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PROCEDE POUR L'EXECUTION DE SEGMENTS DE PISTON EN COMPOUND.
Les segments de piston connus et courants sont établis en fonte élastique. Jusqu'à présent, on a considéré l'emploi de fonte pour l'exéc.- tion de segments de piston comme particulièrement avantageux, vu leur com- portement en service au milieu des conditions de fonctionnement les plus dé- favorables qui se présentent dans les moteurs à combustion. Toutefois, les segments en fonte présentent le désavantage que leur force élastique, et par- tant l'étanchéité vis-à.-vis de la paroi du cylindre, très importante pour la puissance du moteur, diminue considérablement au cours du service, la fon- te étant une matière impropre pour l'exécution de ressorts.
En outre, l'éva- cuation de la chaleur du piston par l'intermédiaire des segments en fonte, en direction du cylindre, est extrêmement inadéquate, vu que la fonte possè- de une conductibilité thermique relativement défavorable, et qui diminue mê- me avec l'élévation de la température. La présente invention a pour but d'é- liminer ces inconvénients.
Partant de l'expérience d'après laquelle les coussinets consti- tués par une armature d'acier et une couche de bronze au plomb appliquée sur la surface de frottement se comportent bien en service continu, même dans les paliers, soumis aux contraintes élevées, des moteurs d'avion, et en con- sidérant que le bronze au plomb se soude intimement à l'armature d'acier, l'invention propose de munir un manchon en acier, sur sa face extérieure, d'une couche de bronze au plomb, de mécaniser ensuite les faces extérieure. et intérieure de ce corps compound, au diamètre voulu, et, finalement, de séparer et de fendre les différents segments de piston.
Par bronze au plomb on entend des bronzes à teneur de plomb, qui peuvent par exemple contenir des additions de nickel, de manganèse, et de zinc. Il importe de réaliser, par une coulée additive appropriée, une répar- tition aussi uniforme que possible du plomb dans le bronze. Dans certains cas, il suffit d'employer des bronzes à l'étain ou d'aluminium;toutefois, les
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bronzes au plomb sont préférables.
L'application de la couche de bronze au plomb sur le manchon d'acier s'effectue de la manière connue dans les coussinets lisses, utile- ment par coulée à immersion, à savoir, de préférence, à l'aide d'un moule permanent conformément au brevet allemand 752.094, lequel forme conjointe- ment avec le coussinet de support inséré, si l'on considère la face de ce- lui-ci appelée à recevoir la matière de revêtement, un creux de moulage fermé vers le bas, ce moule étant en outre muni d'une ou de deux rangées d'orifices prévus dans la paroi extérieure, à peu près au niveau de l'ex- trémité supérieure du coussinet de support recouvrant ce moule, par les- quels la matière de revêtement peut pénétrer par en haut.
L'épaisseur de la couche de bronze au plomb sur le segment fini est utilement d'environ 20 à 30% de l'épaisseur du piston, mais de 0,3mm. au moins.
Il est connu de munir toute la surface de friction de bagues de bourrage, par voie électrolytique, d'un revêtement d'une matière relative- ment douce et d'une usure rapide, telle que le cuivre ou le zinc. Ce min- ce revêtement électrolytique d'une épaisseur d'environ 1/20 mm. est appelé à s'user complètement, lors du rodage du segment, aux endroits où il s'appli- que avec une pression accrue contre la paroi du cylindre, de sorte qu'à la fin du rodage, le piston présente une surface de contact constituée en par- tie en un métal dur et en partie en un métal dur et en partie en un métal doux. Il est en outre connu d'établir des segments de piston entièrement en tôle de cuivre mince, laminée à froid, vu la bonne conductibilité thermi- que de cette matière.
Cependant, ces derniers segments, que l'on a proposés notamment pour pistons en métal léger, n'offrent pas l'élasticité durable requise.
Dans les segments de piston dont la surface de frottement pré- sente des incrustations de bronze, de métal antifriction, de zinc, de cuivre, de graphite, ou matières analogues, ces incrustations sont appelées à s'u- ser rapidement et de laisser une bonne surface de frottement complémentaire pour la paroi du cylindre, afin d'éviter ainsi le risque de grippage lorsque la matière constitutive proprement dite du segment entre en contact avec cette paroi. Finalement, on a également procédé d'une façon inverse, en mu- nissant le segment en fonte ou en acier d'éléments encastrés en un alliage léger, plus résistant à l'usure que la matière constitutive du segment. Cet- te méthode visait à réduire l'usure de l'ensemble du segment de piston.
Le segment de piston établi selon le procédé objet de l'invention représente une nouveauté de principe vis-à-vis de l'état de la technique décrite ci-dessus. La couche de bronze au plomb de la surface de frottement reste maintenue, tout comme dans les coussinets en bronze au plomb, en tant que revêtement extérieur destiné à ménager la paroi du cylindre et conférent d'excellentes qualités de glissement au segment de piston.
On a constaté que, dans le cas des nouveaux segments, tout comme dans celui de coussinets en bronze au plomb, lesquels sont exposés au danger d'une pénétration de corps étrangers durs, les résidus durs provenant des culasses des cylindres et pé- nétrant dans les segments, et qui pourraient provoquer aisément un grippage des parois du cylindre, s'incrustent exactement dans la couche de bronze au plomb, tout comme dans les dits coussinets de bronze au plomb,sans nuire aux bonnes qualités de glissement de cette couche.'
Des essais précis ont permis de constater que lorsqu'il est fait usage des nouveaux segments de piston, et en dépit des fortes contraintes du service, la force élastique des segments, et partant une bonne étanchéité vis-à-vis de la paroi du cylindre, restent pratiquement constantes,
ce qui permet de réaliser de fortes compressions, et donc une puissance plus éle- vée du moteur pour une même consommation d'essence.
On a en outre constaté que l'emploi des nouveaux segments permet de réaliser une conductibilité thermique sensiblement améliorée du piston vers le cylindre, d'où nouvelle élévation de la puissance du moteur.
Conformément au nouveau procédé, le manchon d'acier peut être
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constitué à partir d'une pièce de tôle cintrée en cercle fermé et soudée, le diamètre intérieur de cet élément annulaire étant choisi de telle façon que le fendage du segment donne lieu à l'élimination d'au moins la totalité du joint de soudure. L'élimination de l'ensemble du joint de soudure est recom- mandable, étant donné que la résistance mécanique de l'anneau est diminuée dans la zone de ce joint.
Toutefois, le manchon d'acier peut être formé sans joint soudé, en partant d'un tronçon de tube étiré sans soudure.
Finalement, ce manchon peut être réalisé par estampage ou matri- gage.
L'invention vise également à conférer au segment compound l'élas- ticité requise, qui puisse se maintenir même en service prolongé. A cette fin, il importe d'abord que le manchon formé en tôle d'acier soit amené à la forme annulaire par cintrage dans le sens du laminage de la tôle d'acier, ce qui favorise déjà l'effet élastique.
Selon l'invention, la face intérieure du manchon - qu'il soit formé de tôle, en un tronçon de tube sans soudure ou par estampage - est soumise, après application d'une couche de bronze au plomb, mais utilement à l'état dégrossi, c'est-à-dire avant le finissage, à un traitement de pres- sion par moletage, laminage, compression ou analogues, afin de réaliser ain- si,jusqu'à une profondeur suffisante, de la face intérieure du segment, un resserrement des fibres de l'armature-d'acier, garantissant une élasticité suffisante de ce segment. Il est particulièrement avantageux de réaliser ce resserrement des fibres par moletage. Les inégalités de la surface détermi- nées par ce moletage sont utilement aplanies par compression à l'aide de cy- lindres lisses, ou organes analogues.
On a constaté que l'on obtient ainsi une bonne élasticité des segments que l'on exécute ensuite à partir de ce manchon.
Il est vrai que l'on a déjà proposé d'élever l'élasticité de segments de piston finis, par martellement) ou laminage de leur surface inté- rieure. Toutefois, l'application de cette mesure aux segments finis exige beaucoup de temps et, de plus, le but visé ne peut même pas être complète- ment atteint, vu que, même lorsque les segments sont fortement serrés, leur matière est inévitablement refoulée latéralement à la surface travail- lée. Or, ce refoulement de la matière a pour effet de diminuer le resser- rement des fibres en profondeur et, de plus, la matière refoulée latérale- ment nécessite un ébarbage supplémentaire.
Par contre, lorsque le resserre- ment des fibres s'effectue déjà conformément à l'invention, sur la surface Intérieure du manchon, à partir duquel les segments individuels sont établis dans la suite, un refoulement latéral de la matière ne peut avoir lieu qu' aux extrémités du manchon.
Par conséquent, le resserrement des phases s'opè- re d'une manière sensiblement plus favorable, tout en économisant des frais de mécanisage,
Lorsque les manchons de tôle sont obtenus par cintrage d'une tôle suivant la direction du laminage, ou en partant de tronçons de tubes étirés sans soudure, dans lesquels les fibres de la moitié intérieure du manchon se trouvent déjà à l'état comprimé, on peut réaliser une nouvelle élévation de l'élasticité des segments exécutés à partir de tels manchons, si l'on soumet la face extérieure de ces derniers à un chariotage jusqu'à la zone de la fibre neutre, avant de procéder à la coulée de la couche de bronze au plomb.
De cette manière, on conserve uniquement la moitié inté- rieure du manchon, laquelle contient exclusivement des fibres comprimées, lesquelles favorisent l'élasticité des segments finis.
Une autre méthode pour obtenir une bonne élasticité du nouveau segment en compound consiste à utiliser, pour l'exécution des manchons, d'un acier à ressorts à tremper. Dans ce cas, le manchon d'acier non trempé est soumis à un mécanisage aussi avancé que possible, avec enlèvement de co- peaux, avant l'application de la couche de bronze au plomb. Le refroidisse- ment du manchon d'acier, revêtu de la couche de bronze au plomb d'après le '
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procédé de coulée par immersion, à l'aide d'un courant d'agent de refroidis- sement, donne lieu à la trempe de l'acier. Dans ce cas, le calibre intérieur exact du manchon est obtenu à la meule. De même, les segments individuels sont séparés du manchon à l'aide de disques d'émeri, le fendage des segments se faisant également à la meule.
Même lorsqu'il est fait usage d'acier à ressorts, le manchon peut être réalisé en tôle cintrée et soudée, en tronçons de tubes, ou par estampage.
Ici également, et dans le cas où les manchons sont établis en tôle ou en tronçons de tuyau, il est recommandé de charioter le manchon d'a- cier depuis l'extérieur, jusqu'à mi-épaisseur, c'est-à-dire jusqu'à la zone de la fibre neutre, avant de couler le revêtement de bronze au plomb.
Une autre caractéristique de l'invention réside dans le fait que le calibre de finissage précis, notamment en ce qui concerne la forme par- faitement circulaire de la périphérie extérieure du segment de piston en compound, est obtenu en enfonçant à force le segment fini, et à l'état fen- du à travers une bague d'acier dont le diamètre intérieur correspond au dia- mètre intérieur du cylindre auquel le segment est destiné. Grâce à cette opé- ration de défonçage, le segment acquiert un calibre extérieur précis, tel qu' il résulte généralement du rodage, de sorte que le temps de rodage qui était nécessaire à ce jour devient superflu.
Dans le segment compound selon l'invention, le coefficient de dilatation inégal du bronze au plomb et de l'acier a pour effet que, lors de réchauffement du segment, la dilatation plus prononcée de la couche de bronze au plomb détermine une fermeture complète, ou pratiquement complète de la fente, ce qui supprime dans une large mesure les pertes de compression dans le moteur.
Selon l'invention, l'évacuation de la chaleur du piston en di- rection du cylindre peut encore être améliorée lorsque la face en bout du segment, constamment appliquée contre le piston, est garnie complètement ou partiellement d'une couche de bronze au plomb appliquée par soudure. Ain- si, on obtient une transmission directe de la chaleur du piston à la couche de bronze au plomb, et de celle-ci à la.paroi du cylindre. Par conséquent, dans cette exécution des segments, on tire un parti hautement avantageux de la bonne conductibilité du bronze au plomb, laquelle devient encore plus favorable avec l'élévation de la température.
Selon l'invention, les segments de piston en compound, présen- tant une couche de bronze au plomb soudée sur une de leurs faces en bout, peuvent être réalisés d'une manière simple, en pratiquant dans la surface extérieure du manchon d'acier, à intervalles, des dépouilles circulaires en forme de gorges, et en coulant ensuite une couche de bronze au plomb sur ce manchon, de manière à remplir ces gorges de bronze au plomb. Le corps compound ainsi établi est ensuite mécanisé intérieurement et extérieurement au calibre de finissage, après quoi il est tronçonné pour former les seg- ments individuels, la saignée étant pratiquée alternativement au milieu d' une gorge remplie de bronze au plomb et à mi-distance entre deux gorges con- sécutives du manchon d'acier.
Ainsi, on obtient à partir de ce manchon des segments de piston présentant une couche de bronze au plomb soudée alternati- vement sur leur face en bout supérieure ou inférieure. Suivant que la gorge taillée au tour dans le manchon d'acier est plus ou moins profonde, la couche de bronze au plomb s'étend sur une partie plus ou moins importante de la surface en bout du segment.
REVENDICATIONS.
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PROCESS FOR THE EXECUTION OF PISTON RINGS IN COMPOUND.
Known and common piston rings are made of elastic cast iron. Heretofore, the use of cast iron for the execution of piston rings has been regarded as particularly advantageous, in view of their behavior in service under the most unfavorable operating conditions which occur in combustion engines. However, cast iron segments have the disadvantage that their elastic force, and hence the tightness vis-à-vis the cylinder wall, which is very important for the power of the engine, decreases considerably during service, the func - te being an unsuitable material for the execution of springs.
In addition, the heat dissipation of the piston through the cast iron rings towards the cylinder is extremely inadequate, since cast iron has a relatively unfavorable thermal conductivity, and even decreases. with the rise in temperature. The object of the present invention is to eliminate these drawbacks.
Based on the experience that bearings made up of steel reinforcement and a layer of lead bronze applied to the friction surface perform well in continuous service, even in bearings subjected to high stresses, aircraft engines, and considering that the lead bronze is intimately welded to the steel frame, the invention proposes to provide a steel sleeve, on its outer face, with a layer of bronze at the lead, then mechanize the outer faces. and interior of this compound body, to the desired diameter, and, finally, to separate and split the various piston rings.
By lead bronze is meant bronzes with a lead content, which may for example contain additions of nickel, manganese and zinc. It is important to achieve, by suitable additive casting, as uniform a distribution as possible of the lead in the bronze. In some cases it is sufficient to use tin or aluminum bronzes; however,
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Lead bronzes are preferable.
The application of the lead bronze layer to the steel sleeve is carried out in the known manner in smooth bearings, usefully by immersion casting, ie preferably using a mold. permanent in accordance with German patent 752,094, which together with the inserted support pad, if one considers the face thereof to receive the coating material, a closed molding hollow towards the bottom, this mold being further provided with one or two rows of orifices provided in the outer wall, approximately at the level of the upper end of the support pad covering this mold, through which the coating material can enter from above.
The thickness of the lead bronze coating on the finished ring is usefully about 20-30% of the thickness of the piston, but 0.3mm. at least.
It is known to provide the entire friction surface of packing rings, electrolytically, with a coating of a relatively soft material and of rapid wear, such as copper or zinc. This thin electrolytic coating with a thickness of about 1/20 mm. is expected to wear completely, during the break-in of the ring, in the places where it applies with increased pressure against the cylinder wall, so that at the end of the break-in, the piston has a contact surface made partly of hard metal and partly of hard metal and partly of soft metal. It is also known to make piston rings entirely of thin cold-rolled sheet copper, in view of the good thermal conductivity of this material.
However, these latter segments, which have been proposed in particular for pistons made of light metal, do not offer the required durable elasticity.
In piston rings with encrustations of bronze, anti-friction metal, zinc, copper, graphite, or the like on the friction surface, these encrustation are expected to wear rapidly and leave a good complementary friction surface for the cylinder wall, thus avoiding the risk of seizing when the actual constituent material of the segment comes into contact with this wall. Finally, we also proceeded in the opposite way, by molding the cast iron or steel segment of embedded elements in a light alloy, more resistant to wear than the material of which the segment is made. This method was intended to reduce the wear of the entire piston ring.
The piston ring established according to the method which is the subject of the invention represents a novelty in principle with respect to the state of the art described above. The lead bronze coating of the friction surface remains, just like in lead bronze bushings, as an outer coating to protect the cylinder wall and provide excellent sliding qualities to the piston ring.
It has been found that in the case of the new rings, as in the case of lead bronze bushings, which are exposed to the danger of ingress of hard foreign bodies, the hard residues from the cylinder heads entering the cylinder heads. the segments, and which could easily cause seizure of the walls of the cylinder, become encrusted exactly in the lead bronze layer, just like in the so-called lead bronze bearings, without harming the good sliding qualities of this layer. '
Precise tests have shown that when the new piston rings are used, and despite the strong constraints in service, the elastic force of the rings, and therefore a good seal vis-à-vis the cylinder wall , remain practically constant,
which makes it possible to achieve strong compressions, and therefore higher engine power for the same fuel consumption.
It has also been observed that the use of the new segments makes it possible to achieve a substantially improved thermal conductivity from the piston to the cylinder, hence a further increase in engine power.
According to the new process, the steel sleeve can be
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formed from a piece of sheet metal bent in a closed circle and welded, the internal diameter of this annular element being chosen such that the splitting of the segment gives rise to the elimination of at least all of the weld joint. Removal of the entire weld joint is recommendable, since the mechanical strength of the ring is reduced in the area of this joint.
However, the steel sleeve can be formed without a welded joint, starting from a section of seamless drawn tube.
Finally, this sleeve can be produced by stamping or die-forging.
The invention also aims to give the compound segment the required elasticity, which can be maintained even in prolonged service. To this end, it is first of all important that the sleeve formed from sheet steel is brought into the annular shape by bending in the direction of rolling of the sheet steel, which already promotes the elastic effect.
According to the invention, the inner face of the sleeve - whether it is formed of sheet metal, a section of seamless tube or by stamping - is subjected, after application of a layer of lead bronze, but usefully in the state roughened, that is to say before finishing, to a pressure treatment by knurling, rolling, compression or the like, in order to thus achieve, to a sufficient depth, the inner face of the segment, a tightening of the fibers of the steel reinforcement, guaranteeing sufficient elasticity of this segment. It is particularly advantageous to achieve this tightening of the fibers by knurling. The unevenness of the surface determined by this knurling is usefully smoothed out by compression with the aid of smooth cylinders, or the like.
It has been found that good elasticity is thus obtained for the segments which are then executed from this sleeve.
It is true that it has already been proposed to increase the elasticity of finished piston rings, by hammering or rolling their inner surface. However, the application of this measure to finished segments is very time consuming and, moreover, the intended goal cannot even be fully achieved, since, even when the segments are tightly squeezed, their material is inevitably pushed sideways. to the work surface. However, this upsetting of the material has the effect of reducing the tightening of the fibers in depth and, moreover, the material pushed back laterally requires additional trimming.
On the other hand, when the tightening of the fibers already takes place in accordance with the invention, on the inner surface of the sleeve, from which the individual segments are subsequently established, lateral discharge of the material can only take place. 'at the ends of the sleeve.
Consequently, the tightening of the phases takes place in a significantly more favorable manner, while saving on mechanization costs,
When the sheet metal sleeves are obtained by bending a sheet in the direction of rolling, or by starting from sections of drawn tubes without welding, in which the fibers of the inner half of the sleeve are already in the compressed state, we can achieve a new increase in the elasticity of the segments made from such sleeves, if the outer face of the latter is subjected to a stock removal to the zone of the neutral fiber, before proceeding to the casting of the lead bronze coating.
In this way, only the inner half of the sleeve is retained, which contains exclusively compressed fibers, which promote the elasticity of the finished segments.
Another method of obtaining good elasticity of the new compound segment consists in using, for the execution of the sleeves, a hardened spring steel. In this case, the unhardened steel sleeve is subjected to as advanced a mechanization as possible, with the removal of chips, before the application of the lead bronze layer. The cooling of the steel sleeve, coated with the lead bronze coating according to the '
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The immersion casting process, using a stream of coolant, results in the quenching of the steel. In this case, the exact inner gauge of the sleeve is obtained by grinding. Likewise, the individual segments are separated from the sleeve by means of emery discs, the splitting of the segments also being done with a grinding wheel.
Even when spring steel is used, the sleeve can be made of bent and welded sheet metal, tube sections, or by stamping.
Here also, and in the case where the sleeves are made of sheet metal or in sections of pipe, it is recommended to slide the steel sleeve from the outside, up to mid-thickness, that is. say up to the neutral fiber area, before pouring the lead bronze coating.
Another characteristic of the invention resides in the fact that the precise finishing gauge, in particular as regards the perfectly circular shape of the outer periphery of the piston ring in compound, is obtained by pushing in the finished ring, and in the open state through a steel ring whose internal diameter corresponds to the internal diameter of the cylinder for which the segment is intended. By virtue of this routing operation, the segment acquires a precise outer gauge, as usually results from lapping, so that the lapping time which was necessary to date becomes superfluous.
In the compound segment according to the invention, the unequal coefficient of expansion of lead bronze and steel has the effect that, when the segment heats up, the more pronounced expansion of the lead bronze layer determines complete closure, or practically full of the slot, which largely eliminates compression losses in the engine.
According to the invention, the heat dissipation of the piston in the direction of the cylinder can be further improved when the end face of the ring, constantly applied against the piston, is completely or partially lined with a layer of lead bronze. applied by welding. This results in a direct transmission of heat from the piston to the lead bronze layer, and from this to the cylinder wall. Therefore, in this execution of the segments, highly advantageous use is made of the good conductivity of lead bronze, which becomes even more favorable with the rise in temperature.
According to the invention, the piston rings in compound, having a layer of lead bronze welded on one of their end faces, can be produced in a simple manner, by cutting into the outer surface of the steel sleeve. , at intervals, circular grooves in the form of grooves, and then casting a layer of lead bronze on this sleeve, so as to fill these grooves with lead bronze. The compound body thus established is then mechanized internally and externally to the finishing gauge, after which it is cut to form the individual segments, the bleeding being made alternately in the middle of a groove filled with lead bronze and halfway between two consecutive grooves of the steel sleeve.
Thus, piston rings are obtained from this sleeve having a lead bronze layer welded alternately to their upper or lower end face. Depending on whether the groove cut in the turn in the steel sleeve is more or less deep, the lead bronze layer extends over a more or less important part of the surface at the end of the segment.
CLAIMS.
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