Brevet FR2335360A1 — publié le 19770715

La présente invention a trait, de façon générale, à la techAique des roues å pneumatiques pour véhicules et elle concerne plus particullerement des perfectionnements qui leur sont apportés, et notamment aux pneumatiques, avec ou sans chambre a air, qui les équipent, perfectionnements qui ont principalement pour but de conférer a ces roues une souplesse (réduction du coefficient de frottement de roulement) considérablement plus élevée que celle des roues à pneumatique traditionnelles, et ce au profit, évidemment, de l'énergie nécessaire pour assurer le déplacement du véhicule supporté par de telles roues.D'une façon com plémemtaire, Irinvention a pour but de réaliser des roues à pneumatique qui, en plus de l'avantage principal de la grande capacité de fléchir en souplesse, offrent des avantages ayant trait au comportement de la roue sur la route par exemple du point de vue de la stabilité du véhicule, de sa "tenue de route" et, en général, en vue du comportement du véhicule sous l'effet des diverses sollicitations qui provoquent l'application, a Itin terface bande de roulement-sol, des forces diversement orientées par rapport à la direction instantanée de marche du véhicule, tout cela sans préjudice de la force portante de la roue a pneumatique. Certaines considérations préliminaires, qui vont être exposees, portant sur les principes physiques et mécaniques régissant le comportement des roues à pneumatique, permettront de mieux comprendre 1'invention. On sait que la surface portante, ou surface d'appui, d'une roue à pneumatique à pression constante est une fonction de l'e- crasement du pneumatique. Cet écrasement est indiqué, en général, en termes de pourcentage du rayon de la roue, soumise à la même pression mais supposée n'être sollicitée par aucune force extérieure de nature à déformer sa configuration circulaire et sa section. Lorsque la roue roule sur le sol, les résistances provenant du frottement de roulement sont, pour la plupart, dues au travail en déformation de la structure du pneumatique (carcasse avec ses flancs, bande de roulement, ceinture périphérique de renforcement, etc. > . Pour chaque roue a pneumatique donnée, on peut mesurer et établir le coefficient respectif de frottement de roulement, coefficient dont la valeur est, en première approximation, proportionnelle à la rigidité de la carcasse. Cette rigidité dépend, à son tour, de la structure de la carcasse elle-même. D'une manière caractéristique, une roue à pneumatique de type radial, avec ceinture essentiellement incompressible, possède une rigidité considérable du fait que la déformation due à l'aplatissement (aplatissement qui, évidemment, se déplace suivant le contour du pneumatique en le parcourant complètement à chaque tour de la roue) intéresse pratiquement la carcasse toute entière. Pour ce qui a trait à son comportement pratique sur la route, le pneumatique du type radial s'est cependant révélé lui-même sujet à d'autres limitations. En effet, la déformabilité de la structure de renforcement conduit à la production de phénomènes complémentaires, pouvant s'exprimer sous la forme d'une sorte d'instabilité ou "labilité" de l'aire du pneumatique coïncidant avec, ou même adjacente à, l'aire de ladite interface, phénomènes pouvant donner lieu à une diminution de la tenue de route (dans son acception la plus large) notamment à des écarts, des reptations, et autres défauts dans le contact adhérent véhicule-route, du fait que la position relative du véhicule et de l'interface d'adhérence n'est pas maintenue constante de façon rigoureuse et univoque. L'invention concerne précisément un perfectionnement qui permet d'éliminer pratiquement ces phénomènes complémentaires d'instabilité, c'est-àdire de supprimer substantiellement la n labiliten structurale préjudiciable mentionnée, et surtout d'obtenir un accroissement surprenant de la souplesse, c'est-à-dire une réduction drastique du coefficient de frottement de roulement. D'une façon essentielle, ce perfectionnement porte sur la combinaison critique des conditions suivantes a) que la structure du pneumatique soit rigoureusement de type radial, notamment qu'elle comporte des éléments flexibles et résistant d'une manière inextensible à la traction (cordes ou câbles de carcasse) qui s'étendent d'un talon à l'autre et dont les extrémités sont ancrées à ceux-ci sur tout le développement périphérique externe des sections radiales b) que cette structure présente, essentiellement dans la région de la bande de roulement, une ceinture qui est inextensible au-delà de la dimension périphérique du pneumatiqtre non char gé c) que la section du pneumatique, projection sur des plans r-iaux, soit telle qu'aile présente sa dimension maximale en direction parallèle à son axe, sur la droite joignant lesdits talons. -Fe respect de ces conditions ci-dessus conduit à conférer au ynan=ieue considéré lorsqu'il n'est pas sous charge, une géométrie taller dans lesdites sections radiales, que ses flancs (c'est-àdire les parties de la carcasse comprises entre les talons et les bords de la ceinture) forment, entre leurs tangentes voisines des talons et le prolongement de la ligne de jonction de ceuxci, des angles externes de plus de 900, ladite géométrie étant préférablement choisie pour que ledit angle externe soit bien suparieur à 900, par exemple de l'ordre de llQ-1200 et même plus grand. En outre, le comportement élastique divers, dans les régions des flancs et respectivement de la ceinture, associé à la section projetée de la carcasse, confère auxdites sections radiales, sous les conditions d' équilibre résultant de I 'inextenstbilité des cordes radiales de la carcasse, un contour assimilable, en pre mièvre approximation, à une succession d'arcs de cercle qui comprend deux arcs de cercle symétriques à l'endroit des flancs, et un arc de cercle central, de plus grand rayon de courbure, à l'endroit de la ceinture de renforcement. La combinaison critique, sus-énoncée, desdites conditions permet d 'obtenir, respectivement et dans leur combinaison, les avantages suivants A) Les éléments flexibles, mais inextensibles, constitués par les cordes de la carcasse agissent, encore que dans leur condition courbée imposée par la pression intérieure, en tirants convergeant symétriquement des talons vers les bords de la ceinture (outre qu'ils agissent aussi en tirants rendant cette ceinture elle-mtme indéformable transversalement). La géométrie de la section peut être, d'une manière simplifiée, réduite à un trapèze isocèle dont la grande base se situe sur la ligne de jonction des talons, et la petite base sur la corde de la ceinture. Cette géométrie assure la stabilité vis-à-vis des sollicitations appliquées à l'interface roue-sol, dans des directions formant un angle avec la direction de marche, en particulier des directions transversales au plan médian de la roue, c' est-à-dire au plan dans lequel se situe la direction du roulage. B) La géométrie particulière du pneumatique, qui confère à celui-ci un rapport hauteur/largeur moindre que celui des pneumatiques traditionnels, donne au pneumatique une capacite de plus grande résistance pneumatique à la charge. Les phénomènes qui interviennent sous cet aspect géométrique de la section du pneumatique sont fort complexes. Ladite géométrie se traduit, an premier lieu, par un plus grand diamètre de calage des talons et une augmentation du rayon de courbure des flancs, qui sont pLus tendus ; ces deux qualités étant l'une et l'autre fonctions directes de la force portante du pneumatique.Par conséquent, à charge et pression égales, un pneumatique selon l'invention s'écrase, c'est- & dire se déforme dans une mesure beaucoup moins grande qu'un pneumatique de section traditionnelle ; cette déformation réduite se traduisant, à son tour, par une diminution importante, comme cala sera mieux expliqué ci-après, de la résistance au frottement de roulement. C) En outre, dans le pneumatique selon l'invention il devient possible d'augmenter la pression de gonflage, par exemple jusqu'à' 2,8-3 atm. sans influer négativement sur le confort de marche, attendu que la partie comprimée du pneumatique peut également absorber les irrégularités de la surface du sol, l'augmentation de la pression de gonflage permettant, évidemment, de réduire la largeur de la roue, donc de réduire la quantité de caoutchouc qui se déforme, ce qui fait diminuer encore davantage le travail en déformation. Ces caractéristiques et d'autres particularités de l'invention, et quelques unes des solutions techniques pouvant être adoptées pour sa mise en oeuvre, ainsi qu'une démonstration de principe des phénomènes dérivant de la réalisation des conditions énoncées plus haut, dans leur combinaison, ressortiront de la description détaillée qui va suivre ;; on se référera aux dessins annexés, dans lesquels Fig. 1 représente, en coupe suivant un plan radial, un exemple de roue pneumatique pertecticnnee selon l'invention, Fig. 2 représente en perspective et d'une façon fragmentaire, un mode préféré de réalisation de la roue à pneumatique per fectionnée, Fig. 3, 4 et 5 représentent, en vue de côté schématique, respectivement, un pneumatique de type classique radial et ceinturé par une ceinture pratiquement incompressible, un pneumatique de section traditionnelle mais équipé d'une ceinture moins rigide et, enfin, un pneumatique dans lequel la ceinture compressible moins rigide est associée à la géométrie particulière de la section dans des plans radiaux, pour réaliser dans leur ensemble les avantages de l'invention, Fig. 6, 7 et 8 représentent des vues en coupe diamétrale des pneumatiques des figures 3, 4 et 5 respectivement ; et Fig. 9 est un graphique montrant les effets obtenus grâce à la mise en oeuvre des conditions précitées et comparativement aux effets individuels de conditions correspondant à celles d'un pneumatique radial, ceinture, traditionnel. La figure I montre, à titre d'exemple, la section d'une roue à pneumatique dont la géométrie répond à un minimum des conditions nécessaires pour la mise en oeuvre de l'invention. Ce pneumatique comprend une jante rigide 10, de type approximativement traditionnel, mais plus large que celle adoptée couramment pour le montage d'un pneumatique d'égal diamètre extérieur.Dans l'exemple illustré, la roue à pneumatique perfectionnée comprend une chambre à air 12 et une enveloppe 14 de type radial, notamment du type comprenant une structure de renforcement, résistant à la pression intérieure, formée de cordes textiles ou de câbles métalliques 16 qui s'étendent, dans autant de plans radiaux étroitement rapprochés, entre les talons 18 de l'enveloppe, plus précisément entre les éléments dits tringles, 22, inextensibles, noyés dans lesdits talons et auxquels sont ancrées ou accrochées les extrén.-tês des coude ou des câbles 16 L'enveloppe comprend, en outre, une structure periphérique ou ceinture 28, qui se prolonge, en genéral, au-dessous de la bande de roulement 30, con venab lement sculptée. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la géométrie de la roue pneumatique est telle que cette dernière présente sa largeur maximale structurale dans le plan a (il s'agit, en réalité, d'un cylindre) de jonction des talons, plus précisément des tringles 22. Dans le sections radiales de ladite roue, en conséquence de la géométrie conférée originairement à la carcasse et par l'effet de la pression appliquée à l'intérieur, le contour de cette roue pneumatique, si l'on néglige d'en considérer la partie intérieure audit plan a (dans laquelle partie ledit contour est débinai rigidement par la jante 10), peut être considéré comme étant divisé en une portion centrale 24 (comprenant la ceinture 28 et la bande de roulement 3Q) et deux portions latérales symétriques 26 matérialisant les flancs du pneumatique lui-meme. En raison des conditions d'équilibre détermi6es par la pression interne et la présence de la ceinture, la géométrie des sections radiales de l'ensemble déformable comprend, par conséquent, trois arcs de cercle qui se joignent approximativement aux points B et C, définis avec une bonne approximation par les régions limitant latéralement la portion centrale renforcée, l'arc matérialisé par cette portion centrale' 24 ayant un rayon plus grand que les arcs matérialisant les deux portions latérales 26. D'un point de vue statique, la section de cette structure peut etre identifiée (en une première approximation) à un trapèze isocèle dont la grande base se situe dans le plan a et est comprise entre les tringles 22, la petite base dans le plan A-A oh les points B et C sont situés, et dont les cotés convergents sont définis par les cordes ou câbles des deux flancs 26. Les parties des éléments flexibles et résistant à la ten- sion, qui se situent dans les plans radiaux (c'est- -dire les parties des cordes ou câbles 16 incorporés aux flancs) agissent, par conséquent, en tirants qui s'opposent à des déplacements latéraux de la portion centrale ceinturée, en particulier aux déformations transversales que le pneumatique tend à subir sous l'effet de forces F s'exerçant dans le plan interfacial bande de roulement-sol. Ces forces sont, typiquement, celles engendres lorsque le véhicule parcourt des trajectoires courbes ou, de toutes façons, lorsqu'il fait des écarts ou autres changements de direction affectant la rectilinéarité de sa marche. Une condition essentielle pour obtenir les effets susdécrits est, évidemment, la convergence des flancs du pneumatique. En pratique, cette convergence peut être exprimee en termes de grandeur ou ampleur, supérieure en tout cas à 900 et préférablement d'au moins 1200, de l'angle externe s compris entre les prolongements a' et la tangente b' aux flancs, plus précisément aux tirants ou câbles 16 de l'armature radiale, à leurs points d'origine ou d'accrochage sur les tringles 22. Cette convergence assure que la résistance à la tension opposée par le renforcement radial présente une composante horizontale considérable dans ledit plan A-A. En considérant que les deux flancs de la section présentent une grande composante horizontale dans le plan de la ceinture, composante qui est notablement supérieure à la composante qui se produit dans un pneumatique normal radial du commerce, la ceinture peut être plus mince ou autrement peut etre réalisée avec des matériaux moins résistants et moins rigides. Il s'ensuit que la rigidité de la ceinture est inférieure et permet qu'on augmente la pression de gonflage, sans toutefois perdre le confort de marche. De l'augmentation de la pression découle une augmentation de la capacité de portée du pneumatique et ainsi une diminution de son écrasement, à égalité de charge. Un effet important dérivant d'une géométrie du type de celle décrite ci-dessus est qu'un pneumatique ayant une section répondant auxdites conditions, la charge et la pression de gonflage étant les mêmes, s 'écrase beaucoup moins qu'un pneumatique de section traditionnelle, et ce en raison du fait que les flancs, grâce à la nouvelle géométrie, sont assujettis à des variations de courbure plus convenables, et leur tension provoque d'une ma nière avantageuse la réaction qui est nécessaire pour reporter la charge Un pneumatique tel que défini plus haut, qui ne dépasse pas latéralement.des bords de la jante, est avantageusement monté sur une jante portant des saillies annulaires 32 de retenue qui forment un creux ou canal bien nettement défini avec les parties de bord externes 34 de ladite jante. En outre, les flancs 26 peuvent, d'une manière avantageuse, comporter eux-mêmes des saillies an nulaires 36 dépassant latéralement et s'étendant au-delà desdites parties marginales 34, pour empêcher, par exemple, le contact direct entre des objets extérieurs (bordures de trottoir, ou autres) et les constituants métalliques de la roue à pneumatique considé- rée. La figure 2 représente un mode préféré d'exécution de cette roue. Sur cette figure les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par les memes références affectées d'un signe "prime". Il convient de remarquer, par ailleurs, que dans ce mode préféré l'angle 0L est de beaucoup plus grand (par exemple de l'ordre de 1200-1300). D'un point de vue structural, un pneumatique perfectionné du type représenté sur figure 2, peut avantageusement présenter des différences considérables par rapport au pneumatique de la figure I lequel, indépendamment de sa géométrie caractéristique est d'une structure essentiellement traditionnelle. Par exemple, le pneumatique de la figure 2 est monté sur une jante 1Or à bords latéraux 42 de forme sensiblement en anneau plan, contre lesquels sont appuyées et serrées de lexterieur les parties marginales de la structure de la carcasse, c 'est-à-dire les parois correspondant aux talons du pneumatique, qui s'identifient aux parties recevant les tringles inextensibles 22' d'accrochage des cables ou cordes 16' de l'armature radiale. D'une manière avantageuse, lesdites parties marginales sont serrées contre les flancs latéraux 42 de la jante au moyen de pièces annulaires conformées 44 qui se fixent auxdits bords et parties latérales 42, par exemple à l'aide d'une couronne de boulons prisonniers filetés 46 et d'écrous 48, ou autres moyens équivalents. Les pièces annulaires 44 constituant les éléments les plus externes de la roue à pneumatique peuvent être avantageusement réalisés à partir d'un élastomère à haut degré de résistance aux chocs et aux abrasions, ou elles peuvent être enrobées d'un tel matériau. Une propriété caractéristique des pneumatiques dont les sections répondent aux conditions géométriques sus-spécifiées est celle, déjà mentionnée plus haut, de se déformer par écrasement dans une mesure moindre, et même considérablement moins importante, que les pneumatiques de section traditionnelle, et ce à éga- lité de charge et de pression intérieure (cette dernière étant, bien entendu, déterminée à l'avance en fonction de la charge en visage) Les figures 3 et 6 représentent schématiquement un pneumatique traditionnel, radial, ceinture, qui, sous l'effet d'une charge donnée et d'une pression intérieure donnée, s'écrase d'une mesure S correspondant à une valeur pour cent donnée du rayon de son contour, à pneumatique non chargé.Lorsqu'il est sous charge, le pneumatique s'aplatit, évidemment à l'interface I bande de roulement-sol et, de ce fait, l'arc x-y se transforme en sa corde (de flèche S) de plus court développement linaire. Sur la hase d'essais expérimentaux connus, on part de la présomption que, dans un pneumatique radial ceintur traditionnel, la charge, qui s'identifie avec le poids P appliqué à chaque roue à pneumatique du véhicule, est supportée en raison d'environ 4/5 par la résistance pneumatique (pression intérieure) et d'environ 1/5 par la résistance qu'oppose à la déformation la structure de la carcasse du pneumatique.Les augmentations de la capacité de résister aux charges sont linéairement proportionnelles ben pre mièvre mais suffisante approximation > Itecrasement pour cent Par conséquent, comme montré à titre d'exemple à la figure 9, on peut tracer, dans un système de coordonnées rectangulaire, avec, en abscisses, les charges ou poids supportés P et, en ordonnées l'écrasement pour cent S, une courbe, en l'espèce une demidroite OC, ayant son origine en O (à poids et écrasement zéro), qui constitue le lieu des points où pour chaque poids appliqué on a un écrasement correspondant.On supposera que la roue à pneumatique doit être chargée d'un poids P correspondant à la limite indiquée des abscisses, et qu'elle est déformée par écrasement d'une valeur S correspondant à la limite supérieure des ordonnées. Dans ce cas, 1'aire du triangle rectangle OCS représente le travail en déformation ; i 'aire hachurée OC'S (la valeur de C', en ahscisse, etant 1/5 environ de la valeur de C) représente le travail en déformation de la structure et dont un pour-cent n'est par restitué du fait qu'il est dissipé sous forme de chaleur dans la carcasse, deformee pratiquement dans sa totalité, du pneumatique traditionnel des figures 3 et 6, tandis que l'aire OCC' représente le travail en déformation de l'air comprimé dans la chambre à air. On supposera maintenant que l'on a un pneumatique de géométrie traditionnelle qui permette de monter une ceinture moins riguide En pareil cas, la rigidité de la carcasse est inférieure et, dans le diagramme de la fig. 9, la rigidité diminuée sera représentée par un segment SC" plus court que SC', tandis que le travail de déformation de la carcasse sera représenté par la surface du triangle OSCw. On considérera maintenant le cas d'une roue à pneumatique perfectionnée selon l'invention, avec ceinture moins rigide et ayant la géométrie illustrée en Fig. 2, qui est la forme de réalisation préférée. Dans ce cas, le poids P appliqué à la roue et les pressions internes étant les mêmes, l'écrasement en pour cent se réduit, par exemple, à la valeur de beaucoup plus petite S', et la demi-droite OK constitue le lieu des points où, pour chaque poids appliqué, on a un écrasement correspondant. Le travail en déformation total est alors circonscrit à l'aire du triangle OKS'. Le travail en déformation de la structure, dont un pour cent n'est pas restitué, est, par conséquent, défini par le triangle OK'S'. On s'aperçoit très facilement de la grande amélioration ap portée par l'invention au regard de la résistance au frottement de roulement, la réduction étant mise en évidence par le rapport, évaluable visuellement, entre l'aire OG'S et l'aire OK'S' ; il faut se rappeler, en fait, que la résistance au roulement est directement proportionnelle à la quantité de travail non restitué par effet d'hystérésis. A condition d'hystérésis égale, le coefficient de frottement de roulement est proportionnel au travail en déformation de la structure. R E V E N D I C A T I O s S l. Roue à pneumatique pour véhicules, dont la carcasse du pneumatique est établie avec une structure radiale formée d ' élé- ments flexibles mais inextensibles s'étendant de l'une à l'autre des tringles inextensibles prévues aux talons (ou parties marginales équivalentes dudit pneumatique), avec une section radiale dont la largeur maximale correspond à la ligne de jonction des tringles, roue caractérisée par la combinaison des éléments suivants : (a) une structure de type radial ; (b) une ceinture péri phérique ; et (c) une dimension transversale maximale se situant à l'endroit des lignes de jonction des tringles inextensibles servant d'ancrage aux éléments inextensibles de ladite structure radiale. 2. Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend, dans ses sections radiales extérieures aux lignes de jonction des tringles, des flancs flexibles, mais inextensibles, dont les tangentes à leur partie adjacente auxdites tringles formant, avec les prolongements desdites lignes de jonction, des angles supérieurs à 900. 3. Roue selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit angle extérieur est supérieur.à 1100, 4. Roue selon l'une des revendications i, 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle comporte des saillies annulaires, ne constituant pas des parties résistant à la pression, voisines de ses parties comprenant les tringles, -t dépassant latéralement dans une plus grande mesure que la jante. 5. Roue selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites saillies annulaires sont matérialisées par des pièces annulaires, ne faisant pas partie de la structure de la carcasse du pneumatique et reliées amoviblement aux parties latérales de la jante. 6. Roue selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdites pièces annulaires présentent, dans leurs sections et dans les plans radiaux de la roue, des parties conformées ou profilées complémentaires aux parties marginales de la carcasse recevant lesdites tringles, pour l'assujettissement stable de la carcasse du pneumatique à la jante.