Brevet FR2278996A1 — publié le 19760213

La présente invention concerne en général un dispositit d'absorption de chocs qui peut être utilisé en relation avec un pare-chocs ou similaire pour les véhicules automobiles, les véhicules ferroviaires, les bateaux, avions ou autres. La présente invention concerne principalement un amortisseur à rendement élevé qui présente le plus grand taux d'absorption d'énergie possible sans détériorer la structure qu'il supporte. Pour dissiper les effets d'un choc ,il est nécessaire qu'un pare-chocs cède ou se déplace et, pendant ce déplacement, l'énergie est dissipée par le déplacement commandé d'air ou de fluide. En supposant que la valeur du déplacement ait, une limite maximum choisie préalablement et en supposant également que la structure qui supporte le pare-chocs puisse recevoir une charge maximum sans détérioration permanente, il s'ensuit qu'un parechocs qui offre continuellement une résistance aux chocs sensiblement égale à la capacité de charge maximum, sur toute la plage de déplacement, quelle que soit la vitesse du choc ou la quantité dont est comprimé le pare-chocs, on aura ainsi un pare-chocs qui a un rendement de 100 %. Par cette définition du rendement, tous les dispositifs amortisseurs de la technique antérieure sont, en gros, inefficaces. I1 y a trois classes fondamentales d'amortisseurs utilisant un fluide comme milieu de contre, le type totalement pneumatique, les types hydrauliques ayant un orifice fixe et ceux ayant un orifice variable. Dans les amortisseurs totalement pneumatiques la résistance à une charge imposée augmente lorsque l'amortisseur est comprimé. Ainsi, à la compression maximum, tout ce que l'amor- tisseur peut supporter est la capacité de charge maximum de la structure qui le supporte et, quand l'amortisseur est totalement extendu, sa capacité d'absorption d'énergie initiale est pratiquement nulle. Ainsi, un tel amortisseur a une sensibilité qui est fonction de la position du point de sa course où il est mis en fonction et son rendement global est habituellement inférieur à 20 %. Dans un dispositif hydraulique à orifice fixe, la vitesse de déplacement est directement proportionnelle au débit du fluide à travers l'orifice. La résistance à l'écoulement de l'orifice fixe qui est une mesure de capacité d'absorption de l'énergie est le carré de la variation du débit et, si la vitesse de choc est dou blée, la charge transmise à la structure qui le supporte sera égale à quatre fois la charge d'origine, Ainsi, la charge transférée à la structure-support est une variable dépendant de la vitesse du choc et, donc, un tel amortisseur est considéré comme sensible à la vitesse.Puisque la vitesse de choc est pratiquement inconnue, et que l'on ne peut pas dépasser la résistance maximum que présente la structure dans son intégralité, il est sensiblement impossible de concevoir un tel amortisseur ayant un degré efficace de rendement. Dans la troisième catégorie se trouvent des amortisseurs ayant un orifice variable; la dimension de l'orifice est habituellement réduite par l'intermédiaire d'un pointeau conique ou d'un moyen de recouvrement d'un type quelconque, introduit dans ou sur l'o- rifice en fonction de la position de l'amortisseur. Bien qu'un tel amortisseur soit capable d'avoir un rendement plus élevé que ceux des types précédents, il peut seulement en être ainsi quand la vitesse de choc est connue dans certaines limites; et, quand on désire l'utiliser pour un pare-chocs d'automobile ou analogue, il est à nouveau impossible d'obtenir une mesure satisfaisante de rendement puisque ce type d'amortisseur est à la fois sensible à la vitesse et à la position du point de sa course où il est mis en fonction. Comme on l'a mentionné, l'objet principal de la présente invention est de prévoir un dispositif d'absorption d'énergie pour un pare-chocs ou analogue qui a presque 100 % de rendement quelle que soit la vitesse du choc ou la position du pare-choc. Pour atteindre cet objet, un moyen de régulation de pression a été utilisé dans l'amortisseur de sorte que, quelles que soient les variations de l'écoulement du fluide, qu'elles soient occasionnées par la vitesse du choc ou le degré de compression, le dispositif maintiendra automatiquement une pression maximum de fluide sur le c8té haute pression du piston dissipant ainsi toujours la quantité maximum permise d'énergie lorsque l'amortisseur se comprime sans jamais dépasser les limites de conception de la structure-support. En fixant la pression maximum de fluide comme étant égale aux limites maximum de conception de la structure-support, on peut obtenir un pare-chocs qui a une efficacité de presque 100 %. Le dispositif de régulation de pression selon la présente invention commrend essentiellement une chambre de commande placée à l'intérieur du piston habituel d'un amortisseur. Une soupape est placée dans la chambre de commande fermant initialement la face du piston dans des conditions statiques; et à l'intérieur de cette chambre se trouve une chambre à air compressible et un ressort de calibrage rappelant normalement la soupape en direction d'une position où sont formés plusieurs orifices de calibrage de débit, dans les parois latérales de la chambre de commande. Quand le piston est enfoncé, créant une pression élevée sur un co- té, la soupape ne se déplace pas jusqu'à ce que la pression dépasse la force du ressort de calibrage. Le déplacement d'un élément quelconque à l'intérieur de l'enveloppe de l'amortisseur qui est sensiblement remplie avec un fluide hydraulique est limité par le débit de fluide qu'il est possible d'atteindre à travers les orifices de calibrage. Pour martyriser la charge de pointe qui s'exerce pendant une fraction de seconde après le choc initial, il est souhaitable que l'on permette initialement au piston de se déplacer très rapidement.La chambre à air, à ltXntérieur de la chambre de commande de pression, reçoit le choc initial et se comprime rapidement permettant à la soupape de se déplacer sans restriction causée par le fluide hydraulique qui, autrement, devrait être déplacé. Quand l'air a été comprimé, la soupape découvre des orifices de calibrage de débit permettant immédiatement un débit maximum du fluide. Lorsque le piston continue à se déplacer et après avoir dissipé une certaine quantité de l'énergie par le débit de fluide à travers les orifices de calibrage, la pression élevée initialement tendra à diminuer ou, en d'autres termes,le débit tendra à diminuer. Lorsque la haute pression diminue, la soupape tend à retourner à sa position initiale, recouvrant graduellement les orifices de calibrage, maintenant ainsi une pression constante dans le côté haute pression du piston sur la totalité de la course de déplacement du piston. De cette manière, à partir du point de choc initial jusqu'au point auquel le piston cesse de se déplacer, l'amortisseur continue à dissiper de l'énergie au régime maximum permis. I1 en résulte que l'amortisseur est capable de supporter une large plage de vitesses de choc et qu'il dissipe l'énergie d'un choc dans une quantité de temps plus courte et avec une course de compression plus courte. Par conséquent, c'est l'objet de la présente invention de prévoir un amortisseur perfectionné pouvant dissiper l'énergie d'un choc avec un rendement élevé, à l'intérieur des capacités de charge de la structure sur lequel il est fixé. De faon plus caractéristique, c'est l'objet de la présente invention de prévoir un dispositif d'absorption d'énergie perfectionné pouvant dissiper des charges de choc élevées sans dissiper la capacité de conception de la structure-support tout en utilisant une course de compression minimum. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en liaison avec les dessins ci-joints dans lesquels La figure 1 est une vue en coupe dn dispositif d'absorption d'énergie comportant les perfectionnements, objets de la présente invention; La figure 2 est une vue en coupe partielle représentant la position des diverses pièces de l'amortisseur dans des conditions d'un choc initial important. La figure 3 est une vue en coupe partielle représentant la disposition des pièces de l'amortisseur à un moment suivant quelque peu le choc initial; et La figure 4 est une représentation graphique des distributions caractéristiques de charge avec et sans les perfectionnements selon la présente invention, de mme qu'une représentation de la vitesse du piston en fonction de la course pour un choc donné. Dans toute la suite de la description, on se référera à l'emploi d'un dispositif d'absorption d'énergie en relation avec un pare-chocs pour automobiles. Cette référence est faite simplement dans le but d'explication et de clarté; on comprendra que la présente invention peut s'appliquer à d'autres types d'installations et présente un avantage particulier quand on désire réduire la course de compression du dispositif d'absorption d'énergie tout en maintenant la possibilité de supporter des charges de chocs qui pourront varier dans des plages considérables en termes de force et de vitesse. Dans la figure 1, le dispositif est constitué par une enveloppe 10 de configuration cylindrique, qui peut être montée sur une structure de montage quelconque 12 désirée. A l'intérieur de l'enveloppe 10, se trouve un piston désigné dans son ensemble par la référence 13 ayant une tige 14 reliée à celui-ci et qui tra verse une ouverture 16 dans la paroi d'extrémité 15 de l'enveloppe pourvue de bagues appropriées. La tige de piston peut être reliée à un pare-chocs par l'intermédiaire duquel le choc est appliqué sur le dispositif. A l'intérieur de l'enveloppe 10 le piston 13 a une face 18 qui sépare l'enveloppe en ce qui peut être appelé une chambre de haute pression 20 et une chambre de basse pression 22. La totalité de l'intérieur de l'enveloppe 10 à l'exception des parties que l'on décrira par la suite est remplie de fluide hydraulique.Un ressort de rappel 24 est situé dans la chambre de haute pression 20 et porte à une extrémité contre la face du piston 18 et à l'autre extrémité contre la paroi à l'extrémité 11 de 1' en- veloppe 10. En fonctionnement le piston 13 sera déplacé vers la droite, dans la figure 1, et ainsi, déplacera le fluide hydraulique qui est transféré depuis la chambre de haute pression 20 vers la chambre de basse pression 22. Pendant une distance donnée du dépla cernent du piston, un volume de fluide égal à l'accroissement de volume de l'espace supplémentaire occupé par le piston est déplacé vers la gauche de la face du piston 18 mais l'espace sur le côté basse pression peut recevoir moinside fluide du fait de la présence dans celui-ci de la tige de piston 14 et des pièces de structure restante du piston 13.Ainsi, un piston libre 26 est placé dans l'enveloppe 10 dans la chambre basse pression et il est pourvu de joints d'étanchéité appropriés 27 assurant une étanchéité autour de l'alésage intérieur et autour de la surface de la tige de pis ton 14. En outre, un ressort 28 est placé entre la paroi d'extrémité 15 de l'enveloppe 10 et le piston libre 26. De cette manière, le piston libre 26 se déplace vers la gauche dans la figure 1 quand le piston 13 se déplace vers la droite assurant ainsi un volume supplémentaire pour la chambre basse pression 22 pour recevoir le fluide hydraulique déplacé. Le piston 13 comprend une cage de piston 30 qui relie la tige de piston 14 à la face 18 du piston et la cage 30 est pourvue de plusieurs passages d'écoulement 32. A l'intérieur de la ca ge 30, un bottier 34 est monté sur la face arrière de la face 18 du piston constituant une chambre de commande de pression 36. La face 18 du piston est pourvue d'une grande ouverture 38 qui met en communication la chambre de commande 35 avec la chambre haute pression 20. Montée à l'intérieur de la chambre 36 se trouve une soupape 40 ayant une tige 42 reliée à une extrémité de la soupape 40 et qui, sur l'autre extrémité, traverse la bague 44 du boftier 34 de la chambre. Le bottier 34 est pourvu d'un bossage intérieur 46 de retenue de ressort.Un ressort de calibrage 48 est placé autour de la tige de soupape 42 et est immobilisé entre le bossage 46 et la face arrière de la tête de la soupape 40. Placée également à l'intérieur de la chambre de commande 36, entre le bossage de ressort 46 et la paroi d'extrémité 35 du bottier 34,sesetrouve une chambre à air 50 représentée ici comme un organe toroïdal fait en un matériau élastique déformable, imperméable à l'air dont l'intérieur est rempli avec de l'air. Beaucoup d'autres moyens peuvent eAtre utilisés pour constituer un volume déformable ou compressible d'air en communication avec le fluide dans la chambre de commande.Un soufflet ou un piston mobile sont d'autres variantes qui viennent immédiatement à l'esprit et, pour certaines installations où le dispositif est orienté verticalement, un volume d'air peut simplement être emprisonné dans l'extrémité supérieure de la chambre de commande 36. La tête de soupape 40 est pourvue d'un certain nombre d'orifices d'équilibrage statique 52 qui mettent en communication la chambre de haute pression 20 et l'intérieur de la chambre de -commande 36. Ainsi, à l'état statique, la pression est rendue égale sur les deux côtés de la tête de soupape 40 par l'intermédiaire des orifices 52. Une différence de pression est créée par la surface de la section de la tige de soupape 42, rendant la surface efficace 40b de l'arrière de la tête de soupape plus petite que la surface avant 40a; et, à cette différence s' oppose le ressort de calibrage 48 qui peut avoir une constante élastique relativement faible. Un clapet de retenue 54 est prévu sur la face de piston 18 qui permet au fluide de s'écouler, venant du côté basse pression vers la chambre de haute pression 20 permettant ainsi au piston 12 de retourner vers la gauche dans la figure 1 sous la force du ressort de rappel 24 de sorte que l'ensemble retourne à sa position extendue après avoir dissipé l'énergie d'un choc.Le bottier 34 contenant la chambre de commande qui est de configuration cylindrique est pourvu de plusieurs orifices de calibrage de débit disposés radialement 56, situés dans l'ensemble à proximité du siège 19 de la soupape; de cette manière quand la tête 40 de la soupape se trouve dans sa position de repos contre le siège 19 fermant l'ouverture 38, la tête de soupape couvre également complètement les orifices 56, interdisant-tout écoulement au débit de fluide à travers ceux-ci. Les figures 2 et 3 représentent la disposition relative des pièces du régulateur pendant différents stades de fonctionnement de celui-ci. Dans la figure 2, les pièces sont représentées dans la position qu'elles occupent juste après avoir reçu un choc initial, tel que cela est représenté par le vecteur 58, exercé sur la tige de piston 14. Quand une force soudaine 58 est exercée sur la tige de piston 14, la tête de piston 18 tend à se déplacer longitudinalement vers la droite, augmentant la pression de fluide dans la chambre 20. Un accroissement de pression ne peut pas survenir simultanément à l'intérieur de la chambre de commande 36 du fait que les orifices d'équilibrage 52 sont trop petits pour permettre un écoulement rapide.Ainsi, le ressort de calibrage "détecte" la charge créée par la pression sur la totalité de la surf'ace de la face avant, comprimant le ressort rapidement et la toute 40 commencera à se déplacer rapidement vers la gauche quand la pression dépassera celle à laquelle peut faire face le ressort de calibrage. Si la pression dans la chambre 20 augmente encore, la périphérie extérieure de la tête de soupape 40 découvrira les orifices de calibrage de débit 56 permettant de diriger le débit tel qu'indiqué par les flèches dans la figure 2, depuis le c8té haute pression 20 > à travers les orifices 56 et les passages 32 dans la chambre de basse pression 22. En l'absence d'une chambre à air, et sous des vitesses de choc élevées, le déplacement de la texte de soupape 40 serait limité par le fluide hydraulique dans la chambre 36 de même que la vitesse du fluide qui pourrait être évacué de la chambre; mais, la présence de la chambre à air 50 dans celle-ci permet une réduction instantanée du volume de la chambre 36 puisque le choc initial est transmis directement à la chambre à air, la comprimant comme représenté dans la figure 2.De cette manière, la tête de soupape 40 répond rapidement à un choc soudain comme si les orifices 52 d'équilibrage statique n' existaient pas, découvrant les orifices de calibrage 56 pour permettre un écoulement instantané de fluide, à la vitesse maximum permise, tel qu'elle est déterminée par la dimension et le nombre des orifices 56. On a trouvé que l'existence de la chambre à air 50 augmente le temps de réponse de la soupape 40 par un facteur d'environ 100 contrairement au même dispositif sans un tel volume d'air. Quand la chambre à air est comprimée elle cesse d'affecter la fonction du régulateur de pression comme- on le verra d'après la figure 3. Après le choc initial,le piston 13 continue à avancer vers la droite mais la pression dans la chambre 20 tend à diminuer ou, en d'autres termes, la vitesse d'écoulement du fluide diminue à la suite de la dissipation de l'énergie. Lorsque la pression sur la tête 40 diminue, le ressort de calibrage 48 tend à ramener la tête 40 vers la droite, couvrant progressivement les orifices 56, faisant diminuer régulièrement l'écoulement de fluide depuis la chambre de haute pression. La soupape 40 se place d'ellemême automatiquement dans des positions sur les orifices de calibrage d'écoulement pour maintenir une haute pression constante dans la chambre 20 dans les conditions d'écoulement particulières qui prévalent.La position de la soupape passe ainsi d'une position dans laquelle les orifices 56 sont complètement découverts dans des conditions d'écoulement extrêmement importantes, dans une position dans laquelle les orifices sont presque fermés dans des conditions d'écoulement très faible. Ainsi, il existe une force de retour fournie par l'intermédiaire du mécanisme du ressort de calibrage 48 exercée sur la chambre de haute pression par l'intermédiaire de la soupape 40 d'où il résulte que le dispositif est rendu entièrement sensible à la pression et indépendant de la vitesse du choc ou de la position relative du piston résultant de la mise en position automatique de la soupape.Pendant la course de retour, sous l'influence du ressort 24, le fluide retourne dans la chambre 20 par l'intermédiaire du clapet de retenue 54 et l'égalisation de la pression sur les deux côtés de la tête 40 survient par l'intermédiaire des orifices 52 avec l'influence du ressort 48 qui s'y ajoute. La figure 4 représente un graphique montrant les caractéristiques de fonctionnement de la présente invention comparées à un dispositif de l'art antérieur. Si l'on considère la distribution de charge du dispositif, l'ordonnée du graphique représente, en Y, la charge en kg et l'abscisse représente en X la course du piston. Sur ce graphique, en A est représentée la distribution de charge, avec un dispositif selon l'art antérieur, en B la distribu tion de charge avec un dispositif selon la présente invention, en C la vitesse du piston qui est portée sur l'ordonnée Z et en D le point de la course du piston où le choc se produit. La courbe 60 représente la forme d'une réponse caractéristique ou distribution de charge pour un amortisseur qui n'utilise pas les caractéristiques de la présente invention mais qui est du type à orifice fixe. On verra ici qu'à partir du point de choc D survenant au point 0 des coordonnées, > un amortisseur subit d'abord une pointe de charge élevée résultant du fait que le piston et le fluide hydraulique ne peuvent réagir assez vite. Quand le fluide hydraulique commence à s'écouler, cette charge de pointe s'incline plutôt uniformément jusqu'à ce que toute l'énergie soit dissipée et que le piston atteigne la fin de sa course. Cette courbe est représentée seulement pour illustrer la forme générale de la courbe de réponse et ne représente pas de valeur. De tels dispositifs dépendent de la vitesse du choc et,si cette valeur n'est pas connue la grandeur de la charge de pointe ne peut pas être calculée. Une charge de pointe survient néanmoins et c'est ce qui détériore fréquemment les dispositifs et/ou les structures auxquelles ils sont fixés.D'un autre cavé, la courbe 62 représente la distribution de charge B avec la présente invention. Si l'on prend un niveau 64 sur l'ordonnée représentant la charge maximum permise par la conception de la structuresupport, on remarquera que la courbe 62 augmente rapidement, approchant du niveau 64 comme d'une limite mais alors le dispositif de régulation de pression maint-ient la charge sensiblement constante pendant la totalité de la course du piston jusqu'au moment où toute la charge est dissipée et w' le déplacement du piston s'arrête. On remarquera que la partie relativement plate de la courbe 62 stinclineNquelque peu vers le bas à partir du niveau 64 résultant du fait que la force de retour du ressort de calibrage n'est pas véritablement une constante mais qu'elle est légèrement plus grande quand il est totalement comprimé que quand il est totalement détendu. Ainsi, cette caractéristique du ressort de calibrage diminue quelque peu,évidemment, le rendement de l'amortisseur, mais en utilisant un ressort ayant une constante élastique qui est relativement uniforme sur la plage de sa course que l'on utilise, cette perte de rendement peut être réduite. Si la quantité indiquée par l'ordionnée Z est considérée comme étant la vitesse du piston, la courbe 66 représente la vitesse du piston à partir du point de choc jusqu'à la fin de sa course. On verra ainsi que, dans le dispositif selon la présente invention, la vitesse du piston atteint son maximum dans un temps très court après le moment du choc puis diminue sensiblement selon une ligne droite jusqu'à zéro.Si l'on examine la courbe 60, on remarquera immédiatement que la charge de pointe dépassera grandement la capacité de conception de la structure-support du fait de l'inaptitude des amortisseurs de l'art antérieur à accepter de telles charges de pointe. I1 en résulte que les amortisseurs utilisés dans des situations où l'on prévoit de telles charges de pointe doivent habituellement être conçus de sorte que la charge de pointe ne dépassera pas la capacité de charge de la structure; il en résulte qu'une course de piston bien plus grande est nécessaire pour dissiper toute l'énergie et que l'amortisseur résultant a un rendement extrêmement faible. Bien que cela ne soit pas représenté dans la figure 4, on sait que la distribution de charge des amortisseurs pneumatiques augmente progressivement à partir du point de choc, atteignant un maximum lorsque la course du piston approche de sa limite. La zone sous la courbe de distribution de charge en considérant soit la courbe selon la présente invention soit celle de la technique antérieure est une mesure de la capacité d'absorption du choc du dispositif. Evidemment,une distribution de charge ressemblant le plus à la courbe 62 présente le fonctionnement le plus efficace. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Amortisseur hydraulique perfectionné prévu pour contenir une certaine quantité de fluide hydraulique,caractérisé en ce qu'il comprend - un cylindre longitudinal comportant des parois d'extrémités fermées,un piston monté coulissant dans ce cylindre, ce piston ayant une face de piston définissant sur ses deux côtés opposés une chambre de haute pression et une chambre de basse pression, chacune de ces chambres étant prévue pour contenir le fluide hydraulique, cette face du piston ayant une ouverture mettant en communication les deux chambres;; - une chambre de commande de pression montée sur le piston dans la chambre de basse pression, cette chambre de commande ayant une extrémité fermée, une extrémité ouverte et une paroi latérale cylindrique, l'extrémité ouverte étant reliée au piston à proximité de l'ouverture de chambre dans celui-ci et définissant un siège de soupape, plusieurs ouvertures de sortie réalisées dans la paroi latérale, un moyen de soupape situé dans la chambre de commande, ce moyen de soupape comprenant une soupape à tête qui se déplace en coulissant par rapport au siège de soupape, une tige de soupape reliée à la tête de soupape et qui passe à travers l'extrémité fermée de la chambre, un moyen de ressort monté dans la chambre et portant sur le moyen de soupape pour solliciter la tête de la soupape vers le siège de soupape et une chambre à air déformable séparée du moyen de ressort,située de façon à ce qu'elle flotte librement à l'intérieur de la chambre de contrôle. 2 - Amortisseur hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ouvertures dans la paroi latérale de la chambre de commande sont placées à proximité du siège de soupape, la tête de soupape étant placée en une position telle qu'elle coulisse par rapport aux ouvertures de sortie de la chambre pour contrôler de façon différentielle l'ouverture efficace de celle-ci. 3 - Amortisseur hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un ou plusieurs orifices de calibrage traversant la tête de la soupape.