Brevet FR2582748A1 — publié le 19861205

La présente invention est relative à un accumulateur à pression de gaz et d'huile, notamment pour les avions. Pour la construction des appareils et des pièces d'a- vion, l'essentiel est d'obtenir la plus grande sécurité et la plus grande fiabilité possibles en même temps que la plus grande légèrete possible. Dans les installations hydrauliques de bord, destinées à alimenter de multiples appareils essentiels au service, comme, par exemple, les commandes par servo-mécanismes, les freins, les trains d'atterrissage et les dispositifs ana- logues, des éléments particulièrement importants sont les accumulateurs à pression. Ces accumulateurs ont pour fonction de contenir un volume d'huile hydraulique maintenue sous pression par un gaz comprimé pour fournir une quantité d'huile suffisante même en cas d'avarie du groupe compresseur ou d'une partie du circuit d'alimentation et permettre la mise en oeuvre des appareils indispensables aux manoeuvres de vol en cas d'urgence. Dans les nombreux systèmes envisages, l'expérience montre que ce sont les accumulateurs qui augmentent le plus le poids des dispositifs hydrauliques. Ce résultat est dé aux normes qui imposent un coeffi- cient de sécurité assez élevé et aux conditions d'utilisa- tion particulières qui déterminent les dimensions des accumulateurs. Pour réduire le poids des éléments en question, il est possible de recourir à l'utilisation d'aciers ayant des caractéristiques mécaniques élevées, mais ces aciers n'as- surent pas une résistance suffisante à la fatigue et à l'usure et, par ailleurs, leur usinage est difficile et coûteux, tandis que l'allégement qu'ils permettent d'obte- nir est limité. Il est également possible d'utiliser des matériaux de type composite, mais ces matériaux, dans l'état actuel des techniques de réalisation connues, ne se prêtent pas à la construction de formes complexes et dissymétriques comme celles qu'exigent les accumulateurs. Le but de l'invention est donc la réalisation d'accu- mulateurs qui offrent une résistance convenable et, en même temps, gardent un poids particulièrement réduit. Ce but est atteint, suivant l'invention, par la réali- sation d'un accumulateur à pression de gaz et d'huile, en particulier pour des circuits hydrauliques d'avion, qui comporte une structure portante en matériaux composites et est constitué par un corps cylindrique qui comporte des fonds fermis, dont l'un au moins est constitué par une ca- lotte bombée, et contient un piston mobile qui délimite deux chambres, l'une qui peut contenir de l'huile hydrauli- que et l'autre qui peut contenir du gaz sous pression et dans lequel les parois soumises & une pression interne comprennent une tue intérieure en matériau métallique d'épais- seur réduite et sont munies d'un revêtement en matériau composite constitué par des fibres à haute résistance im- prégnées de résines synthétiques et pouvant résister & des efforts dus à la pression, ce revêtement en matériau compo- site s'étendant au moins sur l'une des calottes situées aux extrémités du corps cylindrique, l'enroulement des fibres étant continu et sans superpositions, suivant des angles d'enroulement qui diffèrent des angles correspondant à l'en- roulement équilibrant les tensions & la surface du corps cylindrique lui-même. Dans un mode de réalisation particulier, l'accumula- teur sous pression qui fait l'objet de l'invention comporte une Aie intérieure en matériau métallique, de préférence en acier, qui comporte un fond arrière relié & l'rme et portant les dispositifs de fixation pour la liaison hydraulique, avec une partie cylindrique intermédiaire dans laquelle se déplace un piston assurant l'étanchéité, et une calotte avant fermée, l*me étant recouverte d'un revêtement en matériau composite qui absorbe tout ou partie des efforts de pres- sion, comprend la partie cylindrique intermédiaire et s'étend sur une partie de la calotte avant, l'âme m6talli- que ayant une épaisseur réduite dans les zones recouvertes du revêtement en matériau composite. D'une manière plus détaillée, ce revêtement en maté- riau composite comporte une couche principale de fibres, disposées à la surface de la partie cylindrique suivant un tracé hélicoïdal à pas variable, et une couche secondaire de fibres, disposées suivant des circonférences, l'épais- seur diminuant depuis la zone de raccord de la calotte à la partie cylindrique jusqu'à la zone d'extrémité du revé- tement en matériau composite sur la partie cylindrique. En particulier, la couche principale comporte des fi- bres qui font un angle de 55 environ avec les génératrices de la partie cylindrique dans la zone de raccord à la calotte et un angle voisin de 900 dans sa zone d'extr6mité; le revê- tement en matériau composite s'étend sur la calotte jusqu'à un diamètre minimal égal à 0,8 fois le diamètre de la partie cylindrique. Les fibres du matériau composite sont des fibres de module élastique élevé et, de préférence, des fibres de carbone. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le corps cylindrique contient un tube intérieur en matériau métallique dans lequel le piston peut se déplacer et compor- te une paroi extérieure distincte du tube et comprenant une ime métallique intérieure reliée à l'une de ses extrémités à un fond qui porte les dispositifs de fixation permettant la liaison hydraulique avec l'accumulateur, comporte une partie cylindrique intermédiaire et forme, à l'extrémité opposée, une calotte de fermeture, la zone de jonction entre l'âme métallique intérieure de la paroi extérieure et le fond ayant un diamètre inférieur au diamètre de la partie cylindrique intermédiaire et étant raccordée à cette partie par une calotte bombée, l'ème intérieure de la paroi ex- t&rieure étant recouverte d'une couche de matériau composi- te qui absorbe la totalité des efforts de pression qu'elle subit et ayant une épaisseur réduite dans toute la zone o elle est associée au matériau composite. Le revêtement en matériau composite s'étend sur la calotte de fermeture jusqu'à un diamètre égal à 0,6 du dia- mètre de la paroi extérieure et les fibres du matériau com- posite font, avec les génératrices de la surface cylindri- que de la paroi extérieure, dans la zone de raccordement & la calotte de fermeture, un angle nettement inférieur & 55. Cette tue métallique comporte une calotte bombée assu- rant la jonction entre la partie cylindrique et la zone de raccordement au fond et le revêtement en matériau composite s'étend sur la calotte bombée jusqu'à un diamètre sensible- ment égal à 0,8 fois le diamètre de la partie cylindrique. Le matériau qui constitue cette tue métallique intérieure, de préférence un alliage léger, présente, dans la partie cylindrique intermédiaire, l'épaisseur minimale compatible pour son usinage. Dans ce mode de réalisation, les fibres du matériau composite sont de préférence des fibres de résine aramidi- que (polyamide aromatique), connue sous le nom commercial de Kxevlar". La résine d'imprégnation des fibres du matériau compo- site est de préférence, en général, une résine époxyde. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressor- tent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées, & titre d'exemples non limitatifs, au dessin annexé. La fig. 1 est une vue externe d'un accumulateur à un seul cylindre comportant une paroi extérieure et une calotte d'extrémité réalisées en matériau métallique associé à un matériau composite. La fig. 2 est une section axiale de l'accumulateur représenté à la fig. 1. La fig. 3 est une section axiale d'un accumulateur comportant un tube de glissement intérieur et une enveloppe extérieure en matériau composite. Comme le montrent les fig. 1 et 2, un accumulateur est constitué par un corps cylindrique 1 qui comporte un fond 2 et dans lequel se déplace un piston 3 qui délimite, à l'intérieur du corps cylindrique 1, deux chambres 4, 5 destinées à contenir respectivement du gaz sous pression et de l'huile. Le fond 2 est muni de conduits 6, 7 pour l'arrivée et l'évacuation de l'huile et la chambre 4 comporte une tubu- lure 8 pouvant être obturée et permettant l'introduction initiale du gaz sous pression. Le corps cylindrique 1 est constitué par une chemise ou ame intérieure en acier 9 au contact de laquelle se déplace le piston 3 et qui est reliée au fond 2 par l'intermédiaire de l'embout fileté 10. Le corps cylindrique 1 est soumis à des efforts résul- tant de la pression interne; aussi la chemise 9 est-elle munie d'un revêtement extérieur 11 qui a pour fonction d'as- surer, en association avec cette chemise intérieure 9, une résistance mécanique suffisante de l'ensemble tout en réa- lisant un allégement maximal. En particulier, la chemise 9 a des dimensions lui per- mettant d'absorber la plupart des efforts qui s'exercent seulement dans le sens axial et comporte une partie arrière 12 de plus forte épaisseur, pour la jonction du fond 2 et de l'embout 10, et la calotte avant 13 qui porte la tubulure 8; la résistance aux efforts qui s'exercent dans le sens radial est assurée par le matériau composite 11 qui est également appelé à absorber une partie des efforts exercés dans le sens axial. En effet, le matériau composite 11 s'étend sur une partie de la calotte avant 13 dans sa partie incurvée 14 et cette partie est soumise à une partie de la poussée due à la pression qui s'exerce sur la calotte 13, en asso- ciation avec la calotte 13 de l'ame 9; cette poussée se traduit par un effort exercé dans le matériau composite parallèlement à l'axe du corps cylindrique. Le matériau composite est formé de fibres qui ont une grande résistance à la traction, sont disposées suivant des directions permettant de tirer partie d'une manière opti- male de leurs caractéristiques de résistance et sont impré- gnées et reliées à la chemise 9 par des résines synthéti- ques. Les fibres qui répondent le mieux à ces exigences sont des fibres à module élastique élevé qui permettent d'obte- nir des déformations congruentes entre le matériau compo- site et les chemises en acier sous l'action des efforts qui s'exercent sur elles; les fibres qui conviennent le mieux sont, en particulier, les fibres de carbone. La disposition des fibres doit répondre à des exigen- ces multiples, notamment k l'équilibrage des tensions lon- gitudinales et transversales et à la possibilité de réaliser des fibres continues en suivant le profil de la surface d'enroulement, qui n'est pas symétrique, comme l'exige la théorie connue de l'enroulement de filaments, l'une des extrémités comportant la partie incurvée 14 tandis qu'à l'autre extrémité le matériau composé se termine sur une partie cylindrique de la surface. Il est donc nécessaire que les efforts qui s'exercent dans le sens axial soient absorbées également, pour la partie qui lui revient, par le matériau composite et qu'il les transmette, au-delà de son extrémité, à l'Sme métallique intérieure. Ce résultat peut être atteint du fait de la disposition des filaments suivant des lignes non géodésiques à la sur- face de l'ame 9; cela signifie que les fibres qui sont soumises à une simple traction doivent être orientées sui- vant des lignes géodésiques et que celles qui sont dispo- s6es suivant des trajectoires non géodésiques doivent ab- sorber des efforts de cisaillement et que ces efforts doi- vent être transmis & la résine d'imprégnation de telle ma- nière que les fibres puissent absorber une partie des efforts qui s'exercent dans le sens axial même lorsque le matériau composite n'a pas une structure symétrique, ces efforts étant transmis progressivement à l'âme métallique inté- rieure par l'intermédiaire de la résine. Pour cela, les fibres de la couche principale lla sont disposées de manière à faire un angle " 1, égal de préférence à 55 , avec les - génératrices correspondantes du corps cylindrique, dans la zone désignée par la référence A1 à proximité de la jonc- tion avec la partie 14, cet angle correspondant à l'équili- bre entre les tensions axiales et les tensions périphéri- ques dans le corps cylindrique. Cet angle, désigné par la référence a, augmente progres- sivement jusqu'à une valeur "2 qui est de 900 environ dans la zone terminale A2 de la partie renforcée en matériau composite dans laquelle il n'est plus appelé à absorber des efforts exercés dans le sens axial, mais seulement des efforts périphériques. L'enroulement hélico!dal à pas variable a, par suite de la continuité des filaments et de la variation de l'angle d'enroulement, une épaisseur variable et croissante de la zone A1 à la zone A2. En particulier, par suite de la juxtaposition des spires sans superposition, dans le cas de filaments continus, l'épaisseur S1 dans la zone A1 est égale à 0,67 de l'épais- seur S2 dans la zone A2 et, dans une section quelconque, elle est donnée par la formule: S = S2 sin2 a Si l'enroulement dans la zone A2 a des dimensions telles qu'il y assure l'équilibrage des tensions, il faut un enroulement ultérieur de type périphérique circulaire, désigné par la référence 15 à la fig. 2, qui ait une &paisseur variable, avec un maximum dans la zone A1 et une valeur nulle dans la zone A2, de manière à équilibrer les tensions circulaires qui ne peuvent pas tre absorbées par l'enroulement principal. La partie 14 en matériau composite s'étend sur la ca- lotte 13 jusqu'à un diamètre d1 qui dépend de l'angle des filaments dans la zone de raccord ayant le diamètre d du corps cylindrique; lorsque cet angle est de 55 , dl est égal à dsin 55-, c'est-à-dire à dl - 0,819 d. La fig. 3 représente un autre mode de réalisation d'un accumulateur ayant une structure lui permettant de résister à la pression interne tout en étant réalisée en- tièrement en matériau composite. Cet accumulateur est constitué par un tube 101 en acier dans lequel se déplace un piston 102; à l'une de ses extrémités, le tube 101 est relié à un fond 103 muni d'une tubulure 104 pour l'arrivée de l'huile. Le tube 101 est entouré par une enveloppe 105 qui absorbe toute la pression interne. L'enveloppe 105 est constituée par une *me intérieure 106 en matériau métallique, de préférence en alliage léger, et comporte une partie de plus forte épaisseur 107 assurant la liaison avec le tube 101 et le fond 103 par l'interm6- diaire de l'embout fileté 108. A l'extrémité opposée 109, elle comporte une autre partie de plus forte épaisseur qui constitue la tète libre de l'accumulateur, dans laquelle est ménagée la tubulure 110 pour l'arrivée du gaz sous pression et pouvant être fermée pour le fonctionnement, et le relief annulaire 111 qui permet l'appui de l'extrémité libre du tube 101 et com- porte des trous 113 qui assurent la communication entre la cavité intérieure du tube après le piston 102 et le volume compris entre la surface extérieure du tube et la paroi intérieure de l'enveloppe 106. L'épaisseur de paroi de la partie cylindrique de l'enveloppe 106 est assez réduite et n'est pas calculée de manière à fournir un appoint important à la résistance mécanique de l'ensemble; les efforts sont absorbés par le revêtement extérieur 112 en matériau composite. Ce système permet d'obtenir un allégement important du fait que le tube 101, qui est en acier, peut avoir une faible épaisseur correspondant au minimum compatible avec les exigences de son usinage, les pressions qui s'exercent sur lui à l'inté- rieur et à l'extérieur étant équilibrées; la structure soumise à la pression interne est réalisée en matériau com- posite, de sorte qu'elle présente une grande légèreté pour une résistance égale à celle des matériaux métalliques tra- ditionnels. Il est particulièrement avantageux d'utiliser un maté- riau composite comportant, comme fibres de renfort, des fibres aramidiques (polyamide aromatique) connues sous la désignation commerciale de "Kevlar", qui présentent un rapport poids/ résistance à la traction particulièrement faible. La réalisation de l'enveloppe extérieure 106 en matériau composite est soumise à des limitations géométri- ques relatives au diamètre maximal d2 admissible à l'extré- mité 107 et au diamètre minimal d3 admissible à l'extrémi- té 109. Quant au diamètre d2, dans le cas d'un enroulement équilibré, avec un angle de 55- entre les fibres et les génératrices de la partie cylindrique, il est sensiblement égal à 0,8 d. Le diamètre d3 peut être choisi inférieur au diamètre = d2 en écartant l'enroulement des fibres du profil géodésique et en affectant, par conséquent, les efforts de cisaille- ment aux fibres elles-mêmes. Compte tenu de la résistance au cisaillement des fi- bres utilisées par rapport à leur résistance à la traction, on peut admettre un rapport minimal d3/d2 égal à environ 0,6; cette valeur correspond & un angle a d'environ 30 dans la zone de raccord entre l'extrémité en forme de calotte 109 et la surface cylindrique. Le déséquilibre des tensions qui résulte de l'écart entre l'enroulement et le profil géodésique est compensé par un enroulement secon- daire, de type circulaire, qui fournit l'appoint de ré- sistance nécessaire dans la zone dans laquelle l'enroule- ment principal s'effectue dans des directions défavorables. REVENDICATIONS i - Accumulateur à pression de gaz et d'huile compor- tant une structure portante en matériaux composites et destiné en particulier à des circuits hydrauliques instal- lés dans les avions, caractérisé en ce qu'il est constitué par un corps cylindrique (1, 101) qui comporte des fonds fermés (2, 103), dont l'un au moins est constitué par une calotte bombée (13) et contient un piston mobile (3) déli- mitant deux chambres (4, 5) pouvant contenir l'une, de l'huile hydraulique et l'autre, du gaz sous pression et dont les parois soumises à la pression interne comportent une ame intérieure (9) en matériau métallique d'épaisseur rédui- te et sont munies d'un revêtement en matériau composite (11) constitué par des fibres de résistance élevée impré- gn6es de résine synthétique et capable de résister aux ef- forts résultant de la pression, ce revêtement en matériau composite (11) s'étendant au moins sur l'une des calottes (13) situées à l'extrémité du corps cylindrique (1), l'en- roulement des fibres étant continu et sans superpositions, suivant des angles d'enroulement qui diffèrent des angles qui correspondent à l'enroulement qui équilibre les tensions à la surface du corps cylindrique lui-même. 2 - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une Sme intérieure (9, 106) en matériau métallique, de préf6- rence en acier, qui comporte un fond arrière (2, 103), relié à l'âme et portant les dispositifs de fixation pour la liaison hydraulique, avec une partie cylindrique inter- médiaire dans laquelle se déplace un piston (3, 102) assu- rant l'étanchéité, et une calotte (13) avant fermée, l'nme étant recouverte d'un revêtement en matériau composite (11, 112) qui absorbe tout ou partie des efforts de pression, comprend la partie cylindrique intermédiaire et s'é tend sur une partie de la calotte avant (13), l'âme métallique ayant une épaisseur réduite dans les zones recouvertes du revêtement en matériau composite. 3 - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon la revendication 2, caractérisé en ce que le revêtement en matériau composite (11, 112) comporte une couche prin- cipale de fibres disposées & la surface de sa partie cylin- drique suivant un tracé hélicoïdal à pas variable et une couche secondaire de fibres disposées suivant des circonfé- rences, l'épaisseur diminuant depuis la zone de raccord de la calotte (13) & la partie cylindrique jusqu'à la zone de l'extrémité du revêtement en matériau composite sur la par- tie cylindrique. 4 - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche principale comporte des fibres qui font avec les génératrices de la partie cylindrique un angle de environ dans la zone de raccord avec la calotte (13) et un angle voisin de 90 dans la zone de son extrémité. - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le revêtement en matériau composite (11, 112) s'étend sur la calotte (13) jusqu'à un diamètre minimal égal & 0,8 fois le diamètre de la partie cylindrique. 6 - Accumulateur de pression de gaz et d'huile selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fibres du matériau composite sont des fibres ayant un module élastique élevé et, de préférence, des fibres de carbone. 7 - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps cylindri- que contient un tube intérieur (9, 101) en matériau métal- lique dans lequel le piston peut se déplacer et comporte une paroi extérieure distincte du tube comprenant une me métallique intérieure reliée à l'une de ses extrémités à un fond (2, 103) qui porte les dispositifs de fixation permettant la liaison hydraulique de l'accumulateur, compor- te une partie cylindrique intermédiaire et forme, à l'extrémité opposée, une calotte (13) de fermeture, la zone de jonction entre l'âme métallique intérieure de la paroi extérieure et le fond ayant un diamètre inférieur au diamè- tre de la partie cylindrique intermédiaire et étant raccor- dée à cette partie par une calotte bombée (13), l'âme intérieure de la paroi extérieure étant recouverte d'une couche de matériau composite qui absorbe la totalité des efforts de pression qu'elle subit et ayant une épaisseur réduite dans toute la zone o elle est associée au matériau composite. 8 - Accumulateur & pression d'huile et de gaz selon la revendication 7, caractérisé en ce que le revêtement de matériau composite s'étend sur la calotte de fermeture (13) jusqu'à un diamètre minimal égal à 0,6 du diamètre de la paroi extérieure. 9 - Accumulateur à pression d'huile et de gaz selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les fibres du matériau composite font, avec les génératrices de la surface cylindrique de la paroi extérieure, dans la zone de raccord avec la calotte de fermeture (13), un angle nettement inférieur à 55 . - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'âme métallique (9,10) comporte une calotte bombée (13) assurant la jonction entre la partie cylindrique et la zone de rac- cordement au fond et que le revêtement en matériau composite s'étend sur la calotte bombée jusqu'à un diamètre sensible- ment égal à 0,8 fois le diamètre de la partie cylindrique. 11 - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que le matériau de l'âme métallique intérieure, constitué de préfé- rence par un alliage léger, présente, dans la partie cylin- drique intermédiaire, l'épaisseur minimale compatible pour son usinage. 12 - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon l'une des revendications 7 & 11, caractérisé en ce que les fibres du matériau composite sont de préférence des fibres de résine aramidique (polyamide aromatique) connue sous la désignation commerciale "Kevlar. 13 - Accumulateur à pression de gaz et d'huile selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la résine d'imprégnation des fibres du matériau composite est, de préférence, une résine époxyde.