Brevet FR2543054A1 — publié le 19840928

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE BIELLE EN MATERIAU COMPOSITE POUR MOTEUR, NOTAMMENT DE VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention se rapporte à une bielle en matériau composite pour moteurs de véhicules de tourisme ou industriel. Les bielles sont généralement réalisées à partir de matériaux métalliques, tels qu'en alliages d'acier ou d'aluminium, coulés ou forgés puis usinés. On connatt l'intérêt d'alléger ces organes dans un moteur où l'inertie la plus faible est recherchée, en particulier, pour toutes les pièces utilisées en mouvement alternatif. La section des pièces est donc étudiée en conséquence mais les limites d'allègement résultent des caractéristiques des matériaux et de leur densité. La présente invention concerne la réalisation de bielles à l'aide de matériaux composites de faible densité et de caractéristiques mécaniques élevées, ces caractéristiques remarquables étant obtenues par le mode de disposition des fibres de renforcement impré- gnées de polymères. Ces fibres sont disposées de telle manière que le sens des contraintes principales de traction et de comme pression qui tendent à écarter ou à rapprocher les alésages de la bielle coincide avec le sens longitudinal des fibres ou s'en rapproche de très près. L'invention sera décrite à titre d'exemples non limitatifs au regard des figures 1 à 7 qui représentent respectivement - la figure 1 : une vue en plan de la bielle, selon l'invention cette bielle est du type à deux alésages sans chapeau - la figure 2 : une coupe suivant l'axe longitudinal de la figure 1 - la figure 3 : une vue en plan du dispositif utilisé pour la confection de l'ébauche de la bielle àmouler - la figure 4 : une vue en plan illustrant le mode de moulage - la figure 5 : une vue en plan de l'insert central en matériau composite - la figure 6 :une vue en plan d'une variante de l'invention représentant une bielle à chapeau - la figure 7 : une vue en plan de la disposition adoptée pour réaliser la préforme de la figure 6. La bielle, suivant la présente invention (figure 1), est essentiellement réalisée à partir d'une préforme constituée d'une partie périphérique 30 réalisée par bobinage et d'une partie centrale obtenue par découpe de couches de matériaux préimpré gués superposées. On voit qu'elle comporte un corps 1 aux extrémités duquel sont disposés deux alésages 2 et 3. Pour réaliser le bobinage, on dispose d'une table tournante constituée par un plateau horizontal inférieur 37 (figure 3) équipée d'axes amovibles 32 et 33 correspondant aux alésages de la bielle à réaliser et de plots également amovibles tels que 34 à 39. Ces plots sont disposés de telle manière que la longueur développée à la périphérie de la bielle des points a à b, suivant la ligne pointillée figurant l'extérieur de bielle, soit égale à l'arc a d b. Il en est de même, pour l'autre côté qui est symétrique. Le bobinage peut alors être réalisé selon l'épaisseur désirée, à partir de filaments préimprégnés ou, de manière préférée, à partir d'un ruban préimprégné de largeur sensiblement équivalente à l'épaisseur de la pièce à mouler. Après l'opération de bobinage de la partie périphérique 30, on dispose sur la table tournante 1 un insert 40 découpé dans un matelas formé par des couches de matériaux pré imprégnés superposuées La découpe, à partir des matériaux mis à plat et comprimés, peut être effectuée par un emporte-pièces, comme utilisé dansl'industrie des élastomères. L'insert 40 étant mis en place, les plots 34 à 39 sont éclipsés. On rapporte alors sur le montage deux éléments latéraux 41 et 42 coulissant éventuellement dans des glissières 43 et 44, actionnes par exemple par des vérins non figurés. Ces éléments 41 - -42 permettent de comprimer l'ébauche afin de lui donner une forme voisine de la forme définitive. Selon nécessité, cette compression peut être accompagnée par la fermeture d'un plateau supérieur, non représenté, venant coiffer l'insert 40 qui peut éventuellement déborder légèrement du profil définitif à réaliser. Les axes amovibles 32 et 33 sont alors éclipsés après écartement des moyens de mise en compression de la préforme et cette préforme est transférée sur l'outil de moulage. Au stade de la confection de la préforme, il est possible de prévoir la mise en place de bagues métalliques tels que 45, centrées sur l'axe amovible 33 et comportant à leur périphérie des moletages ou rainures destinées à former un ancrage lors de l'opéra- tion ultérieure de moulage, la bielle moulée pouvant alors être obtenue avec incorporation de coussinets métalliques. L'opération de moulage nécessite un outil de préférence en quatre parties chauffantes latérales susceptibles de se déplacer entre deux plateaux horizontaux respectivement supérieur et inférieuranalogue à ceux évoqués au regard de la figure 3. La préforme est centrée sur deux axes 46 et 47 coulissant dans le plateau horizontal inférieur et assez longs pour se loger dans le plateau horizontal supérieur lors de sa fermeture. Les plateaux horizontaux sont également chauffés. Le moulage consiste alors à -fermer le plateau supérieur venant en butée à la cote d'épaisseur désirée, puis à fermer simultanément ou en séquence les blocs latéraux coulissants 48 et 49 puis 50 et Si (figure 4). La bielle ainsi moulée comporte une partie périphérique englobant les deux alésages 46 - 47 travaillant correctement en traction. Les efforts de compression sont transmis principalement par la partie centrale où les fibres sont également situées dans le sens longitudinal et travaillent en compression "en bout". Il est possible d'optimiser le sens de ces fibres, en réalisant la découpe à l'emporte-pièce dans un matelas constitué de couches successives de matériaux préimprégnés réalisés à partir de fils continus placés de manière symétrique, suivant les angles désirés comme représenté à titre d'exemple à la figure 5, afin de tenir compte de l'obliquité maximum de la bielle lors de son fonctionnement. Les matériaux préimprégnés utilisés au cours des opérations précédemment décrites peuvent être constitués de diverses résines thermodurcissables, tels que epoxy, phénoliques, polyimides, polystyrylpyridine, polyesters, imprégnant des nappes de fils continus et parallèles en carbone, verre ou Kevlar. Ces matériaux préimprégnés peuvent également être constitués par des nappes de fils continus parallèles, placées au sein de fils coupés préimprégnés en feuilles, désignés de manière connue sous l'appellation "Sheet Molding Compound" ou SMC. Selon la variante des figures 6 et 7, l'invention donne lieu à une variante permettant de réaliser une bielle de type à "chapeau". Une telle bielle est constituée d'un corps 60, d'un alésage supérieur 61 et d'un alésage inférieur 62, inscrit pour partie dans la tête de bielle 68 et pour partie dans un chapeau de bielle 63, qui lui est solidarisé par des boulons introduits dans les per çages 64 à 67 correspondants. Comme on le voit à la figure 7, la préforme est réalisée en pla çant autour du noyau 81 et en début d'opération de part et d'autre de ce dernier qui comporte des ailettes 79 - 80 des renforts d'épaisseur, tels que 70 et 71, constitués par des éléments de dimensions adaptées, découpés dans un matelas de couches successives de rubans unidirectionnels préimprégnés et disposés de telle manière que le sens des fibres soit parallèle à celui des rubans déposés ultérieurement par enroulement représentés en 72. On dispose comme précédemment un insert 40 sur le plateauinférieur. Les pions 73 à 78 analogues aux pions 34 à 39 de la figure 3 déterminent un supplément de développement de la partie enroulée 72 de façon qu'elle puisse être repliée en 72' autour d'ailettes 79 et 80 de l'axe 81 formant l'alésage inférieur 62 lors du pressage de la préforme, tel que décrit précédemment à la figure 3. Il est alors possible de passer aux opérations de moulage# analogue à celles décrites au regard de la figure 4, à ceci près que les formes des moules seront adaptées à la confection du chapeau 63 et de la tete de bielle 68. La bielle moulée sera par la suite usinée pour, d'une part, séparer le chapeau de bielle par découpage selon A=A et B-B de la figure 7 et perçage des trous- 64 à 67. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de bielles en matériau composite,notamment pour moteur de véhicule automobile, caractérisé par le fait que l'on constitue une ébauche par bobinage de filaments préimprégnés autour axes (32 - 33) et de plots (34 à 39) amovibles disposés sur unXplateau horizontal inférieur (31) et par introduction à l'intérieur de la partie périphérique (30) ainsi obtenue d'un insert (40) découpé dans un matelas formé de couches de matériaux préimprégnés superposées, les plots (34 à 39) étant alors éclipsés, on comprime l'ébauche précédente au moyen de deux éléments latéraux (41 - 42), mus par exemple par des vérins, le long de glissières (43 - 44) disposées sur le plateau (31), de façon à donner à l'ébauche une forme voisine de celle de la bielle définitive, un plateau supérieur venant le cas échéant coiffer l'ébauche au cours de cette opération, puis les axes (3233) sont alors éclipsés après écartement des éléments latéraux (41 - 42) et l'ébauche est transférée et centrée sur deux axes mobiles (46 - 47) de l'outil de moulage, constitué de deux plateaux horizontaux chauffants et rapprochables entre lesquels se déplacent plusieurs éléments latéraux (48 à 51) chauffants déterminant le profil extérieur final de la bielle après pressage. 2. Procédé de fabrication de bielles selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un au moins des alésages (2 - 3) de la bielle est pourvu d'une bague métallique (45) formant coussinet centrée sur l'axe amovible correspondant (33), ladite bague comportant à sa périphérié des moletages ou rainures destinées à former un ancrage dans la matière synthétique qui l'entoure lors de l'opération ultérieure de moulage. 3. Procédé de fabrication de bielles selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres du matériau préimprégné eonstituant l'insert (40) sont dirigées# selon le sens longitudinal de ce dernier et travaillent en compression "en bout". 4. Procédé de fabrication de bielles selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert (40) est constitué de couches suc- cessives de matériau préimprégné réalisées à partir de fils faisant avec l'axe de l'insert (40) un angle proche de celui qui correspond à l'obliquité maximum de la bielle lors de son fonctionnement. 5. Procédé de fabrication de bielles selon la revendication 1, caractérisé en ce que les préimprégnés utilisés pour l'insert (40) sont constitués de nappes de fils continus et parallèles tels que de verre, de carbone ou de Kevlar, imprégnés de résines thermodurcissables du type époxy, phénoliqu#es, polyimides, polyesters. 6. Procédé de fabrication de bielles selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe (81) déterminant l'alésage inférieur (62) est pourvu d'ailettes (79 - 80) et que l'on dispose de part et d'autre dudit axe (81) des renforts d'épaisseur (70 - 71) découpés dans un matelas de couches successives de rubans unidirectionnels préimprégnés et disposés de façon que le sens des fibres soit parallèle à celui des fibres de la partie périphérique (72) obtenue par bobinage ultérieur autour des plots (73 à 78), l'ébauche ainsi obtenue étant ensuite moulée, puis usinée par découpage au niveau des extrémités des ailettes (79 - 80) de façon à séparer le corps (60) de la bielle de son chapeau (63), et par réalisation des perçages (64 à 67). 7. Bielle pour moteur de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'une partie centrale (40) obtenue par découpage d'un matelas formé de couches de matériaux préimprégnés constituant son corps (1) et d'une partie périphérique (30) résultant du bobinage de filaments préimprégnés, ses extrémités comportant respectivement un alésage supérieur (2) et inférieur (3) dont l'un au moins est pourvu de coussinets métalliques(45) 8. Bielle selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'alésage inférieur (62) est inscrit pour partie dans la tête de bielle (68) et pour partie dans un chapeau de bielle (63) qui lui est solidarisé par des boulons introduits dans des perçages 164 à 67) correspondants.