Brevet FR2918118A1 — publié le 20090102

PISTON A CANAL DE REFROIDISSEMENT INTEGRE NOTAMMENT POUR MOTEUR DIESEL ET SON PROCEDE DE FABRICATION L'invention se rattache au secteur technique des pistons à canal de refroidissement interne utilisé principalement pour les moteurs diesel de véhicules à combustion interne de forte puissance, du type camions et similaires. On connaît largement le concept technique de piston à canal de refroidissement intégré en deux parties incluant une chambre périphérique formée dans le corps du piston et permettant le passage du fluide de refroidissement tel que de l'huile. Différentes solutions ont ainsi été proposées par exemple dans les brevets US 5144923, EP 1536125, FR 2668090, EP 937888. On a ainsi représenté figures 1 et 2 un exemple de fabrication de piston selon l'art antérieur respectivement en vue perspective et en coupe transversale. Le piston (1) est forgé en deux parties (la-lb) respectivement avec une partie jupe et une partie tête agencée elle-même avec les rainurages (lc) de réception des segments. L'espace entre les parties (la) et (lb) sert à amener un troisième corps permettant de refermer la cavité située derrière la zone (lc), cette cavité est en (ld). La liaison des deux parties (la-lb) s'effectue par un soudage par friction qui s'effectue sur leurs faces planes en regard. Il est toutefois nécessaire de rapporter et de fixer une troisième pièce, à savoir une bague extérieure (non représentée) pour obtenir la fermeture de ladite cavité (1d). Cette cavité est agencée comme représenté figure 2 en périphérie intérieure de la tête (2a) en formant chambre de refroidissement. La mise en oeuvre de ce piston reste complexe à réaliser, en particulier aux endroits de l'évidement constitutif de la chambre de réception du liquide de refroidissement, et il faut une troisième pièce de fermeture, à savoir une bague extérieure qui est rapportée et insérée à l'endroit de ladite chambre. Il faut en effet obturer la chambre de refroidissement accueillant le fluide concerné pour éviter toute perte de celui-ci. Généralement aussi, l'intérieur du piston est aménagé dans son épaisseur avec un ou des conduits de passage du fluide débouchant dans ladite cavité. Ainsi, la mise en oeuvre du piston selon la figure 1 est coûteuse et entraîne de larges contraintes de fabrication, puis de montage. Il y a lieu de noter que dans cette mise en oeuvre, la soudure par friction de la tête et de la jupe entraîne un écrasement de matière avec la nécessité d'usinage complémentaire. Selon EP 1536125, la chambre de refroidissement est obturée par une bague rapportée qui vient obturer l'entrée de la chambre. Les solutions et technologies de fabrication de piston actuellement sur le marché présentent donc certains inconvénients inhérents à leur constitution, à la nécessité d'avoir trois pièces avec l'obturation de la chambre accueillant le fluide de refroidissement, et avec des coûts d'usinage conséquents pour la réalisation de la chambre de refroidissement. La démarche du Demandeur a donc été de réfléchir comment s'affranchir des contraintes de fabrication et de montage précités des pistons, et ainsi du nombre de pièces nécessaires en vue de la fermeture de la chambre de refroidissement. Les différentes recherches effectuées par le Demandeur ont ainsi abouti de manière inattendue à une solution particulière qui permet une réduction des coûts de fabrication du piston, et qui permet de s'affranchir de la nécessité antérieure à la mise en place et intégralement d'une pièce ou bague de protection et de fermeture de la chambre réceptrice du fluide de refroidissement. Selon une première caractéristique de l'invention, le piston du type à canal de refroidissement composé de deux pièces, l'une constituant la chape du piston et intégrant un alésage transversal pour l'axe de la bielle de commande, et l'autre la tête du piston, est remarquable en ce qu'une première pièce constituant la tête et la jupe du piston en étant aménagée avec des surfaces d'appui et de centrage pour autoriser le positionnement, la seconde pièce étant la chape aménagée en partie supérieure avec des formes complémentaires d'appui et de centrage sur les précédentes, en se prolongeant en partie basse pour la réception de l'axe de bielle, et en ce que lesdites pièces sont solidarisées entre elles à l'endroit de certaines zones d'appui et de centrage par frettage en définissant par assemblage une chambre fermée de réception du liquide de refroidissement, le remplissage de la chambre s'effectuant par des conduits aménagés et bouchés à partir de l'intérieur du piston. Ces caractéristiques et d'autres encore ressortiront bien de la suite de la description. Pour fixer l'objet de l'invention illustrée d'une manière non limitative aux figures des dessins où : - la figure 1 est une vue d'un piston selon l'art antérieur dans une première version. - la figure 2 est une vue de ce même piston en coupe transversale selon l'art antérieur. -la figure 3 est une vue en perspective d'un piston selon l'invention dans une première version. - la figure 4 est une vue en perspective du piston selon la figure 3 selon un autre angle de vue montrant la partie supérieure de la tête du piston. - la figure 5 est une vue en coupe suivant des plans perpendiculaires du piston selon les figures 3 et 4. -la figure 6 est une vue du piston en perspective selon l'invention dans une seconde variante. - la figure 7 est une vue du piston de la figure 6 selon un autre angle de vue montrant la face supérieure de la tête du piston. - la figure 8 est une vue en coupe suivant des plans perpendiculaires du piston selon la variante des figures 6 et 7. Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative illustrée aux figures des dessins. Le piston à canal de refroidissement intégré est référencé dans son ensemble par (P). Il est composé de deux pièces forgées indépendantes (10) et (11) qui sont destinées à être assemblées en définissant entre elle un canal25 ou chambre (12) de réception du fluide de refroidissement. La première pièce (10) constitue la tête (10a) et la jupe (10b) du piston, et la seconde pièce (11) constitue la chape aménagée en partie supérieure (11a) avec de formes complémentaires d'appui et de centrage et se prolongeant en partie basse (1lb) pour la réception de l'axe de bielle. La tête cylindrique du piston comporte le logement usuel (10a) pour la réception des segments garantissant l'étanchéité avec la chambre de combustion (13) et le cylindre (14). La chape (11) est aménagée dans sa partie inférieure avec un alésage (11c) pour le positionnement de l'axe de bielle. Selon l'invention, la tête du piston et la chape sont aménagées respectivement avec des formes complémentaires d'appui et de centrage pour autoriser leur positionnement relatif et leur assemblage par frettage à l'endroit de certaines zones. Par ailleurs et en combinaison, lesdites formes complémentaires et les zones de liaison par frettage sont telles qu'elles définissent une chambre fermée (12) de réception du liquide de refroidissement. Plus particulièrement, on a représenté aux figures 3 à 8 deux variantes de réalisation du piston selon l'invention, agencé et aménagé avec des formes complémentaires de centrage et des zones de liaison par frettage dans les conditions précitées de l'invention. Dans la première variante des figures 3, 4 et 5, la tête du piston est ouverte dans sa partie supérieure et présente un alésage central (1 Oc) avec une portée de centrage (10d) définissant deux plans perpendiculaires (P1-P2). Le plan (P1) correspond à la face (lOdl) verticale dans le sens axial du piston et de sa tête. Le plan (P2) correspond à la face (10d2) horizontale perpendiculaire à la précédente et parallèle au plan supérieur horizontal de la tête du piston. La tête (10a) du piston présente intérieurement sur sa périphérie intérieure une zone (10e) qui est destinée à être une zone de liaison par frettage avec la partie supérieure de la chape. La chape est, dans ces conditions et dans cette réalisation, agencée dans sa partie supérieure avec une collerette épaulée (11b) destinée à être en regard de la portée centrale (10d) de la tête avec un plan (P3) vertical coopérant par frettage avec la face (10d1) correspondante, et un plan (P4) horizontal d'appui de la face (10d2) de la tête. La hauteur (H) définie par les plans (P1) et (P3) correspond à la première zone de liaison par frettage de la tête et la chape, tandis que les plans (P2) et (P4) sont des plans d'appui horizontaux. Par ailleurs, la chape (11) présente dans sa partie médiane une portée circulaire (11c) qui est destinée à venir en appui et liaison par frettage avec la zone (10e) formée sur la tête (10). La hauteur de cette seconde zone de liaison par frettage (h) est établie par rapport à l'épaisseur de la portée circulaire (11c). La partie supérieure (1ld) de la chape est configurée de manière classique en forme de chapeau de gendarme. Ainsi qu'il apparaît spécifiquement à la figure 5, la mise en oeuvre des zones de liaison par frettage entre la tête et la chape du piston a pour effet de fermer la chambre de réception du fluide de refroidissement de sorte qu'il n'est plus nécessaire, comme cela se faisait selon l'art antérieur, de prévoir l'ajout d'une pièce complémentaire d'obturation de la chambre de refroidissement avec un montage spécifique. Les hauteurs (H) et (h) des zones de frettage sont déterminées en fonction des caractéristiques d'application des pistons. A titre complémentaire, il peut être prévu la mise en oeuvre d'une soudure complémentaire (15) à l'endroit supérieur de jonction de la tête et de la chape en cas de contraintes de combustion très forte pour éviter un défrettage ou une étanchéité non parfaite. La mise en oeuvre du piston selon l'invention dans sa seconde variante est équivalente dans sa conception et sa fonctionnalité à la précédente, la seule différence réside dans la forme supérieure de la tête du piston qui est pleine (10f) et la face supérieure de la chape qui est débouchante en (11f). Les parties d'appui et de centrage et les zones de frettage sont les mêmes et on utilise les mêmes références. A titre complémentaire, il peut être prévu la mise en oeuvre d'une soudure complémentaire (16) dans la partie basse de jonction de la chape et de la paroi cylindrique intérieure de la tête du piston. Le procédé de fabrication du piston en deux parties consiste donc en ce que l'on procède à la fabrication indépendante desdites deux parties et constituant d'une part la tête du piston, et la jupe associée, et d'autre part la chape qui est agencée pour recevoir l'axe de bielle, la tête et la chape étant conformées avec des formes complémentaires pour permettre leur centrage et appui d'une part et pour définir après assemblage une chambre de réception du fluide de refroidissement fermée, et on procède à l'assemblage par frettage de la tête et de la chape à des endroits de liaison correspondant à certaines zones d'appui et de centrage entre elles. Les avantages de l'invention sont nombreux. Les deux pièces constitutives du piston, à savoir la tête et la chape, sont conçues de façon à séparer la fonction de guidage du piston et la fonction de fixation de l'axe de bielle limitant les efforts de l'une sur l'autre. Cela permet d'optimiser la géométrie des pièces en relation avec leur fonction, et d'obtenir une conception plus allégée du piston. On obtient une économie de matière, on supprime les usinages fastidieux et délicats de la chambre de refroidissement inhérents à l'art antérieur et la nécessité d'avoir une troisième pièce de fermeture de ladite chambre. Suivant les exigences du moteur, par exemple la pression dans la chambre de combustion, la vitesse de rotation du vilebrequin et donc la traction de la bielle, des calculs de structure permettent de définir la hauteur nécessaire de frettage dans les zones de liaison. Par ailleurs, de par la solution choisie selon l'invention et la liaison par frettage entre la tête et la chape, on augmente la tenue mécanique de l'assemblage. 10 Il n'a pas été représenté aux dessins le conduit d'introduction du fluide dans la chambre, cela relève de la pratique classique.5 REVENDICATIONS -1- Piston du type à canal de refroidissement interne composé de deux pièces (10) et (11), l'une constituant la chape (11) du piston et intégrant un alésage transversal pour l'axe de la bielle de commande, et l'autre la tête (10) du piston, caractérisé en ce qu'une première pièce (10) constituant la tête et la jupe du piston, en étant aménagée avec des surfaces d'appui et de centrage (1lb-i ic) pour autoriser le positionnement, la seconde pièce étant la chape aménagée en partie supérieure avec des formes complémentaires (10d1- 10d2), (10e) d'appui et de centrage sur les précédentes, en se prolongeant en partie basse pour la réception de l'axe de bielle, et en ce que lesdites pièces sont solidarisées entre elles à l'endroit de certaines zones d'appui et de centrage par frettage en définissant par assemblage une chambre (12) fermée de réception du liquide de refroidissement, le remplissage de la chambre s'effectuant par des conduits aménagés et bouchés à partir de l'intérieur du piston. -2- Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête du piston présente dans sa partie supérieure un alésage central (10c) avec une portée de centrage (1Od) définissant deux plans perpendiculaires (P1-P2), en ce que le plan (P1) correspond à la face (1Ocl) verticale dans le sens axial du piston et de sa tête, et en ce que le plan (P2) correspond à la face (10c2) horizontale perpendiculaire à la précédente et parallèle au plan supérieur horizontal de la tête du piston, en ce que la tête (10a) du piston présente intérieurement sur sa périphérie intérieure une zone (10e) qui est destinée à être une zone de liaison par frettage avec la chape (11), et en ce que la chape est agencée dans sa partie supérieure avec une collerette épaulée (1lb) destinée à être en regard de la portée centrale (10d) de la tête avec un plan (P3) vertical coopérant parfrettage avec la face (l Odl) correspondante, et un plan (P4) horizontal d'appui de la face (10d2) de la tête, et en ce que la hauteur (H) définie par les plans (P1) et (P3) correspond à la première zone de liaison par frettage de la tête et la chape, tandis que les plans (P2) et (P4) sont des plans d'appui horizontaux. -3- Piston selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chape (11) présente dans sa partie médiane une portée circulaire (11c) qui est destinée à venir en appui et liaison par frettage avec la zone (10e) formée sur la tête (10a), et en ce que la hauteur de cette seconde zone de liaison par frettage (h) est établie par rapport à l'épaisseur de la portée circulaire (1lc). -4-Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête du piston est pleine (10f) et la face supérieure de la chape est débouchante (11f), et en ce qu'il comprend deux plans perpendiculaires (P1-P2), en ce que le plan (P1) correspond à la face (1Ocl) verticale dans le sens axial du piston et de sa tête, et en ce que le plan (P2) correspond à la face (10c2) horizontale perpendiculaire à la précédente et parallèle au plan supérieur horizontal de la tête du piston, en ce que la tête (10a) du piston présente intérieurement sur sa périphérie intérieure une zone (10e) qui est destinée à être une zone de liaison par frettage avec la chape (11), et en ce que la chape est agencée dans sa partie supérieure avec une collerette épaulée (1lb) destinée à être en regard de la portée centrale (10d) de la tête avec un plan (P3) vertical coopérant par frettage avec la face (l Odl) correspondante, et un plan (P4) horizontal d'appui de la face (10d2) de la tête, et en ce que la hauteur (H) définie par les plans (P1) et (P3) correspond à la première zone de liaison par frettage de la tête et la chape, tandis que les plans (P2) et (P4) sont des plans d'appui horizontaux.-5- Piston selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chape (11) présente dans sa partie médiane une portée circulaire (11c) qui est destinée à venir en appui et liaison par frettage avec la zone (10e) formée sur la tête (10a), et en ce que la hauteur de cette seconde zone de liaison par frettage (h) est établie par rapport à l'épaisseur de la portée circulaire (1lc). -6- Procédé de fabrication du piston caractérisé en ce que l'on procède à la fabrication indépendante desdites deux parties et constituant d'une part la tête du piston et la jupe, et d'autre part la chape qui est agencée pour recevoir l'axe de bielle, la tête et la chape étant conformées avec des formes complémentaires pour permettre leur centrage et appui d'une part et pour définir après assemblage une chambre de réception du fluide de refroidissement fermée, et on procède à l'assemblage par frettage de la tête et de la chape à des endroits de liaison correspondant à certaines zones d'appui et de centrage entre elles.