Brevet FR2881201A1 — publié le 20060728

"Piston comportant une paroi supérieure qui est portée par une première pièce et des segments qui sont portés par une deuxième pièce" L'invention concerne un piston apte à coulisser dans un cylindre, qui est monté pivotant à l'extrémité supérieure d'une bielle autour d'un axe transversal. L'invention concerne plus particulièrement un piston apte à coulisser dans un cylindre, qui est monté pivotant à l'extrémité supérieure d'une bielle autour d'un axe transversal d'entraînement, et qui comporte: - une paroi supérieure de transmission d'effort axial qui délimite inférieurement une chambre supérieure du cylindre; - et une paroi latérale cylindrique porte-segments qui est destinée à porter au moins un segment; du type dans lequel le piston comporte deux pièces montées pivotantes avec du jeu l'une par rapport à l'autre autour de l'axe d'entraînement. L'invention concerne aussi un dispositif d'essai équipé d'un tel piston. Dans un montage traditionnel, le piston est monté coulissant axialement dans le cylindre. II est animé d'un mouvement axial de va-et-vient par une bielle. Pour favoriser le coulissement du piston, la paroi du cylindre est lubrifiée avec de l'huile. Afin que l'huile ne s'infiltre pas dans la chambre supérieure du cylindre, le piston est équipé d'un ou de plusieurs segments annulaires qui s'étendent radialement jusqu'à la paroi du cylindre. Par ailleurs, le piston est monté pivotant sur la bielle autour d'un axe transversal d'entraînement et il est reçu avec un 3o jeu radial dans le cylindre. Le piston coulisse donc dans le cylindre avec un degré de liberté en pivotement autour de l'axe d'entraînement, ce qui permet un auto-centrage du piston dans le cylindre. Ce degré de liberté supplémentaire retarde ainsi l'usure des segments par frottement contre la paroi du cylindre. On connaît des dispositifs d'essai qui sont destinés à étudier les mouvements aérodynamiques de gaz dans une chambre à combustion de moteur à combustion lorsque le piston est animé d'un mouvement de va-et-vient. Dans ce type de dispositif, un premier piston inférieur est lié mécaniquement à un piston supérieur par l'intermédiaire d'une rehausse rigide qui est fixé sur la paroi supérieure de transmission d'effort axial du piston inférieur par une liaison du type encastrement. o Cet agencement supprime le degré de liberté en pivotement du piston autour de l'axe d'entraînement. Lors du mouvement de coulissement du piston, certaines zones des segments sont donc serrées contre la paroi du cylindre par la force transversale produite par le mouvement circulaire de 1s l'extrémdé inférieure de la bielle. Le frottement répété de ces zones de segments contre la paroi du cylindre provoque ainsi une usure prématurée des segments qui laissent alors de l'huile s'infiltrer dans la chambre supérieure du cylindre. Pour résoudre ce problème l'invention propose un piston du type précédemment, caractérisé en ce que la première pièce porte la paroi supérieure de transmission et la deuxième pièce porte la paroi cylindrique porte-segments. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - la deuxième pièce est un manchon porte-segments qui est agencé avec un jeu radial autour de la première pièce centrale qui porte la paroi supérieure de transmission d'effort axial; - le piston comporte des moyens pour étanchéifier le jeu radial afin d'empêcher un fluide lubrifiant de pénétrer dans la chambre supérieure du cylindre; - le piston comporte un joint annulaire d'étanchéité qui est comprimé radialement entre la pièce centrale et le manchon porte-segments. L'invention concerne aussi un dispositif d'essai comportant un cylindre dans lequel coulisse axialement un premier piston inférieur qui est réalisé selon les enseignements de l'invention, du type qui comporte un second piston supérieur qui est lié rigidement en déplacement à la face supérieure de transmission d'effort du premier piston inférieur. s D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins en annexe, parmi lesquels: - la figure 1 est une vue de coté en section selon un plan o de coupe axial qui représente le piston selon l'invention qui est monté coulissant dans un cylindre; - la figure 2 est une vue de face en section selon le plan de coupe 2.-2 de la figure 1; - la figure 3 est une vue en section selon un plan de coupe axial quü représente un dispositif d'essai qui comporte un cylindre équipé d'un piston inférieur conforme à l'invention qui est lié à un piston supérieur par un élément intermédiaire. Dans la suite de la description, on adoptera à titre non limitatif une orientation longitudinale, verticale et transversale indiquée par le trièdre L,V,T de la figure 1. Par la suite, des éléments identiques, analogues ou similaires seront indiqués par des mêmes numéros de référence. On a représenté schématiquement à la figure 1 un cylindre 10 d'axe vertical "A" qui est similaire à un cylindre d'uni moteur à combustion interne conventionnel. Le cylindre 10 est délimité radialement par une paroi cylindrique 11. Un piston 12 est monté coulissant axialement dans le cylindre 10 du moteur. Le piston 12 est monté pivotant à l'extrémité supérieure 14 3o d'une bielle d'entraînement 16 autour d'un axe transversal 18 d'entraînement. L'axe 18 est ici un axe tubulaire. Selon les enseignements de l'invention, le piston 12 comporte une première pièce centrale 20 de forme cylindrique d'axe coaxial à l'axe "A" du cylindre 10 dont le diamètre est inférieur au diamètre du cylindre 10. La première pièce centrale 20 comporte un logement inférieur 22 qui est ouvert vers le bas. Le logement 22 est s délimité radialement par une jupe 24 de la pièce centrale 20. Le logement 22 est destiné à loger l'extrémité supérieure 14 de la bielle 16. Comme illustré à la figure 2, la jupe 24 comporte deux orifices latéraux 26 diamétralement opposés dont chacun est io destiné à être traversé par l'axe d'entraînement 18 de manière que l'élément central 20 soit monté pivotant par rapport à la bielle 16 autour de l'axe d'entraînement 18. La pièce centrale 20 comporte aussi une paroi supérieure horizontale 28. La paroi supérieure 28 est apte à transmettre vers le haut un effort axial de traction ou de compression produit par la bielle 16, cette paroi supérieure 28 sera donc désignée par le terme paroi de transmission d'effort 28 dans la suite de la description. Une chambre supérieure 30 du cylindre 10 est ainsi 20 délimitée vers le bas par la paroi de transmission 28 et radialement par la paroi 11 du cylindre 10. Le piston 12 comporte aussi une deuxième pièce périphérique 32 qui est ici un manchon 32 coaxial à l'axe "A" du cylindre 10. Le manchon 32 est apte à entourer la pièce centrale 20 avec un jeu radial "J1" de manière que le manchon 32 soit mobile radialement par rapport à la pièce centrale 20. Le manchon 32 est ainsi interposé radialement entre la paroi 11 du cylindre 10 et la pièce centrale 20. 3o La paroi cylindrique externe 36 du manchon 32 est agencée en vis-à-vis de la paroi 11 du cylindre 10. Un jeu radial "J2" est réservé entre la paroi cylindrique externe 36 du manchon 32 et le cylindre 10. Le bord annulaire 34 d'extrémité supérieure du manchon 32 est ici agencé sensiblement dans le même plan horizontal que la paroi de transmission 28 de la pièce centrale 20. Le manchon 32 est monté pivotant autour de l'axe 5 d'entraînement 18 par rapport à la bielle 16 d'une part, et par rapport à la pièce centrale 20 d'autre part. A cet effet, le manchon 32 comporte deux trous 42 qui coïncident avec les orifices latéraux 26 de la pièce centrale 20. Ces trous 42 sont des paliers qui reçoivent chacun une extrémité ro 44 de l'axe d'entraînement 18. L'axe d'entraînement 18 ne traverse pas totalement les trou 42 de manière que les extrémité 44 de l'axe d'entraînement 18 ne soient pas en contact avec le cylindre 10. Le manchon 32 étant monté avec un jeu "Jl" autour de la pièce centrale 20 d'une part, et avec un jeu "J2" par rapport au cylindre 10 d'autre part, le manchon 32 est susceptible de pivoter par rapport à la pièce centrale 20 autour de l'axe d'entraînement 18. Afin de favoriser le coulissement du piston 1:2 dans le cylindre 10, du lubrifiant, par exemple de l'huile, est projetée contre la paroi 11 du cylindre 10. Cependant, il est préférable que l'huile ne s'infiltre pas dans la chambre supérieure 30. A cet effet, une partie supérieure de la paroi cylindrique externe 36 du manchon 32 comporte des gorges annulaires 38 qui reçoivent des segments 40 qui sont ici au nombre de trois. Les segments 40 s'étendent radialement jusqu'à la paroi 11 du cylindre 10 pour assurer l'étanchéité du jeu radial "Jl". Par la suite, le manchon 32 sera donc qualifié de manchon porte-segments 32. 3o Le segment inférieur 40A est un segment dit "racleur" qui comporte des canaux radiaux qui sont aptes à refouler vers le fond de la gorge associée 38A l'huile en excès sur les parois du cylindre 10. Le manchon porte-segments 32 comporte des canaux radiaux d'évacuation qui traversent radialement le manchon porte-segments 32 en prolongeant les canaux du segment racleur 40A de manière à évacuer l'huile refoulée par le segment racleur 40A vers le jeu annulaire "J1" compris radialement entre le manchon porte-segments 32 et la pièce centrale 20. L'huile peut ainsi s'écouler vers la partie inférieure du cylindre 10, par exemple par gravité. Afin d'éviter que l'huile ne pénètre dans la chambre o supérieure 30 en s'infiltrant entre la pièce centrale 20 et le manchon porte-segments 32, la pièce centrale 20 comporte une gorge annulaire supérieure 46 qui reçoit un joint annulaire 48. Le joint annulaire 48 est comprimé entre la pièce centrale 20 et le manchon porte-segments 32 de manière à étanchéifier le jeu "J1". Le joint annulaire 38 est avantageusement constitué d'une matière élastique afin que le manchon porte-segments 32 puisse pivoter par rapport à la pièce centrale 20 autour de l'axe d'entraînement 18. Un tel piston 12 est par exemple apte à être utilisé dans un dispositif d'essai 50, qui est représenté à la figure 3, pour étudier les mouvements aérodynamiques de gaz dans un cylindre 10 de moteur à combustion. Ce dispositif d'essai 50 comporte notamment un piston inférieur 12 qui est réalisé selon les enseignements de l'invention. Le piston inférieur 12 est lié mécaniquement à un piston supérieur 52 par un élément intermédiaire 54, aussi appelé "rehausse", de manière à entraîner le piston supérieur en coulissement dans le cylindre 10. L'élément intermédiaire 54 comporte notamment des moyens (non représentés) pour mesurer optiquement certains paramètres relatifs au mouvement aérodynamique des gaz dans une chambre 56 qui est située au-dessus du piston supérieur 52. Dans ce dispositif d'essai 50, il ne se produit pas d'explosion dans la chambre supérieure 30 et le piston 12 est constamment entraîné en coulissement par la bielle 16. Le dispositif d'essai 50 ne sera pas décrit plus en détail par la suite. II est en revanche important de comprendre que l'élément intermédiaire 54 est fixé par une liaison du type encastrement à la paroi supérieure de transmission d'effort 28 du piston inférieur 12. Ainsi, lors du fonctionnement du dispositif d'essai 50, le io piston inférieur 12 est entraîné en coulissement selon un mouvement de va-etvient par la bielle 16. La paroi de transmission d'effort 28 étant liée rigidement à l'élément intermédiaire 54, la pièce centrale 20 du piston 12 n'est pas libre de pivoter autour de l'axe d'entraînement 18 par rapport à l'axe vertical "A" du cylindre 10. En revanche, grâce aux jeux radiaux "J1", "J2" existant respectivement entre le manchon porte-segments 32 et la pièce centrale 20, et entre le manchon porte-segments 32 et la paroi 11 du cylindre 10, le manchon portesegments 32 peut basculer autour de l'axe d'entraînement 18 par rapport à la pièce centrale 20. Ainsi, la partie supérieure du manchon portesegments 32 portant les segments 40 peut s'autocentrer dans le cylindre 10 de manière que les segments 40 ne soient pas plaqués contre la paroi 11 du cylindre 10. De manière générale, le piston 12 comporte une première pièce portant les segments 40 et une seconde pièce portant la paroi de transmission d'effort 28, chaque pièce étant montée pivotante l'une par rapport à l'autre. Ainsi, les segments 40 pourront s'autocentrer dans le cylindre 10 de manière à éviter leur 3o usure prématurée. Le mode de réalisation du piston 12 qui est représenté aux figures est particulièrement adapté à un usage dans des dispositifs du type du dispositif d'essai 50 dans lequel le piston ne doit supporter aucune contrainte thermique. REVENDICATIONS 1. Piston (12) apte à coulisser dans un cylindre (10), qui est monté pivotant à l'extrémité supérieure (14) d'une bielle (16) autour d'un axe (18) transversal d'entraînement, et qui comporte: s - une paroi supérieure (28) de transmission d'effort axial qui délimite inférieurement une chambre supérieure (30) du cylindre (10) ; - et une paroi cylindrique externe (36) porte-segments qui est destinée à porter au moins un segment (40) ; du type dans lequel le piston (12) comporte deux pièces (20, 32) qui sont montées pivotantes avec du jeu (J1) l'une par rapport à l'autre autour de l'axe d'entraînement (18), caractérisé en ce que la première pièce (20) porte la paroi supérieure de transmission (28) et la deuxième pièce (32) porte la 15 paroi cylindrique porte- segments (36). 2. Piston (12) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la deuxième pièce est un manchon porte-segments (32) qui est agencé avec un jeu radial (J1) autour de la première pièce centrale (20) qui porte la paroi supérieure de transmission d'effort axial (28). 3. Piston (12) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (48) pour étanchéifier le jeu radial (J1) afin d'empêcher un fluide lubrifiant de pénétrer dans la chambre supérieure (30) du cylindre (10). 4. Piston (12) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte un joint annulaire d'étanchéité (48) qui est comprimé radialement entre la pièce centrale (20) et le manchon porte-segments (32) . 5. Dispositif d'essai (50) comportant un cylindre (10) dans lequel coulisse axialement un premier piston inférieur (12) qui est réalisé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, du type qui comporte un second piston supérieur (52) qui est lié rigidement en déplacement à la face supérieure de transmission d'effort (28) du premier piston inférieur (12).