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Piston.
La présente invention concerne les pistons et plus particulièrement les pistons oreux utilisés dans les moteurs à combustion interne et machines analogues.
L'invention a notamment pour objet un piston approprié à être utilisé dans les moteurs à combustion interne qui s'adapte d'une manière sensiblement constante dans le cylindre du moteur à toutes ses températures de fonctionne- ment et qui soit en outre caractérisé notamment par sa légèreté, puis en ce que la dilatation de la partie du piston qui porte contre le cylindre sous l'effet des variations de température puisse suivre sensiblement la dilatation du cylindre dans lequel elle travaille ;
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en outre, le piston comporte un fond en métal léger ayant une dilatation thermique relativement grande et une jupe en métal de dilatation thermique relativement faible, ce fond et cette jupe étant assemblés de manière inséparable et de façon à permettre au fond de se dilater sans rendre iné- vitable une dilatation correspondante de la jupe.
Suivant un mode de réalisation, dansun piston composé de ce genre, le fond est moulé sur la jupe de manière à être fixé à celle-ci de façon sûre par blocage réciproque mais en réalisant une liaison élastique destinée à permet- tre au fond de se contracter et de se dilater tout en laissant la jupe conserver pratiquement sa grandeur normale.
L'invention englobe aussi un procédé et l'outillage servant à la,fabrication de ce piston.
Diverses autres caractéristiques ressortiront de la description détaillée qui suit et des dessins annexés, dans lesquels :
La fig. 1 est une vue en élévation latérale d'un piston conforme à l'invention.
La fig. 2 est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe de détail à plus grande échelle du joint entre le fond et la jupe du piston représan- té dans les figs. 1 et 2.
La fig. 4 est une vue en coupe partielle passant par le bossage de la jupe qui est destiné à recevoir l'axe de la bielle, qui est représenté dans la fig. 1.
La fig. 5 est une vue analogue à la fig. 3 montrant- un autre mode de réalisation de l'invention.
. La fig. 6 représente un détail de la bride de la jupe.
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La fig. 7 est une vue en coupe verticale d'un moule destiné au moulage du fond sur la jupe selon l'invention.
Dans l'étude de la fabrication des pistons pour moteurs à combustion interne, le problème de la légèreté des pistons est une source de grandes difficultés. Une solution simple de ce problème consisterait à faire tout le piston en un métal ayant un faible poids spécifique si on ne se heurtait à cette difficulté que les métaux ayant cette propriété ont aussi une dilatation thermique bien supérieure à celle du fer qui est la matière dont les cylindres sont faits presqu'universellement. C'est ainsi par exemple que la différence de dilatation entre le fer et l'aluminium, ce dernier étant le métal le plus pratique à utiliser pour faire les pistons, rend impossible de maintenir le même jeu entre la paroi,du cylindre et la jupe du piston à toutes les températures.
Cette difficulté a conduit les constructeurs à chercher divers expédients pour tenir compte des varia- tions subies par les dimensions du piston quand il passe par les diverses températures auxquelles il est soumis au cours du fonctionnement du moteur.
C'est ainsi qu'on a proposé de fabriquer la jupe du piston en fer ou en acier et le fond du piston en aluminium ou en un de ses alliages. Mais on a rencontré des diffi- cultés, avec cette disposition, pour fixer la jupe sur le fond de manière non seulement à réaliser un joint mécanique qui résiste aux forces considérables qui se manifestent au cours du fonctionnement d'un piston et aux effets de la dilatation relative du fond et de la jupe, et aussi pour éviter la transmission de la dilatation et de la contraction dufond à lajupe.
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Selon la présente invention, on fait une jupe en fer ou en acier, puis un fond de piston en aluminium ou en un alliage d'aluminium est moulé sur cette jupe de manière à réaliser un joint mécanique sûr. En même temps, la partie de la jupe qui est noyée dans le métal moulé du fond du piston est agencée de manière qu'elle' puisse fléchir avec la contrac- de tion du métal/fond, de telle façon que la différence de dila- tation entre le fer et l'aluminium soit absorbée sensiblement par cette flexion de la partie d'assemblage ou de liaison de la jupe.
On donne à cette partie de la jupe une forme spéciale de façon que sa flexion se fasse d'une manière bien définie et que les conditions relatives entre le fond et la jupe soient telles que dans l'ordre ou écart de tempéra- tures normal auquel le piston est exposé le fond puisse se dilater sans imposer une dilatation correspondante à la jupe. Il résulte de cette construction qu'on peut donner à la jupe des dimensions voulues pour assurer un ajustage étroit dans le cylindre aux basses températures et qu'étant donné que le fer de la jupe se dilate sensiblement dans la même mesure que le fer du cylindre, l'ajustage de la jupe dans le cylindre ne varie pas notablement dans l'ordre normal des températures de fonctionnement.
Dans les dessins, 1 désigne la jupe du piston, qui peut être faite en tôle de fer ou d'acier étirée sous une forme cylindrique, ou en tube ou de -toute autre, façon convenable.
Cette jupe 1 est relativement mince et a habituellement moins de 1mm,5 d'épaisseur. Elle est faite sous la forme d'un cylindre complet continu sur tout son pourtour c'est-à- dire que la jupe n'a pas besoin d'Etre fendue ou découpée autrement pour ménager un intervalle devant être absorbé par
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la dilatation. Cette jupe est perforée en des points diamé- tralement opposés pour ménager des ouvertures 2 pour l'in- troduction de l'axe du piston.
La couronne supérieure de la jupe est conformée de façon à présenter une bride 3 dirigée vers l'intérieur, qui peut être sensiblement radiale, de manière à renforcer annulairement la partie supérieure de la jupe, A l'intérieur de la bride 3 est formée une seconde bride qui peut être de forme oblique avec son bord libre dirigé vers l'intérieur du piston et qui assure une liaison élastique aveo le fond du piston.
Comme le montrent les figs. 1, 2, 3 et 4, cette bride est indiquée en 4 et est dirigée vers l'intérieur et vers le haut en direction de l'extrémité de fond du piston. Dans le mode de réalisation de la fig. 5, cette bride ou liaison élastique est indiquée en 40 et est dirigée vers l'intérieur et vers le bas, c'est-à-dire vers l'extrémité ouverte du piston. Dans l'un et l'autre cas, le bord libre de la bride
4 ou 40 peut présenter des encoches en queue d'aronde 5 comme indiqué dans la fig. 6. Un fond de piston 6 en alliage d'aluminium, comportant les gorges à segments 17 usuelles, présente des bossages 16 destinés à former les paliers de l'axe du piston qui s'étendent de ce fond vers l'intérieur de la jupe et dont les paliers sont à l'alignement des ouvertures 2 percées dans la jupe.
Le fond du piston peut comporter l'aile ou nervure usuelle 18 qui le traverse,
Dans les figs. 8 et 4, le fond est axialement espacé de la partie supérieure de la jupe.
La partie devant former la jupe ayant été faite comme décrit ci-dessus est placée dans un moule convenable, comme on l'expliquera ci-après, et la partie devant former le
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fond 6 est moulée sur elle en aluminium ou en un alliage d'aluminium, ou autre métal léger. La construction est étudiée de telle façon qu'une partie importante de la bride 4 ou 40 est noyée dans le métal moulé de fond du piston. Cette bride est formée de façon à assurer un enchevêtrement méca- nique avec le métal moulé du fond, de manière que le fond et la jupe soient assemblés de façon inséparable par lui ; la liaison entre le fond et la jupe est cependant formée pour céder comme décrit dans ce qui précède.
Les encoches en queue d'aronde 5 aident, lorsqu'elles sont utilisées, à former joint, car elles sont intimement enchevêtrées avec le métal moulé, La forme oblique de la bride 4 ou 40 cons- titue aussi une forme de'enchevêtrement efficace assurant un joint mécanique sûr, bien qu'elle ne forme en réalité pas de queue d'aronde.
Il y a lieu de remarquer qu'au cours du moulage du fond sur la jupe, le métal moulé du fond est conformé com- plètement à l'intérieur de la jupe, sauf pour les parties du métal moulé qui se trouvent placées à l'extérieur de la bride 4 ou 40. Lorsque le fond est moulé, on chauffe habi- tuellement au préalable la jupe à une température approchant selle du métal moulé en fusion. En conséquence, lorsque le métal moulé se solidifie et se refroidit aux températures ordinaires, la jupe se refroidit aussi en passant par un ordre de température approximativement égal; Cependant,le métal moulé ayant un plus grand coefficient de dilatation se contracte, lors du refroidissement, dans une plus grande mesure que la jupe en fer.
En conséquence, la bride 4 ou 40 est soumise à une force de contraction considérable ten- dant à réduire son diamètre. Il y a toutefois lieu de noter
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qu'étant donné que le bord libre de cette bride est tourné vers l'intérieur et est libre de fléohir ou céder, on croit que la contraction du métal moulé a pour effet de oontrao- ter la bride 4 ou 40 et que pendant cette contraction, cette bride peut fléchir ou céder dans la région de sa jonction à la bride 8, Cette flexion est indiquée en traits pointillés dans les figs. 8, 4 et 5.
Etant donné que la bride 4 ou 40 est capable de flexion de cette manière et que sa couronne extérieure est supportée par la bride radiale 3, cette dernière bride étant beaucoup plus rigide en raison de sa direction radiale, la contraction relative entre le fond et la jupe est absorbée par l'effet élastique de la bride
4 ou 40 et la partie de portée de la jupe 1 n'est affectée que dans une faible mesure par cette contraction. Au cours de cette dernière, il peut même y avoir un certain mouve- ment relatif entre le fond et la jupe le long de l'épaule- ment 7, à l'endroit où la jupe bute cbntre le métal du fond.
Il y a également lieu de remarquer que les parties du métal du fond qui s'étendent au-dessous de la bride radiale 3 sont moulées à l'origine oontre la surface inté- rieure de la jupe 1. Ces parties sont indiquées en 8 dans les figs. 4 et 5. Comme elles sont formées par la surface intérieure de la jupe, leur dimension maximum est fixée lors de la solidification par la dimension intérieure de la jupe. En conséquence, lors du refroidissement subséquent, la plus grande oontraotion du métal du fond l'amène à s'écarter de la jupe pour ménager un intervalle 9 entre le fond et la jupe.
La grandeur de cet intervalle dépend de la contraction relative des deux métaux et est également sensiblement proportionnelle aux températures dans la
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gamme desquelles la contraction originelle a eu lieu, Il est clair que l'ordre ou différence des températures de travail subséquentes ne peut jamais être aussi grand que la gamme de température originelle dans laquelle le métal s'est contracté au moment de son moulage. En conséquence la dila- tation subséquente du métal du fond pendant le fonctionne- ment du piston ne peut jamais être assez grande pour absorber entièrement l'intervalle 9. Cette caractéristique est par- ticulièrement importante lorsque les bossages des paliers de l'axe de la bielle s'étendent ter le bas dans la jupe.
Dans la plupart des constructions antérieures, on a ren- contré cette difficulté que la dilatation du fond était im- posée à la jupe en ce point et qu'il était nécessaire d d'év&r la surface extérieure de la jupe aux points situés en face des extrémités de l'axe de la bielle, de façon à per- mettre l'excès de dilatation de la jupe en ce point. Avec la construction actuelle, cet évidement de la jupe est inutile.
Pour la fabrioation de ce piston, on peut utiliser un moule tel que celui représenté dans la fig. 7 dans laquelle 10 désigne deux moitiés d'un moule permanent, qui peuvent être disposées de toute façon convenable de manière à être séparables pour dégager la pièce moulée terminée. Un noyau contractile est également prévu pour former la partie inté- rieure du fond du piston et les bossages à paliers de l'axe de la bielle. Ce noyau peut comporter une partie centrale 11, qui peut être retirée par en bas de manière à libérer les deux éléments latéraux 12, qui peuvent 8tre rapprochés du centre de la cavité du moule, en libérant ainsi l'inté- rieur du piston de façon qu'il puisse être retiré du moule.
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Des noyaux pour conformer les bossages formant les paliers de l'axe de la bielle indiqués en 13 peuvent être montés de toute manière convenable sur les moitiés 10 du moule.
Dans la mise en oeuvre du procédé que prévoit l'inven- tion, la jupe conformée est préalablement chauffée à une tem- pérature approchant celle du métal moulé en fusion. Une tem- pérature un peu inférieure à celle du rouge est habituelle- ment appropriée. La jupe chauffée est ensuite placée dans le moule (comme représenté dans la fig. 7) après quoi du métal fondu est coulé dans le moule par le trou de coul6e 14 de la manière habituelle. La disposition est telle que le métal coule autour des brides 3 et 4 ou 40, de sorte que ces brides sont noyées dans le métal moulé lors de la solidifi- cation de la manière déjà décrite. Lorsque la pièce moulée est prise, le moule peut être ouvert de toute manière con- venable et la pièce moulée peut être retirée.
Le piston peut ensuite être fini à sa dimension définitive.
On constate qu'il est avantageux de monter la jupe dans le moule de façon qu'elle soit écartée d'une forme vérita- blement cylindrique, le diamètre le long de l'axe de la bielle étant légèrement inférieur au diamètre transversal. On a constaté en outre qu'une réduction d'environ Omm,8 sur un diamètre normal d'environ 85 mm. donne de bons résultats.
Lorsqu'on procède ainsi, la jupe tend, lorsqu'on la retire du moule, à reprendre sa forme originelle et le mouvement
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lôn qui en résulte est opposé au sens de la conction du fond le long de l'axe du tourillon. Il s'ensuit qu'un plus grand intervalle est ménagé entre les bossages à paliers et la jupe, ce qui facilite le retrait de copeaux et particules analogues pouvant se loger dans cet intervalle.
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On voit que l'invention permet datteindre les résultats recherchés en établissant un piston composé construit de façon que la différence existant dans le degré de dilatation des deux métaux soit compensée. Cette compensation est sensi- blement complète, au moins pour toutes applications pratiques.
La forme de la bride 4 ou 40 qui lui permet de céder lors de la contraction da métal moulé assure une flexibilité suffisan- te dans ce joint pour permettre à la jupe de conserver sa grosseur normale, tandis que le fond du piston se contracte en passant par tout l'ordre ou écart de température en par- tant de sa température de prise originelle. La bride radiale 3 non seulement constitue une oouronne rigide pour la jupe qui tend à la supporter contre les forces de contraction du métal du fond, mais forme entre le fond et la jupe une sur-. face de butée radiale le long de laquelle un certain mouve- ment relatif peut se produire en réaction aux variations de température. La combinaison des brides 3 et 4 ou 40 contribue ainsi efficacement à compenser la différence de dilatation et de contraction du fond et de la jupe.
Lorsque le piston s'est refroidi jusqu'aux températures ordinaires, la bride 4 ou 40 fléchit vers l'intérieur, comme indiqué dans le dessin, et l'intervalle 9 est ménagé à l'in- térieur de la jupe (fig. 5) tout autour de sa circonférence.
Quand le piston chauffe, au cours du fonctionnement normal du moteur, la dilatation du fond permet simplement à la bride 4 ou 40 de reprendre partiellement sa position originelle en même temps que l'intervalle 9 est partiellement absorbé.
Etant donné que l'ordre de température de travail ne comporte jamais une différence aussi grande que celui par lequel le piston a passé à son refroidissement originel, la dilatation
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relative est amplement prévue sans absorber entièrement l'intervalle 9 ou éliminer entièrement les forces de serrage qu'exerce le métal du fond contre les brides d'enchevêtrement de la jupe.
Outre les effets sus-indiqués, ces forces thermiques agissant sur la surface extérieure conique de la bride 4 ou 40 tendent- à serrer la jupe fermement contre le fond à l'épaulement 7, en évitant ainsi tout jeu en ce point.
Comme le métal moulé est contracté sur les brides d'enchevêtrement de la jupe avec une force considérable, un contact intime éminement favorable à la transmission de oha- leur du fond à la jupe est assuré. Etant donné que la jupe présente un pourtour oiroonférentiel complet et une forme voulue pour venir en contact avec la paroi du cylindre en pratique sur toute son étendue, on réalise une disposition efficace pour la dispersion de la chaleur à travers les parois du cylindre, Ceci tend à maintenir la jupe relative- ment froide. 1 noter d'ailleurs que la surface de contact de la jupe avec la paroi du cylindre est beaucoup plus grande que la surface de contact entre le fond et la jupe ;
par suite, bien qu'un contact intime soit assuré entre le fond et la jupe pour la transmission de chaleur, son étendue est pourtant si limitée que la chaleur peut être transmise aux parois du cylindre bien plus rapidement que du fond à la jupe. Cette disposition tend aussi à empêcher une élé- vation excessive de la température de la jupe.
On a constaté par des essais pratiques que non seulement la température de la jupe ne s'élève pas dans une grande mesure au-dessus de la température du cylindre, mais qu'un jeu sensiblement constant peut être maintenu entre la jupe
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du piston et la paroi du cylindre à toutes les températures de l'ordre ou écart maximum de fonctionnement.
Le fond peut évidemment être établi en tout métal con- venable, tel qu'alliages d'aluminium et de magnésium sus- ceptibles d'être utilisés dans des pistons. La jupe peut être en acier, comme on l'a indiqué précédemment ; mais elle peut aussi être en fonte ou tout autre métal ou alliage con- venable susceptible d'être utilisé dans des pistons.
Le fond aura évidemment un jeu convenable, tel que déterminé dans la pratique ; mais la jupe peut avoir un très faible jeu,
Lorsqu'on utilise les expressions "fond en aluminium" et "jupe ferreuse", c'est seulement pour des fins descrip- tives et non pas limitatives et on entend couvrir par là non seulement l'aluminium et le fer, mais aussi des matières équivalentes ayant les caractéristiques respectives-de l'alu minium et du fer, en particulier en ce qui concerne leurs coefficients de dilatation respectifs, C'est ainsi qu'on a indiqué que le fond du piston est en aluminium, en alliage d'aluminium ou en un autre métal analogue dont d'autres exemples sont le magnésium et ses alliages, tandis que la jupe a été décrite comme étant en tôle de fer ou d'acier,
bien qu'elle puisse être en fonte ou en tout autre métal ou alliage convenable ayant les mêmes caractéristiques, notam- ment en ce qui concerne le faible coefficient de dilatation.
Bien qu'une certaine théorie fonctionnelle ait été exposée dans la description qui précède, cela a été fait pour donner une explication claire plut8t que pour fixer une théorie définie du fonctionnement du dispositif. Il est donc bien évident que l'invention n'est pas limitée à une théorie particulière quelconque en ce qui concerne le
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comportement des métaux ou les autres phénomènes pour la cons- titution du piston. Il est, en outre, manifeste que diverses modifications peuvent être apportées aux détails de oons- truction sans sortir du cadre de l'invention qui n'est pas limitée aux détails particuliers représentés et décrits à titre d'exemples.
REVENDICATIFS
1.- Un piston composé comportant un fond en aluminium et une jupe ferreuse, caractérisé par une liaison élastique ou capable de se prêter entre la partie supérieure de la jupe et le fond du piston dans lequel elle est assujettie.