Brevet FR2984415A1 — publié le 20130621

TETE DE PISTON pool La présente invention appartient au domaine des moteurs thermiques ou hybrides (thermiques-électriques ou thermiques-pneumatiques par exemple), notamment pour véhicule de type automobile. Elle concerne plus particulièrement les mécanismes de montage coulissant d'un piston à l'intérieur d'une chemise que comprend un cylindre du moteur thermique ou hybride (désigné par la suite sous les termes « thermique » ou « à combustion interne » par souci de concision). L'invention relève plus spécifiquement des segments de piston qui sont montés sur le piston en interposition radiale entre le piston et la chemise. [0002] Les moteurs équipant les véhicules automobiles comprennent des cylindres qui ménagent une chambre de combustion et qui comportent une chemise à l'intérieur de laquelle est monté coulissant un piston d'entraînement en rotation d'un vilebrequin. Selon une forme usuelle de réalisation, le piston comporte une tête de piston qui est munie d'un jeu de segments de piston et qui est prolongée par une jupe porteuse d'un axe de piston en prise articulée sur une bielle de liaison du piston au vilebrequin. Les segments de piston sont placés en interposition radiale entre la tête de piston et la chemise, en étant chacun agencés en anneau ouvert et en étant logés et individuellement maintenus à l'intérieur de gorges respectives que comporte la tête de piston. Les segments de piston sont successivement axialement répartis sur la tête de piston selon leur fonction propre, et sont couramment au nombre de trois, dont deux segments dits de compression, - un segment dit « coupe feu » et un segment dit « d'étanchéité » -, et un segment dit « racleur » disposé entre les segments de compression et la jupe. [0003] Sous l'effet de la combustion, le piston est animé d'un mouvement de coulissement et les segments de piston subissent des frottements conséquents le long de la surface de glissement de la chemise. Les segments de compression sont affectés à l'étanchéité aéraulique de la chambre de combustion et sont soumis à des contraintes importantes, notamment en ce qui concerne le segment coupe feu. De telles contraintes sont principalement induites par les fortes pressions qui sont générées dans la chambre de combustion et par la chaleur élevée des gaz issus de la combustion. Le segment racleur est affecté à la retenue d'un lubrifiant à l'intérieur de la chemise, pour maintenir la formation d'un film lubrifiant entre la chemise et le piston. Du lubrifiant en faible quantité est susceptible de ne pas être retenu par le segment racleur, et le segment d'étanchéité permet de compléter la retenue du lubrifiant vers la jupe en étant axialement interposé entre le segment racleur et le segment coupe feu. Un passage d'une très petite quantité de lubrifiant vers le segment coupe feu est néanmoins souhaitable pour favoriser la circulation du segment coupe feu le long de la surface de glissement de la chemise. Globalement, les segments de piston procurent une étanchéité aéraulique entre une chambre de combustion et un carter cylindre que comprend le moteur thermique, ils régulent et limitent la consommation en lubrifiant utile au coulissement du piston à l'intérieur de la chemise, et ils transmettent la chaleur induite par la combustion et emmagasinée par le piston vers la chemise, et en conséquence vers le cylindre qui est refroidi par des moyens appropriés. [0004] Cependant, l'étanchéité aéraulique conférée par les segments n'est pas complète, dans la mesure où ces segments sont des anneaux ouverts. La partie ouverte des segments, connue sous le terme de coupe, permet son introduction dans les gorges du fût de carter cylindre et permet d'absorber les dilatations thermiques subies lors du fonctionnement du piston. Mais, de fait, une certaine quantité de gaz peut franchir les segments par leur jeu à la coupe. On observe ainsi une certaine perte de pression dans la chambre de combustion due à cette fuite de gaz via les segments. [0005] II existe des segments de géométrie différente, et notamment de forme hélicoïdale, dont un exemple est décrit dans la demande de brevet FR - 651119. Dans cet exemple, deux segments hélicoïdaux superposés sont contenus dans une gorge du piston de forme adaptée pour que les segments, en position de fonctionnement dans la gorge, aient leurs spires accolées les unes aux autres. Pour ce faire, la gorge présente un dimensionnement approprié, avec deux épaulements servant de butées aux deux extrémités radiales externes des deux segments superposés. Elle est en outre équipée d'un anneau extensible destiné à maintenir à distance les extrémités radiales internes des deux segments. On voit que cette superposition de segments hélicoïdaux garantit à l'ensemble un pourtour fermé, donc une étanchéité aéraulique complète. En revanche, le montage de l'ensemble, non détaillé dans le document, est complexe, avec un nombre élevé de pièces à assembler. [0006] L'invention a alors pour but de remédier à ces inconvénients, en proposant notamment une nouvelle conception d'étanchéité périphérique de la tête de piston d'un moteur, qui autorise un montage facilité et/ou qui n'augmente pas le nombre de pièces usuellement affectées à cette fonction, et/ou qui améliore l'étanchéité aéraulique obtenue. [0007] L'invention a tout d'abord pour objet une tête de piston munie d'au moins un segment de forme hélicoïdale logé dans une gorge annulaire de ladite tête de piston, ladite tête comportant une rampe de montage du segment débouchant dans ladite gorge annulaire. mos] La rampe de montage permet ainsi de monter le segment de type hélicoïdal dans sa gorge, sans avoir à le déformer radialement (radialement s'entend par rapport à l'axe central du segment qui est confondu avec l'axe central de la tête de piston, une fois monté). On évite ainsi de provoquer une déformation rémanente du segment. Surtout, on simplifie son montage, puisqu'il suffit de faire glisser le segment le long de cette rampe jusqu'à la gorge, ce qu'un opérateur peut faire d'une seule main, montage nettement plus délicat à faire quand il faut écarter radialement le segment, puis relâcher les efforts exercés sur le segment de façon à ce qu'il se loge précisément dans la gorge, sans risquer de « griffer » la surface de la tête de piston. [0009] Selon une variante optionnelle, on peut prévoir de munir la gorge annulaire d'au moins une butée, d'au moins un épaulement offrant surface d'appui/ de calage de l'une des extrémités radiales au moins du segment. [0010] Avantageusement, le segment une fois logé dans la gorge annulaire a ses spires accolées les unes aux autres. [0011] Avantageusement, le segment logé dans la gorge annulaire présente sur tout son pourtour une hauteur axiale correspondant à au moins deux hauteurs de spires. On assure ainsi que le segment est bien entièrement fermé, et qu'il offre une étanchéité complète sur tout son périmètre, en ce sens qu'il bloque complètement tout passage de gaz axialement, entre la tête de piston et la chemise. [0012] Selon une variante préférée, la rampe de montage démarre à l'une des extrémités axiales de la tête de piston. [0013] De préférence, la rampe de montage de la tête de piston est une rainure de forme hélicoïdale. [0014] On choisit avantageusement un pas d'hélice inférieur au pas qui entraînerait une déformation axiale rémanente du joint. [0015] Selon un mode de réalisation, la rampe de montage est une rainure de forme hélicoïdale, avec un pas d'hélice qui diminue, notamment progressivement, en direction de la gorge annulaire. Ainsi, on amène progressivement, lors de son montage, le segment d'un état d'extension radiale donné à un état d'extension radiale qui diminue quand il se rapproche de la gorge où il est disposé avec ses spires accolées, donc avec un état d'extension radiale nul. [0016] Selon un autre mode de réalisation, la rampe de montage est une rainure de forme hélicoïdale avec un pas d'hélice constant, ce qui peut rendre sa réalisation plus simple que dans le mode de réalisation précédent. [0017] L'invention concerne, notamment, une tête de piston munie de deux segments de forme hélicoïdale logés chacun dans une gorge, et de deux rampes de montage démarrant chacune à une extrémité axiale de la tête de piston et débouchant chacune dans une gorge. [0018] II s'est avéré, en effet, que l'utilisation de segments hélicoïdaux associés à leurs rampes de montage pouvait autoriser de n'avoir plus qu'un jeu de deux segments, au lieu de trois habituellement. Ainsi, un premier segment peut assurer complètement à lui seul l'étanchéité aéraulique, et remplacer les deux segments de compression, et un second segment peut servir de segment racleur, ce qui est bénéfique en termes de nombre de pièces et en temps de montage des segments. [0019] Naturellement, on peut prévoir de garder trois segments, dont au moins un dans la configuration de l'invention, le ou les autre(s) pouvant rester des segments ouverts conventionnels montés de façon conventionnelle. [0020] L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comprenant un cylindre et une culasse formant ensemble une chambre de combustion délimitée par un piston mobile dans le cylindre, ledit piston comprenant une tête de piston telle que décrite plus haut. [0021] L'invention a également pour objet tout véhicule, notamment tout véhicule automobile, équipé d'un tel moteur. [0022] L'invention a également pour objet le procédé de montage d'un segment de forme hélicoïdale dans une gorge annulaire d'une tête de piston, ladite tête de 20 piston comportant une rampe de montage du segment débouchant dans ladite gorge annulaire, où l'on fait glisser le segment le long de la rampe de montage jusque dans la gorge. [0023] Selon un mode de réalisation particulier de ce procédé, la rampe est une rainure de forme hélicoïdale, et l'on insère une extrémité du segment dans 25 l'extrémité de celle-ci opposée à l'extrémité débouchant dans la gorge, puis on fait glisser ledit segment le long de la rainure jusqu'à ce qu'il débouche dans la gorge, où il est comprimé de façon à ce que ses spires soient accolées les unes aux autres. [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple uniquement et en référence aux figures qui montrent : - Figure 1, une représentation en coupe d'un ensemble segments/piston/chemise d'un moteur à combustion interne selon l'art antérieur ; - Figure 2, un agrandissement de la figure 1 au niveau des segments, toujours selon l'art antérieur ; - Figure 3, une représentation d'un segment de forme hélicoïdale selon l'invention ; - Figures 4A et 4B, deux étapes successives du montage d'un segment selon la figure 3 sur une gorge annulaire d'une tête de piston selon l'invention - Figure 5, un agrandissement de la figure 4B représentant une portion de la gorge annulaire de la tête de piston. [0025] Ces figures sont extrêmement simplifiées pour en faciliter la 15 compréhension, les éléments représentés ne sont donc pas nécessairement à l'échelle. Chaque référence conserve la même signification d'une figure à l'autre. [0026] Les figures 1 et 2 représentent une configuration connue des segments, du piston et de la chemise d'un moteur à combustion thermique destiné à équiper un véhicule automobile: Y sont représentés une bielle 1, dont l'extrémité est 20 articulée selon un axe 2 du piston 3 coulissant dans un fût 4 de carter cylindre muni d'une chemise 5. Les segments 6,7, 8 respectivement appelés segment coupe-feu, segment d'étanchéité et segment racleur sont disposés sur la tête du piston 3. Le piston 3 équipant le moteur thermique est placé en prise sur un vilebrequin (non représenté) pour son entraînement en rotation. Le piston 3 est 25 guidé en coulissement alternatif à l'intérieur de la chemise 5 que comporte un cylindre du moteur thermique, et est muni d'un alésage 9 de réception de l' axe 2 de piston 3 pour sa mise en prise sur la bielle 1 de liaison entre le piston 3 et le vilebrequin. L'alésage 9 est formé à travers une jupe 10 qui est ménagée en prolongement axial de la tête de piston 3 équipée du jeu de segments de piston 30 6,7,8. Les segments de piston 6,7,8 sont de conformation globale annulaire ouverts sur une portion de leur pourtour : le jeu à la coupe rappelé plus haut. Ils sont au nombre de trois, en étant logés dans des gorges respectives, à des hauteurs différentes, prévues sur la tête de piston 3. Les segments de piston 6,7,8 sont successivement disposés sur la tête de piston 5 en adjacence axiale, et comprennent un couple de segments de compression 6,7 et un segment racleur 8 qui est axialement interposé entre les segments de compression 6,7 et la jupe 10. L'un des segments de compression est un segment coupe feu 6 tandis que l'autre segment de compression est un segment d'étanchéité 7. [0027] La figure 3 représente un segment hélicoïdal 11 destiné à remplacer les deux segments de compression 6,7 de l'art antérieur, dans un état d'extension axiale, ses spires étant séparées les unes des autres d'une distance d. Son axe central X est confondu, une fois monté sur la tête de piston, avec l'axe X de la chambre de combustion et de ladite tête de piston. Ses extrémités radiales 111,112 sont disposées substantiellement en regard l'une de l'autre à la verticale (en considérant le segment et la tête de piston dans leur position de fonctionnement la plus courante dans un moteur automobile, à savoir orientés selon un axe X vertical comme représenté). Alternativement, le segment 11 peut avoir un nombre plus élevé de spires. Il peut aussi avoir des extrémités radiales 111,112 qui se chevauchent. [0028] Les figures 4A et 4B représentent la façon dont ce type de segment 11 est monté sur une portion de tête de piston 3' aménagée pour coopérer avec celui-ci : La tête de piston comprend une rainure hélicoïdale 12, dont le dimensionnement est choisi de façon à pouvoir recevoir le segment 11, et qui démarre à l'extrémité inférieure de la tête de piston (ici comme dans le reste du texte, « inférieur », « supérieur », « vertical « et autres termes de localisation spatial se réfèrent aux pièces mécaniques telles que représentées aux figures et telles qu'elles sont, le plus usuellement, disposées en position de fonctionnement dans le moteur). L'opérateur vient insérer l'extrémité radiale 111 du segment 11 dans l'extrémité inférieure de la rainure 12, puis il vient faire « monter » le segment le long de cette rainure, le mettant ainsi en extension axiale comme représenté en figure 3, extension déterminée par le pas p de cette rainure 12 qu'on peut assimiler à un pas de vis. Dans l'exemple de la figure 4A, ce pas p est constant, mais il peut aussi être prévu de le diminuer au fur et à mesure que l'on se rapproche de la gorge annulaire 13 destinée à loger le segment 11. Comme représenté en figure 4B, la rainure 12 débouche dans la gorge 13, le segment vient alors se loger dans celle-ci de façon à se comprimer radialement, ses spires devenant accolées les unes aux autres, d'une façon telle que, si l'on suit le pourtour de ce segment une fois logé dans la gorge 13, on a toujours au moins deux épaisseurs de spires. On garantit ainsi une étanchéité axiale excellente, avec un seul segment, au lieu de deux précédemment. Le montage peut se faire aisément, avec une seule main, en garantissant un positionnement optimal du segment dans sa gorge directement, sans tâtonnements et sans faire subir des déformations radiales préjudiciables au segment. [0029] La figure 5 est un agrandissement de la figure 4B, au niveau de la gorge 13 : on voit que le segment y est logé de façon comprimé, sans qu'il y ait à prévoir de moyens particuliers pour centrer axialement le segment (contrairement aux segments ouverts de l'art antérieur, où il peut être nécessaire de centrer précisément les segments axialement les uns par rapport aux autres, de façon à ce que leurs jeux à la coupe coïncident axialement, ou pas). [0030] A noter que la gorge 13 est ici une simple gorge annulaire, mais qu'il pourrait être prévu de la munir éventuellement d'une butée au moins servant de face d'appui à l'une au moins des extrémités radiales 111,112 du segment 11. [0031] A noter qu'avantageusement, on peut prévoir de munir la tête de piston d'une seconde rainure hélicoïdale, démarrant à la partie supérieure de la tête de piston et débouchant dans une gorge annulaire, de façon à pouvoir monter un second segment hélicoïdal par cette rampe, de façon symétrique. [0032] Mais on peut aussi combiner l'utilisation d'un segment hélicoïdal avec une rampe de montage comme la rainure 12, avec celle d'un segment ouvert conventionnel dans une gorge conventionnelle (dans laquelle débouche ou non une rainure hélicoïdale). [0033] Si on prévoit deux segments hélicoïdaux, montés de façon symétrique, l'une par une rampe de montage inférieure, l'autre par une rampe de montage supérieure, ceux-ci peuvent suffire à assurer toutes les fonctions attendues des segments de piston. En outre, on peut moduler, sur la hauteur de la tête de piston, la distance séparant les deux gorges annulaires, soit en les disposant proches l'une de l'autre, soit éloignées l'une de l'autre, selon le type de cinématique entre chemise et piston qu'on l'on veut privilégier. [0034] A noter enfin, que, une fois que les segments 11 sont logés dans leurs gorges annulaires 13, les rainures hélicoïdales 12 n'interviennent plus dans le fonctionnement du piston : elles servent essentiellement au montage des segments, sans interférer avec ou perturber, ensuite, le fonctionnement du piston. [0035] Les segments 11 sont de préférence en métal du type acier, et leurs propriétés mécaniques, notamment leur « raideur », si on les assimile à des ressorts, et leur dimensionnement sont choisies en fonction des besoins.15 REVENDICATIONS1. Tête de piston (3') munie d'au moins un segment (11) de forme hélicoïdale logé dans une gorge annulaire (13) de ladite tête de piston, caractérisée en ce que ladite tête comporte une rampe de montage (12) du segment débouchant dans ladite gorge annulaire. 2. Tête de piston (3') selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le segment (11) logé dans la gorge annulaire (13) a ses spires accolées. 3. Tête de piston (3') selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le segment (11) logé dans la gorge annulaire (13) présente sur tout son pourtour une hauteur axiale correspondant à au moins deux hauteurs de spires. 4. Tête de piston (3') selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la rampe de montage (12) démarre à l'une des extrémités axiales de la tête de piston. 5. Tête de piston (3') selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la rampe de montage est une rainure de forme hélicoïdale. 6. Tête de piston (3') selon l'une des revendications précédentes, 20 caractérisée en ce que la rampe de montage est une rainure (12) de forme hélicoïdale, avec un pas (p) d'hélice qui diminue, notamment progressivement, en direction de la gorge annulaire. 7. Tête de piston (3') selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la rampe de montage est une rainure (12) de forme hélicoïdale, avec un pas 25 d'hélice constant. 8. Tête de piston (3') selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est munie de deux segments (11) de forme hélicoïdale logés chacun dans une gorge, et de deux rampes de montage (12) démarrant chacune à une extrémité axiale de la tête de piston et débouchant chacune dans 30 une gorge (13). 2 9 844 15 11 9. Moteur à combustion interne, notamment pour véhicule automobile, comprenant un cylindre et une culasse formant ensemble une chambre de combustion délimitée par un piston mobile dans le cylindre, caractérisé en ce que ledit piston comprend une tête de piston (3') selon l'une des revendications 5 précédentes. 10. Procédé de montage d'un segment (11) de forme hélicoïdale dans une gorge annulaire (13) d'une tête de piston (3'), caractérisé en ce que ladite tête de piston comporte une rampe de montage (12) du segment débouchant dans ladite gorge annulaire (13), et en ce qu'on fait glisser le segment le long de la 10 rampe de montage jusque dans la gorge . 11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la rampe est une rainure (12) de forme hélicoïdale, et en ce qu'on insère une extrémité (111) du segment (11) dans l'extrémité de celle-ci opposée à l'extrémité débouchant dans la gorge (13) , puis on fait glisser ledit segment le long de la 15 rainure (12) jusqu'à ce qu'il débouche dans la gorge (13), où il est comprimé de façon à ce que ses spires soient accolées les unes aux autres.20