2816687A1 — publié le 20020517

La présente invention se rapporte à un dispositif de guidage d'une pièce mobile à l'intérieur d'une pièce fixe comportant des moyens d'ajustement du jeu de guidage. L'invention est dirigée plus particulièrement vers des moyens d'ajustement du jeu de guidage qui vont permettre la compensation de la dilatation des pièces du dispositif lorsque ce dernier est utilisé dans un environnement soumis à de fortes variations de température, comme dans le cas d'un dispositif d'assemblage d'un piston dans un cylindre, notamment pour un moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile. Habituellement, les pièces sont assemblées l'une par rapport à l'autre avec interposition d'un élément de guidage, généralement en matière antifriction, disposé dans un logement prévu sur l'une des pièces de manière à minimiser les surfaces de contact entre les deux pièces et à obtenir un jeu de guidage minimum permettant ainsi d'obtenir des forces de frottement les plus faibles possibles et un glissement facile des pièces l'une par rapport à l'autre. Cet élément de guidage peut permettre également d'assurer l'étanchéité à des fluides entre la pièce fixe et la pièce mobile, tel que, dans le domaine des moteurs à combustion interne, pour l'étanchéité entre la chambre de combustion et le piston, chambre dans laquelle règne un mélange d'air et de carburant à de très hautes pressions et températures. Mais, dans le type d'environnement précité, les pièces et l'élément de guidage sont soumis à des élévations de température qui vont entraîner une dilatation de ces pièces et/ou de cet élément et qui se matérialisent par une augmentation dimensionnelle desdites pièces et/ou dudit élément. En conséquence, cette augmentation dimensionnelle va générer une diminution ou une suppression du jeu de guidage qui aura pour conséquence de freiner le déplacement de la pièce mobile de part les forces de frottement qui vont s'appliquer sur l'élément de guidage, voire arrêter le mouvement de cette pièce dans le cas de suppression totale du jeu de guidage. De ce fait, le freinage de la pièce mobile va nécessiter une dépense supplémentaire d'énergie pour assurer le fonctionnement correct du dispositif de guidage et abaisser ainsi son rendement mécanique ou, dans le cas extrême de l'arrêt du mouvement de la pièce mobile, entraîner une détérioration voire une destruction totale du dispositif de guidage. Pour pallier ce problème, il est prévu de calculer les dilatations de chacune des pièces et de l'élément de guidage et d'effectuer leurs usinages de sorte que le jeu nécessaire au bon fonctionnement soit optimum à chaud et cela sans générer de forces de frottement indésirables. Il est également prévu de minimiser, encore plus, les forces de frottement mentionnées plus haut en introduisant un lubrifiant entre l'élément de friction et la pièce sur laquelle il est amené à glisser. Ces solutions bien que donnant satisfaction présentent néanmoins de nombreux inconvénients non négligeables. Notamment, l'usinage des pièces et de l'élément de guidage est complexe et coûteux et cet usinage a pour résultat de procurer une forte distorsion de fonctionnement entre le fonctionnement à froid et le fonctionnement à chaud. En effet, dans le cas de fonctionnement à froid, le jeu de guidage sera maximum et la pièce mobile ne sera pas convenablement guidée ce qui entraînera des mouvements indésirables, tels que des vibrations de la partie mobile ou un basculement de cette partie mobile lors du changement de sens de déplacement comme cela se passe pour le piston du moteur à combustion interne. De plus, l'étanchéité ne pourra pas être assurer convenablement ce qui occasionnera, dans le cas d'un moteur à combustion interne, une perte de sa compression. En outre, dans le domaine des moteurs à combustion interne, l'usinage du piston s'avère difficile et n'est qu'une solution de compromis du fait que ce piston comporte une partie massive dans sa partie haute et une partie fine en partie basse, ce qui rend très délicate une conciliation des différents niveaux de dilatation selon une génératrice. De plus, en cas de réduction du jeu de guidage au-delà d'une certaine limite, le film d'huile peut être déchiré et l'élément de guidage s'appuiera directement sur la pièce sur laquelle il est amené à glisser ce qui aura pour conséquence d'augmenter les forces de frottement qui pourront entraîner un blocage de la pièce mobile dans la pièce fixe. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. C'est un avantage de la présente invention de proposer un dispositif d'ajustement du jeu de guidage qui soit simple à réaliser et à mettre en oeuvre. C'est un autre avantage de la présente invention de conserver, et cela quelque soit les conditions de fonctionnement du dispositif, le même jeu de guidage et, par conséquent, les mêmes forces de frottement entre l'élément de guidage et la pièce sur laquelle il glisse. C'est encore un avantage de l'invention de disposer d'un dispositif de guidage dans lequel la pièce mobile est guidée de manière efficace et avec une qualité constante au cours des variations de température. C'est un avantage supplémentaire de l'invention pour laquelle il peut être envisagé de supprimer la lubrification sur l'élément de guidage et cela tout en conservant des forces de frottement minimes. C'est également un avantage de l'invention de pouvoir réaliser les pièces et l'élément de guidage sans avoir à tenir compte de leurs dilatations respectives. Selon la présente invention, le dispositif de guidage d'une pièce mobile à l'intérieur d'une pièce fixe avec interposition d'un élément de guidage porté par l'une des pièces et glissant sur l'autre des pièces avec un jeu de guidage est caractérisé en ce que des moyens d'ajustement du jeu de guidage sont prévus entre l'élément de guidage et la pièce qui le porte de façon à obtenir un jeu de guidage sensiblement constant tout au long du fonctionnement du dispositif. Plus précisément, les moyens d'ajustement comportent des moyens de réglage initial du jeu de guidage déformable sous l'action d'un organe de commande et qui appuient sur l'élément de guidage et des moyens d'absorption de dilatation de l'une au moins des pièces et/ou de l'élément de guidage déformables sous l'action des moyens de réglage initial. Selon une autre caractéristique, les moyens d'absorption de dilatation sont disposés à au moins une extrémité libre des moyens de réglage initial. Selon encore une autre caractéristique, les moyens d'absorption de dilatation se situent en dehors de l'élément de guidage. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens de réglage transmettent la dilatation des pièces et/ou de l'élément de guidage aux moyens d'absorption. Préférentiellement, les moyens sont des anneaux toriques creux. L'invention concerne également un procédé d'assemblage d'une pièce mobile à l'intérieur d'une pièce fixe avec interposition d'un élément de guidage porté par l'une des pièces et glissant sur l'autre des pièces avec un jeu de guidage, procédé caractérisé en ce que l'on procède selon les étapes suivantes : - mise en place de moyens d'absorption de dilatation des pièces et/ou de l'élément de guidage sur la pièce portant l'élément de guidage ; - mise en place de moyens de réglage initial du jeu de guidage sur les moyens d'absorption de dilatation ; - mise en place de l'élément de guidage de façon à ce qu'il porte sur les moyens de réglage initial du jeu de guidage ; - mise en place d'un organe de commande permettant d'actionner les moyens de réglage initial ; - réglage du jeu de guidage par action sur l'organe de commande ; - assemblage de la pièce mobile avec la pièce fixe. Les autres caractéristiques et avantages de l'invention seront décrite plus en détail en relation avec les figures annexées, données uniquement à titre d'exemple, et sur lesquelles - la figure 1 est une vue avec coupes locales partielles montrant le dispositif de guidage selon l'invention au repos et à fonctionnement à chaud (respectivement partie gauche et droite de la figure) ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale montrant l'un des composants, à l'état de repos, utilisé pour le dispositif de guidage de l'invention ; - la figure 3 est une vue correspondante à la figure 2 montrant le composant lors du fonctionnement à froid du dispositif de guidage ; - la figure 4 est une vue montrant les composants lors du fonctionnement à chaud du dispositif selon l'invention. Pour une meilleure compréhension de l'invention, la description de l'exemple de réalisation selon la figure 1 se fera en relation avec un dispositif de guidage d'un piston 10 (pièce mobile) dans un cylindre 12 (pièce fixe) d'un moteur à combustion interne. Bien entendu, la présente invention peut s'appliquer à tout autre domaine où subsistent des problèmes de dilatations thermiques pouvant entraver le fonctionnement d'un dispositif de guidage. Sur cette figure, le piston 10, généralement de forme cylindrique d'axe vertical XX, est prévu pour glisser dans un mouvement de translation axial à l'intérieur du cylindre 12, de forme complémentaire à celle du piston. Le piston comporte une paroi cylindrique extérieure 14 délimitée en partie haute par une surface qui va former avec la culasse du moteur (non représente) et la paroi 16 du cylindre 12 la chambre de combustion du moteur dans laquelle se produira une explosion résultant de la combustion d'un mélange d'air avec du carburant, comme cela est connu en soi. Ce piston est délimité, en partie basse, par une surface de fond 18 plane sensiblement horizontale et est relié, dans sa région axiale, à un ensemble bielle-manivelle (non représenté). Comme visible sur la figure 1, un élément de guidage 20, dénommé ci-après segment, est disposé dans un logement de réception 22, en forme de gorge circulaire, en étant interposé entre le piston 10 et le cylindre 12. Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, le segment 20 peut être disposé dans une gorge prévue dans le cylindre 12. Cette gorge est disposée à l'intersection de la paroi 14 du piston 10 et de la surface de fond 18 et présente un fond vertical 24, une paroi horizontale 26, une face ouverte en direction du cylindre 12 et une face ouverte en direction de la surface 18. A l'intersection du fond 24 et de la paroi 26 est disposée une rainure verticale de forme circulaire 28 ouverte en direction de la gorge 22 et dont la paroi verticale 30, la plus proche de l'axe XX, est dans le prolongement du fond 24 de cette gorge. La partie ouverte de la gorge 22 en direction de la surface de fond 18 est apte à être fermé par un plateau 32 dont le rôle sera explicité par la suite. Ce plateau présente une section sensiblement identique à celle du piston 10 et est délimitée par une face supérieure plane 34 sensiblement horizontale se situant en regard de la surface de fond 18 du piston 10 et à partir de laquelle est réalisée une encoche circulaire 36 qui est située dans le même plan vertical que la rainure 28 et dont la face ouverte est dirigée vers le fond 18 du piston 10. Comme mieux visible sur la figure 1, le segment 20, de forme annulaire circulaire correspondant sensiblement à celle du piston, présente préférentiellement une section rectangulaire dont les grands côtés 38,40 sont verticaux en étant parallèles au fond 24 de la gorge 22 et dont les petits côtés 42,44 sont horizontaux et parallèles à la paroi horizontale 26. Ainsi, en fonctionnement à chaud comme représenté sur la partie droite de la figure 1, le segment 20 est logé dans la gorge 22 en prenant appui par son petit côté supérieur 42 sur la paroi 26, et par son petit côté inférieur 44 sur la portion de face 34 du plateau situé en regard de cette paroi 26. Le grand côté externe 38 de ce segment s'appuie à glissement sur la paroi 16 du cylindre avec un jeu de guidage optimal permettant de limiter les forces de frottement et assurer un bon guidage du piston alors que le grand côté interne 40 se trouve à distance du fond de la gorge 22. C'est dans l'espace délimité entre le fond 24 de la gorge et le côté 40 du segment 20, la rainure 28 et l'encoche 36 que sont disposés des moyens d'ajustement du jeu de guidage 46, ces moyens permettant de conserver sensiblement le même jeu de guidage entre le côté 38 du segment et la paroi 16 du cylindre, même si le dispositif fonctionne dans un environnement soumis à de fortes variations de températures. Ces moyens d'ajustement 46 sont formés par des moyens de réglage initial du jeu de guidage 48 associés à de moyens d'absorption de dilatation 54, dilatation à laquelle sont soumis le piston et/ou le cylindre et/ou le segment, et qui vise à garder inchangé le jeu de guidage initialement réglé par les moyens 48. Plus précisément et en se référant en plus à la figure 2, ces moyens de réglage initial sont formés par au moins un anneau de forme torique creux 50, de préférence en acier, de diamètre D, qui va se déformer sous la contrainte exercée par des forces axiales produites par la pression d'un organe de commande mobile pression, ici le plateau 32, et dont la déformation va créer des forces radiales qui vont s'appliquer sur le côté interne 40 du segment 20 en le sollicitant dans un mouvement radial vers le cylindre et ainsi régler le jeu prévu initialement entre la paroi du cylindre et le côté externe 38 du segment. En revenant à la figure 1, il est prévu de disposer deux anneaux 50 entourés par des entretoises 52, en forme de bague annulaire plate indéformable, dont le diamètre extérieur est sensiblement égal au diamètre extérieur des anneaux 50. Pour des raisons de simplification, les moyens d'absorption sont également formés par au moins un anneau torique creux 56 qui, de manière préférentielle, est identique à l'anneau 50. Ces anneaux ont un diamètre de tore D qui est inférieur, d'une part, à la distance prévue entre les parois verticales de la rainure 28 ainsi que de l'encoche 36 et, d'autre part, à la distance entre le fond de cette rainure et la paroi 26 de la gorge 20 ainsi qu'à la distance entre le fond de l'encoche 36 et la face 34 du plateau 32 de manière à ce que les anneaux fassent saillie audelà respectivement du plan passant par la face 34 du plateau 32 et du plan passant par la paroi 26 de la gorge 22. De manière préférentielle et comme cela est visible sur la figure 1, ces moyens d'absorption de dilatation sont disposés aux deux extrémités axiales libres des moyens de réglage initial du jeu, mais il peut être envisagé de n'en disposer qu'à une seule extrémité. En pratique, il est prévu d'en disposer à chaque extrémité en plaçant un anneau 56 entre l'entretoise 52 située en partie haute et le fond de la rainure 28 et un autre anneau 56 entre l'entretoise 52 située en partie basse et le fond de l'encoche 36. Pour l'assemblage du piston 10 dans le cylindre 12 utilisant le dispositif de guidage selon la présente invention, on se rapporte maintenant à la partie gauche de la figure 1. Le piston 10, non encore logé dans le cylindre 12 et comportant la gorge 20, est disposé verticalement sur un plan de travail de façon à ce que sa surface de fond 18 se situe en partie haute. Un anneau 56 est disposé dans un mouvement axial dans la rainure 28 en prenant appui sur le fond de cette rainure, puis un empilage alterné d'entretoises 52 et d'anneaux 50 est glissé dans la gorge 22 de manière à ce qu'une entretoise 52 s'appuie sur l'anneau 50 présent dans la rainure 28. Ensuite, le segment, qui est un segment ouvert ou qui est constitué d'au moins deux parties, est glissé dans la gorge 22 et prend appui sur les extrémités radiales des anneaux 50 et/ou des entretoises 52. Dans une étape suivante de montage, le plateau 32 muni de son encoche 36 dans laquelle est logé un anneau 56 est rapporté sur la surface de fond 18 du piston 10 de manière à ce que cet anneau prenne appui sur la dernière entretoise 52 disposé dans la gorge, tout en laissant subsister un interstice E entre la face 32 du plateau et la surface 18 du piston. Ce plateau est ensuite fixé avec le piston par tous moyens appropriés, tels que notamment par vissage et une opération de réglage initial du jeu de guidage est effectuée. Cette opération s'effectue en exerçant une force axiale sur les anneaux 50 dont le tore va se déformer pour arriver à une configuration comme visible sur la figure 3 où cet anneau présente une section de forme elliptique dont le grand diamètre D1 sera supérieur au diamètre D initial et dont le petit diamètre D2 sera inférieur à ce diamètre initial. En pratique, cette force sera exercée par rapprochement du plateau 32, lors d'une opération de vissage par exemple, qui va faire en sorte de déformer les anneaux 50 et ce, jusqu'à ce que la face plane 32 de ce plateau vienne en contact avec la surface de fond 18 du piston 10 en faisant disparaître l'interstice E, comme cela est visible sur la partie droite de la figure 1. Pendant ce mouvement de rapprochement du plateau 32, le diamètre du tore des anneaux 50 va diminuer dans le plan vertical jusqu'au diamètre D2 et augmenter dans un plan horizontal jusqu'au diamètre D1 souhaité. Cette augmentation diamétrale dans le plan horizontal va exercer une force sur le côté interne 40 du segment, force générant un déplacement de l'ensemble du segment vers sa position souhaitée. Après ces opérations, l'ensemble piston-plateau est retourné et glissé dans le cylindre 12 pour arriver à une disposition conforme à la partie droite de la figure 1 et selon laquelle subsiste un jeu de guidage optimal entre le segment 20 et la paroi 16 du cylindre Grâce à cette disposition, il est possible de régler le jeu de guidage de manière très précise en adaptant la valeur de l'interstice E à la valeur que l'on souhaite obtenir au diamètre D1 des anneaux 50. Bien entendu, pendant le mouvement du rapprochement du plateau 32, le tore des anneaux 56 est également déformé d'une manière sensiblement identique mais n'aura aucune influence sur le segment 20, ces anneaux 56 étant situés, d'une part, en dehors de la région du côté interne 40 du segment 20 et, d'autre part, dans une rainure et une encoche dont les dimensions radiales seront largement plus grandes que le diamètre D1. Ainsi, le jeu de guidage sera optimisé à froid sans nécessité d'opérations complexe et coûteuse et, pendant le fonctionnement à chaud, toutes les variations dimensionnelles radiales du piston 10 et/ou du cylindre 12 et/ou du segment 20 n'auront aucune influence sur le jeu initial optimale réglé initialement et cela grâce aux moyens d'absorption de dilatation 54 précédemment décrits. En effet, en se référant à la figure 4, la dilatation par exemple du piston 10, va entraîner une augmentation de son diamètre qui va se concrétiser par des forces radiales qui vont s'appliquer sur les anneaux 50. Ces forces vont déformer radialement les anneaux 50 et diminuer conséquemment le diamètre D1 en un diamètre D'1 et augmenter le diamètre D2 en un diamètre D'2. Cette augmentation de diamètre D'2 va être absorbée par une déformation des anneaux 56 dont le diamètre D2 va diminuer en un diamètre D"2 en procurant une augmentation du diamètre D1 en un diamètre D"1, augmentation qui n'aura aucune influence sur le segment 20. Ainsi toutes variations dimensionnelles de ce piston n'auront aucune influence sur le jeu prévu initialement qui sera constant dans toutes les conditions de fonctionnement du dispositif de guidage, Bien entendu, toutes les variations dimensionnelles dues à la dilatation du cylindre ou du segment seront compensées de la même manière et pourront être cumulées si nécessaire. Grâce à cela on peut envisager de réduire d'une manière non négligeable l'épaisseur du film d'huile prévu initialement entre le segment et le cylindre et, si cela s'avère utile, on peut même envisager de supprimer ce film de lubrification. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-dessus mais peut englober toutes variantes En particulier, la description qui précède fait référence à un mouvement de translation axiale de la pièce mobile mais il peut être envisagé que ce mouvement de la pièce mobile dans la pièce fixe puisse se faire selon un mouvement de rotation autour de son axe ou selon une combinaison d'un mouvement de translation associé à un mouvement de rotation. De plus, pour limiter la compensation de dilatation, il peut être prévu que le segment soit en matériau à faible coefficient de dilatation, tel que du graphite ou un composite graphité. REVENDICATIONS 1) Dispositif de guidage d'une pièce mobile (10) à l'intérieur d'une pièce fixe (12) avec interposition d'un élément de guidage (20) porté par l'une des pièces (10,12) et glissant sur l'autre des pièces (12,10) avec un jeu de guidage, caractérisé en ce que des moyens d'ajustement du jeu de guidage (46) sont prévus entre l'élément de guidage (20) et la pièce (10,12) qui le porte de façon à obtenir un jeu de guidage sensiblement constant tout au long du fonctionnement du dispositif. 2) Dispositif de guidage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'ajustement (46) comportent des moyens de réglage initial du jeu de guidage (48) déformable sous l'action d'un organe de commande (32) et qui appuient sur l'élément de guidage (20) et des moyens d'absorption de dilatation de l'une au moins des pièces (10,12) et/ou de l'élément de guidage (20) déformables sous l'action des moyens de réglage initial (48). 3) Dispositif de guidage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'absorption de dilatation (54) sont disposés à au moins une extrémité libre des moyens de réglage initial (48). 4) Dispositif de guidage selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens d'absorption de dilatation (54) se situent en dehors de l'élément de guidage (20). 5) Dispositif de guidage selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de réglage (48) transmettent la dilatation des pièces (10, 12) et/ou de l'élément de guidage (20) aux moyens d'absorption (54). 6) Dispositif de guidage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (48, 54) sont des anneaux toriques creux (50,56). 7) Dispositif de guidage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les anneaux (50,56) sont séparés par des entretoises indéformables (52). 8) Procédé d'assemblage d'une pièce mobile (10) à l'intérieur d'un pièce fixe (12) avec interposition d'un élément de guidage (20) porté par l'une des pièces (10,12) et glissant sur l'autre des pièces (12,10) avec un jeu de guidage, caractérisé en ce que l'on procède selon les étapes suivantes : - mise en place de moyens d'absorption de dilatation (54) des pièces (10, 12) et/ou de l'élément de guidage (20) sur la pièce (10,12) portant l'élément de guidage (20) ; - mise en place de moyens de réglage initial du jeu de guidage (48) sur les moyens d'absorption de dilatation ; - mise en place de l'élément de guidage (20) de façon à ce qu'il porte sur les moyens de réglage initial du jeu de guidage (48) ; - mise en place d'un organe de commande (32) permettant d'actionner les moyens de réglage initial ; - réglage du jeu de guidage par action sur l'organe de commande (32) ; - assemblage de la pièce mobile (10) avec la pièce fixe (12).