EP0520861A1 - Poussoir de soupape à base d'un matériau plastique et de céramique - Google Patents

Poussoir de soupape à base d'un matériau plastique et de céramique Download PDF

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EP0520861A1
EP0520861A1 EP92401676A EP92401676A EP0520861A1 EP 0520861 A1 EP0520861 A1 EP 0520861A1 EP 92401676 A EP92401676 A EP 92401676A EP 92401676 A EP92401676 A EP 92401676A EP 0520861 A1 EP0520861 A1 EP 0520861A1
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EP
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plate
plastic material
pusher
ceramic
pusher according
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Withdrawn
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EP92401676A
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German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Deny
Alain Dussoulier
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Ceramiques et Composites SA
Original Assignee
Ceramiques et Composites SA
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Publication date
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/20—Adjusting or compensating clearance
    • F01L1/205—Adjusting or compensating clearance by means of shims or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/14—Tappets; Push rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/12—Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/14—Tappets; Push rods
    • F01L1/143—Tappets; Push rods for use with overhead camshafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
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    • F01L1/14—Tappets; Push rods
    • F01L1/16—Silencing impact; Reducing wear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2301/00—Using particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2301/00—Using particular materials
    • F01L2301/02—Using ceramic materials

Definitions

  • the present invention relates to a valve lifter of which at least one constituent element is based on a plastic material.
  • valve lifters for engines are of cylindrical geometry and generally consist of a first flat part called the "plate" which is in contact by its external face with the cam of the camshaft.
  • this plate presses directly or by means of pads intended to regulate the operating clearance, on the valve stem or stem.
  • the second part of the pusher is a solid cylindrical part or more often a hollow called “body” extending the plate over a sufficient height to ensure the guidance of the pusher in its housing.
  • the tappets generally consist of a body and a plate of a single piece of steel or else of a steel body and an attached plate, in the form of a disc. or of a pellet, in steel of another grade resistant better to wear.
  • the pushers are therefore a problem in high power motors.
  • the object of the invention is the development of a pusher usable in such engines.
  • valve lifter is of the type comprising a part forming a plate and a body extending said part and it is characterized in that the body is based on a plastic material and the part forming a plate said pusher is based on a ceramic material.
  • the pusher of the invention is light and therefore causes a reduction in inertia. In addition, despite this lightness, it offers excellent wear resistance. In addition, the system has low coefficients of friction.
  • the body of the pusher is based on a plastic material.
  • the plastic materials which can be used are engineering plastics which can be used under relatively high temperature conditions.
  • thermoplastics of polyacetals, polyamides, polyformaldehydes, polysulfones, polyetheretherketones, liquid crystal polymers.
  • plastics of the thermosetting class it is possible to use polyimides, unsaturated polyesters, in particular aromatic polyesters, and epoxy resins.
  • the reinforcing products can be used in quantities by weight varying between 10 and 70% and in the form of grains or single crystals or also in the form of fibers. In the latter case, short fibers (whiskers) or long fibers can be used. The different types of reinforcing products can be used in combination.
  • the reinforcing products can be minerals, in particular of the mica type. Mention may also be made, by way of example, of glass fibers, carbon fibers, from KEVLAR®.
  • thermoplastic products which are particularly suitable in the context of the invention, mention may be made of polyamides of the PA 66 type loaded with carbon fibers (20 or 30%), or glass fibers (40 or 50%) as well as polyamides of type PA 4-10, PA 6.
  • thermosetting type mention may be made of polyimides, in particular reinforced with glass fibers of the KINEL® type and aromatic polyesters loaded with glass fibers and of mica of the RHODESTER CL® type.
  • the pusher of the invention further comprises a plate portion.
  • This part can be reported. It can for example be in the form of a disc mounted on the body.
  • the plate part is based on a ceramic material.
  • Mention may in particular be made, as ceramic material, of zirconia.
  • the plate part is based on sintered silicon nitride.
  • silicon nitride does not sinter easily, here we mean by sintered silicon nitride any dense material prepared in particular from Si3N4 or one of its precursors and known additives to obtain a sintered material which can in particular be SiAlON type.
  • the additives can be chosen, for example, from oxides of yttrium, rare earths, aluminum, scandium, silica, aluminum nitride, aluminum oxynitride, all of these elements being able to be taken alone or in combination.
  • compositions obtained from Si3N4 elements 70-90% oxides of scandium, yttrium or rare earths 4 - 20%, aluminum oxide 1 - 20%, the proportions given being by weight.
  • the part forming a ceramic plate or disc and in particular silicon nitride can be obtained in any known manner.
  • it can be produced by stamping (uniaxial pressing) or injection. It is then sintered either by natural sintering or by pressure sintering.
  • the plate obtained can undergo rectification operations, in particular on its external diameter.
  • the constituent elements of the pusher can be manufactured separately: the plate according to the methods mentioned above, the plastic material by thermoplastic injection or by transfer compression.
  • the plate can then be simply placed on the body as in conventional mountings of pushers, or even it can be mechanically linked to the body by a thread for example.
  • the body can be shaped by injection or compression around the plate or disc made of ceramic material, in particular silicon nitride, which is thus inserted and maintained in the body either by simple adhesion, or by adhesion and by attachment. mechanical by means of recesses or bosses on its outer diameter or its inner face, the disc having been previously positioned in the injection mold or compression of the body.
  • the tray can also be glued to the body.
  • suitable adhesives of the mono or multicomponent type such as adhesives or mixtures of adhesives combined with one or more hardeners or adhesives reinforced with particles or metallic or ceramic fibers.
  • adhesives or mixtures of adhesives combined with one or more hardeners or adhesives reinforced with particles or metallic or ceramic fibers such as epoxy adhesives, ARALDITES® adhesives.
  • the surface of the disc can be finished by grinding, lapping, and / or polishing, as well as by finishing the external surface of the body by any suitable means. such as by machining or grinding.
  • a pusher 1 consisting of a plate 2 attached and placed on a body 3.
  • a camshaft 4 carries a cam 5.
  • the pusher 1 is guided by the body 3 in a housing 6 of the cylinder head 7.
  • the body presses on the rod 8 of the valve on which the spring 9 acts.
  • the pusher 1 consisting of the silicon nitride disc 2 and the body 3.
  • the disc 2 has on its outer diameter, a recess 10 corresponding to a boss of the body and allowing the disc to be held in it.
  • FIG. 3 illustrates another variant of the invention in which the body 30 has a recess 31 in its upper part occupied by the lower part of the plate 32 made of ceramic material.
  • the upper part of the plate 32 receives the cam of the camshaft while its lower part presses on the valve stem, unlike the embodiments described above in which the stem was actuated by the body of the pusher.
  • FIG. 4 illustrates another embodiment in which, as before, the pusher comprises a body 40 and a part forming a plate 41 made of ceramic material and coming into contact with the cam.
  • the body 40 has at its end opposite to that carrying the plate 41, a disc 42 of ceramic material, identical or different from that of the plate and intended to act on the valve stem.
  • the purpose of this example is to show the resistance of the plastic material - silicon nitride bond.
  • 12 ⁇ 13.5 mm rectangular test pieces are produced, consisting of a 4 mm thick silicon nitride plate and a PA 66 polyamide plate loaded with 30% glass fibers.
  • the two plates are glued together at room temperature with a one-component epoxy adhesive loaded with aluminum particles, then they undergo a heat treatment to polymerize the adhesive.
  • test pieces are subjected to shear stresses.
  • the breaking stress is 12.6 MPa.
  • the stress is 10.5 MPa.
  • the present invention is not limited to the embodiments of the pusher, nor to the arrangements of that in the motors which have been specifically described.
  • Other variants can be imagined, for example systems in which the pusher is not actuated by a rod but by a rocker.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)

Abstract

L'invention concerne un poussoir de soupape (1) du type comprenant un plateau (2) monté sur un corps (3). Le corps est à base d'un matériau plastique choisi par exemple dans le groupe comprenant les polyacétals, les polyformaldéhydes, les polysulfones, les polyétheréthercétones, les polymères à cristaux liquides, les polyamides, les polyimides, les polyesters, les résines époxy.
Le plateau est en un matériau céramique de préférence en nitrure de silicium.

Description

  • La présente invention concerne un poussoir de soupape dont au moins un élément constitutif est à base d'un matériau plastique.
  • Les poussoirs de soupape pour moteur sont de géométrie cylindrique et se composent généralement d'une première partie plate appelée "plateau" qui est en contact par sa face extérieure avec la came de l'arbre à cames.
  • Par une partie inférieure ou interne, ce plateau appuie directement ou par l'intermédiaire de pastilles destinées à régler le jeu de fonctionnement, sur la queue ou la tige de soupape.
  • La deuxième partie du poussoir est une partie cylindrique pleine ou le plus souvent creuse appelé "corps" prolongeant le plateau sur une hauteur suffisante pour assurer le guidage du poussoir dans son logement.
  • Actuellement, sur les moteurs de série, les poussoirs sont généralement constitués d'un corps et d'un plateau d'une seule pièce en acier ou encore d'un corps en acier et d'un plateau rapporté, sous forme d'un disque ou d'une pastille, en acier d'une autre nuance résistant mieux à l'usure.
  • Toutefois, un tel type de poussoirs présente des inconvénients dans les moteurs à puissance élevée, tournant à haut régime, par exemple à une vitesse supérieure à 10 000 t/mn.
  • En effet, la masse relativement importante des poussoirs du type décrit ci-dessus entraine une inertie élevée, ce qui limite le régime de rotation du moteur.
  • En outre, dans ces conditions d'emplois, on observe une mauvaise résistance à l'usure des plateaux ou des disques en acier avec, par ailleurs, une usure concomitante des cames.
  • Les poussoirs constituent donc un problème dans les moteurs à puissance élevée.
  • L'objet de l'invention est la mise au point d'un poussoir utilisable dans de tels moteurs.
  • Dans ce but, le poussoir de soupape, selon l'invention, est du type comprenant une partie formant plateau et un corps prolongeant ladite partie et il est caractérisé en ce que le corps est à base d'un matériau plastique et la partie formant plateau dudit poussoir est à base d'un matériau céramique.
  • Le poussoir de l'invention est léger et de ce fait entraîne une diminution d'inertie. En outre, malgré cette légèreté, il offre une excellente tenue à l'usure. De plus, le système présente de faibles coefficients de frottement.
  • Enfin, malgré la légèreté des éléments qui le constituent, l'ensemble de ces éléments constitue un poussoir suffisamment résistant pour pouvoir être utilisé dans les moteurs travaillant à haut régime, c'est-à-dire à des vitesses pouvant atteindre 13500 t/mn.
  • D'autres caractéristiques et détails de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est un schéma montrant l'agencement d'un arbre à cames, d'un poussoir selon un premier mode de réalisation de l'invention, et d'une soupape dans un moteur;
    • la figure 2 est une vue en coupe d'un poussoir selon un second mode de réalisation de l'invention;
    • la figure 3 est une vue en coupe d'un poussoir selon un troisième mode de réalisation de l'invention;
    • la figure 4 est une vue en coupe d'un poussoir selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
  • Selon une première caractéristique de l'invention, le corps du poussoir est à base d'un matériau plastique.
  • Les matériaux plastiques utilisables sont les plastiques techniques susceptibles d'être employés dans des conditions de températures relativement élevées.
  • On peut citer, dans la classe des thermoplastiques, les polyacétals, les polyamides, les polyformaldéhydes, les polysulfones, les polyétheréthercétones, les polymères à cristaux liquides.
  • Dans les plastiques de la classe des thermodurcissables, on peut utiliser les polyimides, les polyesters insaturés, notamment les polyesters aromatiques, et les résines époxy.
  • De préférence, ces matériaux sont renforcés. Les produits renforçants peuvent être utilisés dans des quantités en poids variant entre 10 et 70% et sous forme de grains ou de monocristaux ou encore sous forme de fibres. Dans ce dernier cas, on peut employer des fibres courtes (whiskers) ou des fibres longues. Les différents types des produits renforçants peuvent être utilisés en combinaison.
  • Les produits renforçants peuvent être des minéraux notamment du type mica. On peut mentionner aussi à titre d'exemple les fibres de verre, de carbone, de KEVLAR ® .
  • Comme exemple de produits thermoplastiques convenant particulièrement bien dans le cadre de l'invention, on peut citer les polyamides du type PA 66 chargées de fibres de carbone (à 20 ou 30%), ou de fibres de verre (à 40 ou 50%) ainsi que les polyamides du type PA 4-10, PA 6.
  • Dans la gamme des polyacétals, on peut mentionner les produits du type DELRIN ® .
  • Toujours comme produits intéressants mais du type thermodurcissable, on peut mentionner les polyimides notamment renforcés de fibres de verre du type KINEL ® et les polyesters aromatiques chargés de fibres de verre et de mica du type RHODESTER CL ®.
  • Le poussoir de l'invention comporte en outre une partie formant plateau. Cette partie peut être rapportée. Elle peut se présenter par exemple sous forme d'un disque monté sur le corps.
  • Selon une seconde caractéristique de l'invention, la partie formant plateau est à base d'un matériau céramique.
  • Comme matériau céramique, on peut citer notamment la zircone.
  • Toutefois, selon une variante particulièrement avantageuse de l'invention, la partie formant plateau est à base de nitrure de silicium fritté.
  • Comme on sait que le nitrure de silicium ne fritte pas facilement, on entend ici par nitrure de silicium fritté tout matériau dense préparé notamment à partir de Si₃N₄ ou d'un de ses précurseurs et des additifs connus pour obtenir un matériau fritté qui peut être notamment de type SiAlON.
  • Les additifs peuvent être choisis par exemple parmi les oxydes d'yttrium, de terres rares, d'aluminium, de scandium, la silice, le nitrure d'aluminium, l'oxynitrure d'aluminium, tous ces éléments pouvant être pris seuls ou en combinaison.
  • On peut aussi envisager les produits obtenus par nitruration de poudres de silicium additionnées d'aluminium et d'oxyde d'yttrium tels que décrits dans la demande de brevet français n° 2 517 665 ou ceux obtenus par le procédé décrit dans la demande de brevet français n° 2 365 517 dont l'enseignement respectif est incorporé ici.
  • A titre d'exemple, on peut citer les compositions obtenues à partir des éléments Si₃N₄ 70-90% oxydes de scandium, d'yttrium ou de terres-rares 4 - 20%, oxyde d'aluminium 1 - 20%, les proportions données étant en poids.
  • La partie formant plateau ou disque en céramique et notamment en nitrure de silicium peut être obtenue de toute manière connue. Par exemple, il peut être réalisé par matriçage (pressage uniaxial) ou injection. Il est ensuite fritté soit par frittage naturel, soit par frittage sous pression.
  • Si nécessaire, le plateau obtenu peut subir des opérations de rectification notamment sur son diamètre externe.
  • En ce qui concerne la fabrication du poussoir de l'invention, différents procédés peuvent être utilisés.
  • Selon une première méthode, on peut fabriquer séparément les éléments constitutifs du poussoir : le plateau selon les procédés mentionnés plus haut, le matériau plastique par injection thermoplastique ou par compression transfert.
  • Le plateau peut ensuite être simplement posé sur le corps comme dans les montages classiques de poussoirs, ou bien encore il peut être lié mécaniquement au corps par un filetage par exemple.
  • Selon une autre méthode, on peut mettre en forme le corps par injection ou compression autour du plateau ou disque en matière céramique notamment en nitrure de silicium, qui est ainsi inséré et maintenu dans le corps soit par simple adhérence, soit par adhérence et par accrochage mécanique au moyen d'évidements ou de bossages sur son diamètre extérieur ou sa face intérieure, le disque ayant été préalablement positionné dans le moule d'injection ou de compression du corps.
  • Le plateau peut aussi être collé sur le corps. On peut utiliser toutes les colles convenables du type mono ou multicomposant, telles que les colles ou mélanges de colles combinées avec un ou plusieurs durcisseurs ou les colles renforcées par des particules ou des fibres métalliques ou céramiques. On peut citer à titre d'exemple les colles époxy, les colles ARALDITES ® .
  • Avant l'assemblage du poussoir ou une fois celui-ci obtenu, on peut procéder à la finition de la surface du disque par rectification, rodage, et/ou polissage ainsi qu'à la finition de la surface externe du corps par tout moyen adapté tel que par usinage ou rectification.
  • Si on se réfère à la figure 1, on peut voir un poussoir 1 selon l'invention, constitué d'un plateau 2 rapporté et posé sur un corps 3.
  • Un arbre à cames 4 porte une came 5.
  • Le poussoir 1 est guidé par le corps 3 dans un logement 6 de la culasse 7. Le corps appuie sur la tige 8 de la soupape sur laquelle agit le ressort 9.
  • Sur la figure 2, on peut voir le poussoir 1 constitué du disque en nitrure de silicium 2 et du corps 3. Ici, selon une autre variante de l'invention, le disque 2 présente sur son diamètre externe, un évidement 10 correspondant à un bossage du corps et permettant le maintien du disque dans celui-ci.
  • La figure 3 illustre une autre variante de l'invention dans laquelle le corps 30 présente un évidement 31 dans sa partie supérieure occupé par la partie inférieure du plateau 32 en matière céramique. Dans ce mode de réalisation, la partie supérieure du plateau 32 reçoit la came de l'arbre à came tandis que sa partie inférieure appuie sur la tige de la soupape, contrairement aux modes de réalisation décrits précédemment dans lesquels la tige était actionnée par le corps du poussoir.
  • La figure 4 illustre un autre mode de réalisation dans lequel, comme précédemment, le poussoir comporte un corps 40 et une partie formant plateau 41 en matière céramique et venant en contact avec la came. En outre, le corps 40 présente à son extrémité opposée à celle portant le plateau 41, un disque 42 en matériau céramique, identique ou différent de celui du plateau et destiné à agir sur la tige de soupape.
    • EXEMPLE
  • Cet exemple a pour but de montrer la résistance de la liaison matériau plastique - nitrure de silicium.
  • On réalise des éprouvettes rectangulaires de 12 X 13,5 mm constituées d'une plaque en nitrure de silicium d'épaisseur 4 mm et d'une plaque en polyamide PA 66 chargé à 30% de fibres de verre. Les deux plaques sont collées entres elles à température ambiante avec une colle époxy mono-composant chargée de particules d'aluminium, puis elles subissent un traitement thermique pour polymériser la colle.
  • On soumet les éprouvettes à des contraintes de cisaillements.
  • A 20°C, la contrainte à la rupture est de 12,6 MPa.
  • A 20°C, après vieillissement en étuve de 24 h à 120°C, cette contrainte à la rupture mesurée à froid est de 14 MPa.
  • A 80°C, la contrainte est de 10,5 MPa.
  • On voit que les niveaux de contrainte à la rupture après vieillissement et à 80°C sont très proches de celles à 20°C.
  • Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation du poussoir, ni aux montages de celui dans les moteurs qui ont été spécifiquement décrits. D'autres variantes peuvent être imaginées, par exemple des systèmes dans lesquels le poussoir n'est pas actionné par une canne mais par un basculeur.

Claims (6)

1 - Poussoir de soupape du type comprenant une partie formant plateau et un corps prolongeant ladite partie, caractérisé en ce que le corps est à base d'un matériau plastique et la partie formant plateau est à base d'un matériau céramique.
2 - Poussoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau céramique est le nitrure de silicium.
3 - Poussoir selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps est à base d'un matériau plastique renforcé de fibres.
4 - Poussoir selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau plastique est choisi dans le groupe comprenant les polyacétals, les polyformaldéhydes, les polysulfones, les polyétheréthercétones, les polymères à cristaux liquides, les polyamides, les polyimides, les polyesters, les résines époxy.
5 - Poussoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau plastique est un polyamide chargé de fibres de verre ou de fibres de carbone.
6 - Poussoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau plastique est un polyimide chargé de fibres de verre.
EP92401676A 1991-06-28 1992-06-17 Poussoir de soupape à base d'un matériau plastique et de céramique Withdrawn EP0520861A1 (fr)

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FR9108035A FR2678347B1 (fr) 1991-06-28 1991-06-28 Poussoir de soupape a base d'un materiau plastique et eventuellement de ceramique.
FR9108035 1991-06-28

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