Brevet FR2494367A1 — publié le 19820521

BREVET D'INVENTION 1) TITRE: Ressorts composites optimisés et vérin ou accumulateur ou pompe, mo- teur hydraulique lent à haut rendement. 2) SECTEUR DE LA TECHNIQUE: Tous les domaines o il est nécessaire de disposer de ressorts de traction, de compression ou de torsion (et de moteurs hydrauli- ques lents ou de vérins à très haute pression, c'est-à-dire, principalement tous les moyens de transport, domaine aérospatiale inclu, l'armement, l'industrie, la robotique.) 3) ETAT DE LA TECHNIQUE: Il existe actuellement, dans l'industrie, une quan- tité de ressorts métalliques de toute sorte, ils sont bien connus et nous nous contenterons de mentionner à leur sujet les remarques suivantes: ils sont re- lativement lourds, ils peuvent emmagasinner une énergie spécifique relativement modeste. Leur durée de vie, sous contraintes sévères est relativement brève, leur inertie est telle que dans certains cas leur fréquence propre intrincèque limite les possibilités de développement des mécanismes dans lesquels on les emploie. Un exemple classique de ce type de problème est celui des ressorts de soupape des voitures de course. Lorsque l'on tente de gagner de la puissance, une solution simple consiste à augmenter le régime moteur. Or, au dela d'un certain stade de renforcement structural du moteur, on arrive sur une butée que l'on appelle "l'affolement" des soupapes. En fait, ce sont les ressorts qui sont responsables du phénomène. Il n'est pas rare d'observer lors de cet affo- lement que les ressorts de soupape n'arrivent plus à "suivre" le rythme du fait de leur inertie propre et ont une de leurs 2 extrémités qui décollent de leur siège. Le problème est donc, à raideur identique, de réduire la masse et donc l'inertie spécifique du ressort pour augmenter sa fréquence propre et éviter, ainui, l'af- folement. 1 III - OBJECTIF DE L'INTERVENTION L'intervention a pour but d'améliorer les ressorts de traction, compression ou torsion, c'est à dire des ressorts o un élément de section est soumis à un moment de torsion et éventuellement h un cisaillement. L'amélioration porte s A) sur l'inertie spécifique B) sur l'énergie spécifique dans la mesu=o l'on utilise des ressorts composites donc de faible masse à propriété mécanique équivalente. C) sur le volumespoécifique dans la mesure oh grâce à ses propriétés mécaniques supérieures un ressort composite optimisé, -peut être- tr. compact. D) sur le niveau d'amortissement structural qui peut être nettement plus élevé que celui d'un ressort en acier et peutpour certaines applications éviter l'emploi d'un amortisseur. E) sur la durée de vie qui grâce à son principe constructif est protégé contre le risque de ' oriquage' sous tension. F) sur la possibilité d'obtenir une réponse non linéaire aux sollicitations. 1V - MOYENS MIS EN OEUVRE A)-Ia philosophie de base est la suivante: Parmiles matériaux composites figure le béton armé. On sait que le béton résiste bien en compression mais est très mauvais en traction. Que fait-on pour qu'une; structure en béton soit capable de résister à un effort de traction ? A l'aide de cbles internes tendus on crée une précontrainte supérieure à l'effort de traction maximal attendu, dans la structure. Dans la suite du brevet, nous allons donc examiner différentes techniques nous permettant de précontraindre la structure de notre ressort. Avant de poursuivre notre exposé il convient d'expliquer pourquoi dans le oas d'un ressort composite nous souhaitons nous placer dans ce type de fonctionnement. Abstraction faite des détails de tissage sur lesquels nous reviendrons ulté- rieuret:i le fait de créer une précontrainte dans le ressort permet d'éviter que la matrice de celui-ci lors de son travail ne soit soumise à des contraintes de tractions et risque ainsi de se fissurer, mais ait plutôt tendance à cicatriser ses microfissures originelles car celles-ci sont soumises à un 1 effort de compression qui s'il y a mouvement relatif des livres de la fissure entraîne un " gripage" et une soudure de celles-ci. B) DEPINITION Un ressort de torsion qu'il soit hélicoïdal ou droit ( barre de torsion) peut Otre soumis à deux types de sollicitations. - Soit il est touJours tressé dans le même sens en partant de sa position de repos ( cas du ressort de traction, de compression ou de torsion uni- directionnelle). Nous apellerons ce mode de chargement, chargement simple. - Soit ile5t tressé de façon différente tantOt dans un sens tantôt dans un antre par rapport à sa position de repos. Il s'agit du cas de chargement alterné ( exemple typiques une barre antiroulis de voiture). ) STRUCTURE ET PRINCIPE DE TISSAGE C1 Cas du ressort le plus fréquent: à chargement simple C2 Examinons le type de contraint auquel est soumis un élément de ressort de torsion qu'il soit droit( barre) ou hélicoïdal. La figure 1 montre le type de répartitions des couples de torsion Ml et M2 et éventuellement de cisaillement F1 etF2 ( cas du ressort hélioo!dal) auquel il peut être soumis. La figure 2 donne l'allure des contraintes de torsion et permet de constater que la part de contribution à l'effo rt tangentiel, c'est à dire la contrainte I laquelle est soumis un élément de matibre du ressort est tatamtant plus raméde que cet élément est proche de l'enveloppe extérieure de celui-ci. Dans l'hypothèse d'un couplePoR., la figure 3 montre le gradiant des contraintes Si à est la direction de l'axe de l'élément de ressort 1 et 2 sont respectivement les directions des contraintes de traction:et, de compression pures. Dans l'hypothèse d'un cisaillement, c'est àdire d'un chargement type Pl F2 figure 1 en se trouve dans le casdécrit en figure 4 oh la fibre 3 est en traction etla fibre 4 est en compression. 03) Examinons maintenant quel est le type de tissage susceptible de faire face aux contraintes répertoriées précédemment. La figure 2 nous a appris qu'il faut soigner particulièrement la couche extérieure des fibres. Les fibres de haut modules seront donc à placer dans cette zone en priorité. 1 La figure 3 nous a montré que les fibres extérieures sont oumises à un "vissage" lorsque l'élément de ressort se tord sous contrainte de l'élément d'angle dt. De plus si le ressort est à charrgement simple se vissage est tel que les directions et sens de contraintes maximales de traction et de compression sont constantes au module près. Ces directions decontraintes maximales indiquent que le long de la contrainte de traction,la matière a tendance à s' allonger alors que le long de la contrainte de compression il y a une tendance au tassement. Une afle de fibres de renforcement placée co-linéairement à l'axe de la contrainte de traction, c'est à dire vi>- sée à 45 par rapport à l'axe du ressort, est à mte de répondre de faço, pt le à la nécessité que nous avons évoqué ci-dessus dans la mesure oi elle est mise en tension par la contrainte de traction qui s'exerce le long de ses fibres et qu'elle est comprimée par la contrainte de cisaillem -at qui tasse ces fibres entre elles. Le tissage optimisé devra donc comprendre une ou des napes de fils vissées à 450 et situées le plus extérieurement possible. Pour conférer une certaine cohésion au système eet eneaisser les efforts de cisaillement analysée en figure 4. Il est de plus utile de prévoir des napes de fibres coaxiales au fil. Ces fibres peuvent utilement être soumise à une précontrainte de traction lors du tissage, ce qui permet de tasser les fibres des napes vissées et d'améliorer la raideur à "sero" du ressort. -Lenfigures5,6 et 7 donnent quelques exemples constitutifs de ressorts composite optimisés. - ils sont constitués de fibres coaxiales (1 figure 5) qui peuvent avoir été mises oee nous l'avons vu, sous tension pendant le vissage de la gaine des fibres hélicoïdales (2). On obtient ainsi un fil impledont on peut augmenter la cohésion par mun léger vissage dans le W"sens du travail" (voir figure 5) Juste avant la mise es forme sur mandrin, le -tps de la wcuisson, pour lui conférer la forme hélioo!dale ou linéaire selon qu'il s'agit d'un ressort hélicoXdal ou de torsion. - La figure 6 montre une disposition voisine qui permet de réaliser des ressorts r0s fil creu. Ce qui permet de ne mettre de la matière que là eo elle travaille! Il est constitué d'une série de gaines de fils hélicoïdaux alternés aveo des gaines de fils coaxiaux selon la mène technique de précontrainte que celle.- décrite à locctasiona de la description de la figure 5. r 249436v 1 Au centre se trouve la cavité qui peut éventuellement être déterminée par un gabari pouvant être soit une gaine de tissus soit un tube à mince paroi. La cavité peut 4tre vide ou on peut la combleravec des matériaux de remplissage, ou de fluides. Le volume de cette cavité, variant lors de la mise sous contrainte du ressort, il est en effet possible d'obtenir un certain effet ressort si on enferme her- métiquement un liquide légèrement compressible à l'intérieur de la cavité du ressort. On a en fait crée un ressort mixte à la fois mécanique et hydraulique. Cela impose d'avoir un "gabari" constitué d'un tissu dont les fibres sont dis- posées de façon à bien supporter des pressions internes. Un tel ressort permet de fabriquer des suspensions semies hydrauliques sans avoir les problèmes de tiges coulissantes et de joints propres à cette technique. On peut notamment - faire de la suspension active en injectant de l'huile sous pression dans la cavité. En fait, suivant les proportions que l'on adopte la fonction ressort hydraulique peut être très importante. Réciproquement un tel ressort peut servir de réservoir ou d'accumulateur de li- quide pressurisé à très haute pression, la fonction ressort mécanique permettant de comprimer le liquide contenu, lorsqu'on en prélève, la pression est donc main- tenue. Un tel ressort peut également servir de "pompe-à huile" très haute pression s'il est convenablement équipé de clapets. On a ici un gros avantage. Il n'y a pas de fuites, contrairement à ce qui est le cas, entre le piston et le cylin- dre des pompes classiques. Cela permet un excellent rendement à très hautes pres- sions et bas régime.Un tel système serait en fait particulièrement bien adapté pour faire des moteursyverins/ou pompes hydrauliques à très hautepression et très haut rendement, Le régime pouvant passer de O à la fréquence propre du res- sort sans difficulté. Cela peut, notamment, révolutionner la traction des véhi- cules et réduire son coût, car il n'y a plus alors d'usinage délicat à effectuer. Remarque: Dans certaines de ces applications on peut aboutir à un ressort à paroi relativement fine par rapport au volume de sa cavité interne. - La figure 7 montre une disposition particulière qui permet d'obtenir un phénomène d'amortissement interne puissant. Le principe est le suivant: On fabrique 2 ressorts coaxiaux qui sont séparés par une gaine de remplissage constituée par exemple par un élastomètre ou une matière à fort taux d'amortissement. Le ressort extérieur est relié aux "monde extérieur" et subit les contraintes. Alors que ce ressort intérieur est libre et "flotte" dans la cavité qui le con- tien. 1 La figure 8 montre la disposition très voisine de la 7 au niveau de ses proprié- tés amortissantes. On a ici un ressort principal et plusieurs ressorts secon- daires reliés entre eux par un matériaux amortissant. Lorsque des contraintes font mouvoir le ressort extérieur, la cavité se déforme et le ressort intérieur entrainé par le matériaux amortissant se déforme à son tour. Le matériaux amortissant ayant fourni un travail a prélevé de l'énergie et a donc fait son office. Lorsque le ressort extérieur aura retrouvé sa géométrie de base, il sera "accompagné" par le ressort intérieur et l'on sera prêts pour un nouveau cycle. Remarque: Pour certaines applications, on peut façonner le fil du ressort pour qu'il prenne la géométrie d'un tube de Bourdon. En robotique, cela permettra de faire des bras extensibles ou des doigts de préhension (gonflés) sans avoir besoin d'articulation ou d'éléments coulissants. C4) Cas de sollicitations alternées. Dans ce cas il est nécessaire de faire ap- pel à une structure plus complexe ayant leur gaine de fibres hélicoïdales dans un sens de vissage recouverte par une seconde gaine de fibres hélicoïdale vis- sée dans le sens opposé. Les techniques de séquensement des gaines qui ont fait l'objet des figures5, 6 et 7 sont encore une fois applicables ici. REVENDICATIONS 1) Ressort composite à fibres et matrice dont le tissage optimisé constitué par une série de gaines concentriques caractérisées par le haut degré de spéciali- sation de chaque gaine a un type de contrainte particulier. Ainsi, une ou des gaines contiennent une forte proportion de fibres axiales, alors que leurs voisines contiennent principalement des fibres tressées en spirale. 2) Ressort composite selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'il comporte une cavité qui peut être bordéeepr une gaine pouvant être capable de résister à une pression interne, c'est-à-dire, qui peut être contituée par 0 un tissu ou par un tissage en hélice à spire de très petit pas. 3) Ressort composite selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que l'on exerce une précontrainte sur les fils, soit lors du tissage, en tirant sur les fils amiaux.- soit lors de la mise en forme en tordant le fil sur lui même. 4) Ressort composite selon les revendications 1,2 et 3 caractérisé par le fait qu'il peut #tre constitué par un ressort principal qui contient un ou plusieurs ressorts secondaires qui sont dans des cavités du ressort principal et sont re- liés à lui par un matériau à fort pouvoir amortissant.