Brevet FR2411018A1 — publié le 19790706

La présente invention a pour objet un nouveau ski en matériaux composites présentant d'excellentes caractéristiques vibratoires. Un bon ski doit répondre à des caractéristiques mécaniques très précises. La loi de rigidité en flexion et en torsion en chaque point drun ski doit être parfaitement définie. La forme du ski doit être telle que, combinée avec les rigidités en torsion et en flexion, elle permette d'améliorer le déclenchement et la conduite des virages. La résistance en flexion et en torsion doit être suffisante. Enfin, le ski doit présenter un comportement vibratoire satisfaisant : un bon ski, soumis à des chocs, doit vibrer de façon telle que la fréquence propre de ses vibrations soit élevée, que l'amplitude de la vibration sous un choc donné soit faible et que soit l'amortissement propre du ski/important. De nombreuses structures de skis proposées jusqu'à présent satisfont aux trois premières conditions, mais aucune ne permet de résoudre en plus, le problème des vibrations de façon satisfaisante. On connaft en particulier des skis comportant une structure composite constituée par unnorau en bois et/ou en mousse synthétique rigide, et/ou en structure alvéolaire chargée ou non, et/ou en matériaux polymérisés chargés ou non, compris entre deux peaux en tissu de verre imprégné par une résine. De tels skis présentent une bonne résistance en flexion et en t ors ion. Toutefois, ses caractéristiques vibratoires ne sont-pas satisfaisantes.Par ailleurs, le brevet français 2 099 443 décrit un ski constitué par un noyau en nid d'abeilles, une couche de fibres orientées dans le sens longitudinal du ski, sur les faces supérieures et inférieures du noyau, et au moins une couche de fibres enroulées hélicoijdalement autour du noyau muni de deux couches de fibres longitudinales. Un telle structure présente de bonnes propriétés mécaniques statiques, mais elle provoque la transmission aux carres d'une force longitudinale importante. Pour pallier à cet inconvénient, des carres particulières sont utilisées.Ces carres dont discontinues ou flexibles, formées de plusieurs torons métalliques enroulés hélicoidalement. Elles sont compliquées, fragiles aux chocs en biais, et alourdissent le ski sans augmenter sa rigidité, ce qui contribue principalement à diminuer les qualités vibratoires du ski. La présente invention a pour objet un nouveau ski léger, présentant de bonnes propriétés mécaniques et d'excellentes caractéristiques vibratoires. Le ski objet de la présente invention comporte une structure composite constituée par un noyau, une couche supérieure travaillante et une couche inférieure travaillante. La couche supérieure travaillante est constituée par un matériau dont le module d'élasticité dans le sens longitudinal du ski est inférieur à 4700 hbars ; de plus, le produit de ce module par la section de cette couche doit etre compris entre environ 140 000 hbarn x mm2 et environ 400 000 hbars x mm2.La couche inférieure travaillante est constituée par un matériau dont le module d'élasticité dans le sens longitudinal du ski est supérieur à 4 700 hbars ; de plus, le produit de ce module par la section de cette couche doit etre compris entre environ 130 000 hbars x mm2 et environ 530 000 habars x mm2. Le noyau est constitué par un matériau léger pour lequel la contrainte maximale admissible en cisaillement dans le sens longitudinal du ski est supérieure à environ 25 bars, et la contrainte maximale admissible en compression dans le sens vertical (lorsque le ski. est horizontal) est supéP rieure à environ 2lbars. La couche supérieure et la couche inférieure sont constituées par des matériaux différents car elle ne travaillent pas dans les memes conditions. La couche inférieure travaillante est liée par collage, d'une part au noyau central et, d'autre part à des carres inférieures métalliques, de préférence continues. La structure ainsi définie permet de faire passer dans les carres inférieures un flux d'effort relativement faible et donc d'avoir un ensemble formé par la couche supérieure, la couche inférieure, le noyau et les carrres qui soit cohérent, léger et qui présente d'excellentes caractéristiques vibratoires. Par ailleurs, la valeur critique de la variation relative d'allongement du matériau constituant la couche inférieure doit hêtre du meme ordre de grandeur ou supérieure à celle des carres. On utilisera pour cette couche inférieure un matériau constitué essentiellement par des fibres à haut module d'élasticité, éventuellement mélangées avec des fibres à bas module d'élasticité, les deux types de fibres étant orientées nalement par rapport au ski et imprégnées par une résine. Les fibres à haut module d'élasticité peuvent être réparties sur la totalité de la couche inférieure ; mais elles peuvent également être réunies en un ou plusieurs secteurs ne constituant qu'une partie de la couche, le reste de la couche étant constitué par les fibres à bas module d'élasticité. Pour améliorer la rigidité et la résistance en cisaillement de cette couche inférieure, on peut ajouter au matériau la constituant des fibres formant avec le sens longitudinal du ski un angle + d et un angle o( étant supérieur à 0 et inférieur ou égal à 900. Le meilleur résultat est obtenu lorsque 507c environ de ces fibres supplémentaires font un angle de 45" et 50% environ un angle de -45 par rapport au sens longitudinal du ski. Ces fibres supplémentaires ont -pour effet d'augmenter la rigidité et la résistance en torsion du ski. Parmi les fibres à haut module d'élasticité utilisables pour la couche inférieure, on préfèrera les fibres de bore, de carbone et de Kevlar. On peut utiliser des matériaux hybrides constitués par des fibres de nature différente, sous forme de tissus ou d'empilements par exemple. Il est intéressant d'utiliser pour cette couche inférieure des fibres de bore dans le sens longitudinal et des fibres de carbone ou de verre dans le sens oblique. Une autre solution, plus économique consiste à utiliser des fibres de Kevlar dans le sens longitudinal du ski et des fibres de verres perpendiculairement au sens longitudinal du ski. Le matériau de la couche supérieure doit présenter une bonne résistance à la compression et une rigidité inférieure à-celle du matériau de la couche inférieure. Il est constitué de préférence par des fibres à bas module d'élasticité imprégnées par une résine et orientées dans le sens longitudinal du ski. De meme que pour la couche inférieure, le matériau de la couche supérieure peut comporter en outre des fibres obliques dont environ 50% forment un angle ds et environ 50% un angle - oi avec le sens longitudinal du ski, ot étant supérieur à 0 et inférieur ou égal à 90". Ces fibres peuvent se présenter également sous forme de tissus ou dtempilements. Parmi les fibres à bas module d'élasticité, on peut citer les fibres de verre. Un matériau particulièrement avantageux pour la couche supé rieure est constitué par un tissu de verre imprégné par une résine, le tissu comportant 90% environ de fibres orientées dans le sens longitudinal du ski et environ 10% de fibres orientées dans le sens transversal. Dans les deux couches entourant le noyau, la résine imprégnant les fibres peut être une résine époxy ou une résine polyester. Le noyau a pour fonction essentielle de relier la couche supérieure à la couche inférieure. Il travaille donc principalement en cisaillement. IL travaille également en compression près des fixations du ski sur la chaus-- sure. Tout matériau présentant une bonne résistance au cisaillement et à la compression peut être utilisé pour la fabrication du noyau. Parmi ces matériaux, on peut citer les mousses rigides, le bois, les matières plastiques expansées chargées ou non et les structures alvéolaires. Mais on préfèrera tout particulièrement les structures à nid d'abeilles, que cette structure soit constituée par un alliage léger ou qu'elle soit constituée par une matière polymérique ou à base de cellulose. Les structures en nid d'abeilles possède un sens h, L, et W illustré par la figure 2.Pour le ski de la présente invention le sens h du- nid d'abeilles doit etre sensiblement vertical lorsque le ski est horizontal, pour supporter les efforts de compression. En général les matériaux dont on dispose ont des contraintes maximales admissibles en cisaillement et en compression fixées caractérisant le matériau. Pour une géométrie de ski donnée, pour des efforts donnés appliqués sur ce ski et pour un matériau donné, il est possible que la valeur critique du matériau soit en compression ou en cisaillement, c'est-à-dire que pour des efforts extérieurs donnés le matériau se détériore d'abord, soit en cisaillement, soit en compression. Dans une structure en nid d'abeilles de géométrie de maille donnée et d'épaisseur de paroi donnée, lorsque l'on considère un plan de cisaillement parallèle aux axes des alvéoles, la résistance au cisaillement est variable selon l'orientation des contraintes de cisaillement, et la contrainte maximale admissible dans le sens L est toujours supérieure à la contrainte maximale admissible dans le sens W. Il en résulte que, pour une structure donnée en nid d'abeilles à géométrie de maille hexagonale, si la contrainte de cisaillement est plus critique que la contrainte de compression, il est avantageux d'orienter le sens L du nid d'abeilles dans le sens longitudinal du ski pour ne pas augmenter l'épaisseur de la paroi du nid d'abeilles et donc pour avoir une masse minimale du noyau. Si la résistance en compression est plus critique que la résistance en cisaillement, alors l'orientation du sens du nid d'abeilles peut être quelconque et la masse du noyau ne dépendra pas de l'orientation du nid d'abeilles par rapport au ski, (le sens h restant sensiblement vertical lorsque le ski est horizontal). Dans ce dernier cas, il peut être moins motteux de placer par exemple le sens L du nid d'abeilles perpendiculairement au sens long du ski. Dans le cas où la résistance maximale admissible en cisaillement est plus critique que la résistance maximale admissible à la compression, il peut etre avantageux de sous-expanser le nid d'abeilles, ce qui a pour effet d'augmenter la résistance maximale admissible en cisaillement sans changer la résistance maximale admissible en compression.Dans ce cas on a alors un matériau plus optimal car critique à la fois en cisaillement et en compression. Dans tousses cas, le nid d'abeilles peut être rempli localement de colle ou de mousse, dans le but de faciliter l'usinage des parties minces, des champs, la mise en place des fixations, ou pour changer la loi de répartition de masse le long du ski. Les skis de la présente invention sont illustrés par les figures 1 à 3. La figure 1 est une élévation latérale d'un ski dont le noyau en nid abeilles est profilé dans le sens du ruban conformément au profil longitudinaI du ski. La figure 2 représente une structure en nid d'abeilles. La figure 3 représente une vue de la structure de la figure 1 suivant la coupe I-I. Un ski préféré selon l'invention est constitué par un noyau en nid d'abeilles l, une couche supérieure travaillante 2, une couche inférieure travaillante 3. Les sens L, W et h du nid d'abeilles sont représentes sur la figure 2. La couche supérieure 2 est collée sur la structure en nid d'abeilles I et protégée contre les coups et les chocs, par une couche superficielle 4, de préférence en copolymère acrylonitriîe-butadiene-styrene, et par des carres supérieures 5, en métal eu en matiere plastique. La couche inférieure 3 est également colle sur la structure en nid d'abeilles. Elle est liée par collage aux carres métalliques 6 et à une semelle glissante 7.Les champs 8 sont réalisés par remplissage local de résine à l'intérieur du nid d'abeille ou collage d ' ac rylonitrile -butadiène styrène. Pour fabriquer les skis selon la présente invention, on fabrique tout d'abord les couches supérieure et inférieure. Ensuite, l'on colle les carres métalliques et la semelle glissante sur la couche inférieure. On remplit localement le nid d'abeilles par une colle à basse densité, notamment aux parties correspondant aux champs et aux fixations. On colle l'ensemble constitué par les carres, la semelle glissante et la couche inférieure- sur le nid d'abeilles qui est ensuite usiné au profil souhaité. Pour terminer, on colle sur la partie supérieure du nid d'abeilles la couche supérieure, les carres de protection et la couche superficielle en copolèmère acrylonitrile butadiène-styrène, puis l'on effectue les ponçages et les peintures terminaux. Une variante du procédé de fabrication d'un ski selon l'invention consiste à fabriquer la couche supérieure et la couche inférieure en une seule pièce. A cet effet, on prépare un rectangle de tissu de fibres à bas module d'élasticité, la longueur du rectangle correspondant à la longueur du ski, la largeur du rectangle correspondant au périmètre de la section du noyau. La bande centrale du rectangle ayant pour longueur la longueur du ski et pour largeur la somme de la largeur du noyau et de deux épaisseurs du noyau, est destinée à recouvrir la face supérieure du noyau et les champs. Les deux bandes latérales restantes sont renforcées par des fibres à haut module d'élasticité parallèles à la longueur du rectangle, et constituent la couche inférieure travaillante. On entoure le noyau partiellement rempli de colle, à l'aide de ce tissu de fibres imprégnées de résine, puis l'on fixe les carres, la semelle glissante et la couche superficielle de la même manière que dans le procédé précédent. Les skis selon la présente invention présentent des propriétés mécaniques statiques comparables à celles de skis existants ; les caractéristiques de raideur, notamment, sont sensiblement les memes que celles des meilleurs skis de compétition actuels. Toutefois, les caractéristiques vibratoires ont été nettement améliorées, en particulier la fréquence propre, l'amplitude maximale sous un choc donné et l'amortissement propre. On a comparé les caractéristiques des skis selon l'invention, à celles d'un ski de l'art antérieur. A cet effet, on a construit deux caissons d'essais qui réagissent de la meme façon que les skis de structure corres pondantes et qui ont la forme représentée à la figure 4. La coupe suivant -11-11 de la figure 4 peut également hêtre représentée par la figure 3.Le caisson n l, ayant une structure analogue à celle des skis selon l'invention est limitée par une face inférieure rectangulaire de l 10Gmm x 80mm, une petite face extrême rectangulaire 9 de 80 mm x 7, 6 mm, une grande face extreme rectangulaire de 80 mm x 27 mm, deux faces latérales en forme de trapèze zectangle-lO, de base 1 100mm, de grand côté 27 mm et de petit côté 7, 6 mm5 et par une face rectangulaire supérieure 11. Ce caisson n" I a été fabriqué suivant le procédé décrit précédemment pour le ski selon l'invention, le nid d'abeilles étant usiné pour obtenir le caisson fini représenté par la figure 4.La structure interne telle que visible suivant une coupe II-II de la figure 4 est analogue à celle représentée sur la figure 3. La couche supérieure travaillante a une épaisseur de 0, 8mm; elle est constituée par un tissu de verre dont 90% des fibres sont orientées dans le sens longitudinal du ski et 10% dans le sens transversal, imprégné par une résine époxy. La couche inférieure travaillante a une épaisseur de 0, 4 mm, elle est constituée par une couche de.0, 2 mm d'épaisseur de fibres de bore orientées dans le. sens longitudinal du ski et par une couche de 0, 2 mm d'épaisseur de fibres de carbone orientées à +45 et à -45" par rapport au sens longitudinal du ski. Le noyau est constitué par une structure en nid d'abeilles en alliage d'aluminium. Son épaisseur varie de 3, 6mm à 23mm entre les deux extrémités du caisson. Le caisson n 2-, ayant une structure conforme à un ski de l'art antérieur, a la même forme que le caisson n"l, Toutefois, certaines de ses dimensions sont légèrement différentes pour que, étant données les différences de structure entre le caisson no 1 et le caisson n 2, les caractéristiques mécaniques statiques, notamment les raideurs de flexion et de torsion, soient sensiblement les mêmes. Le caisson n"2 est limité par une face inférieure rectangulaire de 1 100 mm x 80 mm, une petite face extrême rectangulaire 9 de 80 mm x 8, 4 mm, une grande face extrême rectangulaire de 23, 4 x 80mm, deux faces latérales en forme de trapèze rectangle 10, de base 1100 mm, de grand côté 23, 4mm et de petit cOté 8,4 mm, et par une face rectangulaire supérieure 11. Ce caisson est constitué par un noyau en bois et en mousse synthétique 1 compris entre deux couches travaillantes 3 et 5 d'une épaisseur de îmm, constituées par un tissu de verre analogue au tissu de verre de la couche supérieure du caisson n" 1. L'épaisseur du noyau du caisson varie entre 3, 6 mm et 18, 6mm entre les deux extrémités du caisson. Les caissons n" 1 et n" 2 comportent chacun en outre, une semelle de glissement et des carres d'une épaisseur totale de 2mm sous la couche inférieure travaillante et une couche de protection d'une épaisseur de 0, 8mm en copolymère acrylonitrile-butadiène-styrène sur la couche supérieure travaillante. Diverses mesures ont été effectuées sur les deux caissons 1. Le poids, 2. La flexion. Pour cette mesure, l'extrémité épaisse du caisson représenté à la figure 4 est encastrée entre deux mors sur une longueur de 230mm. Une force de 100 Newton est appliquée à 50mm de l'extrémité mince 9 et on mesure la flèche qui en résulte, 3. La torsion. Pour cette mesure, le caisson est encastré de la meme manière que précédemment. Un couple de 1 daNm est ap-. pliqué à l'extrémité mince 9 et on mesure la flèche qui en résulte à une distance de l'axe du ski égal à 450 mm, 4. La fréquence propre, 5. L'amortissement propre qui est la durée nécessaire pour qu'une amplitude de la vibration soit réduite de moitié. Les résultats sont regroupés dans le tableau suivant Caisson n 1 Caisson n 2 Poids 855 g 1 215 g Flexion 39 mm 45 mm Torsion 80 70 Fréquence propre 21 , 6 Hz 17 Hz Amortissement propre 0, 32 s 0,45 s I1 apparait que le caisson ayant la structure du ski selon l'invention présente un gain de poids d'environ 30%, une amélioration de la fréquence propre et de l'amortissement propre respectivement de 25% et 30%. REVENDICATIONS e 1. Ski comportant une structure composite constituée par un noyau, une cou che supérieure travaillante et une couche inférieure travaillante, carac térisé en ce que, - la couche supérieure travaillante est constituée par un matériau dont le module d'élasticité dans le sens longitudinal du ski est inférieur à 4 700 hbars et sa section est telle que le produit de la section par le module d'élasticité soit compris entre environ 140 000 hbars x mm2 et 400 000 hbars x mm2, - la couche inférieure travaillante est constituée par un matériau dont le module d'élasticité dans le sens longitudinal du ski est supérieur à 4 700 hbars et sa section est telle que le produit de la section par le module d'élasticité soit compris entre environ 130 000 hbars x mm2 et 530 000 hbars x mm2 - le noyau est constitué par un matériau léger pour lequel la con trainte maximale admissible en cisaillement dans le sens longi tudinal du ski est supérieure à environ 25 bars, et la contrainte maximale admissible en compression dans le sens vertical est supérieure à environ 21 bars. 2. Ski selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constituant lascouche inférieure travaillante est formé principalement par des fibres à haut module d'élasticité imprégnées par une résine et orientées dans le sens longitudinal par rapport au ski. 3. Ski selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau comporte en outre des fibres à bas module d'élasticité orientées dans le sens longi tudinal du ski. 4. Ski selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les fibres à haut module d'élasticité sont réparties sur la totalité de la couche inférieure. 5. Ski selon la revendication 3, caractérisé en ce que les fibres à haut mo dule d'élasticité sont réunies en un ou plusieurs secteurs ne constituant qu'une partie de la couche inférieure, le reste de la couche étant consti tué par des fibres à bas module d'élasticité. 6. Ski selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche inférieure travaillante comporte en outre des fibres formant avec le sens longitudinal du ski un angle et un angle - O(, o( étant supérieur à 0 et inférieur ou égal à 90". 7. Ski selon la revendication 2, caractérisé en ce que les fibres à haut mo dule d'élasticité sont choisies parmi les fibres de bore, de carbone et de kevlar. 8. Ski selon la revendication 6, caractérisé en ce que les fibres orientées dans le sens longitudinal du ski sont des fibres de bore et les fibres orien tées à +450 sont des fibres de carbone. 9. Ski selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche supérieure travaillante est principalement formé par des fibres à bas module d'élasticité imprégnées par une résine et orien tées dans le sens longitudinal du ski. 10. Ski selon la revendicatin 9, caractérisé en ce que le matériau constituant la couche supérieure travaillante comporte en outre des fibres formant avec le sens longitudinal du ski un angle cl et un angle - o(, étant supé- rieur à 0 et inférieur ou égal à 90". 11. Ski selon la revendication 9, caractérisé en ce que les fibres à bas modu le d'élasticité sont des fibres de verre. 12. Ski selon la revendication 11, caractérisé en ce que la couche supérieure est constituée par un tissu de verre dont 90% environ des fibres sont orientées dans le sens longitudinal du ski et 10% environ dans le sens transverse. 13. Ski selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau léger cons tituant le noyau est chois armai les mousses rigides, le bois, les ma tières plastiques expansées chargées -ou non, les structures alvéolaires. 14. Ski selon la revendication 13, caractérisé en ce que la structure alvéo laire est une structure en nid d'abeilles. 15. Ski selon la revendication 14, caractérisé en ce que la structure en nid d'abeilles est constituée par un alliage léger, un polymère ou une ma tière à base de cellulose. 16. Ski selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que les cavités de la structure en nid d'abeilles comportent un garnissage partiel ou total.