Brevet FR2168526A1 — publié le 19730831

L'invention concerne un absorbeur d'énergie hydraulique du genre dans lequel un piston présentant de petits trous est monté dans un cylindre rempli d'un liquide. Un absorbeur énergie de ce genre est décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique nO 2 333 095 et comprend un cylindre rempli par un liquide compressible et par un plongeur perforé pénétrant par une extrémité du cylindre et monté sur une tige de piston s'étendant à l'extérieur par un perçage dans la fermeture d'extrémité du cylindre. Cette fermeture d'extrémité comporte de préférence des moyens d'étanchéité pour empêcher toute fuite de liquide à l'extérieur du cylindre. Dans un absorbeur d'énergie de ce type il est nécessaire d'utiliser un élément compressible. Outre les déformations relativement faibles se produisant dans le cylindre lui-même quand le plongeur est pressé à l'intérieur, le volume additionnel représenté par la tige de piston introduite doit être compensé en comprimant l'intérieur du cylindre. Le degré de compression dépendra alors d'une part de la distance jusqu'à laquelle le plongeur et la tige du piston ont été pressés vers l'intérieur du cylindre, et d'autre part du rapport entre les sections transversales de la tige du peton et le volume interne du cylindre. Pour certaines dimensions du cylindre, la partie de la force d'amortissement due à la compression peut être choisie en donnant un diamètre convenable à la tige de piston.Quand on charge le cylindre et par conséquent quand le plongeur entre dans le cylindre, l'élévation de pression dans le cylindre est sensiblement égalisée des deux côtés du plongeur. Celui-ci et la tige du piston sont alors soumis à une force de réaction qui est égale au produit de la pression du liquide et de la section transversale de la tige du piston. L'absorbeur de chocs décrit dans le brevet précité et la présente invention ont ceci de commun qu'on utilise un liquide et que la compression d'au moins une partie de 11 intérieur du cylindre fournit une force de réaction. Ceci signifie que toute compression de l'absorbeur génère une force qui tend à ramener l'absorbeur à son état non chargé. Le liquide peut être compressible et former un élément compressible. En chargeant le cylindre de liquide à la pression atmosphérique avant de monter le plongeur et la fermeture terminale, on peut théoriquement provoquer une faible compression de l'élément compressible par une force infiniment petite. Pour empêcher que par exemple l'absorbeur ne soit agité ou pour permettre que la compression ne soit réalisée qu'au-dessus d'un certain minimum par l'action d'une force, on peut monter l'absorbeur avec une précompression. Ceci veut dire qu'on peut effectuer le montage du plongeur et de la fermeture terminale en comprimant de manière appropriée l'intérieur du cylindre. Ceci est un principe connu dans les absorbeurs de chocs. On peut réaliser la compressibilité d'un certain nombre de manières. En plus de l'emploi d'un liquide compressible comme décrit dans le brevet précité, le cylindre peut contenir un élément élastique, tel qu'un piston chargé par un ressort pressant le liquide de, une charge compressible d'un matériau solide, tel que du caoutchouc ou du plastique (plastique cellulaire), ou une charge de gaz pouvant être contenue dans une enceinte flexible à l'intéF rieur du cylindre. L'élément élastique peut aussi être disposé dans une chambre séparée en communication avec le liquide du cylindre. L'élasticité peut même titre réalisée par une combinaison d'élémentse Ainsi le liquide en lui-même peut être compressible et être utilisé avec un autre élément élastique. L'invention ne dépend évidemment pas d'un certain type d'élément élastique et il est évident que les exemples donnés ne sont pas limitatifs. Ce qui est essentiel et peut être obtenu par des moyens autres que ceux mentionnés est la compensation du volume de la tige de piston pénétrant dans le cylindre pendant la compression, cette compensation étant effectuée par un élément élastique. Le choix d'un élément élastique peut astre impératif pour les caractéristiques de l'absorbeur. Dans les absorbeurs du type décrit, la force d'amortissement est la résultante de deux composantes principales, c'est-à-dire la force résultant de la compression comme indiqué ci-dessus et appelée ci-après force élastique, et la force d'amortissement visqueux qui se développe quand le liquide s' écoule à travers les trous dans le plongeur. La force d'amortissement résultante dépend de plusieurs facteurs tels que la forme, les dimensions et le nombre de trous dans le plongeur, la vitesse relative du plongeur et du cylindre, la viscosité du liquide, la compressibilité du liquide, et la force élastique de l'élément élastique. L'invention a pour but principal d'obtenir une force d'amortissement qui, pour un but approprié est plus avantageuse que dans les absorbeurs de types connus, un but particulier de l'invention étant d'obtenir ce résultat au moyen de propriétés particulières du liquide. L'absorbeur d'énergie hydraulique visé par l'invention comprend un cylindre, un piston intérieur dans lequel est ménagé au moins un trou et qui est monté sur une tige de piston s'étendant extérieurement à travers un perçage dans une fermeture d'extrémité du cylindre, l'autre extrémité du cylindre étant fermée de manière étanche et le contenu du cylindre fléchissant élastiquement lors de la pénétration du volume de la tige du piston par compression de l'absorbeur d'énergie et comportant au moins en partie un liquide. Suivant l'invention, cet absorbeur est caractérisé en ce que le liquide a des propriétés plastiques au sens de Bingham (comme défini ci-après). D'autres particularités et avantages de l'invention apparat- tront au cours de la description qui va suivre. La figure ci-jointe montre un diagramme illustrant la manière dont la force d'amortissement E peut varier avec la longueur de la course s pour un absorbeur de type connu rempli avec un liquide tel que certaines huiles ayant une compressibilité d'approximativement 10 à 20%, par exemple un liquide incompressible et un élément compressible. (Sur le diagramme est en outre représentée une force qui est due à une précompression). La force résultante E est la somme d'une force élastique ? et de l'amortissement visqueux D. Le diagramme indique également la vitesse relative v entre le plongeur et le cylindre. Pour une certaine limite supérieure de la force d'amortissement Emax il est possible de définir l'efficacité d'absorbeurs de ce genre. L'énergie maximale qui peut être absorbée par l'absorbeur est le produit Kmax x s de la force E ax et de la longueur s de la course. Sur le diagramme ceci est indiqué par un rectangle de hauteur max et de longueur s. L'efficacité de l'absorbeur peut alors être définie comme la fraction de cette énergie que l'absorbeur est capable d'absorber pour la mssme force maximum et la même longueur de course. Dans certains cas on souhaite obtenir l'efficacité la plus grande possible. Ceci peut être très important lors de collisions entre véhicules. Avec cet amortissement et dans le but de prévenir ou de limiter les dommages aux véhicules et/ou aux passagers et animaux présents dans les véhicules, il est essentiel que le ralentissement du moment de la collision ne soit pas trop grand. Ainsi la force d'amortissement maximum est limitée. Compte tenu du poids, de l'aspect et de la taille des véhicules, il est également souhaitable d'optimiser le système d'amortissement quand aux dimensions. Une limite a ainsi été établie à la longueur de la course du piston pour les absorbeurs-. ;'exemple ci-dessus n'est pas limitatif de l'utilisation de l'absorbeur conforme à l'invention et illustre un cas où la force d'amortissement K doit être aussi régulière que possible. On saint que l'amortissement visqueux s'accroît avec la vitesse du flux de liquide s'écoulant par les trous dans le plongeur pour une viscosité approximativement constante, ce qui correspond aux propriétés d'un liquide dit "de Newton". On voit d'après la figure que l'efficacité de l'absorbeur s'accroît si la force d'amortissement K peut être accrue avant et après qu'il ait atteint sa valeur maximum K . Selon une possibilité on accroît la force élastique F en soumettant le contenu du cylindre à une compression plus grande, soit par une précompression accrue, une tige de piston plus épaisse (par rapport au diamètre du cylindre) ou les deux. Une précompression au-dessus d'une certaine limite n'est pas souhaitable. Une augmentation de la force élastique provoquerait également une élévation du degré d'élasticité de réaction après le choc, ce qui est quelquefois non souhaité. Une combinaison d'éléments élastiques peut avoir un effet favorable sur les caractéristiques de l'absorbeur, car un élément peut être relativement facile à comprimer et donner lieu à une faible force élastique sur une partie de la course du piston, tandis qu'un élément compressible plus lourd doit être comprimé par une compression continue de l'absorbeur. Corrélativement la force élastique s'accroît de manière relativement considérable vers la fin de la course et compense la diminution de la force d'amortissement visqueux. L'efficacité de l'absorbeur peut ainsi être augmentée. Une autre possibilité pour faire varier la caractéristique de l'absorbeur et qui est essentielle dans la présente invention est d'accroître la force d amortissement visqueux D avant et après le point maximum. Ceci peut être obtenu en utilisant un liquide qui est plastique selon Bingham, ce qui signifie qu'à la différence du liquide ie Newton, ce liquide doit être soumis à un certain effort de cisaillement avant que par exemple il ne commence à couler à travers une ouverture d'une certaine dimension. Pour une meilleure compréhension de l'effet de la plasticité de Bingham dans un absorbeur de ce genre, on peut imaginer que le plongeur est constamment pressé contre le liquide pendant sa course, le liquide étant approximativement au repos, sauf une possible compression. Pendant la course, le liquide coule dans le plongeur par les trous relativement petits. Quand le liquide est plastique selon Bingham, cet écoulement n'est pas amorcé avant que le liquide n'ait été soumis à un certain effort de cisaillement. Quand cet effort de cisaillement a été atteint, le liquide coule théoriquement à travers les trous à vitesse constante pour une viscosité constante. Il devrait encore en résulter une force d'amortissement visqueux contante. Ceci toutefois présuppose que le liquide, grâce à sa compressibilité, compense le fait que la vitesse du plongeur par rapport au cylindre n'est pas constante pendant la course. in fait l'effort de cisaillement au début de la course, s'élève à une valeur notablement plus élevée que la valeur requise pour amorcer l'écoulement du liquide à travers les trous, l'effort de cisaillement étant supposé décroître vers la valeur limite. Quand la limite a été atteinte l'écoulement cesse. Sur la figure qui représente une course imaginaire de la force d'amortissement K, F est la force élastique résultant de la compression du contenu du cylindre, D est la force d'amortissement visqueux d'un liquide de Newton et D' est la force d'amortissement visqueux d'un liquide plastique selon Bingham. La force K est la somme des forces D' et F. Pour la même force maximum Emax le liquide plastique selon Binghas a une efficacité meilleure que le liquide de Newton. L'utilisation d'un liquide plastique selon Bingham a aussi un autre effet important en ce qu'il réduit le risque de fuite. Ceci est particulièrement important pour les absorbeurs à précompression, dans lesquels des fuites peuvent facilement se produire, même en position de repos. En raison du fait que la pré compression est au-dessous de la pression pour laquelle une construction d'une certaine étanchéité est nécessaire pour permettre l'effort de cisaillement nécessaire à l'amorçage de l'écoulement du liquide à travers le Joint, la fuite ne peut en théorie se produire au repos. L'utilisation d'un liquide plastique selon Bingham s'est révélée à l'expérience tout à fait avantageuse pour prévenir une fuite quelconque, en particulier dans les absorbeurs qui fonctionnent très rarement. Selon une réalisation particulière de l'invention, le liquide plastique selon Bingham est également thixotropique, c'est-à-dire que la viscosité du liquide change quand le liquide est agité. Quand le liquide est au repos sa viscosité est élevée. Quand on l'agite, sa viscosité décroît et reste très faible même quelque temps après que l'agitation ait cessé, puis elle revient à sa valeur initiale après un certain temps au repos. Tout d'abord cette propriété du liquide réduit le risque de fuite. Un autre effet essentiel est que le mouvement de retour du plongeur après une course se produit en rencontrant une résistance plus faible que si l'on utilise un liquide non thixotropique ayant une viscosité qui donne la même force maximum que le liquide thixotropique. Pendant la course, le flux de liquide à travers les trous dans le plongeur constitue une forme d'agitation et la viscosité du liquide diminue. L'amortissement visqueux pendant le mouvement de retour décrit car cet amortissement est réduit par la diminution de la viscosité. Ainsi le mouvement de retour peut être réalisé au moyen d'une force élastique plus faible. En conséquence une force élastique suffisante peut être obtenue par une pression de liquide plus faible, ce qui est souhaitable à la fois pour des raisons fonctionnelles et structurales. La raison pour laquelle une faible viscosité est maintenue pendant la course de retour est que l'effet thixotropique dépend du temps. Â la suite d'une agitation et d'une décroissance de viscosité consécutive, il faut que le liquide reste au repos pendant quelque temps avant que la viscosité maximale soit de nouveau atteinte. De ceci résulte la définition de la limite d'utilisation de l'absorbeur : il est au plus haut degré avantageux que la viscosité maximale soit rétablie après un choc avant que le prochain choc ne se produise, pour absorber des chocs se produisant à des intervalles de cette longueur. La plasticité selon Bingham et l'effet thixotropique peuvent être produits par exemple en ajoutant des matériaux présentant une haute dispersion aux liquides absorbeurs de choc ordinaires ou à de l'huile de silicone et autres liquides compressibles. La silice (SiO2) et l'alumine (au205) sont des exemples typiques de matériaux de ce genre. La nature du liquide ou des additifs n'a cependant aucune importance en ce qui concerne l'invention, pourvu que le liquide soit plastique selon Bingham et éventuellement thixotropique, et soit approprié à son utilisation dans les absorbeurs d'énergie. Â titre d'exemple le liquide d'un absorbeur d'énergie conforme à l'invention est une huile de silicone qui à l'état pur a une viscosité comprise entre 10 000 et 100 000 cS (Centistokes), et à laquelle on a ajouté entre 5 et 15% en poids de SiO2. On a utilisé comme huile de silicone de la-Dow Corning 200 et 210 et de la silice connue dans le commerce sous le nom de Cabosil. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et peut comporter des variantes d'exécution dans le cadre des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Absorbeur d'énergie hydraulique comprenant un cylindre, un piston intérieur dans lequel est ménagé au moins un trou et qui est monté sur une tige de piston s'étendant extérieurement à travers un perçage dans une fermeture d'extrémité du cylindre, l'autre extrémité du cylindre étant fermée de manière étanche et le contenu du cylindre cédant élastiquement lors de la pénétration du volume de la tige du piston par compression de l'absorbeur d'énergie et comportant au moins en partie un liquide, caractérisé en ce que le liquide a des propriétés plastiques au sens de Bingham, 2. Absorbeur d'énergie conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide est compressible. 3. Absorbeur d'énergie conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le cylindre contient également au moins un élément non liquide compressible. 4. Absorbeur conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le contenu du cylindre remplit tout le volume du cylindre quand le piston est dans sa position extérieure. 5. Absorbeur confor-e à la revendication 4, caractérisé en ce que le contenu du cylindre est à une pression supérieure à la pression atmosphérique quand le piston est dans sa position extérieure. 6. Absorbeur conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le liquide est thixotropique. 7. Absorbeur conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le liquide est une huile de silicone. 8. Absorbeur conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le liquide contient de la silice (SiO2). 9. Absorbeur conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le liquide contient de l'alumine (li203). 10. Absorbeur conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que le liquide est une huile de silicone qui à l'état pur a une viscosité comprise entre 10 000 et 100 OOO cS (Centistokes) et à laquelle a été ajouté entre 5 et 15% en poids de silice (six2).