Domaine technique

L'invention se rapporte au domaine des dispositifs réalisant une compression de gaz, notamment de l'air, au moyen d'un piston se déplaçant à l'intérieur d'un cylindre. Une telle compression de gaz est d'une part réalisée dans les moteurs à explosion qui utilisent cette compression pour générer une énergie motrice et d'autre part dans les machines de type compresseur pour générer une énergie pneumatique ou hydraulique.

Dans le cas d'un moteur à explosion, le piston est solidarisé à une bielle apte à transmettre le mouvement de translation du piston à un vilebrequin. Dans le cas du compresseur, le piston est relié à une crosse qui est elle-même reliée à une bielle. Le piston entraîné par le moteur sert alors à comprimer un gaz. Dans les deux cas, il est nécessaire de relier le piston ou la crosse à une bielle au moyen d'un axe. Un palier permet de réaliser une liaison pivot entre la bielle et l'axe. Ainsi, dans la suite de la description, l'axe sera décrit par conséquent en association avec un piston et une bielle de vilebrequin.

Art antérieur

De façon générale, les axes de piston sont conçus pour résister à des sollicitations élevées. Pour ce faire, ils doivent présenter une section transversale la plus importante possible. De plus, pour répondre aux critères de performances des moteurs actuels, les axes de piston doivent être les plus légers possible et peuvent donc être percés de part en part longitudinalement.

On connaît ainsi de nombreuses solutions permettant de garantir une rigidité maximale des axes tout en optimisant leur poids. Un tel type d'axe de piston est notamment décrit dans le document US 4 359 913. Cependant, dans ce cas l'arc- boutement de l'axe, aussi faible soit-il lors de l'explosion, entraîne une concentration des contraintes au niveau des extrémités latérales du palier. La fatigue, générée par le nombre important d'explosions durant la vie d'un moteur,

peut alors entraînée la casse de l'axe. Ces contacts aux extrémités latérales du palier peuvent également conduire à un grippage.

On connaît également des dispositifs dans lesquels les paliers comportent un alésage, apte à recevoir l'axe du piston, qui comporte des zones en forme de tronc de cônes. Un tel dispositif est décrit dans le document WO 95/05553 et permet de réduire les concentrations de contraintes de cisaillement au niveau de l'axe du piston. Cependant, dans ce cas l'axe est alors soumis à des contraintes de flexion pure puisqu'il est libre de se déformer lorsque la pression est très importante. Ces contraintes de flexions génèrent ainsi également de la fatigue au bout d'un grand nombre de cycles moteur et peuvent entraîner la casse du moteur.

Exposé de l'invention

Le but de l'invention est de fournir un moyen sûr et efficace pour augmenter la durée de vie d'un axe de piston en réduisant de manière importante les contraintes de cisaillement et de flexion auxquelles il est soumis.

L'invention concerne donc un axe de piston formant axe de rotation d'une liaison pivot entre un piston équipant un dispositif de compression de gaz tel qu'un moteur à explosion, et un pied d'une bielle de vilebrequin du dispositif. De façon connue, le pied de bielle comporte un palier apte à recevoir l'axe qui présente une géométrie de révolution sur toute sa longueur.

Selon l'invention, l'axe de piston se caractérise en ce qu'au moins dans sa zone destinée à être située en regard du palier, le diamètre de la section transversale de l'axe diminue de façon continue, depuis un niveau médian, en se dirigeant vers les extrémités de l'axe.

Autrement dit, le diamètre de l'axe décroît depuis une zone située en contact avec le palier, jusqu'à une zone en contact avec le piston. Ainsi, le diamètre de l'axe de piston passe d'une valeur maximale à une valeur moindre, inférieure de quelques microns. De cette manière, lors de l'explosion, la

déformation de l'axe est maîtrisée et n'engendre pas de contrainte de cisaillement localisée. En effet, la forme très légèrement convexe de la surface extérieure de l'axe se déforme sous les efforts du piston, et vient donc épouser la forme de l'alésage du palier sur une surface relativement importante, en comparaison avec les zones ponctuelles observées avec les axes de l'art antérieur. En d'autres termes, au niveau de la zone opposée aux efforts du piston, la déformation de l'axe permet de compenser les quelques microns de différence du diamètre de l'axe, de sorte que le contact entre l'axe, le palier et éventuellement le piston ne soit plus ponctuel mais linéaire, voire surfacique.

La variation de diamètre quelques microns peut être réalisée selon différents modes et ne se limite pas aux modes de réalisation décrits par la suite à titre d'exemples.

Selon un premier mode de réalisation, le diamètre de la section transversale peut diminuer selon une pente constante, de façon à former deux troncs de cônes. Ainsi, la base des troncs de cône présente alors le diamètre le plus fort, et l'autre extrémité des troncs de cône comporte le diamètre le plus faible.

Selon un second mode de réalisation, le diamètre de la section transversale peut diminuer selon une pente progressive, de façon à former deux surfaces convexes. En d'autres termes, l'axe comporte sensiblement la forme en tonneau dont le diamètre central est maximal, et dont les extrémités ont un diamètre inférieur de quelques microns.

En pratique, l'axe peut comporter une zone médiane cylindrique s' étendant de part et d'autre du niveau médian. Dans ce cas, l'axe comporte une portion de cylindre qui est totalement située en regard du palier au niveau de sa partie inférieure.

Avantageusement, l'axe peut comporter deux zones extrémales cylindriques prolongeant l'axe après sa diminution de diamètre. L'axe de piston comporte alors

deux portions de cylindre qui sont totalement agencées en regard des alésages du piston destinés à recevoir l'axe.

Selon un mode de réalisation particulier, le diamètre au niveau de l'une des extrémités de l'axe peut être inférieur au diamètre au niveau médian d'au moins

20μm. De façon générale, la variation de diamètre est déterminée en fonction des dimensions du piston et du pied de bielle, ainsi que des niveaux d'efforts exercés et des matériaux employés.

En pratique, l'axe de piston peut comporter un perçage central. Celui-ci traverse l'axe de part en part depuis deux surfaces planes extrémales. Un tel perçage permet d'alléger l'axe et ainsi de diminuer la masse des pièces en mouvement du dispositif. Dans le cas d'un moteur à explosion, cette diminution de masse permet d'améliorer la montée en régime du moteur et ainsi l'accélération du véhicule.

Avantageusement, l'axe de piston peut comporter des chanfreins au niveau de ses deux extrémités. Ainsi, la mise en position et l'introduction de l'axe à ;.' l'intérieur du piston est facilitée. _*

Description sommaire des figures

La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif et non limitatif, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : • les figures 1 et 2 sont des vues en coupe d'un dispositif équipé d'un axe de piston de type connu, représenté avant et pendant sa déformation lors de l'explosion dans un moteur ;

• les figures 3 et 4 sont des vues en coupe d'un dispositif équipé d'un axe de piston conforme à l'invention, représenté avant et pendant sa déformation lors de l'explosion dans un moteur ;

• les figures 5 à 8 sont des vues de côté de différentes variantes d'un axe, conformes à l'invention.

Description détaillée de l'invention

Comme déjà évoqué, l'invention concerne un axe de piston destiné à transmettre le mouvement de translation d'un piston à un pied de bielle, lui même solidaire d'un vilebrequin. Afin de faciliter la compréhension de l'invention la forme générale ainsi que les déformations de l'axe et du piston sont illustrées aux figures de manière très exagérée. En effet, en pratique une différence de quelques microns est difficilement visible lorsqu'on représente l'axe dans sa totalité et à l'échelle.

Tel que représenté à la figure 1, l'axe (1) de l'art antérieur comporte une géométrie de forme extérieure cylindrique. L'axe (1) permet de réaliser la liaison pivot entre d'une part un piston (2) et d'autre part un pied (5) d'une bielle (3). Un palier (4) permet de réduire le coefficient de frottement entre ces deux pièces en rotation. Pour les moteurs dont le régime moteur maximum est faible, il est classique d'utiliser des coussinets en bronze mais d'autres matériaux ou alliages peuvent également être utilisés. Pour les moteurs dont le régime maximum est élevé, le palier (4) peut se présenter sous la forme d'une cage ou d'un roulement à aiguilles.

Lors des phases d'explosion dans un moteur, la pression qui est exercée sur le piston par les gaz est considérable. Par conséquent, l'axe de piston est soumis à d'importantes contraintes de cisaillement et de flexion au niveau de sa liaison avec la bielle et plus précisément au niveau des faces latérales du palier. Lors des phases d'explosion, et tel que représenté en figure 2, le piston (2) et l'axe (1) se déforment de façon importante en générant des sollicitations de cisaillement et de flexion. La représentation des déformations est ici amplifiée de façon à rendre visible la déformée. En effet, au niveau des zones (10, 11) du palier (4), le contact avec l'axe de piston (1) devient quasi-ponctuel. L'effort transmis par la bielle (3) est un effort tranchant vertical s'opposant au mouvement du piston (2).

Conformément à l'invention, et tel que représenté à la figure 3, un axe (21) réalise la liaison pivot entre un piston (2) et un pied (5) de bielle (3). L'axe (21) est agencé à l'intérieur d'un palier (4) solidaire du pied (5) de bielle. L'axe (21) comporte une section transversale dont le diamètre diminue depuis au moins une zone (22) agencée en regard du palier (4) jusqu'à ses extrémités (23, 24).

Dans cet exemple de réalisation, la forme est celle d'un tonneau mais de nombreuses variantes sont envisageables et seront présentées aux figures 5 à 8.

Tel que représenté à la figure 4, l'explosion a pour effet de déformer le piston (2) et l'axe de piston (21). Cependant dans ce cas, la zone de contact (25) entre la partie inférieure de l'axe (21) et le palier (4) est sensiblement linéaire, voire quasi- surf acique.

Tel que représenté en figure 5, une variante de l'invention peut consister en un axe (31) pourvu d'une zone médiane cylindrique (32). De la même manière qu'aux figures précédentes, le diamètre de la section transversale diminue de manière progressive, dans les zones caractéristiques situées de part et d'autre de la zoneumédiane cylindrique (32). L'axe (31) comporte donc deux surfaces convexes (33, 34) dont le petit diamètre (d) est inférieur au grand diamètre (D) d'au moins 20μm. A titre d'exemple, pour des cylindres d'alésage 123mm, des calculs de dimensionnement ont défini un axe de piston (31) de diamètre maximal (D) valant 54mm et de longueur totale (L) valant 73mm. L'axe (31) comporte une zone médiane cylindrique (32) de longueur (1) de l'ordre de 30mm tandis que la largeur maximale du palier (4) est de 41mm. La différence entre les diamètres (D) et (d) peut, dans ce cas, être de 34μm. Les formes convexes sont ici définies par un rayon (R) de valeur 1350mm.

Un tel axe (31) permet notamment d'être utilisé dans des moteurs de type diesel dans lesquels la pression sur le piston dans la chambre de combustion peut atteindre 200 bars.

Dans la variante représentée à la figure 6, l'axe (41) comporte également une zone médiane cylindrique (42). De façon à éviter les contraintes de cisaillement au niveau de l'axe (41), il est avantageux que cette zone (42) ne s'étende pas en dehors du palier (4) dans sa partie inférieure.

Dans la variante représentée, la variation de diamètre de la section transversale de l'axe (41) s'effectue de manière continue. Ainsi l'axe (41) comporte deux troncs de cône (43, 44) s 'étendant de part et d'autre de la zone médiane (42).

Un perçage (45) est ici représenté de façon à alléger l'axe (41) et ainsi améliorer les performances du dispositif sur lequel il est monté. Bien entendu, ce perçage (45) peut être réalisé dans toutes les variantes, indépendamment de la forme extérieure de l'axe.

Dans les variantes représentées aux figures 7 et 8, les axes (51, 61) comportent des zones extrémales cylindriques (53, 54, 63, 64). Avantageusement, chacune des extrémités de l'axe (51) est pourvue d'un chanfrein (56, 57) apte à faciliter la mise place et l'introductiomde l'axe (51) à l'intérieur d'un piston (2).

II ressort de ce qui précède que l'axe conforme à l'invention présente de multiples avantages, notamment :

• il permet de limiter les contacts ponctuels localisés au niveau des extrémités latérales du palier de pied de bielle ; « il permet de réduire les contraintes de fatigue dues à la cyclicité de ses déformations en flexion ;

• il permet ainsi d'améliorer la durée de vie des dispositifs de compression ainsi équipés.