Brevet FR2979556A1 — publié le 20130308

PROCEDE DE TRAITEMENT DE SURFACE D'UN SEGMENT 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 thermique (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] De façon générale dans le domaine des moteurs, on cherche à réduire la consommation en carburant et les émissions de rejets polluants dans les gaz d'échappement. On cherche donc à maximiser le rendement énergétique du moteur, et, pour ce faire, on cherche à éviter/limiter au mieux les déperditions d'énergie dues aux frottements des pièces en mouvement les unes contre les autres, et, plus particulièrement dues aux frottements entre le piston et les cylindres à l'intérieur desquels ils sont montés coulissants. Le frottement entre les segments de piston et la chemise sont déterminés par la charge appliquée sur les segments de piston, dite tarage, par la qualité de la lubrification procurée à partir de la viscosité et la disponibilité du lubrifiant à partir duquel est formé le film lubrifiant, et par la structure des surfaces de glissement des segments de piston et la chemise. Les surfaces de glissement des segments de piston et de la chemise sont couramment soumises à une opération de finition tribologique. Les segments de piston peuvent comporter des revêtements de surface. De tels revêtements de surface sont par exemple formés par chromage, par nitruration ou 2 9 79556 3 par phosphatation. Il est aussi connu des revêtements carbonés amorphes de type DLC (d'après l'acronyme anglais utilisé en français Diamond Like Carbon) et des revêtements PVD (d'après l'acronyme anglais utilisé en français Physical Vapor Deposition) de type CrAIN, CrN ou CrxNy par exemple. 5 [0005] Une solution pour améliorer les conditions de glissement entre les segments de piston et la chemise, est d'intervenir sur la texturation de surface des segments de piston. Il est connu d'appliquer sur un segment de piston une texturation de surface par faisceau LASER (d'après l'acronyme anglais utilisé en français Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), tel que 10 mentionné par le document CN-101344048. La texturation de surface est pratiquée sur les faces axiales en regard des segments de piston, pour former une pluralité de poches indépendantes de réserve du lubrifiant et de rétention des débris d'usure. [0006] L'invention a pour but de rechercher un nouveau procédé visant à obtenir 15 une texturation de surface des segments de piston décrits précédemment. Elle a notamment pour but un procédé de ce type qui soit plus facile à mettre en oeuvre à l'échelle industrielle, et/ou qui permette l'obtention de motifs de texturation variés plus aisément ou plus rapidement. [0007] L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de traitement de surface 20 d'un segment de piston d'un moteur à combustion, qui comporte une texturation de surface du chant extérieur dudit segment par électro érosion par enfonçage. Comme vu précédemment, les segments de piston ont la forme générale d'un anneau ouvert, le chant extérieur correspond ainsi à la tranche de l'anneau destinée à être en regard de la surface interne du piston. La texturation selon 25 l'invention va ménager des cavités superficielles structurées, permettant la rétention de lubrifiant et sa répartition aussi homogène que possible à l'interface entre les segments et le piston. [mos] La technique d'électro érosion, de façon générale, est un procédé d'usinage par enlèvement de matière par une décharge électrique entre la pièce à 30 traiter, qui joue le rôle de contre-électrode et qui doit donc conduire l'électricité, - ici, en l'occurrence, il s'agit du segment d'un piston -, et une électrode dite électrode outil, - ici, en l'occurrence, il peut s'agir, comme cela le sera détaillé par la suite, d'une électrode ou d'une pluralité d'électrodes regroupées. Il peut s'agit d'une électrode cylindrique unique ou constituée de deux demi-électrodes complémentaires -. L'ensemble électrode/contre-électrode est généralement immergé dans un liquide isolant sur le plan électrique. L'application d'une tension électrique entre électrode et contre-électrode génère un champ électrique entre les deux, la décharge électrique étant générée dans la zone où le champ électrique est le plus intense, c'est-à-dire dans la zone où la distance entre l'électrode et la contre-électrode est la plus petite. On peut alors, selon l'invention, développer des électrodes spécifiques qui permettent d'obtenir, à la surface des segments, des profils de texturation spécifiques correspondant. [0009] La technique d'électro érosion se partage en deux mises en oeuvre distinctes : l'électro érosion à fil et l'électro érosion par enfonçage. L'invention s'intéresse à cette seconde mise en oeuvre, où l'on vient appliquer une électrode préformée en vis-à-vis de la surface à traiter. [cm cl L'électro érosion par enfonçage présente en effet de nombreux avantages au vu des pièces à traiter : Tout d'abord, elle s'effectue sur des matériaux conducteurs, ce qui est bien le cas des segments de piston. Ensuite, elle permet l'usinage de matériaux très durs. Or, la surface du chant des segments que l'on texture a généralement été préalablement traitée par dépôt d'un revêtement, qui peut être en DLC, en carbure ou en nitrure, comme on l'a vu précédemment. Il s'agit donc de revêtements de grande dureté, rendant les traitements de surface mécaniques classiques inefficaces ou, à tout le moins, difficiles à mettre en oeuvre. En outre, l'électro érosion par enfonçage n'implique pas d'efforts mécaniques à l'enlèvement de matière, ni d'asservissement des axes mécaniques aux conditions électriques : on entend par là qu'à aucun moment l'électrode n'est en contact direct avec la contre-électrode, et ce sont les mesures de grandeurs électriques qui permettent de déterminer la distance électrode/ contre-électrode (le segment ici) et qui sont, le cas échéant, utilisées pour la régulation ou le pilotage du procédé de traitement. pou ] Avantageusement, le traitement de texturation selon l'invention peut s'effectuer sur une pluralité de segments de pistons empilés selon un axe central commun. On peut ainsi prévoir d'empiler les segments sur un arbre de centrage, les segments pouvant être de même nature (que des segments racleurs par exemple) ou être de différents types. [0012] De préférence, le traitement de texturation s'effectue avec au moins une électrode préformée selon un motif de texturation donné, de façon à créer sur le ou les chants du ou des segments traités un motif de texturation correspondant. [0013] Selon un mode de réalisation du procédé selon l'invention, le procédé comprend les étapes successives suivantes : - mise en place de l'électrode ou des électrodes outil préformée(s) en regard du ou des chants du(des) segments à traiter, - initiation de la décharge entre la ou les électrode(s) outil et le(les) chant(s), - fusion et vaporisation de matière provenant de la surface du(des) chant(s) du(des) segment(s), - éjection de ladite matière et formation d'une texturation de surface sur le (les) chant(s) du(des) segment(s) correspondant, en négatif, au motif de texturation de la ou des électrodes outil. [0014] Selon un mode de réalisation de l'invention, la texturation est réalisée avec une pluralité d'électrodes, chacune comportant une pointe dont l'extrémité active, en position d'électro érosion, est dirigée en regard du ou des chants de segment à traiter. [0015] Les électrodes peuvent être montées et regroupées sur au moins un support commun, et le traitement de texturation peut s'effectuer avec un mouvement relatif de translation et/ ou de rotation entre le(les) support(s) d'électrodes d'une part et l'empilement de segments d'autre part. On peut décomposer les mouvements, par exemple en faisant tourner autour de leur axe de centrage les empilements de segments, et en déplaçant en translation la ou les électrodes selon un axe parallèle à l'axe de centrage des empilements. On peut aussi faire l'inverse, ou choisir de laisser immobiles les électrodes, et de ne mouvoir, lors du traitement, que l'empilement de segment, ou faire l'inverse. En 2 9 79556 6 outre, selon la configuration de la ou des électrodes et leur dimensionnement, un simple mouvement de translation ou de rotation relatif peut suffire. [0016] Selon l'invention, on peut moduler le mouvement relatif entre électrodes et segments, de façon à obtenir soit des motifs continus, de type stries, soit des 5 motifs discontinus, de type picots, à la surface des chants des segments, en pilotant leur vitesse relative. (La forme et le type de motif dépend aussi, naturellement, de la configuration de la ou des électrodes). On peut, notamment, obtenir des motifs discontinus en ayant des mouvements relatifs discontinus, selon une fréquence prédéterminée. 10 [0017] L'invention a également pour objet un segment de piston d'un moteur à combustion traité selon le procédé précédemment décrit, et dont le chant extérieur est texturé sous forme de stries droites ou croisées, ou de stries discontinues ou de picots. [0018] De préférence, ce segment présente des stries ou picots d'une 15 profondeur d'au plus 20 micromètres, et/ou une largeur maximale d'au plus 100 micromètres et/ou une orientation selon un angle de 10 à 80° par rapport à l'axe du segment. [0019] Une telle profondeur d'au plus 20 micromètres est en effet suffisante pour créer des poches du lubrifiant d'un volume approprié, sans dépasser un volume 20 qui pourrait conduire à une consommation excessive de lubrifiant. La profondeur des stries ou picots peut, par exemple, être de préférence d'au plus 10 micromètres et notamment être d'environ 5 micromètres. [0020] Une largeur maximale d'au plus 100 micromètres détermine également, en ce qui concerne les stries, le volume dégagé pour les poches de lubrifiant. De 25 préférence, la largeur est d'au plus 50 micromètres. [0021] L'angle d'inclinaison préconisé permet d'obtenir des régimes de lubrification appropriés. [0022] Un tel segment peut aussi présenter des stries ou les picots dont la section transversale est en forme de pointe ou en forme arrondie ou en forme de créneau plat. [0023] Pour définir le volume rendu disponible pour le lubrifiant par cette texturation, on prend aussi en compte la densité des stries ou des picots par unité de surface des chants à traiter. [0024] Le segment obtenu selon l'invention peut donc présenter un chant extérieur qui est texturé sous forme de picots discontinus et non pas sous forme de stries continues. Ces picots peuvent avoir la forme, en creux, de cylindres, de pointes etc. ... [0025] Il est également possible de choisir des motifs associant des stries à des picots. [0026] Il est également possible de choisir des motifs sous forme de stries discontinues, c'est-à-dire des motifs allongés alignés, disposés à la manière de lignes pointillées. De préférence, ces stries discontinues ont une longueur d'au plus 100 micromètres. [0027] L'invention a également pour objet un moteur à combustion interne intégrant un piston muni de segments texturés selon le procédé précédemment décrit. [0028] L'invention a également pour objet le véhicule, notamment automobile, incorporant un tel moteur. [0029] 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 ; - figure 2, un agrandissement de la figure 1 au niveau des segments ; - figure 3, une représentation du principe de la technique d'électro érosion par enfonçage ; - figure 4, un exemple de mise en oeuvre de l'invention représentant un empilement de segments traités par une rampe d'électrodes en vue de les texturer; - figures 5A, 5B, 5C, des empilements de segments avant et après texturation selon l'invention ; - figures 6A,6B, des exemples de motifs de texturation réalisés sur des segments selon l'invention. [0030] Ces figures sont extrêmement simplifiées pour en faciliter la compréhension, les éléments représentés ne sont donc pas nécessairement à l'échelle. Chaque référence conserve la même signification d'une figure à l'autre. [0031] Les figures 1 et 2 rappellent une configuration connue des segments, du piston et de la chemise d'un moteur à combustion thermique : Y sont représentés une bielle 1, dont l'extrémité est 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 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 6,7,8. Les segments de piston 6,7,8 sont de conformation globale annulaire et sont au nombre de trois, en étant logés dans des gorges respectives que comporte 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. [0032] Le film lubrifiant obtenu est directement formé autour de la surface de glissement du segment de piston, en interposition homogène entre les surfaces de glissement respectivement du segment 6,7,8 de piston et de la chemise 5, et procure une lubrification hydrodynamique qui est favorable à une diminution des frottements et de l'usure induite du segment de piston et de la chemise, dont les durées de vie respectives sont accrues. Les conditions favorables obtenues de la mobilité relative entre le segment de piston et la chemise procurent une diminution potentielle des émissions de carburant, grâce à la réduction des frottements que procure le film lubrifiant hydrodynamique formé entre les surfaces de glissement du segment de piston et de la chemise. L'invention cherche à améliorer cette lubrification en améliorant l'état de surface des tranches des segments par une texturation superficielle. [0033] La figure 3 est un rappel du principe de l'électro érosion par enfonçage : les profils de surface des substrats B sont conditionnés par ceux de l'électrode A utilisée. La reproduction de forme par enfonçage consiste à utiliser une électrode A préformée et à l'appliquer à une distance donnée de la surface du substrat B à traiter, la zone C entre substrat et électrode étant constituée d'un milieu diélectrique du type eau dé-ionisée. La matière du substrat B est enlevée progressivement quand l'électrode A, et le substrat B faisant office de contre électrode, sont mises sous tension, provoquant une décharge électrique. L'électrode A reproduit ainsi petit à petit, à la surface du substrat B, son profil en négatif. Appliquée, selon l'invention, à la texturation de segments, elle permet l'obtention de profils précis sur des segments recouverts de revêtements durs, de type carbure ou nitrure, de façon aisée. L'électrode A est généralement en tungstène ou en graphite, matériaux plus aisés à usiner, car moins durs, que ne le seraient les revêtements de type carbure ou nitrure recouvrant les chants des segments ou les matériaux constitutifs des segments eux-mêmes. [0034] La figure 4 représente un empilement de segments 6,7,8 disposés autour d'un arbre central 11 d'axe X, empilement qui fait office de contre-électrode. L'arbre 11 est monté sur des platines motorisées (non représentées), de façon à être apte à mouvoir l'empilement de segments à la fois en translation (flèche f1) le long de l'axe X et en rotation (flèche f2) autour de cet axe. L'électrode 12 est en fait constituée d'une pluralité d'électrodes dont les pointes sont dirigées vers l'empilement de segments et qui sont montées sur un support commun avec la connectique appropriée reliée à une alimentation électrique appropriée (non représentés). [0035] La figure 5A représente l'empilement de segments avant texturation. Pour obtenir un profil de stries (s1) droit sur les chants extérieurs des segments comme représenté en figure 5B, un mouvement combiné de rotation et de translation de l'arbre 11 par rapport à l'électrode 12 suffit, avec une vitesse suffisamment lente pour avoir la profondeur de stries et la continuité voulues. [0036] Pour obtenir un profil de stries croisées (s2) comme représenté en figure 5C, on peut, soit utiliser la même configuration d'électrodes 12 que celle de la figure 4, mais avec un balayage rotatif en un ou plusieurs aller-retour par l'électrode 12 de l'empilement, soit utiliser non pas un ensemble d'électrodes 12 mais deux, disposés l'un par rapport à l'autre avec un mouvement contraire de translation le long de l'axe X et un mouvement en rotation de l'arbre 11. [0037] En choisisssant, pour les têtes d'électrode, des formes différentes (plates, pointues, arrondies ...), on peut obtenir des stries de forme, notamment de section transversale, variée. On peut aussi, par un mouvement discontinu de l'arbre 11 porteur de l'empilement de segments, par rapport à la ou les électrodes, obtenir sur la tranche des segments des motifs discontinus, par exemple de type picots comme représentés en figure 6A, avec des picots en creux arrondis p1, ou en figure 6B, avec des picots en creux de forme pyramidale p2. Est aussi possible toute autre forme de picots, à pans, arrondie ou pointue, « partant » d'une section affleurant à la surface du chant qui peut être de type circulaire ou polygonale ou ovale etc. ... [0038] A noter qu'il est judicieux de prendre en compte le positionnement du jeu à la coupe de chaque segment. Ce terme désigne la partie ouverte de l'anneau, qui permet son introduction dans les gorges du fût de carter cylindre et d'absorber les dilatations thermiques subies lors du fonctionnement du piston. De préférence, les empilements de segment sur l'arbre 11 se feront toujours de la même manière, avec un indexage positionnant de façon connue le jeu à la coupe de chaque segment. Cet indexage permet de programmer le déplacement relatif électrode/segments en conséquence, notamment en prévoyant de faire un « saut » à l'électrode quand elle se trouve en regard du jeu à la coupe d'un segment. Cet indexage peut être réalisé simplement par la présence d'un ou plusieurs doigts s'étendant radialement vers l'extérieur à partir de la surface de l'arbre de centrage 11. Ce ou ces doigts imposent d'empiler les segments avec un positionnement précis de leur jeu à la coupe, et agissent à ce titre comme des détrompeurs. Ils peuvent être intégrés à l' arbre porteur ou être rapportés et fixés par un moyen mécanique ou chimique ou par soudage ou autres moyens à ce dernier. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement de surface d'un segment (6,7,8) de piston (3) d'un moteur à combustion, caractérisé en ce qu'il comporte une texturation de surface du chant extérieur dudit segment par électro érosion par enfonçage. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le traitement de texturation s'effectue sur une pluralité de segments de pistons (6,7,8) empilés selon un axe central commun (X). 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement de texturation s'effectue avec au moins une électrode préformée (12) selon un motif de texturation donné, de façon à créer sur le ou les chants du ou des segments (6,7,8) traités un motif de texturation correspondant. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes : - mise en place de l'électrode ou des électrodes (12) outil préformée(s) en regard du ou des chants du(des) segments (6,7,8) à traiter, - initiation de la décharge entre la ou les électrode(s) outil et le(les) chant(s), - fusion et vaporisation de matière provenant de la surface du(des) chant(s) du(des) segment(s), - éjection de ladite matière et formation d'une texturation de surface sur le (les) chant(s) du(des) segment(s) correspondant, en négatif, au motif de texturation de la ou des électrodes outil. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la texturation est réalisée avec une pluralité d'électrodes (12), chacune comportant une pointe dont l'extrémité active, en position d'électro érosion, est dirigée en regard du ou des chants de segment (6,7,8) à traiter. 6. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les électrodes (12) sont montées et regroupées sur au moins un support commun, et en ce que le traitement de texturation s'effectue avec un mouvement relatif de translation et/ ou de rotation entre le(les) support(s) d'électrodes d'une part et l'empilement de segments (6,7,8) d'autre part. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on module le mouvement relatif entre électrodes (12) et segments (6,7,8) , de façon à obtenir soit des motifs continus, de type stries (s1 ,s2), soit des motifs discontinus, de type picots (pl ,p2) ou stries discontinues, à la surface des chants des segments. 8. Segment (6,7,8) de piston (3) d'un moteur à combustion traité selon le procédé conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que son chant extérieur est texturé sous forme de stries droites (s1) ou croisées (s2), ou de picots discontinus (pl ,p2) ou de stries discontinues. 9. Segment (6,7,8) de piston (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les stries (s1 ,s2) ou picots (pl ,p2) ont une profondeur d'au plus 20 micromètres, et/ou une largeur maximale d'au plus 100 micromètres, et/ou une orientation selon un angle de 10 à 80° par rapport à l'axe du segment (6,7,8). 10. Segment de piston selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les stries (s1,s2) ou picots (pl ,p2) ont une section transversale en forme de pointe 25 ou en forme arrondie ou en forme de créneau plat.