Brevet FR2524592A1 — publié le 19831007

La présente invention se rapporte à un ressort pneumatique en cloche destiné à contenir de l'air sous pression. Les ressorts pneumatiques en cloche comprennent sensiblement une enveloppe flexible dans laquelle de l'air sous pression est introduit pour équilibrer une charge ex- térieure. Les ressorts pneumatiques en cloche ont un large champ d'application Ils servent, par exemple, pour réali- ser les suspensions de véhicules automobiles, dans les cas o l'on exige un confortlors du roulement particulièrement grand et o le rapport entre le poids du véhicule à pleine charge et son poids vide est très grand. Leur utilisation s'étend aux suspensions d'instal- lations fixes qui doivent être isolées des vibrations pro- venant de l'extérieur, ou encore aux suspensions utilisées pour protéger des vibrations les zones adjacentes à une ma- chine vibrante. Ces ressorts sont également utilisés pour réali- ser des vérins pneumatiques, en remplacement des vérins hy- drauliques plus coûteux. Les ressorts pneumatiques en cloche déjà connus comprennent généralement une membrane en tissu-caoutchouc, à parois minces et flexibles, qui assure la fonction de conteneur pour l'air sous pression, cet air constituant l'élément porteur qui fournit la réaction élastique du res- sort. Le tissu de la membrane a pour fonction de suppor- ter les tensions qui ont leur origine dans la pression de l'air à l'intérieur de la membrane et qui équilibrent la charge extérieure appliquée sur le ressort Ce tissu est généralement constitué par deux ou plus de deux couches de fils ou câblés disposés dans une direction oblique par rap- port à l'axe longitudinal de la membrane, chaque couche étant dans une position croisée par rapport à celle de la couche adjacente; ou encore par une ou plusieurs couches de fils disposées dans la direction de l'axe longitudinal du res- sort. La couche de caoutchouc qui recouvre le tissu a pour fonction de rendre la membrane imperméable et résis- tante aux éventuels agents chimiques ou atmosphériques. La membrane est de forme sensiblement cylindrique ou toroldale. Dans le premier cas, elle peut être entourée d'une bande métallique ou d'un cylindre de tissu-caout- chouc ou de métal qui a pour mission de limiter les défor- mations transversales du ressort pendant l'utilisation. Dans le deuxième cas, La membrane présente généra- lement un certain nombre d'anses superposées, entre les- quelles sont interposés des anneaux métalliques de renfor- cement et de limitation des déformations transversales. La membrane est fermée aux extrémités par des bri- des appropriées ou par des plateaux métalliques qui ser- vent également pour la fixation du ressort à la structure de l'installation à laquelle il est destiné. Dans les conditions de service, les fils constitu- ant le tissu de la membrane sont sujets à subir des solli- citations qui sont directement proportionnelles à leurs rayons de courbure. Ceci signifie que, pour une pression de service donnée, plus le rayon de courbure d'un fil est grand, plus grande est la tension à laquelle le fil est soumis. Dans la membrane dans laquelle le tissu est compo- sé de toiles croisées, les rayons de courbure des fils sont toujours supérieurs au diamètre de la membrane et sont par conséquent relativement grands. Les sollicitations que les fils doivent supporter, sont dans ce cas importantes et obligent à maintenir les valeurs de la pression de service inférieures à la limite maximum de 7-8 kg/cm 2. Un autre inconvénient de la membrane comportant un tissu composé de couches croisées et superposées provient du fait que, dans les conditions de service, il y a tou- jours des déplacèments relatifs entre une couche et celle qui lui est adjacente, qui sont dûs aux variations de l'angle d'intersection entre les deux couches. Ceci donne naissance à des tensions tangentielles, plus précisément,à des efforts de cisaillement dans le re- vêtement des fils, efforts qui peuvent produire de petites déchirures et de petits décollements dans le caoutchouc. Ce processus s'amplifie et conduit rapidement à la détério- ration de la membrane par fatigue. De ce point de vue, il est donc préférable d'adop- ter une membrane dont le tissu est composé de fils dirigés sensiblement selon la direction de l'axe longitudinal du ressort, encore mieux s'ils sont disposés en une seule cou- che. Toutefois, dans ce cas, la membrane présente des segments longitudinaux dans lesquels le rayon de courbure des fils du tissu est très grand et o, par conséquent, les fils sont soumis à de fortes sollicitations. Le problème a été résolu en renforçant la membra- ne avec un bandage métallique circonférentiel ou avec un cylindre de caoutchouc-toile ou de métal, ce bandage ou cy- lindre étant emmanché sur sa surface latérale extérieure. De cette façon, les sollicitations qui s'exercent sur les fils de la membrane dans les segments à grand rayon de courburesont contrebalancées par la paroi de l'é- lément de renforcement. Un ressort de ce type est sensiblement constitué par deux cylindres coaxiaux de diamètres différents dont l'un est creux Les deux cylindres peuvent coulisser axia- lement l'un par rapport à l'autre et le cylindre creux, de plus grand diamètre, reçoit partiellement ou entièrement l'autre. A l'intérieur du cylindre creux est logée une mem- brane du type décrit (c'est-à-dire en caoutchouc-tissu, avec un tissu à fils longitudinaux), dont une extrémité est-ancrée au cylindre creux et l'autre à l'autre cylindre. La paroi extérieure de la membrane est appuyée sur une partie dé son développement longitudinal contre la paroi latérale intérieure du cylindre creux et contre la paroi extérieure de l'autre tandis qu'elle est repliée en U dans la zone comprise entre la paroi latérale intérieure du cylindre creux et la paroi latérale extérieure de l'au- tre cylindre. De cette façon, pendant l'utilisation, l'unique segment de la membrane qui n'est pas entouré par une paroi de renforcement, est le segment en U lequel,étant d'un faible rayon de courbure, résiste bien aux sollicitations issues de la pression de l'air contenu dans la membrane. Les ressorts de ce type qui sont déjà connus pré- sentent toutefois les inconvénients suivants: le segment de la membrane qui est replié en Uest exposé à la lumière qui, comme on le sait, détermine une accélé- ration du processus de vieillissement des élastomères, en particulier lorsque cet élastomère est soumis à des solli- citations cycliques de traction, comme dans le cas en ques- tion; dans le cas de deux éléments cylindriques entre lesquels est interposée la membrane à fils longitudinaux, il n'est pas possible d'obtenir une variation de l 'aire efficace pendant la course du ressort, c'est-à-dire pendant le pas- sage de la distance axiale maximum à la distance axiale minimum entre les deux cylindres. On entend par aire efficace Ae/ l'aire délimitée par la circonférence constituant le lieu géométrique des points o la tangente à la courbure de l'enveloppe déforma- ble est perpendiculaire à la direction de la charge agis- sant sur le ressort. L'aire efficace est liée à la pression de service du ressort et à la charge appliquée par la relation suivan- te: P p =- Ae o p = pression de service P = charge appliquée Ae = aire efficace En conséquence, pour un ressort déterminé, en fai- sant varier la valeur de l'aire efficace le long de la course, il est possible de faire varier la poussée du res- sort et ceci se traduit par une relation poussée-course du ressort possédant une caractéristique incurvée. De même, en faisant varier la charge, il est pos- sible de maintenir constante la raideur du ressort, ou de la faire varier selon une loi pré-établie, au moyen d'une variation appropriée des valeurs des aires efficaces. Il ressort de ce qui précède que l'impossibilité, dans les ressorts connus, de faire varier les valeurs des aires efficaces en fonction de la course du ressort, repré- sente un notable inconvénient. Le but de la présente invention est de réaliser un ressort pneumatique en cloche destiné à contenir de l'air sous pression, qui ne présente pas les inconvénients énumérés plus haut et qui, en particulier, permet d'opé- rer avec des pressions pouvant atteindre 15 kg/cm 2, et qui possède en même temps d'excellentes caractéristiques de du- rée et de fiabilité, tout en utilisant cependant pour la membrane des fils de renforcement qui possèdent une résis- tance inférieure à celle des fils actuellement utilisés, et qui présentent d'excellentes caractéristiques de durée et de fiabilité. Comparativement aux ressorts déjà connus, le res- sort selon l'invention présente également d'autres avanta- ges qui ressortiront au cours de la description. L'invention a pour objet un ressort pneumatique en cloche destiné à contenir de l'air sous pression et ca- ractérisé en ce qu'il comprend: au moins deux éléments ri- gides creux de forme sensiblement tubulaire, coaxiaux et capables de se déplacer axialement l'un par rapport à l'au- tre, au moins l'un de ces éléments étant ouvert à au moins une extrémité et au moins l'un présentant des parois à pro- fil variable; au moins une membrane flexible interposée entre l'un et l'autre des éléments rigides, qui comprend une pluralité de fils ou câbles sensiblement inextensibles 4 q disposés sensiblement dans la direction de l'axe longitudi- nal du ressort et noyés dans une couche de caoutchouc;et des moyens d'assemblage de la membrane ou des membranes aux éléments rigides. Les figures des dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple non limitatif, feront mieux comprendre com- ment l'invention peut être réalisée Sur ces dessins, la figure 1 est une coupe longitudinale d'un res- sort pneumatique en cloche selon l'invention; la figure 2 montre en perspective une membrane en coupe dans la direction longitudinale et avec une partie du caoutchouc de revêtement enlevée pour mettre en éviden- ce les éléments qui en font partie; la figure 3 montre en coupe longitudinale une va- riante de réalisation d'un ressort pneumatique en cloche conforme au principe de l'invention; la figure 4 montre en coupe longitudinale une au- tre variante de réalisation d'un ressort pneumatique en cloche conforme au principe de l'invention; et la figure 5, est une vue en coupe lon- gitudinale d'une autre variante de réalisation du principe de l'invention. Selon le principe le plus général d'un ressort pneumatique en cloche selon l'invention, ce ressort com- prend au moins deux éléments rigides, de forme générale tu- bulaire, creux, coaxiaux entre eux et qui ont la possibili- té de se déplacer l'un par rapport à l'autre le long de leur axe, au moins l'un de ces éléments étant ouvert et au moins une extrémité d'au moins un de ces éléments étant à paroi latérale à profil variable. Ces éléments sont positionnés l'un à la suite de l'autre dans la direction de l'axe longitudinal du ressort et se pénètrent mutuellement, au moins partiellement. En fait, pour un couple quelconque d'éléments con- sécutifs, l'un des deux éléments est ouvert à une seule ex- trémité ou fermé, tandis que l'autre est toujours ouvert à au moins une extrémité et possède des dimensions transver- sales supérieures à celles du premier élément, de manière à pouvoir le contenir, au moins en partie. Entre un élément et le suivant, est interposée et assemblée à cet élément par ses extrémités une membrane flexible comprenant une pluralité de fils (ou câblés) sen- siblement inextensibles, noyés dans une couche de caout- chouc et disposés sensiblement dans la direction de l'axe longitudinal du ressort. La membrane, qui joue le rôle de liaison entre les deux éléments rigides, est repliée en U dans l'espace compris entre la partie intérieure de l'élément de grandes dimensions transversales et la paroi extérieure de l'autre. En outre, et ainsi qu'on l'expliquera dans la suite, cette membrane est précomprimée, afin de posséder une plus gran- de résistance aux sollicitations et à la lumière. Sur les figures 1 et 2, le ressort pneumatique en cloche comprend un élément rigide 2, creux, de forme sensi- blement tubulaire et, en particulier, cet élément présente un premier segment 2 ' de forme cylindrique, un deuxième segment 2 " de forme bombée et un troisième segment 2 ''' de forme cylindrique. A l'intérieur du corps rigide 2, est logé partiel- lement un deuxième élément rigide 13, lui aussi coaxial au premier, de forme sensiblement tubulaire et qui, en parti- culier, comprend un premier segment 13 ' de forme cylindri- que, un deuxième segment 13 " de forme bombée et un troisiè- me segment 13 "' qui est à nouveau de forme cylindrique. Dans l'espace compris entre les deux éléments ri- gides 2 et 13, est logée une membrane 5 qui comprend une série de fils 6 flexibles et sensiblement inextensibles, disposés sensiblement dans la direction de l'axe longidudi- nal du ressort et noyés dans une couche de caoutchouc 8, généralement à base de néoprène. La membrane 5 possède un diamètre approximative- ment égal au diamètre intérieur maximum de l'élément rigi- de 2. L'extrémité supérieure 4 de la membrane 5 est en- roulée autour d'un anneau 7 en caoutchouc dur ou de métal et elle est logée dans un logement approprié 3 ménagé sur le bord supérieur intérieur du corps rigide 2 Un plateau métallique 9 fixé à l'élément rigide 2 au moyen de vis 10 ferme l'extrémité supérieure de l'élément rigide et bloque l'extrémité 4 de la membrane 5 dans le logement 3. La membrane 5 adhère par sa surface extérieure à la paroi intérieure de l'élément rigide 2 et à la paroi ex- térieure de l'élément rigide 13, à l'exception d'un seg- ment dans lequel elle est repliée en U dans l'espace com- pris entre les deux parois citées. La deuxième extrémité 4 ' de la membrane 5 est en- roulée autour d'un anneau 7 ' en caoutchouc dur ou en métal. L'anneau 7 ' possède un diamètre inférieur à celui de la membrane 5 et, en conséquence, l'extrémité 4 ' de cet- te membrane est contrainte de prendre, en s'enroulant au- tour de l'anneau 7 ', un diamètre qui correspond à celui de l'anneau 7 ' De cette façon, les fils 6 du tissu de la mem- brane 5, qui étaient initialement parallèles, sont légère- ment convergents dans la direction longitudinale du res- sort et dans le sens qui va de l'anneau 7 à l'anneau 7 '. D'une façon correspondante, le caoutchouc de revêtement des fils 6 de la membrane 5 est comprimé, en particulier dans le segment terminal proche de son extrémité 4 '. Ainsi qu'on l'expliquera dans la suite, ce fait représente un avantage. L'extrémité 4 ' de la membrane 5 enroulée autour de l'anneau 7 ' est logée dans un logement approprié 1 l ménagé sur le bord supérieur extérieur du corps rigide 13 et elle y est bloquée par une bride métallique 12 de forme circulaire fixée au corps rigide 13 au moyen de vis 12 '. Ce corps est soudé par son autre extrémité sur une embase métallique 14. Sur la figure 3, on a représenté en coupe longitu- dinale une variante de réalisation d'un ressort pneumati- que en cloche qui rentre dans le principe de l'invention. Comme on peut le voir sur la figure 3, l'élément rigide 19 du ressort 18 se différencie de l'élément rigide 13 du ressort 1 par le fait qu'il est ouvert à une extrémi- té, de sorte que sa cavité intérieure 20 est en communica- tion directe avec l'espace délimité par la membrane 5 et par le plateau métallique 9 Dans ce cas, l'extrémité inté- rieure de la membrane 5 est assemblée à l'élément 19 par l'intermédiaire de l'anneau 27 et des vis 28. Dans la cavité 20 de l'élément 19 est positionnée une autre membrane déformable 21 en tissu-caoutchouc ou en matière élastique La membrane 21 (représentée en position tendue sur la figure) est de forme sensiblement hémisphéri- que et son extrémité circonférentielle est enroulée autour de l'anneau 21 ' en caoutchouc dur ou en métal et est an- crée à l'embase 22 de l'élément rigide 19 au moyen d'un plateau métallique 24 serré sur l'embase 22 par des vis 23. Entre le plateau 24 et l'embase 22 est interposée une garniture d'étanchéité 25 d'un type connu. Sur le plateau métallique, est prévue une ouvertu- re 26 pour le passage d'un liquide sous pression De cette façon, il est possible d'introduire dans le ressort un li- quide sous pression dans l'espace délimité par la membra- ne 21 et le plateau 24. Le liquide introduit détermine le gonflage de la membrane 21, ce qui réduit le volume disponible pour l'air comprimé contenu dans le ressort et, par conséquent, permet de faire varier le rapport de compression entre les volumes de l'air comprimé contenu dans le ressort qui sont mesurés, respectivement, dans l'état d'allongement maximum et dans l'état d'allongement minimum du ressort. La possibilité de faire varier le rapport de com- pression Vmax Vmin (o Vmax signifie le volume de l'air comprimé dans les conditions d'allongement maximum du ressort et Vmin le volume de l'air comprimé mesuré dans les condi- - tions d'allongement minimum du ressort), permet d'agir sur le degré de raideur du ressort De cette façon, on dispose encore d'un autre moyen pour faire varier le comportement du ressort de la façon voulue, en fonction du type d'utili- sation et des variations de la charge qui lui est appli- quée. Sur la figure 4, on a représenté en coupe longitu- dinale une autre variante de réalisation d'un ressort pneu- matique qui rentre dans le domaine du principe de l'inven- tion. Comme on le voit sur la figure 4, le ressort pneu- matique 30 comprend trois éléments rigides 32 ', 31 et 32, tous creux et capables de se déplacer l'un par rapport à *l'autre le long de leur axe. Les éléments 31 et 32 sont ouverts à une extrémi- té L'élément 32 a une forme cylindrique et reçoit partiel- lement l'élément 31, qui possède une forme analogue à cel- le de l'élément 2 du ressort 1 L'élément 31 reçoit à son tour l'élément 32 ', de la même façon qu'on l'a décrit à pro- pos du ressort 1. L'extrémité supérieure de l'élément rigide 31 est partiellement fermée par une couronne circulaire 38 soli- daire du reste de l'élément 31, qui délimite une ouverture circulaire ayant pour fonction de permettre le montage de l'anneau 33 Celui-ci est-fixé au corps rigide par des gou- jons prisonniers avec écrou 34 et il bloque l'extrémité su- périeure de la membrane 35 (qui est sensiblement identique à la membrane 5 du ressort 1), qui est enroulée autour d'un anneau 35 ' en caoutchouc dur ou en métal, au niveau du bord supérieur intérieur de l'élément rigide 31. L'extrémité supérieure de l'élément rigide 31 est fermée par un disque métallique 36 fixé à l'élément 31, par des boulons 37. Entre le disque 36 et l'élément 31 est interposée une garniture d'étanchéité 38 de type connu. AU niveau du bord supérieur extérieur de l'élé- ment rigide 31, est fixé, également au moyen des goujons prisonniers avec écrou 34 qui fixent l'anneau 33, un an- neau métallique 39 qui bloque l'extrémité intérieure d'une membrane 40 du type décrit. L'autre extrémité de la membrane 40 est fixée de l'une des façons représentées au bord intérieur supérieur de l'élément rigide 32 et elle est repliée en U dans l'es- pace compris entre la paroi extérieure de l'élément 31 et la paroi intérieure de l'élément 32. L'élément rigide 32 possède une forme sensible- ment cylindrique et il est fermé à son extrémité supérieu- re par un plateau 41 qui y est fixé au moyen de goujons prisonniers avec écrou 42 et qui bloque l'extrémité supé- rieure de la membrane 40. Finalement, la figure 5 montre encore une varian te de réalisation du principe de l'invention. Comme on peut le voir sur la figure 5, le ressort pneumatique 50 comprend un élément rigide 51, identique à l'élément rigide 13 du ressort 1 et un deuxième élément rigide 52, de forme sensiblement identique à celle de l'é- lément rigide 2 du ressort 1, avec cette différence que l'élément rigide 52 est formé de deux parties 52 ' et 52 " qu'on séparer l'une de l'autre Les deux éléments 51 et 52 sont coaxiaux et partiellement engagés l'un dans l'autre. A l'intérieur de l'élément rigide 51 est logée une membrane 53 plus courte que la membrane 5 du ressort 1 L'extrémité inférieure 53 ' de la membrane 53 est ancrée à l'élément rigide 51 (dans le sens décrit pour la membrane 5 du ressort 1) tandis que l'extrémité supérieure est ancrée à la paroi intérieure de l'élément rigide 52 au niveau o l'élément 52 peut être divisé en les deux parties 52 ' et 52 ". A cet effet, la partie 52 ' comprend un anneau 56 et la partie 52 " comprend un anneau 56 ', qui sont serrés l'un sur l'autre par des boulons 57 et entre lesquels est enfermée l'extrémité supérieure 53 " de la membrane 53. Un plateau métallique 54 ferme l'extrémité supé- rieure de l'élément rigide 52 et est fixé à celui-ci au moyen de vis 55. Le ressort pneumatique en cloche selon l'inven- tion permet d'atteindre les buts visés. En effet, ce ressort permet de faire varier de la façon voulue les aires efficaces du ressort, soit par un profilage approprié des parois d'au moins l'un des corps rigides du ressort, soit au moyen d'une variation du rap- port de compression qu'on obtient en introduisant une quan- tité appropriée de liquide dans l'espace délimité par une membrane contenue dans l'un des corps rigides du ressort. La variation des aires efficaces détermine la variation du degré de raideur du ressort, c'est-à-dire de ses caracté- ristiques de comportement dans les conditions de service. En conséquence, il est possible, en agissant sur les variations des aires efficaces et du rapport de com- pression, d'obtenir un comportement optimal du ressort, dans les limites de sa résistance mécanique, quelles que soient les conditions de charge et le type de sollicita- tions. L'utilisation d'une ou de plusieurs membrane(s) précomprimée(s) (le nombre des membranes étant fonction du nombre des éléments rigides qui font partie du ressort) dé- termine une plus grande résistance du caoutchouc à la lu- mière, en particulier dans la zone dans laquelle la membra- ne est la plus exposée, c'est-à-dire la zone située au ni- veau du bord de l'extrémité ouverte de l'élément rigide dans lequel la membrane est logée En effet, dans cette zo- ne, dans l'état d'exposition maximum à la lumière (ressort entièrement allongé), la membrane présente le maximum de compression du caoutchouc et, par conséquent, le maximum de résistance à la détérioration sous les effets connus de la lumière. Etant donné que, en outre, la membrane précompri- mée est plus résistante aux sollicitations, elle présente une plus grande durée et une plus grande fiabilité. Un autre avantage du ressort pneumatique selon le principe de l'invention consiste dans la possibilité d'uti- liser une membrane comportant un tissu ou des fils longitu- dinaux de dimensions inférieures à celles du tissu ou des fils utilisés dans les ressorts connus possédant des dimen- sions et une course analogues. En effet, dans un ressort pneumatique selon le principe de l'invention, il est possible d'ancrer une ex- trémité de la membrane dans une position intermédiaire en- tre les extrémités de l'élément rigide dans lequel la mem- brane est logée Ceci permet d'obtenir les mêmes résultats en utilisant une membrane qui ne recouvre pas presque entiè- rement la paroi intérieure de l'élément rigide qui la con- tient et en utilisant pour l'effet de retenue de l'air sous pression une partie de la paroi de cet élément rigide Il va de soi que des modifications pourront être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être dé- crits, notamment par substitution des moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de l'inven- tion. R E V E N D I C A T I O N S 1 Ressort pneumatique en cloche destiné à conte- nir de l'air sous pression, caractérisé en ce qu'il com- prend au moins deux éléments rigides creux ( 2, 13; 18, 19; 32, 31, 32 '; 52, 51) de forme sensiblement tubulaire, coaxiaux et capables de coulisser axialement l'un par rap- port à l'autre, dont au moins l'un est ouvert à une extré- mité et au moins l'un possède des parois à profil variable; au moins une membrane flexible ( 5; 35; 53) interposée entre l'un et l'autre des éléments rigides et qui comporte une pluralité de fils ou câblés ( 6) sensiblement inextensi- bles, disposés sensiblement dans la direction de l'axe lon- gitudinal du ressort et noyés dans une couche de caout- chouc; et des moyens d'assemblage qui fixent la membrane ou les membranes aux éléments rigides. 2 Ressort pneumatique en cloche selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que la membrane est précom- primée. 3 Ressort pneumatique en cloche selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que les éléments rigides ( 18, 19) sont au nombre de deux et ont leur cavité en com- munication directe. 4 Ressort pneumatique en cloche selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que, dans la cavité de l'un ( 19) des éléments rigides ( 18, 19), est logée une membrane déformable ( 21) dans laquelle il est possible d'introduire un liquide sous pression. Ressort pneumatique en cloche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une extrémité de chaque membrane ( 53) est ancrée circon- férentiellement à la paroi de l'élément rigide ( 52) dans lequel elle est contenue, dans une position comprise entre les deux extrémités de cet élément rigide. 6 Ressort pneumatique en cloche selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que la position dans laquel- le chaque membrane ( 53) est ancrée est approximativement équidistante des deux extrémités de l'élément rigide ( 52) dans lequel cette membrane est contenue.