Brevet FR2536131A1 — publié le 19840518

La présente invention concerne des arbres de commande en matières plastiques renforcés de fibres et un procédé pour l E fabriquer, plus précisément de tels arbres légers pouvant transmettre un couple de torsion élevé tout en absorbant efficacement les vibrations. On sait que les arbres de transmission de véhicules peuvent être en partie formés de tubes en plasti- qu légers renforcés de fibres pour diminuer leur poids. Dans de tels arbres, les tubes en plastiques renforcés de fibres comportent des joints métalliques fixés à l'une de leur extrémité ou aux deux extrémités, joints qui doivent être reliés aux arbres de commandes ou aux arbres commandés, et si un couple est transmis par un tel arbre, il a tendance à se concentrer sur les faces d'adhérence entre les joints métalliques et le tube en plastique, Ces interfaces d'adhé- rence doivent donc avoir une résistance suffisante à la torsion. Il est souhaitable également que les arbresde transmissionamortissent suffisamment les vibrations à la fois dans la direction axiale et dans la direction périphéri- que, l'effet d'amortissement donnant un meilleur confort au passagers. On connaît un procédé courant de fabrication d'un arbre de commande en plastique consistant à insérer des éléments formant joints aux extrémités d'un tube en plastique non durci (non réticulé) à enrouler un ruban ou tresse autour de chacune des extrémités du tube pour comprimer colui-ci en direction des joints, et à durcir (réticulation ou vulcanisation) la matière platique à la température ordi- naire ou à chaud Mais un tel arbre n'a pas une résistance suffisante à la torsion aux faces d'adhérence entre le tube et les joints, et de plus il faut enlever le ruban ou tres- se après le durcissement, ce qui rend ce procédé plus long. La demande de brevet japonais N 57-98654 déposée le 9 juin 1982 par la même Demanderesse concerne un procédé de fabrication d'un arbre de commande en plas- tique renforcé de fibres, selon lequel on dispose sur un mandrin deux éléments tubulaires espacés formant joints, éléments sur lesquels on applique un adhésif, puis on enroule en hélice des fibres continues recouvertes d'une ré- sine autour de ces éléments et du mandrin compris en- tre eux tout en les faisant tourner solidairement, et on enroule en hélice d'autres fibres recouvertes de résine autour de parties du tube de résine, à la température or- dinaire ou à chaud, tout en liant en même tenms le tube de résine au joint La couche de-compression formée par-dessus les joints contient des fibres continues qui sont enroulées suivant un angle de 80 à 90 à par rapport à l'axe de l'arbre, alors que le tube en plastique sous-jacent contient des fibres continues qui sont enroulées suivant un angle de à 600, de préférence de 45 * Toutefois, cet arbre en plastique renforcé de fibres comporte une couche de com- pression relativement épaisse pour avoir une résistance suffisante à la torsions l'interface entre les joints et le tube, et il subsiste donc encore un problème à résoudre en vue d'abaisser son poids De surcroîtt l'effet d'amortis- sement des vibrations n'est pes pris ici en considération, La présente invention a pour objet un arbre de commande en plastique renforcé de fibres ayant non seule- ment une résistance suffisante à la torsion aux enterfaces d'adhérence entre un tube de plastique et des éléments mé- talliques formant joints, mais également un pouvoir suffisant d'amortir les vibrations transmises par l'arbre O Cette invention comprend également un procédé de fabrication d'un tel arbre de commande en plastique renforcé de fibres. Cet arbre de commande comprend des éléments métalliques formant joints séparés les uns des autres; une couche de plastique tubulaire interne recouvrant ces éléments et s'étendant entre eux, comprenant des fibres de carbone continues enroulées en l'hélice suivant un angle de 45 à 750 par rapport à l'axe de l'arbre; et une couche de pla- tique tubulaire externe formée sur la couche interne, qui comprend des fibres continues enroulées en hélice suivant un angle tel que la couche externe ait un coefficient de dilatation thermique radial supérieur à celui de la cou- che interne. Dans le présent procédé de fabrication d'un tel arbre de commande, on dispose sur un mandrin cylindrique les éléments métalliques formant joints; on enroule en hélice des fibres de carbone continues recouvertes d'une résine autour des joints et du mandrin compris entre ces derniers, suivant un angle de 45 à 75 par rapport à l'axe du mandrin, pour former une couche tubulaire interne; puis on enroule en hélice autour de cette couche interne des fibres continues recouvertes de résine suivant l'angle ci-dessus défini O pour former une couche tubulaire externe; on durcit les résines à chaud et on retire ensuite le man- drin. Un arbre de transmission est soumis à des vibrations de plusieurs origines, provenant par exemple du moteur, des organes de transmission et autres O et les vibrations des roues dues à la surface irrégulière d'une route sont également transmises à l'arbreo Or, la présente Demanderesse a trouvé qu'un arbre en matière plastique renforcé de fibres de carbone pouvait absorber ces vibra- tions Un tel pouvoir d'absorption, qui sera appelé effet d'amortissement, dépend de l'angle entre les fibres de car- bone et l'axe de l'arbre, et il est bon si cet angle est de 45 à 75 v de préférence de 50 à 1050, l'effet amortisseur maximal étant obtenu avec un angle d'enroulement de 6 O - Les fibres de carbone ont cependant des ca- ractéristiques anisotropes telles que leur coefficient de dilatation thermique linéaire varie suivant l'angle avec leur axe Plus précisément O une fibre de carbone a un coefficient de dilatation thermique linéaire beaucoup plus élevé dans une direction perpendiculaire à son axe que dans sa direction axiale Par suite de ces caractéris- tiques, si l'on enroule en hélice les fibres de carbone suivant un angle de 45 a 75 , en particulier de 60 , par rapport à l'axe de l'arbre de transmission, la couche tubu- laire interne présente une dilatation thermique linéaire dans sa direction radiale beaucoup plus faible que même celle 4 2536131 de l'élément métallique formant joint, ce qui signifie que si l'on refroidit l'arbre à la température ordinaire après le durcissement à chaud, l'élément métallique subit un plus fort retrait que la couche interne le recouvrant ce qui laisse, aux interfaces entre cette couche interne et les éléments métalliques, des tensions qui ont tendance à les séparer, et par suite de ces tensions subsistantes, les joints métalliques et la couche interne ont tendance à se séparer sous l'action de la force de torsion, même s'ils sont fortement liés entre eux. On résoud ces problèmes en formant une couche externe qui exerce sur l'interface une force dirigée vers l'intérieur, couche externe qui contient des fibres continues enroulées en hélice suivant un angle tel que cette couche externe ait une plus forte dilatation thermique linéaire que la couche interne dans la direction radiale Ce coeffi- cient de dilatation thermique linéaire plus élevé de la couche externe a pour résultat que cette couche comprime la couche interne au moment du refroidissement & la tempéra- ture ordinaire après le durcissement a une température élevée, et cette force de compression supprime les tensions aux in- terfaces entre les joints métalliques et la couche interne. -A cette fin, les fibres qui sont enroulées en hélice dans la couche externe doivent avoir une dilata- tion thermique linéaire plus importante en direction péri- phénrique que les fibres de carbone qui sont enroulées en hélice dans la couche interne-et plus importante au point que la force de compression de la couche externe puisse supprimer totalement les tensions qui subsistent aux inter- faces entre les joints métalliques et la couche interne, et il est bien préférable que la dilatation thermique radiale de la couche externe soit sensiblement la même que celle des joints métalliques, ce qui ne laisse subsister pratiquement aucune tension aux interfaces entre les joints métalliques et la couche interne. Les fibres qui satisfont à ces exigences sont des fibres de carbone ainsi que d'autres fibres, par exemple de verre, de polyesters ou d'aramide On peut employer des fibres de carbone en raison de leui caracté- ristiques anisotropes, et elles ont aussi le grand avan- tage de permettre d'effectuer l'opération d'enroulement en continu depuis la formation de la couche interner simplement en modifiant l'angle d'enroulement. L'angle d'enroulement des fibres dans la couche externe dépend des coefficients de dilatation ther- mique linéaire des fibres choisies mais en général l'angle d'enroulement par rapport à l'axe de l'arbre de transmission sera de 5 à 40 degrés, de préférence de 15 à 350 Plus par- ticulièrement, avec des fibres de carbone,-l'angle de d'enrou- lement sera de 5 a 4 O'0 de préférence de 15 à 30 f O On peut former la couche externe sur toute la longueur de l'arbre de transmission, mais comme l'effet d'a-. mortissement maximal est obtenu pour un angle d'enroulement en hélice des fibres de carbone de 45 à 75 *, notamment de 600 dans la totalité du corps de 110 arbre compris entre les élém ments formant joints, il est préférable que la couche externe ne soit formée que sur les parties des joints. Leenroulement en hélice des fibres donne une structure dans laquelle les fibres qui sont orientées suivant un angle particulier par rapport à l'axe de l'arbre se croi- sent avec celles qui sont orientées suivant l'angle oppo- sé Une structure en réseau, dans laquelle les fibres héli- coldales se croisent mutuellement comme si elles étaient tissées, est préférable en raison de ses caractéristiques mécaniques Une autre possibilité est une structure compre- nant des couches de fibres enroulées en hélice dans une direction, qui alternent avec des couches de fibres enroulées en hélice dans la direction opposée O Les fibres de carbone et les autres fibres qui sont employées pour la couche interne et la couche externe peuvent être sous forme de monofilaments brins ou torons, fils, rubans etc 6 2536131 Les résines dans lesquelles sont enrobées les fibres continues peuvent être des polyesters thermo- durcissables, des résines époxy ou acryliques etc La figure 1 des dessins annexés est une vue latérale en coupe de l'arbre de transmission en matière plastique renforcé de fibres selon la présente invention. Les figures 2 a et 2 b sont des vues montrant les opérations de fabrication de l'arbre. La figure 3 est un graphe montrant les rela- tions entre les coefficients de dilatation thermique linéaire (en direction périphérique) de tubes comprenant diverses fibres enroulées en hélice, et les angles de ces fibres avec la direction axiale du tube. Sur la figure 1, l'arbre de transmission 1 comprend un tube en plastique 2 renforcé de fibres, deux éléments métalliques tubulaires 3 g 3 formant joints, coaxiaux avec le tube,à chacune des extrémités de celui-ci, et deux manchons auxiliaires ou couvre-joints 4,4 a Les éléments 3 ont une surface interne canne- lée pouvant être couplée à un arbre de commande ou a un arbre commandé, et les manchons,9 qui sont montés à l'inté- rieur des éléments 3, ont une surface conique, de sorte que le diamètre du tube de plastique 2 augmente progressivement depuis une partie du corps de 1 'arbre jusque l'élément 3. Le tube de plastique 2 consiste en une couche interne 6 formée par enroulement en hélice de fibres de car- bone continues revêtues d'une résine 9 suivant un angle de à 75 " par rapport a l'axe de l'arbre 1, de préférence suivant un angle de 50 & 650, et en une couche externe 7 -30 formée par enroulement en hélice de fibres de carbone con- tinues autour de la couche interne 6, suivant un angle de à 40, de préférence de 15 à 30 QO par rapport à l'axe de l'arbre 1 Dans un mode d'exécution préféré,-les fibres de carbone sont enroulées en hélice suivant un angle de 60 ' dans la couche interne 6 et suivant un angle de 30 dans la couche externe 7, et dans ce cas, la couche interne 6 donne l'effet d'amortissement maximal tandis que la couche externe 7 a sensiblement la même dilatation thermique que le joint mé- tallique 3 en acier, comme le montre la figure 3 des dessins. Par suite de la différence de dilatation thermique radiale entre la couche interne 6 et la couche externe 7, la couche interne est comprimée par la couche externe au moment du. refroidissement à la température ordinaire après le durcisse- ment à chaud, et la force de compression supprime ainsi les tensions à l'interface entre le joint métallique 3 et la couche internes tensions qui ont tendance à les séparer, Il'ne subsiste ainsi qu'une très faible tension ou même aucune tension, ce qui accroît la résistance à la torsion de l'arbre en plastique 1 De plus, un arbre ayant cette structure amortit efficacement les vibrations transmises D ce qui donne un meilleur confort aux passagers. Ainsi, le couple qui est appliqué à l'un des éléments 3 se transmet par le corps de l'arbre 5 à l'autre élément 3, et les vibrations sont efficacement amorties Les interfaces entre les éléments 3,3 et les man- chons auxiliaires 4, 4, et la couche interne 6 se trouvant renforcées O un couple plus élevé peut être transmis sans accroissement du poids total de l'arbre. Dans unautre mode d Uexécution préféré, la couche extérieure 7 n'est formée-que par-dessus les élé- ments 3,3 et à leur voisinage O Avec cette structure, l'arbre a l'effet dlamortissement maximal sans aucun problème d'in- terface faibles entre les éléments 3, 3 et les couches in- ternes 6 du fait que le corps de l'arbre 5 n'est formé que par la couche interne 6 contenant les fibres de carbone en- roulées en hélice suivant un angle de 45 à 750, de préf - rence de 60 ', les deux parties de joints étant renforcées par la couche externe 7. Dans un autre mode d'exécutïon,, la couche externe 7 est formée par des fibres continues autres que des fibres de carbone, fibres qui, enroulées en hélice avec un angle de 5 à 40 , doivent avoir en direction péri- phérique un coefficient de dilatation thyemique linéaire plus élevé que les fibres de carbone qui sent enroulées en hélice suivant un angle de 45 à 75 e dans la couche interne 6 La couche externe 7 aura alors de préférence sensiblement le même coefficient de dilatation thermique 253613 1 que l'élément de joint métallique 3 en direction radiale. Si l'on utilise des fibres de verre, par exemple, elles seront enroulées en hélice de préférence suivant un angle d'environ 30 par rapport à l'axe de l'arbre 1, comme le montre la figure 3 v tandis qu'avec des fibres d'aramide, cet angle sera de préférence de-l'ordre de 40 Avec de telles fibres enroulées en hélice suivant des angles appropriés, la couche externe 7 exerce une force de com- pression sur la couche interne 6 en supprimant les tensions quit autrement, subsistent à l'interface entre l'élément de joint 3 et la couche interne 6 o La fabrication de l'arbre de transmis- sion en plastique 1 selon cette invention se fait de la manière suivante: Sur la figure 2 a, les joints 3,3 sont montés sur un mandrin 11 espacés d'une distance appropriée, et les manchons auxiliaires d 0, sont fixés aux extrémités internes des joints 3, lesquels ainsi que les manchons 4, 4, sont recouverts dlun adhésif, Tout en faisant tourner le mandrin 11, on anime d'un mouvement de va-et-vient le long de celui-ci un moyen d'apport de fibres de carbone continues 12 recouvertes de résine, de manière que les fibres puissent être enrou- lées en hélice en continu autour des éléments 3,3, des man- chons 4,4 et du mandrin compris entre eux, suivant un angle de 45 à 75 , par exemple de 600, par rapport à l'axe 13 du mandrin 11, les fibres de carbone enroulées en hiélice ayant de préférence une structure en réseau dans laquelle elles sont tissées On forme ainsi la couche interne 6 à l'épaisseur voulue. Ensuite, comme le montre la figure 2 b, on enroule en hélice des fibres continues 14 recouvertes de résine autour de la couche interne 6 suivant un angle de à 40 , en animant d'-un mouvement de va-et-vient un moyen d'apport de ces fibres le long du mandrin 11, tout en faisant tourner celui-ci à une vitesse appropriée par rapport au moyen d'apport des fibres Comme il a été dit plus haut, ces fibres 14 peuvent être des fibres de carbone ou d'autres fibres, par exemple de verre,de polesters& d'aramide et autres S'il s'agit de fibres de carbone, on les enroule en hélice de préférence suivant un angle d'environ 300, pour lequel la couche externe 7 a sensiblement la même dila- tation thermique que le joint 3 en acier, comme le montre la figure 3 e Si l'on prend d'autres fibres, il est à noter que l'angle d'enroulement varie avec le type de fibre, l'an- gle optimal étant d'environ 30 pour des fibres de verre et d'environ 400 pour des fibres en Kevlar (nom de marque de Du Pont) qui est un type de fibres d'aramide Les fibres continues de la couche extérieure seront aussi de préférence tissées en une structure en réseau O Les résines appliquées sur les fibres continues 12 et 14 sont des polyesters thermodurcissables, des résines époxy ou acryliques ou autres. Le tube de plastique 2 ainsi formé est ensuite durci avec l'adhésif à chaud, ce qui donne l'arbre de transmission 1 avec les éléments de joints 3, 3 a les man- chone-auxiliaires d 4 et le tube de plastique 2 constituant un tout intégré, et le mandrin Il est finalement retiré de l'arbre. Quand on chauffe le tube de résine 2 pour le durcir, la couche intérieure 6 contenant les fibres de carbone enroulées en hélice, par exemple suivant un angle de 60 avec l'axe 13, se dilate au moins dans sa direction radiale du fait des caractéristiques anisotropes des fibres de carbone, comme le montre la figure 3 Par ailleurs, la couche extérieure 7 contenant par exemple des fibres de carbone enroulées en'hélice suivant un angle de 30 , se dilate sous l'effet de la chaleur autant que les joints 3, 3 Le durcissement & chaud terminé, on refroidit l'arbre à la température ordinaire, et par suite de leur plus forte -dilatation thermique, les jointsmétalliques 3,3, les manchons 4,4 et la couche extérieure 7 subissent un plus fort re- trait que la couche intérieure 6 au moment du refroidissement. Ainsi, sans la couche extérieure 7, l'interface d'adhésif entre les joints 3 et la couche interne 6 serait soumis à une tension ayant tendance à les séparer, mais la couche extérieure comprime la couche intérieure en supprimant efficacement cette tension, et la tension éventuelle qui subsiste reste très faible La résistance de l'interface à la torsion est donc fortement améliore O ce qui augmente la résistance à la torsion de l'arbre de transmission 1. Le mode d'exécution ci-dessus donne un arbre de transmission en plastique avec-la couche externe 7 s'étendant sur toute sa longueuro Toutefois, si l'on veut avoir l'effet d'amortissement maximal, la couche externe ne sera formée que sur les joints 3 g 3 et a leur voisinage. On peut en outre utiliser des joints pleine au lieu de joints tubulaires, et chaque élément tubulaire plein comporte une saillie adaptée à être cannelée sur un arbre de commande ou un arbre commandé. Ainsi qu'on l'a dit plus haut, la présen- te invention apporte un arbre de transmission en plastique léger, renforcé de fibres O comprenant des éléments métallio ques de jointse une couche interne eteun couche externe, arbre dont la résistance & la torsion et l'effet diamortis- sement sont très accr Us O De pluse un tel arbre peut être fabriqué sans difficulté O par exemple sans nécessiter des opérations comme l'application et l'enlèvement de rubans ou bandes. 2536 13 1 REVENDICATIONS -o Procédé de fabrication d'un arbre de commande ou transmission enmatière plastiquez, renforcé de fibres, comprenant des éléments métalliques de joints, une couche interne et une couche externe de plastique,procédé selon lequ E on dispose les éléments métalliques de joints sur un mandrin rotatif, espacés deune distance appro- priée; on enroule en hélice des fibres de carbone continues revêtues d'une résine autour des joints métalliques et du mandrin compris entre eux suivant un angle de 45 a 750 par rapport a l'axe du mandrin, pour former la couche interne puis on enroule en hélice des fibres continues revêtues de résine au moins autour de certaines parties de la couche interne recouvrant les joints, suivant un angle de à 40 pour former la couche externe g on durcit les résines sous l'action de la chaleur e et finalement on retire le mandrin. 20 = Procédé selon la revendication 1 dans lequel les fibres continues de la couche externe sont choisies parmi des fibres de carbone, de verre O de polyesters et d'aramide. 3 o Arbre de commande ou transmission en matière plstique& renforcé de fibres, comprenant - des éléments métalliques de joints séparés entre eux; une couche de plastique interne recouvrant toute la longueur de learbre et maintenant les joints mé- talliques aux deu 4 extrémités de celui-cie couche qui com- prend des fibres de carbone continues enrouléIes en hélice suivant un angle de 45 à 750 par rapport à l'axe de l'arbre; et une couche de plastique externe forme au moins sur certaines parties de la couche interne recou= vrant les joints, couche externe qui comprend des fibres continues enroulées en hélice suivant un angle tel que cette couche externe ait un coefficient de dilatation ther- mique radial supérieur à celui de la couche interne. 4. Arbre selon la revendication 3 dans lequel l'angle d'enroulement des fibres continues de la couche externe est de 5 à 400 par rapport à l'axe de l'arbre. 5 Arbre selon la revendication 3 dans lequel la couche externe n'est formée que-sur des parties de la couche interne recouvrant les joints métalliques. 6. Arbre selon la revendication 3 ou 4 dans lequel les fibres continues de la couche externe sont choisies parmi des fibres de carbone, de verre, de poly- esters et d'un aramide.