Brevet FR2558105A1 — publié le 19850719

Tube, en particulier pour une colonne de direction de s reté pour véhicules automobiles L'invention se rapporte à un tube, en particulier pour une colonne de direction de sûreté pour véhicules automobiles, en matériauxrenforcésde fibres enroulés avec un angle d'en- roulement des fibres de sensiblement + 45 par rapport à l'axe longitudinal du tube. De tels tubes, en général des tubes cylindriques, sont certes utilisés en construction automobile pour les arbres d'entraînement, les colonnes de direction, eic. Ils sont réalisés en matériauxrenforcésde fibres et bobinés avec un angle d'enroulement des fibres d'à peu prés + 45 par rapport à l'axe longitudinal du tube. Pour l'absorption des moments de torsion, les fibres sont sollicitées dans le sens de leur orientation, donc en traction et en compression. Les tubes sont bobinés soit à partir de fibres individuelles,or de rubans de fibres plat qui sont mutuellement raccordés par une résine durcissableo Pour des caractéristiques données des fibres et des liants, les tubes de ce type peuvent être établis pour une résistance et une rigidité optimale en ce qui concerne les efforts de torsion. Dans de nombreux domaines d'utilisation, par exemple pour la construction d'arbres d'entraînement ou en particulier de colonnes de direction de sûreté pour véhicules, il est nécessaire que le tube sollicité en torsion soit réalisé sensible à la flexion dans sa totalité-ou en des endroits discrets, étant donné que les axes du couple absorbé et du couple restitué modifient leur position l'un par rapport à l'autre. Dans le cas des colonnes de direction de sûreté, il s'agit de rendre improbableôles blessures susceptibles d'être infligées aux occupants en cas de collision. C'est pourquoi on exige en plus que, bien que résistant à la torsion,la colonne de direction soit élastique dans le sens longitudinal et/ou puisse être comprimée ou détruite sous une charge aussi faibleque rossible dans le sens longitudinal. de La colonne de direction/sûreté, de ce type est connue par la demande de brevet allemand 30 45 141. Au moins une partie de cette colonne de direction est réalisée en forme de tube en treillis qui est bobiné à partir defubans d'écheveaux de fibres. L'angle d'enroulement de ces rubans est en pareil cas d'environ + 45 . Les exigences relatives à larigidité de la colonne de direction de sûreté peuvent être modifiées dans de larges mesures, par exemple par le nombre de couches dans les différents écheveaux du treillis ou par le choix de la largeur des rubans de fibres enroulés, ainsi que par l'angle d'enroulement. Dans la demande de brevet P 32 29 209.0 de la demande- resse, il est proposé,en tant aue colonne de direction de sûreté ou comme partie d'une telle colonne de direction, de munir un arbre creux d'au moins un élargissement de plus grand diamètre et fendu longitudinalement de façon que dans la zone de l'4largissement la paroi du tube soit réduite à des rubans bbomb'és dans le sens longitudinal et à surfaces sensiblement planes. La liaison des deux tronçons de tube à paroi pleine est par exemple assurée par quatre rubans respectivement décalé, de 900 et constitué. chacun par trois plaques raccordées par des points de brisure. Un tel tube élargi peut aussi être bobiné et réalisé en matériaixrenforcé, de fibres. Pour obtenir l'élargissement ajouré i] faut utiliser un noyau auxiliaire destructible après le bobinage par exemple en produit mousse. Les jours à l'intérieur de l'élargissement peuvent soit être découpés après le bobinage, soit maintenus libres à l'avance par des gabar- appropriés lors du bobinage, l'angle d'enroule- ment devant toutefois ne pas d,épasser + 45 dans la zone de l'élargissement. Lors de l'absorption des efforts de torsion dans le tube élargi, les étroits rubans dans la zone du renflement ne sont pas seulement sollicités par des efforts de torsionmais aussi par des efforts de cisaillement. L'invention a pour objet de perfectionner un tube en question réalisé en matériauxrenforcsde fibres et enroulés, en particulier pour une colonne de direction de sûreté pour véhicules automobiles, de façon que,sans affecter la capacité de charge en torsion, la résistance à la flexion et à la compression soit considérablement abaissée sans augmenter les coûts de la fabrication. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait que le tube bobiné est muni d'un élargissement (renflement) disposé sur toute la périphérie du tube et également bobiné avec un angle d'enroulement d'environ + 450 par rapport à l'axe longitudinal du tube. Du fait de ces caractéristiques, dans un tube en matériaux renforcés de fibres et bobinés avec un angle d'enroulement de sensiblement + 45 , la paroi du tube dans sa zone homogène se trouve en plus munie d'un élargissement ou d'un renflement. Cela a pour effet de diminuer considéra- blement la résistance à la flexion du tube sans pour autant avoir une influence négative sur sa résistance à la torsion. Le mode d'action de cet agencement repose sur le principe que les éléments de paroi du tube en cas de sollicitation en flexion ou en compression dans la zone du renflement sont sollicités individuellement en flexion, c'est-à-dire que,pour la résistance b la compression et à la flexion>ce n'est pas la géométrie globale du tube qui compte, mais l'épaisseur de la paroi, si bien qu'avec le rapport de l'épaisseur de la paroi au diamètre qui est en grossière approximation de l'ordre de la troisième puissance, on obtient un rapport correspondant des différentes résistances. On peut ainsi obtenir de très faibles résistances à la flexion et longi- tudinales dont les valeurs ne peuvent pas descendre en dessous de certaines limites uniquement par le fait,qu'en cas de déformation de la zone supérieure de l'élargissement ou du renflement, il se produit des contraintes périphériques qui s'opposent à l'aptitude à la déformation. Pour la fabrication du tube, les fibres ou les rubans de fibres sont enroulés avec un angle d'enroulement d'environ + 45 , cet angle étant maintenu sans interruption même dans la zone de l'élargissement ou du renflement. Grâce àk un mode d'enroulement, on peut, en ce qui concerne la résistance et la rigidité à la torsion ainsi que la sensibi- lité à la flexion, obtenir des caractéristiques optimales que l'on ne peut pas obtenir par exemple avec des tubes métal- liques. Avec un mode d'enroulement' bombé, les contraintes périphériques intervenant sont en particulier également plus faibles que par exemple dans les tubes métalliques, attendu que ces efforts agissent sous un angle de 45 par rapport au sens des fibres de renforcement. En ce qui concerne ce sens de la charge, le stratifiéobtenu avec l'er.rouleuent bombé présente toutefois une très faible rigidité par rapport aux autres sens de la charge (voir par exemple Kaudbuch Faserverbund-Leichtbau, Arbeits:blatt VB 22300-05, page 3). Le comportement mécanique d'un tube selon l'invention comportant un élargissement ou un renflement et avec un angle d'enroulement sensiblement constant d'environ + 450 peut être encore renforcé si, au lieu d'un tube monobloc à paroi fermée, on choisit, en particulier dans la zone de l'élargissement ou du renflement, une structure réticulée ouverte, par exemple en rubans de fibres. Ici aussi, les écheveaux ou les rubans de fibres individuelles sont sollicités en compression et en traction en cas d'efforts de torsion. Les points nodaux des différents rubans de fibres doivent être respectivement placés la aux endroits de la plus grande déviationdans/zone de l'élargisse- ment ou du renflement. De cette façon, la tanue en charge du tube en cas d'efforts de torsion dans la zone de l'élargisse- ment ou du renflement reste la même que dans la zone de diamètre constant. Du fait de la structure réticulée tout au moins dans la zone de l'élargissement ou du renflement, il se forme dans le sens périphérique des contraintes encore plus faibles que dans une construction à paroi pleine, si bien qu'un effet de raidissement se trouve ainsi presque complète- ment supprimé. Cela revient à dire que le module d'élasticité dans le sens périphérique peut encore être diminué par la structure réticulée, si bien que la structure du tube est dans son ensemble "souple" dans la zone réticulée. Un renflement sensiblement biconique dans la structure réticulée s'est révélé particulièrement avantageux, les deux surfaces d'une base des cônes étant appliquées l'une contre l'autre. Des renflements dissymétriques ou des élargissements coniques passant d'un diamètre à un second diamètre du tube sont toutefois également possibles. Il est par ailleurs avantageux que le tube présente à peu près le même diamètre avant et après le renflement. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le tube tout au moins dans la zone du renflement présente une structure réticulée constituée de rubans d'écheveaux de fibres enroulés. Le renflement peut aussi présenter avanta- geusement la forme d'un double tronc de cône dont les surfaces de base sont tournées l'une vers l'autre. Selon une autre particularité avantageuse de l'invention, les points nodaux des fibres ou des rubans d'écheveaux de fibres dans la zone du renflement et sur la ligne de transi- tion par rapport à ce dernier sont disposés à des endroits de la périphérie ayant la plus grande déviation dans le sens longitudinal du tube. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel: la figure 1 est une vue en perspective de la moitié avant d'un tube selon l'invention comportant un renflement pour diminuer la rigidité à la compression et à la flexion; la figure 2 est une vue schématique du tube représenté sur la figure 1 en position normale et en position comprimée La figure 1 représente la moitié avant d'une partie d'un tube 1 pour une colonne de direction de sûreté. Le tube est bobiné en matériau renforcé de fibres sous forme de rubans d'écheveaux de fibres 2, l'angle d'enroulement étant d'environ + 45 sur toute la longueur du tube. Le tube 1 de diamètre D est muni d'un renflement 3 sous forme de deux troncs de c8nes réunis par leur surfaces de base et dans la zone duquel l'enroulement des rubans d'écheveaux de fibres 2 se continue de façon homogène. Grâce au bobinage constitué de rubans d'écheveaux de fibres relativement larges en plusieurs couches, on obtient dans le cas représenté un tube qui,dans la zone de diamètre D,peutpresque être considéré comme un tube à paroi pleine, tandis que dans la zone du renflement 3,il présente une structure réticulée. Le diamètre D du tube est par exemple de 44 mm et le diamètre D I du renflement de 64 mm. Lors du bobinage, on veille à ce que des points d'intersection ou les points nodaux P des rubans d'écheveaux de fibres 2 se situent respectivement sur les cercles périphériques U1 et U2 de la transition entre le tube de diamètre D et le renflement ainsi que sur le cercle périphérique U3 de plus grand diamètre D1 du renflement. Sur la figure 2, le tube 1 est représenté à l'état normal et,par une ligne en traits mixtes,à l'état comprimé dans le sens axial. Lors de sa compression, le tube est déformé dans la zone du renflement 3 et a alors un plus grand diamètre D. Lors de la déformation, leréseau du renflement 3 se brise au niveau des points nodaux et des rubans d'écheveaux de fibres eux-mêmes. Un tube tel que décrit ci-dessus a été bobiné en stratifil de verre textile EC 9/756 texK43 HF en un dessin octuple en six couches avec une résine de liaison CI 209/HT 972. Le tube avait un diamètre D de 44 mm qui s'élevait à 64 mm dans la zone du renflement biconique. La rupture est intervenue dans le réseau à 1780 N. On a,en outre, bobiné deux éprouvettes en stratifil de verre textile EC 10/156 tex en un dessin octuple en six couches avec une résine de liaison CY 209/972. Une éprouvette était un tube réticulé de diamètre constant, l'autre éprouvette un tube réticulé comportant un renflement selon l'invention. Ces tubes ont été sollicités en compression avec pour résultat que l'éprouvette cylindrique s'est rompue sous un effort de260 N, tandis que l'éprouvette comportant le renflement s'est rompue à 108 N dans le réseau, c'est-à-dire que cette éprouvette est "plus souple" du fait du renflement. La capacité de charge en torsion est la même pour les deux éprouvettes. REVENDICATIONS 1. Tube, en particulier pour une colonne de direction de sûreté pour véhicules automobiles, en matériaux renforcés de fibres enroulés avec un angle d'enroulement des fibres d'environ + 45 par rapport à l'axe longitudinal du tube, caractérisé par le fait que le tube bobiné (1) est muni d'un élargissement (renflement 3) disposé sur toute la périphérie du tube, et égalementbobiné avec un angle d'enroulement d'environ + 450 par rapport à l'axe longitudinal du tube. 2. Tube selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le tube (1) présente sensiblement le même diamètre (D) avant et après le renflement (3). 3. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le tube (1) au moins dans la zone du renflement (3) présente une structure réticulée constituée de rubans d'écheveaux de fibres (2) enroulés. 4. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que -le renflement (3) a sensiblement la forme d'un double tronc de cône dont les surfaces de base sont tournées l'une vers l'autre. 5. Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les points nodaux (P) des fibres ou des rubans d'écheveaux de fibres dans la zone du renflement (3) et de la transition par rapport à ce dernier sont disposés en des endroits de la périphérie (U1, U2, U3) présentant la plus grande déviation dans le sens longitudinal du tube.