Brevet FR2459922A1 — publié le 19810116

L'invention concerne des axes destinés à des mécanismes à mouvements alternatifs articulés au moyen d'un axe, et elle a trait plus particulièrement à des axes de pistons légers et armés de fibres. Des structures composites légères, à grande résistance, sont utilisées dans des applications toujours plus diverses, en particulier dans le cas o les avantages résultant de l'utilisation de ces matériaux compensent nettement les coûts généralement plus élevés desdits matériaux. Un domaine d'utilisation croissante de matériaux composites est constitué par les pièces de véhicules auto- mobiles o l'emploi.d'éléments légers et de-grande résistance peut se traduire par des diminutions de consommation de carburant. Des exemples de telles pièces légères et de grande résistance comprennent des ressorts plats, des barres stabilisatrices, des éléments de carrosserie, etc. Un autre domaine possible d'application pour structures composites légères et à grande résistance, destinées aux véhicules automobiles, est constitué par des mécanismes à mouvements alternatifs articulés autour d'un axe, tels que des axes de pistons et autres. Par exemple, environ 50 % des forces rencontrées par une pièce de moteur exécutant un mouvement alternatif résultent du propre poids dé cette pièce. Une diminution du poids entraîne donc une diminution de la charge et ceci permet de réduire davantage le poids et d'accroître le rendement. De nouveaux axes légers et à grande résistance, destinés à être utilisés comme éléments à mouvements alterna- tifs à articulation autour d'un axe, peuvent trouver des utilisations possibles dans d'autres domaines. Par exemple, lorsque les performances du moteur sont d'une importance primordiale, comme c'est le cas entre autres des voitures de course, des axes de pistons composites et autres peuvent conduire à une augmentation de la puissance de sortie pour un moteur de conception donnée. Même de petits moteurs utilisés, par exemple, sur des tronçonneuses et autres appareils peuvent être sensiblement améliorés par l'utilisation de pièces légères et à grande résistance. Les vibrations, qui éprouvent physiquement l'utilisateur de ces mécanismes, peuvent être sensiblement réduites par l'utilisation d'axes plus légers pour de tels éléments à mouvements alternatifs, articulés autour d'un axe. Il est possible que des axes à mouvements alternatifs, légers et de grande résistance, apportent des avantages de fonctionnement et de coûts consi- dérables pour des compresseurs. Malgré cette multitude d'utilisations possibles de pièces légères et composites, exécutant des mouvements alternatifs, les progrès enregistrés dans le domaine du développement d'éléments composites convenables à mouvements alternatifs sont très -léger-s.--En-ce--qui-concerne les axes de- piston, à titre d'exemple particulier, les températures élevées et les charges importantes et répétées, exercées sur de telles pièces, ont empêché le développement industriel d'axes de piston légers et à grande résistance. Brièvement décrite, l'invention concerne un axe destiné à un mécanisme articulé à l'aide de cet axe, en par- ticulier un axe de piston destiné à un moteur à mouvement alternatif, cet axe étant constitué d'un manchon métallique tubulaire qui- entoure une âme en résine armée de fibres. D'une manière générale, les fibres de l'âme sont des fibres continues qui sont orientées de manière à former un angle compris sensiblement entre environ 0 et + 250 par rapport à la direction longitudinale de l'axe. Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, les fibres continues de l'âme en résine armée de fibres forment des plis croisés formant un angle compris entre environ 5 et 120 avec la direction centrale longitudinale de l'axe. Selon une autre caractéristique de la présente invention, l'axe perfectionné, destiné à un mécanisme à mou- vement alternatif articulé autour de cet axe, est fabriqué par formation d'une âme à armature de fibres, comportant des fibres continues qui sont orientées de manière à former un angle prédéterminé, compris généralement entre environ 0 et + 250, avec l'axe longitudinal de l'âme, et par introduction de l'âme dans un manchon tubulaire métallique, le manchon et l'âme étant dimensionnés de manière que l'âme s'emmanche étroitement dans le manchon tubulaire. L'ensemble est ensuite chauffé à des températures élevées et pendant des durées suffisantes pour provoquer un durcissement consécutif de la résine à l'intérieur du manchon métallique tubulaire. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel - la figure 1 est une coupe longitudinale de l'axe de piston selon l'invention; - la figure 2 est une coupe longitudinale d'une forme préférée de réalisation de l'axe de piston selon l'in- vention; - la figure 3 est une vue en perspective, avec arrachement partiel, montrant un procédé préféré de fabrica- tion de l'âme de l'axe selon l'invention; et - la figure 4 est une vue en perspective, avec coupe partielle, montrant le procédé de fabrication d'une forme préférée de réalisation de l'axe de piston selon l'in- vention. Comme indiqué précédemment, l'invention concerne un axe composite destiné à des mécanismes à mouvement alter- natif articulés autour de cet axe. Etant donné qu'une forme particulièrement préférée d'application de l'axe selon l'invention est un axe de piston destiné à des moteurs à combustion interne, l'invention sera décrite dans son appli- cation particulière à un tel axe de piston. Il est cependant évident que cette application n'est indiquée qu'à titre d'exemple illustratif et nullement limitatif. Il convient de noter que sur les différentes figures, les mêmes références numériques sont utilisées pour désigner les pièces correspondantes. L'axe 10 de piston selon l'invention est cons- titué d'une âme ou d'un noyau armé de fibres, pouvant être une âme pleine 11 (figure 1), mais de préférence une âme tubulaire 12 (figure 2). Cette âme Il ou 12 est emmanchée dans un manchon métallique tubulaire 14. Le manchon métallique 14 peut être constitué par l'un quelconque de nombreux métaux et alliages métalliques 4 245992Z tels que l'acier, l'aluminium et le titane. Le manchon métallique est de préférence constitué d'un tube d'acier, par exemple du type "4130", qui a été soumis à un traitement thermique afin d'avoir une résistance appropriée et une certaine dureté Rockwell. Par exemple, lorsque l'usure n'est pas aussi importante que la résistance, le manchon métallique peut être chauffé afin d'avoir une résistance finale de 1400 MPa. Si l'usure est plus importante, le manchon métallique 14 est chauffé de manière à avoir une dureté Rockwell de C-55 ou C-56, par exemple. L'amplitude du traitement thermique dépend évidemment de l'utilisation à laquelle l'axe est destiné. Le procédé de traitement thermique est bien connu de l'homme de l'art et n'entre pas dans le cadre de l'invention. L'âme 11 ou 12 de l'axe 10 de piston selon l'invention est constituée d'une résine armée de fibres. En pratique, les fibres sont des fibres continues et elles sont choisies parmi des matières classiques formant des armatures de fibres, par exemple du bore, du carbone, du graphite, du verre, des polyaramides et leurs mélanges. Cependant, il est préférable que-les fibres soient choisies entre le carbone et le graphite, et plus particulièrement qu'elles soient des fibres de carbone et de graphite ayant un module d'élasticité d'environ 224.109 MPa et une résistance à la traction d'environ 2800 MPa ou plus. Comme indiqué dans le présent mémoire, les fibres continues sont noyées dans une matrice de résine. D'une manière générale, il est possible d'utiliser toute résine telle que des résines thermoplastiques et thermodurcis- sables, bien qu'il soit avantageux que la matrice de résine soit constituée d'une résine thermodurcissable. Les résines thermodurcissables convenables comprennent les résines époxy, polyimides et polyester. Les résines époxy sont des polyépoxydes qui sont des produits ou des composés bien connus de condensation renfermant des noyaux oxirane, la condensation étant réalisée avec des composés portant des groupes hydroxyle ou des atomes d'hydrogène actifs tels que des amines, des acides et des aldéhydes. Les composés de résine époxy les plus communs sont ceux de l'épichlorhydrine et du bisphénol et ses homologues. Les résines polyesters sont des produits de polycondensation de polyacides et d'alcools polyhydroxyliques. Des polyesters typiques comprennent des polytéréphtalates tels que le téré- phtalate de polyéthylène. Les résines polyimides sont dérivées du dianhydride pyromellitique et de diamines aromatiques. La quantité de fibres contenues dans la résine varie suivant le choix de la ou des fibres, et les caracté- ristiques de résistance et de poids de la pièce finie, etc. En général, dans le cas d'un axe de piston de moteur à combustion interne, on utilise d'environ 50 % à environ 65 % en volume, et de préférence de 60 % à environ 65 % en volume de fibres de carbone dans la résine. Il est notamment préfé- rable d'utiliser de 60 à 65 % en volume de fibres continues de carbone ou de graphite dans une matrice de résine époxy. Il est évident que des brins orientés de façon aléatoire et provenant de filaments de fibres peuvent également être utilisés. Dans le cas o l'on utilise des fibres à orientation aléatoire, au moins plus de la moitié des fibres contenues dans l'âme 11 ou 12 à matrice de résine armée de- fibres constitue une matière d'armement comprenant des fibres continues ayant une orientation spécifique. Les fibres continues incorporées dans l'âme 11 ou 12 de l'axe de piston selon l'invention sont orientées de manière à former avec l'axe longitudinal de l'âme un angle prédéterminé compris d'une manière générale entre environ 0 et + 250. Il est en fait particulièrement avantageux que les fibres continues soient orientées de manière à former avec l'axe longitudinal de l'âme un angle compris entre environ + et environ + 12 . Il convient de noter que la notation "+"I indique que les fibres forment des plis croisés, c'est-à-dire que dans le cas d'un angle d'orientation de + 10 , par exemple, la moitié des fibres sont orientées sous un angle de +100 et l'autre moitié sous un angle de -10 par rapport à l'axe longitudinal de l'âme. Cette orientation en plis croisés apparaît, par exemple, sur les figures 3 et 4. 6 2459922 Lors de la fabrication de l'axe de piston selon l'invention, une âme 11 ou 12 est réalisée de manière à contenir des fibres 21 formant l'angle demandé d'orientation par rapport à la direction longitudinale de cet axe. Par exemple, lorsque les fibres de l'âme doivent être orientées de manière à former un angle de 0 avec la direction longitu- dinale de l'axe de piston, on fait passer les fibres continues dans un mélange résineux approprié dans lequel les fibres s'imprègnent d'une quantité appropriée de résine, puis dans une filière o les fibres et la résine se solidifient et durcissent en formant une âme cylindrique dans laquelle les fibres sont orientées sous un angle de 0 par rapport à l'axe longitudinal de cette âme. Le bain de résine dans lequel les fibres sont tirées peut contenir facultativement des brins provenant de filaments de fibres afin que l'âme cylindrique obtenue renferme des fibres à orientation aléatoire ainsi que des fibres continues orientées à 0 par rapport à l'axe longitudinal de cette âme. Dans le cas o les fibres de l'âme forment des plis croisés ayant un angle d'orientation prédéterminé, comme c'est le cas- d'une forme particulièrement avantageuse de réalisation de l'invention, l'âme est réalisée au moyen de plusieurs feuilles de fibres unidirectionnelles, continues et imprégnées de résine, ces feuilles étant tout d'abord découpées suivant une configuration plane et prédéterminée, généralement en forme de rectangle. Les feuilles sont ensuite disposées de manière à reposer les unes sur les autres et à former un empilage afin que les fibres des couches adjacentes forment des plis croisés entre elles. Par exemple, comme montré sur la figure 3, les fibres unidirectionnelles 21 des diverses couches constituées par les feuilles 14, 15, 16 et 17 sont orientées sous un angle prédéterminé et particulier par rapport à l'axe longitudinal des feuilles. Dans le cas des couches 14 et 16, les fibres 21 forment un angle spéci- fique Gl avec l'axe longitudinal de la feuille. Dans le cas des couches 15 et 17, les fibres sont orientées de manière à former un angle spécifique G2 avec l'axe longitudinal. Les valeurs des angles el et G2 sont les mêmes, mais leurs sens sont différents. Etant donné que les diverses couches formées par les feuilles sont également alternées, les fibres des couches adjacentes forment des plis croisés les unes par rapport aux autres. Ces feuilles sont ensuite enroulées autour d'un mandrin tel que celui représenté en-25. Après que cet enroulement a été réalisé, les feuilles sont maintenues en place sur le mandrin au moyen d'un ruban de cellulose ou d'un outil de forme appropriée qui constitue, en fait, un moule. L'ensemble est ensuite chauffé afin d'amener la résine à maturation. La température à laquelle l'ensemble est chauffé pour provoquer la maturation dépend évidemment d'un certain nombre de facteurs qui comprennent le type de résine utilisée pour imprégner les fibres. Ces températures sont bien connues. D'une manière générale, dans le cas de fibres impré- gnées de résine époxy, la température est comprise entre environ 100 et 1800C, et elle est de préférence d'environ 1801C. De même, la durée du chauffage dépend de la tempéra- ture de maturation utilisée pour la résine particulière employée. Après la maturation, l'ensemble est retiré du moule, le mandrin est enlevé et l'âme résultante est introduite dans le manchon métallique tubulaire 14. Etant donné qu'un certain nombre de plis ou de couches formés des feuilles armées de fibres et entrant dans la constitution de l'âme 12 sont utilisés en quantités suffi- santes pour produire une âme ayant un diamètre assez grand pour pouvoir s'ajuster étroitement à l'intérieur du manchon 14, il est parfois nécessaire de meuler la surface extérieure de l'âme cylindrique 12 afin de permettre son emmanchement dans le manchon 14 avec le serrage demandé. Il est évidemment très souhaitable de surdimensionner légèrement l'âme, puis de la soumettre à une rectification sans centre pour assurer à cette âme 12 les dimensions nécessaires à son ajustement étroit à l'intérieur du manchon 14. Facultativement, avant l'introduction de l'eme 11 ou 12 dans le manchon 14, un adhésif peut être appliqué sur la surface intérieure du manchon 14, sur la surface exté- 8 2459922 rieure de l'âme ou sur les deux surfaces. Typiquement, un adhésif époxydique du type en pâte thixotropique est utilisé, par exemple un adhésif du type Hysol, EA 929, commercialisé par la firme Hysol Division of Dexter Corporation, Pittsburgh, Californie, Etats-Unis d'Amérique. Après que l'âme a été introduite à la presse dans le tube métallique 14 comme montré sur la figure 4, l'ensemble est chauffé, par exemple dans un four, afin qu'il soit procédé à une post-maturation et à l'élimination des contraintes. Ainsi, l'ensemble est porté à des températures comprises entre environ 125 et 1750C, la température étant de préférence égale à 1500C, pendant des durées comprises entre environ 12 et 20 heures, et de préférence entre 14 et 18 heures. Après l'opération de post-maturation, l'ensemble peut être meulé afin de présenter un chanfrein et un diamètre extérieur uniforme si cela est nécessaire. L'invention sera davantage décrite dans les exemples suivants. EXEMPLE 1 - On réalise un axe de piston pour un moteur de véhicule automobile à huit cylindres de faibles dimensions, suivant le procédé décrit précédemment. L'axe de piston (manchon et âme) présente une longueur de 76,4032 mm. L'âme 12 a un diamètre intérieur de 12,70 mm et un diamètre extérieur d'environ 22,0345 mm. Le diamètre extérieur du manchon 14 est compris entre 23,5483 et 23,5509 mm. Le diamètre intérieur du manchon 14 est suffisant pour réaliser un ajustement étroit de l'âme 12 lorsque cette dernière est introduite à la presse dans le manchon. Ce manchon 14 est réalisé en acier du type "14130" ayant une dureté Rockwell de C-56. Un chanfrein intérieur à 450 est réalisé à chaque extrémité du manchon 14. L'âme 12 est constituée d'une résine époxy armée de fibres continues de carbone. L'angle d'orien- tation des fibres continues est de + 100. L'axe ainsi réalisé s'avère plus léger de 50 % que l'axe de piston classique réalisé entièrement en métal. L'axe est essayé dans une machine d'essai de fatigue à asservissement hydraulique et il ne présente pas de rupture après 1 million de cycles. EXEMPLE 2 Dans ce cas, on réalise, par la mise en oeuvre du procédé décrit précédemment, un axe de piston destiné à un moteur de course à un seul cylindre. L'axe (âme et manchon) a une longueur de 48,3 mm. L'âme 12 présente un diamètre inté- rieur de 3,175 mm et un diamètre extérieur de 11,43 mm. Le diamètre extérieur du manchon 14 est de 12,45 mm. L'âme est introduite à la presse dans le manchon et elle est maintenue étroitement. Le manchon 14 est soumis à un traitement thermique lui donnant une résistance finale de 1400 MPa et une dureté Rockwell de C-44. Un chanfrein intérieur de 450 est réalisé aux deux extrémités du manchon 14. L'âme 12 est réalisée en fibres continues de carbone noyées dans une matrice époxy. L'orientation des fibres de l'âme est de + 100. L'axe produit présente une économie de poids de 33 %. Cet axe est essayé en pratique dans un véhicule de course et il ne présente pas de défaillance au bout d'un million de cycles. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'axe décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. g459922 REVENDICATIONS 1. Axe destiné à un mécanisme à mouvement alter- natif articulé autour de cet axe, caractérisé en ce qu'il comporte un manchon métallique tubulaire (14) entourant une âme (11 ou 12) en résine armée de fibres, au moins 50 % desdites fibres étant des fibres continues orientées sous un angle prédéterminé par rapport à la direction longitudinale de l'axe. 2. Axe selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres sont orientées de manière à former un angle compris entre environ 0 et environ + 250 avec la direction longitudinale. 3. Axe selon la revendication 2, caractérisé en ce que le manchon est réalisé dans un métal choisi entre l'aluminium, le titane et l'acier et leurs alliages. 4. Axe selon la revendication 3, caractérisé en ce que les fibres continues sont choisies dans le groupe comprenant le carbone, le bore, le graphite, le verre, des polyaramides et des mélanges de ces substances. 5. Axe selon la revendication 4, caractérisé en ce que toutes les fibres sont des fibres continues de carbone et sont orientées de manière à former un angle compris entre environ + 5 et environ + 120. - 6. Axe selon la revendication 5, caractérisé en ce que la résine est une résine époxy. 7. Procédé de fabrication d'un axe destiné à un mécanisme à mouvement alternatif articulé autour de cet axe, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une âme en résine armée de fibres renfermant au moins 50 % de fibres continues qui sont orientées sous un angle prédéterminé compris entre environ 0 et environ + 250 par rapport à l'axe longitudinal de l'âme, à introduire ladite âme dans un manchon métallique tubulaire, ce dernier et l'âme ayant des dimensions prédéter- minées afin que l'âme s'ajuste de manière serrée à l'intérieur du manchon, et à chauffer l'âme et le manchon à des températures élevées et pendant une durée suffisante pour provoquer une post-maturation de la résine de l'âme. il 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser plusieurs feuilles de fibres continues, unidirectionnelles, imprégnées de résine, ces feuilles ayant une configuration plane prédéterminée et lesdites fibres étant orientées de manière à former un angle prédéterminé avec l'axe longitudinal de ladite configura- tion, cet angle étant compris entre environ 0 et environ 250, à disposer les feuilles les unes sur les autres, suivant des orientations qui alternent afin de constituer une stratifica- tion dans laquelle les fibres des feuilles adjacentes forment des plis croisés lorsque ledit angle est supérieur à 0 et dans laquelle lesdites fibres des feuilles adjacentes sont unidirectionnelles lorsque l'angle est égal à 0 , à enrouler ladite stratification autour d'un mandrin, à chauffer l'ensemble ainsi formé afin d'amener la résine à maturation, à permettre à cet ensemble de refroidir jusqu'à la température ambiante, puis à enlever le mandrin afin de former une âme armée de fibres. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites fibres sont choisies dans le groupe comprenant le carbone, le bore, le graphite, le verre, les polyaramides et des mélanges de ces substances. 10. Procédé selon la revendication 9, caracté- risé en ce que l'ensemble est chauffé à une température comprise entre environ 1000C et environ 1800C pendant une durée suffisante pour amener la résine à maturation.