Brevet FR2461163A1 — publié le 19810130

i L'invention se rapporte aux ressorts hélicoïdaux armés de fibres et plus particulièrement à des ressorts perfectionnés de ce type destinés en particulier à des applications dans lesquelles ils subissent uniquement des efforts de traction ou uniquement des efforts de compression. Il est bien connu que l'industrie des véhicules automobiles est largement dépendante des sources de pétrole dont est tiré le carburant. Il est dans l'intérêt du gouvernement, de l'industrie et des consommateurs d'accroître le rendement du carburant utilisé dans les véhicules automobiles afin de compenser l'augmentation du prix de ces carburants tout en préservant les ressources en pétrole; ce facteur a conduit à pousser les recherches en vue de réaliser de nouveaux composants légers permettant d'accroître le rendement des véhicules automobiles. Un type de structure composite légère et à grande résistance mécanique destinée à être utilisée dans les véhicules automobiles consiste en ressorts hélicoïdaux destinés aux systèmes de suspension et aux lève-soupapes et analogues. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 2 852 424 décrit un procédé de production d'un ressort hélicoïdal de matière plastique armée, ce procédé consistant à tirer un tronçon de mèche de filaments de verre ou stratifil dans un bain de résine liquide à l'intérieur d'un tube souple. Le tube est ensuite enroulé en hélice autour d'un mandrin sur lequel il subit ensuite la maturation. Puis le mandrin ainsi que le tube extérieur sont enlevés de manière à réaliser un ressort solide de matière plastique armée de fibres de verre, ces fibres étant alignées à l'intérieur du ressort sous un angle pratiquement de 0 par rapport à l'axe de symétrie du fil constituant le ressort. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 378 426 décrit une machine de production d'un ressort chimique armé de fibres de verre par introduction de ces fibres et d'une résine dans un tambour rotatif sur lequel est monté un moule sans fin de manière que la résine et les fibres puissent être superposées et moulées sur le tambour, puis être séparées de ce dernier au cours de sa rotation. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 728 189 décrit une autre technique de production d'un ressort hélicoïdal. Le ressort est produit de la même manière que par les techniques précédentes, le fil de ce ressort étant essentiellement solide et l'orientation principale des fibres de verre à l'intérieur du fil formant le ressort étant pratiquement parallèle à l'axe de symétrie du fil constituant le ressort. L'invention a pour objet un ressort hélicoidal constitué d'un élément tubulaire de résine armée de fibres continues et unidirectionnelles, élément dans lequel pratiquement toutes les fibres continues sont orientées sensiblement sous le même angle prédéterminé par rapport à l'axe de symétrie de l'élément tubulaire après son enroulement en boudin ou en hélice. En général, les fibres unidirectionnelles continues sont orientées sensiblement sous un angle compris entre 15 et 75 par rapport à l'axe de symétrie de l'élément tubulaire enroulé en hélice; toutefois, selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, les fibres sont orientées sous un angle compris entre 30 et 600 par rapport à l'axe-de symétrie de l'élément tubulaire formant le ressort. Les fibres unidirectionnelles continues sont toutefois orientées de préférence sous un angle compris entre 43 et 47 par rapport à l'axe de symétrie de l'élément tubulaire enroulé en hélice. L'invention se rapporte également à un procédé perfectionné de réalisation d'un ressort tubulaire hélicoïdal à l'aide d'une feuille de résine armée de fibres. L'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une élévation avec coupe axiale partielle d'un ressort hélicoïdal armé de fibres conforme à l'invention et représente l'angle d'orientation des fibres à l'intérieur du ressort, les figures 2, 3 et 4 représentent une phase préliminaire du procédé de l'invention suivant lequel dès ébauches allongées, armées de fibres et dans lesquelles ces fibres ont une orientation unidirectionnelle sont découpées suivant un dessin prédéterminé pour être enroulées ensuite sur un mandrin de manière à former un élément tubulaire destiné à la production de ressorts hélicoïdaux tubulaires conformes à l'invention; la figure 5 est une vue partielle en perspective avec arrachements partiels et représente la technique de formation d'un fil de résine armé de fibres et destiné à la production du ressort hélicoïdal tubulaire; la figure 6 est une coupe transversale du fil à ressort et montre un nombre avantageux d'enroulements de feuilles armées de fibres autour d'un mandrin pour la production d'un fil destiné à la fabrication du ressort tubulaire; la figure 7 représente schématiquement en élévation le mode d'enroulement du fil autour d'un mandrin de manière à réaliser le ressort de l'invention; et la figure 8 est une coupe transversale selon la ligne 8-8 de la figure 7. Les mêmes références désignent les mêmes éléments sur les différentes figures. Le ressort hélicoïdal 10 selon l'invention est formé d'un élément tubulaire de résine synthétique armée de fibres continues et unidirectionnelles, élément dans lequel pratiquement toutes les fibres continues 11 sont orientées sous le même angle ou sensiblement sous le même angle e par rapport à l'axe de symétrie 12 de cet élément tubulaire. Dans la mise en oeuvre de l'invention, les fibres continues unidirectionnelles sont choisies parmi les matières caractéristiques d'armature telles que le bore, le carbone, le graphite, le verre, les polyaramides et leurs mélanges. Toutefois, les fibres sont de préférence en carbone ou en graphite et sont plus particulièrement des fibres de carbone et de graphite ayant un module d'élasticité d'environ 2,25.106 kg/cm2 et une limite de rupture à la traction d'environ 28 000 kg/cm ou davantage. Comme mentionné - préalablement, les fibres continues et unidirectionnelles sont enrobées dans une - matrice de résine. En général, toute résine synthétique peut être utilisée, bien qu'il soit préférable que la matrice soit en résine thermodurcissable. Les résines thermodurcissables qui conviennent sont les résines époxyde et les polyesters. Les résines époxyde sont des polyépoxydes qui sont des produits ou composés bien connus contenant des noyaux d'oxirane obtenus par condensation avec des composés contenant des groupes hydroxyle ou des atomes d'hydrogène actifs, par exemple des amines, des acides et des aldéhydes. Les résines époxyde les plus courantes sont des composés d'épichlorhydrine et de bis-phénol et de ses homologues. Les résines de polyester sont des produits de polycondensation de polyacides et de polyalcools. Des exemples caractéristiques de polyesters sont les poly- téréphtalates tels que le téréphtalate de polyéthylène. La quantité de fibres de carbone introduite dans la résine est comprise de manière générale dans la plage allant d'environ 50 à environ 65 % en volume à l'intérieur de la matrice de résine et de préférence dans la plage comprise entre environ 60 et 65 % en volume de fibres dans la matrice de résine époxyde. La valeur et le sens de l'angle d'orientation e des fibres unidirectionnelles continues 11 à l'intérieur du ressort hélicoïdal 10 est fonction de multiples facteurs parmi lesquels l'utilisation à laquelle le ressort hélicoïdal est destiné, le pas de l'hélice, le sens du pas de l'hélice, le diamètre principal du ressort, le diamètre de l'élément tubulaire et autres. Il suffit de mentionner que, lorsque le ressort est destiné -à être utilisé sous compression, par exemple dans un système de suspension de voitures automobiles, les fibres sont orientées dans une direction telle que l'effort de cisaillement imposé au ressort met les fibres sous traction. Dans les applications dans lesquelles le ressort est destiné à être étiré, c'est-à- dire à subir des efforts de traction, les fibres sont orientées de manière que l'effort de cisaillement imposé au ressort mette les fibres sous traction. En général, l'angle d'orientation des fibres unidirectionnelles et continues 11 est compris entre 15 et 750 et de préférence entre environ 30 et 600 par rapport à l'axe de symétrie de l'élément tubulaire enroulé en hélice. Il est préférable que les fibres continues unidirectionnelles de ressorts destinés aux systèmes de suspension des véhicules automobiles soient orientées par exemple sous un angle compris entre 43 et 47 par rapport à l'axe de symétrie de l'élément tubulaire enroulé en hélice. Dans la mise en oeuvre de l'invention, le ressort hélicoïdal 10 est formé de feuilles de fibres unidirectionnelles de carbone ou de graphite qui sont imprégnées de résine thermodurcissable. Plusieurs de ces feuilles formées de fibres unidirectionnelles imprégnées de résine sont tout d'abord découpées à une forme prédéterminée. Par exemple, trois de ces feuilles découpées suivant une forme prédéterminée sont utilisées pour la réalisation du ressort hélicoïdal tubulaire de l'invention. Donc, la description qui va suivre se réfère spécifiquement à trois couches ou feuilles de fibres imprégnées de résine; il doit toutefois être bien entendu qu'il est possible d'en utiliser un nombre supérieur ou inférieur. Chacune des trois couches de fibres continues et unidirectionnelles qui sont imprégnées de résine sont découpées en général sous forme d'un rectangle. Comme le montrent les figures 2 à 4, la longueur du rectangle de chacune des trois couches formées de feuilles de fibres imprégnées de résine est la même. La longueur de la feuille rectangulaire doit néanmoins être suffisamment grande pour permettre sa mise en forme d'un ressort hélicoïdal ayant la longueur requise. Par contre, les feuilles ont des largeurs différentes. Ainsi, comme le montrent les figures 2 à 4, la largeur W1 de la feuille 14 est inférieure à la largeur W2 de la feuille 15 qui, de son côté, est plus étroite que la feuille 16. Chacune des feuilles 14, 15 et 16 contient des fibres continues et unidirectionnelles 11iqui sont orientées sous un angle particulier par rapport à l'axe de symétrie longitudinal de la feuille rectangulaire. Pour réaliser le ressort hélicoïdal, il faut produire tout d'abord l'élément tubulaire en enroulant successivement les couches de fibres 14, 15 et 16 imprégnées de résine sur la circonférence d'un mandrin 17 entouré d'un tube élastique 18, par exemple de caoutchouc. Le diamètre du mandrin 17 et de son tube élastique 18 est adopté de manière à conférer le diamètre voulu à l'élément tubulaire destiné à la réalisation du ressort hélicoïdal. Les feuilles 14, 15 et 16 devant être enroulées successivement autour du mandrin 17 et de son manchon de caoutchouc 18, il est préférable que les largeurs W1, W2 et W3 soient suffisantes pour que les feuilles forment au moins une spire unique autour du mandrin sur lequel la couche précédente a été placée. Ainsi, la largeur W1 de la feuille 14 est de préférence au moins suffisante pour qu'elle puisse entourer au moins une fois complètement le mandrin 17 et le manchon de caoutchouc 18. La feuille 15 a une largeur suffisante W2 pour qu'elle entoure au moins une fois complètement le mandrin supportant la feuille 14. De même, la largeur W3 de la feuille 16 est suffisante pour que celle- ci entoure au moins une fois - complètement le mandrin supportant les couches formées des feuilles 14 et 15. La largeur de chaque feuille est adoptée de préférence de manière que celles-ci entourent pratiquement le même nombre de fois complètement le mandrin. L'enroulement des feuilles sur le mandrin et sa gaine de caoutchouc s'effectue très simplement en plaçant ce mandrin 17 et sa gaine de caoutchouc 18 le long du bord inférieur de la feuille 14, puis en faisant tourner le mandrin et la feuille en les faisant monter de la manière indiquée -par la flèche 19 sur la figure 5. Chacune des feuilles est enroulée à la suite d'une autre autour du mandrin. Lorsque les trois couches formées des feuilles ont été enroulées autour du manchon de caoutchouc, le mandrin d'acier 17 est enlevé de manière qu'il subsiste un élément tubulaire de résine armée de fibres et au centre duquel se trouve le tube de caoutchouc. Cet élément tubulaire et son élément rapporté de caoutchouc constituent le fil à ressort utilisé pour la fabrication du ressort hélicoïdal de l'invention. Ce fil à ressort 20 est enroulé en hélice autour d'un mandrin tel que le mandrin 21 de la figure 7 qui comporte à la circonférence des gorges en hélice 22 ayant la largeur et la profondeur voulues pour recevoir le diamètre du fil à ressort 20. Le pas des gorges hélicoïdales 22 est fonction du pas voulu du ressort. De même, le diamètre du mandrin 21 dépend du diamètre principal voulu du ressort. Le fil à ressort 20 est de toute manière enroulé en hélice autour d'un mandrin 21. Pendant l'enroulement du fil à ressort 20 autour du mandrin 21, une torsion suffisante est imposée de manière que les fibres 11 du fil 20 soient toutes orientées sous l'angle prédéterminé voulu e par rapport à l'axe de symétrie de l'élément tubulaire enroulé en hélice. Le sens et l'importance de la torsion nécessaire sont fonction bien entendu de l'angle d'orientation des fibres unidirectionnelles à l'intérieur des feuilles 14, 15 et 16 utilisées pour la réalisation du fil à ressort 20. Le sens de la torsion est bien évidemment adopté de manière à obtenir l'orientation prédéterminée voulue des fibres à l'intérieur du ressort hélicoïdal avec un décalage minimal de l'orientation des fibres à l'intérieur du fil par rapport a leur orientation à l'intérieur du boudin. Chacune des feuilles 14, 15 et 16 est découpée comme mentionné en regard des figures 2, 3 et 4 de manière que les fibres continues et unidirectionnelles 11 qu'elle contient soient orientées sous des angles particuliers 9î' e2 et e3, respectivement, par rapport à l'axe de symétrie longitudinal de ces feuilles. Les angles e1, G2 et G3 sont adoptés de manière que, lorsque les feuilles 14, 15 et 16 sont mises à la forme d'un fil convenable 20, pỉs que ce dernier est torsadé sur le mandrin 21, les fibres continues et unidirectionnelles de chacune des couches 14, 15 et 16 soient orientées sous l'angle e voulu ou l'angle d'hélice. Ainsi, par exemple, selon un mode de réalisation particuliè- rement avantageux de l'invention, le ressort hélicoïdal réalisé est formé d'un élément tubulaire de résine qui est armé de fibres unidirectionnelles et dans lequel les fibres - continues sont orientées sensiblement sous un angle de 450 par rapport à l'axe de symétrie de cet élément tubulaire enroulé en hélice. Dans ce cas, les fibres unidirectionnelles 11 de la feuille 14 sont orientées sous un angle de 400 par rapport à l'axe de symétrie longitudinal de cette feuille 14. L'angle d'orientation le plus avantageux des fibres 11 de la feuille 15 est dans ce. cas de 36 par rapport à l'axe de symétrie longitudinal de cette feuille 15. Finalement, l'angle d'orientation des fibres 11 de la feuille 16 est de 330 par rapport à l'axe de symétrie longitudinal de cette feuille 16. On comprend aisément que les angles Gl, e2 et 93 doivent être adoptés en fonction de l'angle souhaité sous lequel les fibres se trouvent dans l'enroulement en hélice et du degré de torsion qui doit être exercé pendant l'enroulement du fil tubulaire en forme de boudin. La modification de l'angle d'orientation des fibres à l'intérieur de chaque couche du fil à ressort lorsque ce dernier subit une seule torsion à chaque spire est donnée plus particulièrement par l'équation à G= arc tg- r/R équation dans laquelle: G e = modification de l'angle; r = rayon du fil; * R = rayon du boudin. L'équation ci-dessus montre que la torsion du fil provoque une modification d'autant plus grande de l'angle d'orientation des fibres à l'intérieur de chaque couche que la distance de chaque couche du fil au centre de ce dernier est grande. Par exemple, en admettant que le rayon du boudin soit de 75 mm et que le rayon allant du centre à la couche extérieure du fil à ressort soit de 12,5 mm, la modification de l'angle d'orientation des fibres de cette couche extérieure entre leur position initiale et leur position finale sous l'effet d'une torsion suivant une révolution totale à chaque spire est de 9,50, car se = arc tg 12,5/75 = 9, 5 . Lorsque le rayon du fil à ressort dans une couche intérieure donnée est de 6,25 mm, les fibres de la couche intérieure subissent dans les mêmes circonstances un déplacement de 4,8 , car se = arc tg 6,25/75 = 4,80. Suivant le procédé de l'invention, on observe par exemple sur la figure 7 que la couche extérieure 16 du fil 20 comprend des fibres 11 qui, avant d'avoir subi la torsion, sont orientées sous un angle 93 par rapport à l'axe de symétrie du fil 20. Ensuite, le fil 20 subit une torsion, par exemple dans le sens indiqué par la flèche 25, lors de son enroulement sur le mandrin 21. Toutes les fibres 11 que contient le fil 20 sont sensiblement orientées sous l'angle avantageux e. Après enroulement du fil 20 sur le mandrin, il peut être tenu en place par tout moule convenable bien connu de cette technique. Par exemple, le fil peut être tenu en place sur le mandrin 21 par un outil de forme convenable ou par un enroulement d'un ruban d'acétate de cellulose ou par une feuille (non représentée) qui constitue un moule. Le tube de caoutchouc situé à l'intérieur du fil à ressort 20 subit une compression suffisante pour faciliter le fluage de la résine et sa compression pendant la maturation. En général, la pression est comprise dans une plage allant de 2,5.105 à 6.105 Pa et de préférence d'environ 4,5.105 à 5,25.105 Pa. Cet ensemble subit ensuite un chauffage destiné à provoquer la maturation de la résine. La température à laquelle cet ensemble subit le chauffage est fonction bien entendu de plusieurs facteurs parmi lesquels le type de résine utilisée pour imprégner les fibres. Ces températures sont bien connues. Par exemple, lorsqu'il s'agit de fibres imprégnées d'une résine époxyde, la température est dans une plage allant d'environ 100 à environ 1800C et elle est de préférence d'environ 1201C. De m4me, la durée du chauffage est fonction des températures de maturation ainsi que de la résine utilisée. Après chauffage, il faut d'abord laisser refroidir cet ensemble à la température ambiante, puis enlever l'enroulement extérieur de ruban d'acétate de cellulose et le tube de caoutchouc ainsi que le mandrin 21. Les bords extrêmes 31 et 32 du fil peuvent être chanfreinés si nécessaire, par exemple par découpage. A titre d'exemple de l'invention, un ressort hélicoldal de suspension va être décrit pour un mode de mise en oeuvre. Dans cette application, le ressort 10 consiste en six spires conférant au ressort une hauteur libre de 45 cm. Le ressort en boudin 20 a un diamètre de 15,5 cm. L'élément tubulaire constituant l'enroulement hélicoïdal 20 a un diamètre extérieur de 25 mm et un diamètre intérieur de 12,5 mm. L'angle d'orientation e des fibres continues de carbone est compris dans une plage allant d'environ 43 à 470 et il est de préférence de 45 - 246 1163 1 1 REVENDICATIONS 1. Ressort hélicoïdal, caractérisé en ce qu'il comprend un élément tubulaire de résine enroulé en hélice et armé de fibres continues et unidirectionnelles (11), lesdites fibres étant orientées sensiblement sous le même angle prédéterminé e par rapport à l'axe de symétrie dudit élément tubulaire enroulé en hélice. 2. Ressort hélicoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites fibres continues et unidirec- tionnelles sont orientées sensiblement sous le même angle compris dans la plage allant de 15 à 750. 3. Ressort hélicoTdal selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites fibres continues et unidirec- tionnelles sont orientées sensiblement sous le même angle compris dans la plage allant de 30 à 600. 4. Ressort hélicoidal selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites fibres continues (11) sont choisies dans le groupe des fibres de carbone, de verre, de graphite, de bore et de polyaramide et de leurs mélanges. 5. Ressort hélicoïdal selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites fibres sont des fibres continues et unidirectionnelles de carbone qui sont pratiquement toutes orientées sous un angle tel que, lorsque ledit ressort subit un effort de traction, lesdites fibres sont sous traction, ledit angle étant compris entre environ et 60 . 6. Ressort hélicoïdal selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites fibres sont des fibres continues et unidirectionnelles de carbone qui sont pratique- ment toutes orientées sous un angle tel que, lorsque ledit ressort subit un effort de compression, lesdites fibres sont sous traction, ledit angle étant compris entre environ 30 et . 7. Procédé de réalisation d'un ressort hélicoïdal tubulaire de résine armée de fibres, dont les fibres qu'il contient sont orientées sensiblement sous le même angle prédéterminé, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à réaliser un fil tubulaire à ressort de - résine armée de fibres, renfermant au centre un tube souple, ledit fil à ressort renfermant des fibres sous un angle prédéterminé d'orientation par rapport à son axe de symétrie, ledit angle d'orientation différant dudit angle prédéterminé d'orientation à l'intérieur du ressort hélicoïdal, à enrouler en hélice ledit fil à ressort autour d'un mandrin (21) tout en faisant subir audit fil à ressort une torsion destinée à réorienter les fibres à l'intérieur du fil à ressort sous un second angle prédéterminé afin qu'elles se trouvent sous ledit premier angle prédéterminé d'orientation, puis, après avoir enroulé ledit fil à ressort autour dudit mandrin, à envelopper ce fil et le mandrin au moyen d'un élément extérieur de moulage, à gonfler ledit tube de caoutchouc se trouvant à l'intérieur du fil à ressort, puis à provoquer la maturation de ce fil sous températures élevées, à enlever ledit tube souple dudit élément extérieur de moulage après maturation afin de réaliser un ressort hélicoïdal tubulaire de résine armée de fibres. 8. Procédé de réalisation d'un ressort héli- coldal tubulaire armé de fibres continues et unidirec- tionnelles, dans lequel pratiquement toutes les fibres continues sont orientées pratiquement sous le même angle prédéterminé par rapport à l'axe de symétrie de l'élément tubulaire enroulé en hélice, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à découper plusieurs feuilles armées de fibres continues et unidirectionnelles, chacune desdites multiples feuilles ayant pratiquement la même longueur et ces feuilles ayant des largeurs croissant progressivement, les fibres que - contiennent lesdites feuilles étant orientées sous un angle prédéterminé par rapport à l'axe de symétrie longitudinal de la feuille, à enrouler chacune desdites feuilles à la circonférence d'un mandrin autour duquel est placé un tube souple, la largeur de chacune desdites feuilles étant adoptée de manière à former au moins un enroulement complet autour du- mandrin et du tube de caoutchouc sur lequel est placée la couche précédente formée d'une feuille, l'angle d'orientation des fibres de chacune desdites feuilles croissant progressivement par rapport à l'angle d'orientation des fibres de la feuille formant la couche précédente, à enlever ledit mandrin de manière à obtenir un fil à ressort à l'intérieur duquel se trouve un tube élastique, à enrouler ledit fil à ressort en hélice autour d'un mandrin tout en lui imposant une torsion de manière à orienter les fibres de chacune desdites couches armées de ces fibres sensiblement sous le même angle par rapport à l'axe de symétrie de l'élément tubulaire, à placer un moule extérieur autour du fil à ressort enroulé en hélice, à gonfler ledit tube élastique se trouvant à l'intérieur du fil à ressort, puis à provoquer la maturation du fil à ressort à températures élevées de manière à réaliser un ressort hélicoïdal tubulaire contenant des fibres continues placées sous des angles prédéterminés d'orientation par rapport à l'axe de symétrie du fil à ressort. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit fil à ressort subit une torsion d'une révolution complète par unité de longueur de l'enroulement en hélice.