Brevet FR2532024A1 — publié le 19840224

Ressort à lame en une matière plastique renforcée par des fibres La présente invention concerne un ressort à lame en une matière plastique renforcée par des fibres (qu'on appellera ci-après "ressort à lame PRF"), qui est construit en noyant une série de fibres continues ayant des epaisseurs différentes prescrites dans une matière plastique suivant une distribution prédéterminée. La matière plastique servant à la construction d'un ressort à lame classique du type indiqué est préparééprincipa- lement à partir d'une résine thermodurcissable La fibre continue (qu'on appellera simplement "fibre") de ce ce ressort à lame est principalement formée d'une fibre de verre ayant un diamètre de 10 à 25 microns Un ressort à lame classique - comprend une quantité importante de fibres de verre qui Stéten- dent continuellement en une longueur prescrite suivant les lignes prescrites définies dans le ressort à lame Un tel ressort àa lame PRF est maintenant très couramment employé, par exemple dans les suspensions du matériel roulant En consé- quence, il existe une demande importante pour résoudre les problèmes concernant des perfectionnements de durabilité, surtout à des températures élevées Une baisse de la durà- bilité aux températures élevées d'un ressort à lame PR P clas- sique est due au fait que lorsqu'on applique à ce ressort une température de 40 à 100 "C ou plus élevées les fibres contenues dans le ressort à lame tendent à subir un gauchissement ou flambage sur le c 8 té du ressort subissant la force de compres- sion. La demanderesse a poursuivi des études pour remédier aux inconvénients précités et elle a découvert expérimentalement que des fibres plus fines dans un ressort à, lame PRF assurent une plus grande durabilité et des fibres plus épaisses utilisées sur le c 8 té du ressort PRF subissant la compression améliorent la durabilité de ce ressort à lame On va maintenant décrire brièvement les données expérimentales La demanderesse utilise trois ressorts à lames à titre d'échantillons qui comprennent, respectivement, des fibres continues ayant 13, 17 et 23,5 microns de diamètre et ayant tous 7 mm d'épaisseur, 20 mm de largeur et 300 mm de longueur Les fibres sont distribuées dans le ressort à lame à peu près de la même façon On soumet les échantillons à un test de durabilité sensiblement similaire au procédé À décrit dans ASTM 671-63 T, et on obtient les résultats mentionnés ci-dessous (nombre de cycles) à partir d'un essai répété de charge Les résultats des tests sont comme suit: Résultat Diamètre des fibres 71 100 x 104 13 pm 37 85 x 104 17 um 44 rw 79 x 104 23,5 pm Cet essai montre que le ressort à lame contenant des fibres plus fines se révèle plus durable On effectue des tests analogues à ceux décrits ci-dessus sur un autre ressort à lame échantillon ayant les mêmes mesures que ci-dessus et construit en noyant des fibres de 13 microns à partir de la surface sur laquelle s'exerce la contrainte de traction à une profondeur d'environ 2 mm de ladite surface et en noyant des fibres de 17 microns de diamètre dans les autres régions du ressort à lame De cet essais on obtient le résultat suivant: ( 65 à 90) x 104 Ensuite, on soumet les trois premiers ressorts à lames échantillons à un test à haute température ( 600 C) et on obtient les résultats mentionnés plus bas Un ressort à lame comprenant des fibres de 13 microns de diamètre supporte des essais de charge de ( 40 à 58) x 104 Un ressort à lame composé de deux types de fibres ayant des diamètres de 13 à 17 microns supporte des essais de charge de ( 51 à 82)x 104 Ce dernier essai prouve que lorsqu'on applique une force de compression à haute tempé- rature, les fibres plus épaisses noyées dans la zone du ressort à lame o s'exerce la force de compression assurent une plus grande durabilité du ressort Les résultats expérimentaux mentionnés ci-dessus proviennent du fait que la résine se ramollit à la température élevée et serre les fibres avec moins de force ce qui tend à provoquer le gauchissement ou 2532 È 24 flambage des fibres, mais que l'application de fibres plus épaisses sur le côté du ressort o est appliquée la force de compression augmente la résistance au gauchissement des fibres. Quand on fabrique un ressort à lame PRF, on doit prendre en considération le-s facteurs suivants: des fibres plus fines doivent être appliquées en un nombre plus grand que les fibres plus épaisses en vue d'assurer un volume suffi- samment grand Toutefois, l'utilisation de fibres plus fines s'accompagne de certaines difficultés telles que la formation de mèches, la torsion ou la disposition incorrecte des fibres individuelles et, étant donné que l'espace entre les fibres est étroit, il est difficile d'imprégner avec la résine d'une façon complète les coins de cet espace entre les fibres Cela veut dire que la fabrication continue d'une boucle PRF pour préparer un ressort à lame à partir de fibres plus fines se fait inévita- blement à une vitesse plus faible que lors de la production de ressorts à' lames PRF à partir de -fibres plus épaisses. La présente invention a donc pour objet un ressort à lame PRF de haute durabilité qui, quand on le soumet a une température élevée, est protégé d'une baisse de la durabilité provenant du gauchissement des fibres. Pour aboutir 'a cet objectif, l'invention fournit un ressort à lame PRF dans lequel les fibres continues noyées présentent des diamètres différents -selon la position occupée par les fibres dans le sens de l'épaisseur du ressort a lame. Le fait de noyer des fibres de diamètres différents dans des zones prescrites d'un ressort a lames selon l'invention, offre les avantages que les fibres plus fines élèvent la durabilité du ressort à lame, les fibres plus épaisses sont empêchées de gauchir ' la température élevée et l'agencement des fibres ainsi que l'imprégnation par la résine se font plus facilement que lorsque le ressort à lame est formé uniquement de fibres fines, en assurant ainsi une fabrication continue à grande vitesse. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, les fibres plus épaisses sont noyées dans la région du ressort à lame soumise à un effort de compression, et les fibres plus fines sont disposées dans les autres régions du ressort. Sur les dessins annexés: la figure 1 est une vue en perspective d'un ressort a lame PRF selon l'invention; la figure 2 représente le ressort à lame de la figure 1 appliqué à la suspension d'un matériel roulant; la figure 3 est une coupe transversale par la ligne 3-3 de la figure 1; la figure 4 est une coupe transversale par la ligne 4-4 de la figure 1; la figure 5 est un grapique montrant le rapport entre l'importance de la contrainte de compression dans le ressort à lame de la figure 1 et la limite de fatigue observée dans celui-ci; et les figures 6, 7, 8, 9 et 10 représentent en vue de côté, en coupe transversale, en vue de co 8 té, en vue de côté et en vue en plan des ressorts à lames PRF selon des modes de réalisation différents de ceux des figures 3 et 4. La figure 1 représente un ressort à lame PRF selon l'invention à l'état non chargé Ce ressort 20 est destiné à servir dans une suspension, par exemple, pour du matériel roulant La figure 2 représente une suspension de matériel roulant comportant une série de ressorts à lames PRPF super- posés selon l'invention La suspension comprend la lame principale supérieure 10 a qui est la plus longue, est recourbée vers le bas et comporte un tenon aux deux bouts, une seconde lame 10 b et une troisième lame 10 e qui sont progressivement plus courtes que la lame supérieure 10 a et qui lui sont succe S sivement sous-jacentes La suspension est serrée au centre par un boulon 12 a en U un tampon 12 b et un élément de retenue 12 c La suspension est reliée à une boite d'essieu 14 a au moyen du boulon en U 12 a et elle est ajustée à la caisse (non représentée) du matériel roulant par les tenons prévus aux deux bouts de la suspension Le ressort à lame 20 de la figure 1 correspond à l'une ou l'autre des trois ressorts 10 a, l Ob et 10 c de la figure 2 Quand la suspension est fixée au matériel roulant, le ressort 20 de la figure 1 est soumis aux 2532 È 24 deux bouts à une force dirigée de haut en bas alors que la partie centrale du ressort reste supportée Comme on le voit sur la figure 3, par conséquent, un effort de traction est appliqué à la partie supérieure 22 du ressort à lame 20 mesurée à partir de l'axe neutre 0-0 et un effort de com- pression est appliqué à la partie inférieure 24 du ressort mesuréeà partir dudit axe neutre 0-0 La figure 3, qui indique le schéma-en coupe transversale du ressort 20, établit les sections transversales d'un grand nombre de fibres 26 et de la résine 28 dans laquelle les fibres 26 sont noyées. Cependant, aucune représentation particulière n'est donnée pour montrer ladite résine 28 sur la vue en section trans- versale de la figure 3 afin de mieux montrer les positions des fibres individuelles 26 o Une telle représentation n'apparait pas non plus sur la figure 7 dont il sera question plus loin, La figure 4 est une coupe du ressort à lame 20 suivant la ligne 4-4 de la figure 1 Le ressort 20 comprend un grand nombre de fibres continues 26 et la résine 28 dans laquelle lesdites fibres 26 sont noyées On prépare la matière 28 à partir d'une résine thermodurcissable telle qu'une résine de polyester insaturées, une résine époxy ou un ester vinylique Les fibres continues 26 sont en général- des fibres de verre Cependant, dans certains cas, les fibres 26 sont en carbone Les fibres 26 s'étendent en continu dans le sens de la longueur d'une extrémité à l'autre du ressort à lame 20 La partie dl du ressort à lame 20 qui est proche de la surface 30 et subit un effort important de traction est formée de fibres fines 26 a afin d'augmenter la durabilité du ressort 20 Au contraire, des fibres plus épaisses 26 b que celles de la section précitée dl sont noyées dans la section d 2 du ressort à lame 20 subissant un effort de traction relativement faible (la section définie entre ladite section dl et la section neutre 0-0) L'application de telles fibres plus épaisses 26 b a pour but de faciliter l'agencement des fibres et l'imprégnation par la-résine et aussi d'augmenter la durabilité à température élevée du ressort à lame 20. Les fibres 26 a et 26 b qui sont représentées schématiquement par des cercles plus grands et plus petits sur la figure 3 sont formées d'une série de fibres plus fines en mèches ou retordues Les fibres servant à réaliser le ressort PRF présentent un diamètre extrêmement faible de 10 à, microns Cependant, lors d'une application réelle, on utilise des fibres sous forme d'un toron confectionné en groupant en mèche des centaines de fibres extrêmement fines, ou sous forme d'un faisceau filamentaire (qu'on désignera sous la forme de boudin ou de "roving") qui est construit en tordant ensemble plusieurs ou une multitude de torons Les plus grands cercles représentés sur la coupe transversale de la figure 3 indiquent des torons ou des boudins de fibres de plus grand diamètre Les plus petits cercles sur la figure 3 représentent des torons ou boudins de filaments de plus petit diamètre Pour ne pas compliquer la description, on parlera simplement de fibres de plus grand ou de plus petit diamètre. La figure 4 est une vue de c 8 té du ressort à lame 20 la partie degauche du ressort 20 étant représentée partiel- lement en coupe parallèle au dessin La figure 4 montre des fibres plus fines 26 a et des fibres plusépaisses 26 b noyées dans la résine 28 sous forme d'une courbe le long d'un plan parallèle au dessin 0-0 indique l'axe neutre du ressort à lame 20 L'autre partie du ressort 20, qui n'est pas repré- sentée sur ladite vue en coupe, apparait en vue intérieure. Les fibres plus fines 26 a et les fibres plus épaisses 26 b sont toutes deux représentées en traits interrompus. Dans le mode de réalisation selon les figures 3 et 4, la mesure de l'épaisseur partielle d 1 du ressort à lame 20 est sensiblement la moitié de la distance entre l'axe neutre 0-0 et la surface supérieure extrême 30 La zone indiquée par la notation d 1 contient des fibres fines 26 a ayant un diamètre inférieur à 15 microns ou, de préférence, voisin de 10 microns. Les zones autres que d 1 comportent des fibres plus épaisses 26 b ayant un diamètre supérieur à environ 20 microns. La figure 5 représente le rapport entre la contrainte ou l'effet dans le ressort 20 des figures 3 et 4 et la limite de fatigue qu'on-observe dans diverses sections du ressort lorsqu'on applique une charge agissant de haut en bas aux deux extrémités du ressort 20 tout en maintenant sa partie centrale en position supportée Etant donné que la figure 5 est une vue à plus grande échelles la surface supérieure 30, le plan inférieur 32 et l'axe neutre 0-0 sont tous indiqués par des lignes horizontales Sur la figure 5 se trouvent représentés, en abscisse, la contrainte cr l'axe des abscisses s'étendant coaxialement à l'axe neutre 0-0, et en ordonnée la distance t entre ledit axe neutre 0-0 et un point donné sur une ligne inclinée BC Sur la figure 5 une ligne droite pleine or = ol tracée dans une zone qui correspond à l'épaisseur partielle précitée dl représente une limite de fatigue observée sur les divers points de ladite portion d 1. Une ligne droite pleine or = zr 2 tracée entre l'axe neutre 0-0 et ladite partie dl indique une limite de fatigue observée en divers points d'une partie définie entre ledit axe neutre 0-0 et la partie dl Une ligne pleine inclinée OB sur la - figure 5 représente la distribution de la contrainte de traction quand le ressort 20 est soumis à la charge précitée. Une ligne pleine inclinée OC sur la figure 5 représente la distribution de la contrainte de compression quand le ressort est soumis à ladite charge Les deux contraintes sont nulles sur l'axe neutre 0-0 et augmentent progressivement à mesure de leur éloignement dudit axe neutre 0-0 La contrainte de traction atteint son niveau maximal sur le plan supérieur extrême du ressort 20 et l'effort de compression atteint son niveau maximal sur le plan inférieur extrême de ce ressort 200 Dans le mode de réalisation selon les figures 3 et 42 la contrainte de traction (ligne O-BS apparaissant dans le ressort à lame 20 est plus petite que les limites de fatigue précitées î 1, c; 2 indépendamment de la distance entre l'axe neutre 0-0 et un point donné sur lequel apparaît ladite contrainte de traction (autrement dit, la ligne O-B est à gauche des limites de fatigue or 1 p cr 2) L'impoktance de l'effort ou contrainte de traction se produisant réellement dans le ressort à lame 20 est exprimée par une distance entre un point donné sur la ligne droite inclinée O-B et le point correspondant sur la ligne droite Ot La contrainte de traction se produisant dans la partie supérieure d 1 est plus petite que la limite de fatigue îl et la contrainte de traction dans la zone définie entre l'axe neutre 0-0 et ladite portion supérieure d 1 est plus petite que la limite de fatigue o 2 à On voit donc que le ressort à lame selon le mode de réalisation des figures 3 et 4 possède une durabilité suffisante pour supporter une charge qui correspond à l'appli- cation répétée de l'effort de traction mentionné plus haut. Pour assurer une durabilité suffisante du ressort à lame 20 lors d'applications répétées d'une charge, il est recommandé que l'importance de l'effort de traction résultant distribué le long de la ligne droite inclinée OB sur la figure 5 soit choisie à une valeur inférieure ' la limite de fatigue e 11 Les fibres noyées dans le ressort 20 peuvent être agencées d'une façon différente de celle indiquée sur les figures 3 et 4 à la condition de satisfaire l'exigence pré- citée Sur la figure 5, O'-1 (trait mixte) apparaissant du côté gauche de la ligne Ot indique la limite de fatigue à' la compression du ressort à' lame contenant des fibres plus fines, et C 12 (trait plein) représente la limite de fatigue à la compression du ressort à lame contenant des fibres plus épaisses La distance entre un point donné sur la ligne OC et le point correspondant sur la ligne Ot indique la valeur de la contrainte de compression apparaissant sur ledit point donné de la ligne OC Plus précisément, la valeur de la contrainte de compression varie selon la profondeur de ce point donné sur la ligne OC mesurée à partir de la ligne neutre O-O Comme il a été dit plus haut, des fibres plus épaisses sont noyées dans les zones du ressort à lame 20 soumises à un effort de compression Etant donné que la contrainte-de compression appliquée au ressort 20 est infé- rieure à O '2 (limite de fatigue), le ressort 20 possède une durabilité suffisante à l'encontre des efforts de compression. L'indication de 2532024- dans la partie du ressort 20 soumise à un effort de compression, la contrainte de compression devient localement plus grande que la limite de fatigue e ' I de sorte que le ressort 20 commence à se casser dans la partie défectueuse. On va maintenant étudier les figures 6 à, 10 montrant les divers agencements selon lesquels les fibres sont noyées dans le ressort à lame 20 L'agencement réel des fibres n'apparaît pas sur les figures 6, 8 et 9 o les fibres ayant des diamètres différents sont noyées dans les parties du ressort 20 divisées par un ou plusieurs traits interrompus. Avec le ressort à, lame PRF 20 de la figure 6, les fibres plus fines sont noyées dans une zone d'épaisseur plus large d 1 et les fibres plus épaisses sont noyées dans une zone d'épaisseur plus étroite d 20 Le ressort à lame 20 de la figure 6 possède une grande durabilité et m 9 me quand il est soumis à une température élevée, il ne subit pas de gauchissement des fibres entraînant une diminution de la durabilité Il est recommandé que les valeurs des épaisseurs précitées d 1, d 2 soient correctement définies en prenant en considération la durabilité des fibres à la température ambiante et celle des fibres à une température élevée qui varie en général selon l'objet auquel le ressort à lame est appliqué. On va maintenant décrire la coupe transversale de la figure 7 d'un ressort à lame PRF 20 selon un autre mode de réalisation de l'invention Dans ce mode de réalisation, des fibres plus fines sont noyées dans les parties du ressort 20 situées le plus près de son plan supérieur 30 alors que des fibres plus épaisses sont noyées dans les parties du ressort situées le plus près de son plan inférieur 32 Le ressort PRF 20 de la figure 7 possède également une durabilité appro- priée résistant aux efforts de compression lors d'une appli- cation à une température élevée ou à la température ambiante. On va maintenant décrire le ressort à lame 20 PRF représenté sur la figure 8 selon un mode de réalisation analogue à celui de la figure 7 L'épaisseur du ressort PRF 20 de la figure 8 est divisée en plusieurs zones t 1, t 2, t 3, tne Les fibres plus fines sont noyées dans les zones proches de la 2 U 32024 partie du ressort 20 soumises à un effort de traction alors que les fibres plus épaisses sont noyées dans la zone proche de la partie du ressort 20 soumise a un effort de compression. Le ressort à lame PRF 20 de la figure 8 remplit sensiblement les mêmes fonctions que celui de la figure 7. On va maintenant décrire a propos de la figure 9 un ressort à lame PRF 2 O selon un autre mode de réalisation. L'épaisseur du ressort 20 de la figure 9 est divisée en deux zones plus minces t 4, t 5 situées respectivement près du plan supérieur 30 et du plan inférieur 32 e et une zone intermédiaire plus épaisse t 6 Le ressort 20 de la figure 9 présente une plus grande durabilité lorsque des fibres fines sont noyées dans les deux zones plus minces t 4 et t 5 et on obtient la durabilité aux températures élevées résistant aux efforts de compression en noyant des fibres plus épaisses dans les deux zones plus minces t 4 et t 5 Le ressort PRF de la figure 9 fait preuve d'une excellente capacité dans des applications dans lesquelles les c 8 tés avant et arrière du ressort 20 subissent, en alternance, des efforts de traction et de compression. On va maintenant considérer la figure 10 qui montre en plan un ressort à lame d'une forme analogue à celle du ressort des figures 3 et 4 Une série de fibres 26 c sont noyées suivant la direction longitudinale L L du ressort à lame 20 et deux groupes 26 d et 26 e de fibres sont noyés dans une position inclinée par rapport à la direction longitudinale Si dans le mode de réalisation de la figure 10 les fibres noyées présentent une épaisseur dépendant de la zone du ressort 20 dans laquelle elles sont noyées comme il a été décrit au sujet des figures 1 à 9, on est assuré du même effet que précédemment Quand le ressort à lame 20 est tordu autour de la ligne longitudinale L L, l'agencement décrit est efficace pour augmenter la durabilité du ressort 20 Les fibres s'étendant dans trois directions sont indiquées par les traits discontinus sur la figure 10 Toutefois, les fibres 26 c qui s'étendent dans le sens de la longueur du ressort 20 peuvent être supprimées selon la nature de l'objet auquel on applique le ressort 20. Un ressort à lame PRF selon l'invention, dans lequel des fibres continues sont noyées et comportent une épaisseur dépendant de l'épaisseur du ressort à lame dans laquelle elles se trouvent offre les avantages suivants: le ressort à lame conserve une grande durabilité aussi bien 'a température ambiante qu'à des températures élevées; l'application simultanée de fibres plus fines et plus épaisses exige un plus grand nombre de fibres que dans le cas d'emploi de fibres plus fines seulement; on est assuré d'une facilité de manutention et de production de torons avec les fibres et de l'agencement sélectif des fibres ayant des épaisseurs différentes selon les positions des parties du ressort dans lesquelles elles sont noyées; il est facile d'imprégner avec la résine les zones entre les fibres; et on est en mesure de fabriquer en continu une boucle PRF pour la fabrication des ressorts à lames. REVENDICATIONS 1 Ressort à lame ( 20) en matière plastique renforcée par des fibres (PRF) comprenant une série de fibres continues ( 26) et une résine ( 28) dans laquelle lesdites fibres continues ( 26) sont noyées suivant une distribution spécifique, caracté- risé en ce que les fibres continues ( 26) présentent un diamètre qui varie avec l'épaisseur du ressort à, lame ( 20) dans laquelle lesdites fibres continues ( 26) sont noyées. 2 Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres continues ( 26) noyées dans les zones d'épaisseur du ressort à lame ( 20) soumises à, un effort de tension présentent un diamètre plus petit que celui des fibres noyées dans les autres zones du ressort à lame ( 20). 3 Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres continues ( 26) noyées dans les zones d'épaisseur du ressort à lame ( 20) soumises à un effort de compression sont plus épaisses que les fibres noyées dans les autres zones du ressort à lame ( 20). 4 Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres continues ( 26) noyées dans les zones d'épaisseur du ressort à lame ( 20) soumises à un effort de tension sont plus fines; les fibres continues ( 26) noyées dans les zones d'épaisseur du ressort ( 20) soumises à, un effort de compression sont plus épaisses; et les fibres continues ( 26) noyées dans les zones intermédiaires du ressort ( 20) présentent un diamètre intermédiaire entre celui des fibres plus épaisses et des fibres plus fines. Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du ressort à lame ( 20) est divisée en plusieurs couches; et des fibres plus fines sont noyées dans les couches situées plus près du plan ( 30) du ressort ( 20) auquel l'effort de tension est appliqué. 6 Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres continues ( 26) noyées dans l'épaisseur du ressort à lame ( 20) dans les zones d'épaisseur s'étendant depuis son c 8 té avant et son côté arrière jusqu'à une distance prescrite sont plus fines que les fibres continues ( 26) noyées dans la zone intermédiaire = 7 Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres continues ( 26) noyées dans l'épaisseur du ressort à lame ( 20 > dans les zones s'étendant depuis son c 8 té avant et son c Oté arrière jusqu'à une distance prescrite sont plus épaisses que les fibres continues ( 26) noyées dans la zone intermédiaire. 8 Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que des fibres continues plus épaisses ( 26) sont noyées dans la zone plus étroite soumise à l'effort de compression et des fibres continues plus fines ( 26) sont noyées dans les autres zones. 9 Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres continues ( 26) sont disposées de façon symétriquement inclinée par rapport à la direction longitu- dinale du ressort ( 20). Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres continues précitées ( 26) englobent celles qui s'étendent tout droit dans le sens longitudinal du ressort.