Brevet FR3005132A1 — publié le 20141031

ENSEMBLE PISTON-BIELLE A ROTULE Domaine technique de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des machines à piston. L'invention se rapporte plus particulièrement aux ensembles piston-bielle dont le piston est articulé sur la bielle par une rotule. Arrière-plan technologique Le cycle de fonctionnement d'un moteur à combustion interne à piston dit à 4 temps se décompose de manière analytique en quatre temps ou phases : admission, compression, (combustion) détente, échappement. Le mouvement du piston est initié par la combustion d'un mélange de carburant et d'air qui a lieu durant ce cycle. Le piston se déplace pendant le démarrage grâce à une source d'énergie externe, souvent par l'intermédiaire d'un démarreur, jusqu'à ce qu'au moins une combustion et une détente produise une force capable d'assurer les trois autres temps. Le moteur fonctionne dès lors seul et produit un couple sur son arbre de sortie. Afin de réduire la consommation et donc les émissions polluantes, sans faire de concession sur la puissance, il est connu de réduire la cylindrée du moteur tout en augmentant la puissance délivrée par chaque cylindre. Cependant une telle augmentation de la puissance conduit à une augmentation des pressions dans les cylindres, ce qui induit des problèmes de tenue mécaniques et d'augmentation de perte moteur par frottement encore désigné PMF. Le piston coulissant dans une chemise, la zone Segment - Piston - Chemise représente une part élevée des pertes moteur par frottement. En effet, l'établissement d'une vitesse nulle au Point Mort Haut (PMH) et au Point Mort Bas (PMB) durant le fonctionnement classique d'un moteur à quatre temps implique des régimes de lubrifications limites avec un frottement important métal-métal, car les surfaces ne sont plus séparées par l'huile, et par conséquent une forte augmentation des PMF à ces deux stades. On connait du document GB2361517 un ensemble comprenant un piston et une bielle, l'articulation entre le piston et la bielle étant assurée par une liaison par rotule. Une telle articulation autorise la rotation du piston autour de son axe. Un canal central aménagé dans le corps de la bielle amène l'huile de lubrification à la rotule. Cependant cet agencement ne permet pas de maitriser le régime de lubrification permettant le maintien d'un film lubrifiant en particulier au Point Mort Haut et au Point Mort Bas. On connait encore du document US1904126 un ensemble comprenant un piston et une bielle, l'articulation entre le piston et la bielle étant assurée par une liaison par rotule. Une telle articulation autorise la rotation du piston autour de son axe. Dans cet ensemble, le piston est forcé en rotation pour uniformiser l'usure de la jupe, la force de rotation étant créée par la poussée des gaz de combustion sur une forme adaptée de tête du piston. Cependant cet agencement ne permet pas plus de maitriser le régime de lubrification permettant le maintien d'un film lubrifiant en particulier au Point Mort Haut et au Point Mort Bas. Par conséquent, le problème à la base de l'invention est de maitriser le régime de lubrification de l'articulation reliant le piston et la bielle d'un ensemble piston-bielle. Un but de la présente invention est de proposer un ensemble comprenant un piston et une bielle relié par une articulation dont la structure permet une maitrise du régime de lubrification de l'articulation et le maintien d'un film lubrifiant en particulier au passage du Point Mort Haut et du Point Mort Bas. Pour atteindre cet objectif, il est prévu selon l'invention un ensemble comprenant un piston ayant un axe central, une bielle, le piston étant articulé sur la bielle par une liaison rotule entre une surface sphérique appartenant au piston et une surface sphérique appartenant à la bielle, des moyens d'amenée d'un lubrifiant sous pression pour qu'il s'intercale entre les deux surfaces, la liaison rotule comprenant sur une des surfaces sphériques des moyens de guidage du lubrifiant aménagés de sorte que le lubrifiant amené à y circuler entraine par frottement visqueux le piston en rotation autour de son axe central. De préférence, les moyens de guidage comprennent une gorge. De préférence, les moyens de guidage présentent une forme une spirale. Dans une variante, les moyens de guidage s'étendent à partir d'un orifice de sortie des moyens d'amenée du lubrifiant. Dans une autre variante, la bielle est maintenue en translation par rapport au piston à l'aide d'une coupelle de fermeture fixée au piston. Dans une autre variante, la bielle comprend un embout sphérique pour la liaison rotule, l'embout sphérique étant démontable. De préférence, l'embout sphérique comprend un orifice de lubrification de l'interface de contact avec la coupelle de fermeture. Dans une variante, le piston comprend des segments comprenant chacun une ouverture, les segments étant bloqués en rotation dans une position où les ouvertures ne sont pas face à face. L'invention concerne aussi une machine à pistons comprenant un ensemble selon l'une quelconque des variantes précédemment décrites. De préférence, la machine à pistons est un moteur à combustion interne. Brève description des dessins D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'un mode particulier de réalisation, non limitatif de l'invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un ensemble piston-bielle de l'invention. - La figure 2 est une vue en perspective, avec le piston en coupe de la liaison entre le piston et la bielle. - La figure 3 est une vue en perspective d'un embout sphérique comprenant une gorge de guidage de lubrifiant aménagée à la surface de la sphère. - La figure 4 est une vue en perspective d'une variante pour laquelle la gorge de guidage de lubrifiant est aménagée dans la surface sphérique du piston. - La figure 5 est une vue en perspective d'un embout sphérique comprenant une gorge de lubrification de l'interface de contact entre l'embout sphérique et la coupelle de fermeture. - La figure 6 est un schéma détaillant le principe physique de l'invention. 35 Description détaillée La figure 1 présente en coupe axiale un mode de réalisation d'un ensemble bielle-piston de l'invention. Cet ensemble bielle-piston est destiné à équiper de préférence un moteur 4 thermique à piston. Sur la figure 1 l'ensemble 1 comprend un piston 2 et une bielle 3. Sur la figure 1, le piston 2 s'étend cylindriquement selon un axe central Z. L'étanchéité entre le piston 2 et la chemise 23 du moteur à piston alternatif est assurée classiquement par des segments 22 d'étanchéité. Le piston 2 est articulé sur la bielle 3 par une liaison rotule entre une surface sphérique 51 appartenant au piston et une surface sphérique S2 appartenant à la bielle 3. La bielle 3 comprend trois parties : -une âme 5 qui forme sa partie centrale, -un chapeau 6 de bielle destiné à être fixé sur l'âme 5 et qui délimite avec celle-ci un alésage circulaire 7. Cette partie est classiquement dénommée tête de bielle. -un embout sphérique 8 formant le pied de bielle. Sur la figure 1, le piston 2 et la bielle 3 sont alignés selon l'axe Z. Cette disposition se retrouve lorsque l'ensemble 1 est utilisé sur un moteur à piston et correspondent au passage du Point Mort Haut et du Point Mort Bas. La bielle 3 comprend de plus une conduite 9 interne s'étendant d'un orifice d'entrée 10 au niveau de l'alésage circulaire 7 à un orifice 11 de sortie (cf. figure 2) au niveau de l'embout sphérique 8, traversant l'âme 5 de la bielle et l'embout sphérique 8. Cette conduite 9 a pour fonction d'amener un lubrifiant, tel que de l'huile sous pression vers la liaison rotule. En fonctionnement, l'huile de lubrification entre par l'orifice 10 d'entrée au niveau de l'alésage circulaire, traverse la conduite interne 9 et débouche au niveau de la liaison rotule par l'orifice 11 de sortie pour venir s'intercaler entre les deux surfaces 51, S2, former un film huile et réduire les frottements entre les deux surfaces 51, S2. Le piston 2 peut comprendre un volume 20, tel qu'une calotte sphérique, en retrait de la surface sphérique 51 et permettant de faire une réserve d'huile. Dans ce mode de réalisation, l'embout 8 sphérique est une pièce démontable qui comprend une zone 12 de préhension surmontée d'une sphère 13 pour la liaison rotule. Pour des raisons de simplicité, l'embout 8 sphérique peut être assemblé sur l'âme 5 de la bielle par vissage de l'embout 8 directement sur l'âme 5 de la bielle. Dans ce cas, il est prévu sur la zone 12 de préhension des méplats 14 qui permettent l'utilisation d'un outil pour la saisie de l'embout 8 et son vissage sur l'âme 5 de la bielle 3. Sur la figure 1 ou la figure 2, la bielle 3 est maintenue en translation par rapport au piston 2 à l'aide d'une coupelle 15 de fermeture fixée au piston. Sur la figure 1, la coupelle 15 de fermeture est maintenue par deux vis 16, 16' de fixation. Dans ce mode de réalisation la liaison rotule comprend une gorge 17 s'étendant à partir de l'orifice 11 de sortie en forme de spirale sur la surface sphérique S2 appartenant à la bielle 3. Conformément à l'invention, cette gorge 17 en forme de spirale forme des moyens de guidage du lubrifiant. Le déplacement du lubrifiant amené à circuler dans la gorge 17 entraine, par frottement visqueux sur la surface 51, le piston 2 en rotation autour de son axe central Z. Cette rotation forcée du piston 2 permet de toujours avoir une vitesse différentielle entre les deux surfaces 51, S2 et d'éviter le passage par une vitesse différentielle nulle et un régime de lubrification limite avec frottement par contact entre les deux surfaces. Une gorge à l'avantage d'être facile à réaliser, par exemple par usinage. La spirale présente l'avantage de guider précisément le lubrifiant sur une longue distance La figure 6 présente un autre exemple dans lequel les moyens de guidage du lubrifiant ont une forme d'arc 21 s'étendant à partir de l'orifice 11 de sortie. Dans cet autre exemple, l'arc fait suivre au lubrifiant un chemin déterminé. Le long de ce chemin, le lubrifiant à ponctuellement une vitesse de vecteur V. Ce vecteur qui peut se décomposer dans un plan perpendiculaire à l'axe central Z selon une composante radiale Vn et une composante tangentielle Vt. Cette composante tangentielle Vt génère un frottement visqueux qui entraine le piston en rotation autour de son axe central Z. Le même principe s'applique à la spirale. D'autres formes peuvent convenir, l'essentiel est que les moyens de guidage du lubrifiant font suivre au lubrifiant un chemin qui amène le lubrifiant à avoir une composante de vitesse permettant l'entrainement en rotation du piston autour de son axe central Z, lorsque le piston est au point mort haut ou au point mort bas, par frottement visqueux généré par cette composante de vitesse. La figure 3 présente une variante dans laquelle l'embout 8 sphérique comprend un orifice 18 supplémentaire de sortie d'huile au niveau de l'interface 19 (cf. figure 2) entre la coupelle 15 de fermeture et la sphère 13 afin d'améliorer la lubrification de cette interface 19. La figure 4 présente une variante dans laquelle la gorge 17 est aménagée sur la surface sphérique Si du piston 2. Dans cette variante, la gorge 17 en forme de spirale fait office de moyens de guidage du lubrifiant aménagés de sorte que le lubrifiant amené à y circuler entraine par frottement visqueux le piston 2 en rotation autour de son axe central Z (figure 1). La spirale s'étendant à partir d'un point 22 qui se présente sensiblement en face de l'orifice 11 de sortie des moyens d'amenée du lubrifiant, lorsque le piston et la bielle sont alignées (figure 1). La figure 5 présente une variante dans laquelle une gorge supplémentaire 17' est aménagée sur la surface sphérique S2 de l'embout 8 sphérique au niveau de l'interface 19 (cf. figure 2) de contact entre la coupelle 15 de fermeture et la sphère 13 afin d'améliorer la lubrification de cette interface 19. La gorge 17' est représentée en spirale, mais l'effet recherché dans ce cas est la lubrification et non pas la rotation du piston. Dans les modes de réalisation décrits la surface sphérique Si du piston 2 constitue la partie femelle de la liaison rotule tandis que la surface S2 de l'embout sphérique constitue la partie mâle de la liaison rotule. Dans une variante non représentée, on peut prévoir l'inverse, c'est à dire une surface sphérique Si du piston 2 constituant la partie mâle de la liaison rotule et une surface sphérique S2 de l'embout 8 sphérique constituant la partie femelle de la liaison rotule. Dans ce cas, la liaison rotule peut tout aussi bien comprendre sur une des surfaces sphériques Si, S2 des moyens de guidage du lubrifiant tels que décrits précédemment. Dans une autre variante non représentée, les moyens de guidage peuvent être réalisés par une suite d'alvéoles aménagées sur une des surfaces formant un chemin adéquat pour le lubrifiant, par exemple en forme d'arc ou de spirale. L'étanchéité entre le piston 2 et la chemise 23 du moteur à piston alternatif est assurée classiquement par des segments 22 d'étanchéité. Ces segments comprennent chacun une ouverture pour pouvoir les disposer sur le piston. La rotation du piston peut entrainer une rotation de ces segments. La rotation de ces segments passera par une phase durant laquelle les ouvertures des segments vont se retrouver face à face et donc laisser passer l'huile présente sur la chemise et/ou les gaz contenus dans le cylindre. On peut ainsi prévoir des segments d'étanchéité bloqués en rotation dans une position dite étanche, c'est-à-dire dans une position où les ouvertures ne sont pas face à face. Le blocage en rotation de chaque segment peut être réalisé par un pion d'arrêt. Cette mise en rotation du piston à lieu durant tout le cycle de fonctionnement du moteur et plus particulièrement au point mort haut et au point mort bas. L'ordre de grandeur attendu de la vitesse de rotation du piston est compris entre 10 et 50 tours/ min pour une pression d'huile d'environ 4 bars. Par rapport à une liaison classique de type piston-bielle par axe, l'utilisation d'une liaison de type piston-bielle par rotule permet d'augmenter la surface disponible pour transférer l'effort de pression du piston vers la bielle et donc de tolérer des niveaux de charge plus élevés. L'invention permet de plus de réduire les pertes moteur par frottement sur un cycle moteur en favorisant l'établissement d'un régime de lubrification permettant le maintien du film lubrifiant tout au long du cycle de fonctionnement. Dans le cas d'un moteur à combustion interne l'invention permettant de réduire les pertes moteur par frottement, engendre une diminution des rejets de dioxyde de carbone. L'ensemble piston-bielle de l'invention peut équiper des machines à piston autre qu'un moteur à combustion interne. REVENDICATIONS1. Ensemble (1) comprenant un piston (2) ayant un axe central (Z), une bielle (3), le piston (2) étant articulé sur la bielle (3) par une liaison rotule entre une surface sphérique (Si) appartenant au piston et une surface sphérique (S2) appartenant à la bielle (3), des moyens d'amenée d'un lubrifiant sous pression pour qu'il s'intercale entre les deux surfaces (Si, S2), caractérisé en ce que la liaison rotule comprend sur une des surfaces sphériques (Si, S2) des moyens de guidage du lubrifiant aménagés de sorte que le lubrifiant amené à y circuler entraine par frottement visqueux le piston (2) en rotation autour de son axe central (Z). 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de guidage comprennent une gorge (17). 3. Ensemble selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de guidage présentent une forme une spirale. 4. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de guidage s'étendent à partir d'un orifice (11) de sortie des moyens d'amenée du lubrifiant. 5. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bielle (3) est maintenue en translation par rapport au piston (2) à l'aide d'une coupelle (15) de fermeture fixée au piston (2). 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bielle (3) comprend un embout (8) sphérique pour la liaison rotule, l'embout (8) sphérique étant démontable. 7. Ensemble selon la revendication 6 avec la revendication 5, caractérisé en ce que l'embout (8) sphérique comprend un orifice de lubrification de l'interface (19) de contact avec la coupelle (15) de fermeture. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le piston (2) comprend des segments (22) comprenant chacun une ouverture, les segments étant bloqués en rotation dans une position où les ouvertures ne sont pas face à face. 9. Machine à pistons comprenant un ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Machine à pistons selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il s'agit d'un moteur à combustion interne.