Brevet FR2574887A3 — publié le 19860620

FR 2574887 A3 19860620 FR 8514683 A 19851003 Cette invention se rapporte à des lesscsrt, pneumatiques, en particulier, à un piston pecfectiorrir destiné à être utilisé dans des ressorts pneumatiques à lobe roulant utilisant un élément flexible qui forme un ménisque ou lobe roulant sur la face externe du pis- ton. On peut satisfaire une large gamne de condi- tions particulières de déformation sous la charge en adaptant le contour du piston à la demande. Le contour profilé du piston permet d'obtenir une variation de la section transversale sur le parcours ou la course axiale du piston, en faisant ainsi varier l'aire effective sur laquelle agit la pression d'air. Ceci fait varier la constante de rappel du ressort pneumatique à lobe rou- lant sur sa plage de course active. La possibilitâ de profiler le piston d'un ressort à lobe roulan. supprime la nécessité de prévoir des réservoirs d'air extérieurs qui sont utilisés avec d'autres types de ressorts pneu- matiques pour obtenir de faibles constantes de rappel et de faibles fréquences naturelles. La caractéristique élastique est directement proportionnelle au carré de l'aire effective. L'aire effective est définie par l'équation: Ae = Fs/Pg e s/ o Ae = aire effective (m2) Fs = force élastique en kN (103N) (j3' 12 = pression relative en kPa (103/.' g Pour un ressort pneumatique à lobe roulant, l'aire effective peut être définie approximativement comme suit: A = e -j (D+d)2(0,9 j 16 e o D = le diamètre actif de!'6l1ment flexi- ble et z d - diamaèét.re du piston. On peut obtenir une diminution de l'aire ef- fective, soit en réduisant le diamètre de l'élément flexible, soit en réduisant le diamètre du piston. Le profilage du piston d'un ressort à lobe roulant constitue l'un des moyens par lequel le concep- teur fixe la forme finale de la courbe charge totale/ course. Dans la suite, on appellera conicité positive celle donnée par un diamètre qui croit vers le bas du piston. Une conicité positive produit une plus forte constante de rappel. Un piston à conicité négative, ou à conicité inversée, dans laquelle l'aire effective décrott avec la course, produit la constante de rappel la plus basse. Il y a des limites pratiques aux diamètres maximum et minimum du piston, ces limites étant fonc- tion du diamètre de l'élément flexible et de son apti- tude à former un ménisque vers le bas pendant la course du piston. Il y a également des limites à l'angle de conicité inversée, parmi lesquelles on citera l'aptitu- de d'un élément flexible donné à suivre un profil ex- trême. Dans leur majorité, les pistons sont fabri- qués par des techniques de coulée de métaux ou dans certaines applications particulières, par moulage de résines plastiques synthétiques à la forme requise. Lorsqu'on utilise des conicités négatives ou positives extrêmes dans la conception du piston, le problème de fabrication du piston en une seule pièce se pose avec acuité. Pour couler un piston ou le mouler par injec- tion, on utilise typiquement un moule extérieur en deux ou plusieurs pièces pour mouler la périphérie extérieu- re du piston de ressort pneumatique et on positionne un noyau à l'intérieur du moule pendant la coulée ou l'in- jection, pour déterminer l'épaisseur de la paroi et les dimensions intérieures du piston. Après l'exécution de la phase de moulage, le noyau doit être -éliminé. Les pistons auxquels l'invention se rapporte sont des pis- tons creux ou en forme de cloche qui possèdent une ex- trémité de grand diamètre et une extrémité de petit diamètre. L'extrémité de grand diamètre est toujours fermée dans cette configuration. L'extrémité de petit diamètre peut être ouverte ou fermée, selon le besoin. La fabrication de pistons possédant de tel- les configurations pose des problèmes difficiles. Le noyau ne peut pas être massif puisque, après l'exécu- tion de la coulée ou de l'injection, le noyau ne pour- rait pas être retiré de l'intérieur du piston par ex- traction axiale. Ceci est dû au fait que l'extrémité ouverte du piston en une seule pièce est plus petite que l'extrémité supérieure et que, de cette façon, un noyau massif ne pourrait pas être extrait axialement sans fracturer la paroi. Etant donné que le noyau massif est inutili- sable dans cette sorte de piston, on a utilisé diverses solutions de fabrication qui entraînaient un coût élevé et des cadences insuffisantes de fabrication du piston. Un procédé consiste à utiliser un noyau de sable qui est préformé avant l'opération de coulée ou de moulage; dans ce procédé, après le moulage du piston, on détruit le noyau de sable et on l'extrait de l'intérieur du pis- ton. Ce procédé est coûteux et exigeant en main d'oeuvre puisque le noyau de sable à jeter est coûteux et que son extraction demande du temps de main d'oeuvre. Une deu- xième solution consiste à utiliser un noyau intérieur rétractable qui est composé de segments qui coulissent ou se déplacent les uns sur les autres à la façon des éléments d'un parallélogramme déformable pour former un noyau plus étroit qui peut être extrait à travers l'ex- trémité de petit diamètre du piston après le moulage. Ces deux solutions de moulage se sont avérées très in- suffisantes, sous l'aspect du rendement de la produc- tion et du coût. Le procédé selon l'invention vise à produire un piston en deux pièces pour remplacer un piston en une seule pièce lorsque l'extrémité ouverte du piston est de diamètre beaucoup plus petit que l'au-- tre extrémité. Un but de l'invention est de réaliser un piston en plusieurs pièces qui puisse être fabriqué avec un rendement satisfaisant. Un autre but de l'in- vention est de réaliser un piston en plusieurs pièces qui possède un poids beaucoup plus faible que celui du piston en une seule pièce d'une configuration ana- logue. Un autre but de l'invention est d'apporter un procédé de fabrication d'un piston de ressort pneu- matique qui-réduise la complexicité et le coût des mou- les nécessaires pour couler ou mouler le corps de pis- ton ou le mouler par injection. Selon un aspect, l'invention a pour objet un piston composite en deux pièces pour un ressort pneu- matique, qui comprend: une douille extérieure à sec- tion décroissante, qui possède une-extrémité.de grand diamètre et une extrémité de petit diamètre; un bou- chon intérieur possédant une section à peu près complé- mentaire de la section de l'extrémité de grand diamètre de la douille; ledit bouchon étant monté en position fixe dans la douille, dans la région voisine de ladite extrémité de grand diamètre. Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un ressort pneumatique à lobe roulant comprenant: un piston composite en deux pièces; un organe de-rete- nue supérieure; une membrane flexible, impermable à l'air, fixée audit organe de retenue supérieur à une première extrémité et fixée audit piston composite à une deuxième extrémité, pour former une cavité de tra- vail entre cet organe et ce piston, ledit piston possé- dant une douille extérieure a section décroissante qui possède une extrémité de grand diamètre et une extrémi- té de petit diamètre, et un bouchon intérieur monté en position fixe dans ladite extrémité de grand diamètre de la douille. Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un piston composite creux pour ressort pneumatique possédant une extrémi- té ouverte de petit diamètre et une extrémité fermée de plus grand diamètre, qui consiste à: former une douille annulaire à section décroissante possédant une extrémité de grand diamètre et une extrémité de petit diamètre; former un bouchon cylindrique possé- dant un diamètre extérieur a peu près égal au diamè- tre intérieur de l'extrémité de grand diamètre de la- dite douille; positionner ledit bouchon dans l'extré- mité de grand diamètre de la douille; assembler le- dit bouchon et ladite douille pour former un piston composite pour ressort pneumatique. D'autres caractéristiques et avantages ap- paraitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exem- ple sur lesquels: la Fig. 1 représente un ressort pneumatique à lo- be roulant muni d'un piston cylindrique et une courbe de l'aire effective en fonction de la course; la Fig. 2 représente un ressort pneumatique à lo- be roulant possédant une conicité négative, avec des courbes montrant l'aire effective du piston à conicité négative; la Fig. 3 représente un ressort pneumatique à lo- be roulant muni d'un piston à conicité positive, avec la courbe d'aire effective correspondante; la Fig. 4 est une coupe d'un piston en deux pièces pour ressort pneumatique selon l'invention qui possède une conicité négative; la Fig. 5 est une coupe d'un piston en plusieurs pièces pour ressort pneumatique selon l'invention qui possède une conicité positive prononcée sur ses parties latérales. Les formes particulières de réalisation de l'invention qui sont décrites ci-après ne sont données qu'à titre illustratif et ne doivent pas être considé- rêes comme limitant la portée de l'invention. Les ter- mes d'orientation relatifs aux ressorts pneumatiques et aux pistons se rapporteront aux Fig. 1, 2 et 3, sauf indication contraire. Les Fig. 1, 2 et 3 représentent des ressorts pneumatiques 10, 20, 30 possédant des éléments flexibles imperméables à l'air, classiques, 12, 22, 32 fixés à joint étanche aux pistons de ressorts pneumatiques 14, 24, 34 à leur première extrémité. Les extrémités oppo- sées des éléments flexibles 12, 22, 32 sont fixées à un organe de retenue supérieur 16, 26, 36 pour former une cavité de travail 18, 28, 38 dans les limites de l'élé- ment flexible. Chacun des trois ressorts pneumatiques 10, 20, 30 possède une constante de rappel différente de celle des autres. Les éléments flexibles 12, 22, 32 forment des lobes roulants circonférentiels 13, 23, 33 situés autour de leurs pistons respectifs 14, 24, 34, et qui descendent sur la face externe du piston pendant la compression du ressort pneumatique. La partie axia- lement extrême des lobes roulant 13, 23, 33 prend la forme d'un ménisque incliné 15, 25, 35, vu en coupe axiale. L'aire effective est approximativement l'aire du cercle imaginaire tracé par le ménisque 15, 25, 35. Etant donné que l'aptitude du ressort pneumatique à supporter une charge dépend de son aire effective. Aet les courbes simplifiées représentant l'aire effective Ael, Ae2, Ae3, sont représentées au-dessous des ressorts pneumatiques correspondant 10, 20, 30. La courbe Ael montre que l'aire de section constante du piston 14 don- ne une relation d'aire effective qui est relativement constante sur la course du ressort pneumatique. Le point contral de la course est appelé la hauteur nominale du ressort pneumatique (DH) sur la courbe. Il va de soi que la partie de compression (C) de la course se trouve au- dessous de la hauteur nominale (DH) des ressorts des Fig. 1, 2 et 3, la partie d'extension (E) de cette cour- se se trouvant au-dessus de la hauteur nominale (DH1. La Fig. 2 montre un ressort pneumatique dans lequel tous les composants de base sont analogues a ceux de la Fig. 1, à l'exception du piston 24, le- quel possède une forte conicité négative sur sa surfa- ce latérale, de sorte que le diamètre du piston décrolt au fur et a mesure que le ménisque 25 du lobe roulant 23 descend axialement sur le piston 24. La courbe d'ai- re effective Ae2 est non linéaire, en raison des varia- tions du diamètre du piston. Sur la Fig. 3, tous les composants sont ana- logues à ceux des Fig. 1 et 2, à l'exception du piston 34 à conicité positive, lequel possède un diamètre qui croit constamment lorsqu'on se dirige vers le bas du piston. Pour accroître le volume de la cavité de tra- vail a l'intérieur du ressort pneumatique, l'extrémité de petit diamètre 37 du piston 34 peut éventuellement être ouverte sur l'intérieur du ressort pneumatique. Il convient de remarquer que le piston 14, 24, 34 doit être monté dans une première partie de l'appareil dans lequel le ressort pneumatique 10, 20, 30 travaille et que l'organe de retenue supérieur 16, 26, 36, est monté sur les autres parties de l'appareil. La fonction du ressort pneumatique peut consister à isoler la première partie des parties restantes de l'appareil ou à l'acti- ver par rapport à ces autres parties. Dans le ressort pneumatique de la Fig. 3, le piston à conicité positive 34 peut posseder une extrémité fermée de grand diamètre 39, qui pose un grave problème pour le moulage du corps creux du piston. Ainsi qu'on peut le voir, le diamètre de la petite extrémité 37 est inférieur à celui de la grande extrémité 29, ce qui exclut l'extraction d'un noyau massif de l'intérieur du piston moulé après l'exé- cution de l'opération de moulage ou de coulée. Le piston 24 à conicité négative de la Fig. 2 présente le problème inverse, qui est résolu par le pis- ton composite en plusieurs pièces selon l'invention. La partie d'extrémité de grand diamètre 29 du piston 24 est fermée et la partie inférieure 27, de petit dia- mètre, peut être fermée ou ouverte. Cette configura- tion pose un problème analogue à celui du piston à conicité positive de la Fig. 3 pour la coulée et le moulage. Les deux pistons 24 et 34 présentent des con- figurations générales qui, jusqu'à présent, avaient été fabriquées traditionnellement en une seule pièce. La configuration du piston en plusieurs pièces selon l'invention peut être utilisée pour produire des pis- tons solides, légers et de coût réduit pour ces pis- tons à conicité positive ou négative. La Fig. 4 représente en détail un piston à lobe roulant à conicité négative qui possède les carac- téristiques générales qui sont attribuées au piston 24 de la Fig. 2, mais qui est fabriqué selon l'invention. Le piston composite 40 est composé de deux éléments structuraux. Le premier de ces éléments est la douille 42 à section décroissante qui est ouverte à ses deux extrémités. La douille 42 possède une extrémité de grand diamètre 44 et une extrémité de petit diamètre 46. La deuxième partie structurale du piston composite 40 est un bouchon 48 qui est formé séparément de la douille à section décroissante 42 et qui est ensuite fixé rigide- ment dans la douille 42, dans la région voisine de l'ex- trémité de grand diamètre 44. La circonférence extérieu- re du bouchon 48 est exactement complémentaire de la surface intérieure de l'extrémité de grand diamètre 44. Le bouchon peut prendre n'importe quelle con- figuration appropriée, qui peut être requise par les- critères de montage du ressort pneumatique dans-lequel le piston composite 40 doit être utilisé. Dans la forme de réalisation représentée, un organe de retenue infé- rieur 43 est fixé à travers le bouchon 48. Une membrane flexible munie d'un bourrelet moulé (non représenté) est positionnée entre l'épaulement 47 du bouchon et l'or- gane de retenue inférieur 43 pour former un joint étan- che a l'air entre l'organe de retenue inférieur et le bourrelet. De cette façon, le piston 40 et, en parti- culier, l'interface entre le bouchon 48 et la douille 42 n'ont pas à être étanches a l'air dans cette forme de réalisation. Ce piston sert d'élément support et de fixation pour le ressort pneumatique. Dans d'autres configurations, il peut être souhaitable de rendre le piston étanche à l'air s'il est directement soumis à l'action de la pression de travail intérieure du ressort pneumatique. Le bouchon 48 doit être fixé dans la douille 42 à section décroissante par des moyens appropriés. Des techniques particulièrement bien appropriées pour assembler la douille et le bouchon comprennent le sou- dage héliard, le soudage par friction, le soudage par ultrasons, l'emmanchement à force, le montage par re- trait ou par frottage, le montage par dilatation thermi- que ou encore, l'utilisation de moyens de fixation méca- niques, chimiques ou adhésifs. Le choix des moyens ap- propriés pour assembler les éléments constitutifs de l'élément composite est dicté par (1) le type de maté- riau utilisé pour former la douille et/ou le bouchon; (2) les conditions requises de dessin du piston; (3) la présence ou l'absence d'une condition exigée d'étan- chéité à l'air à la jonction entre ces éléments. La Fig. 4 illustre des moyens préférés d'assemblage définitif des deux parties du piston composite. On utilise une technique de montage par dilatation thermique dans la- quelle on chauffe la douille extérieure 42 suffisamment pour dilater son diamètre de manière à permettre d'in- sérer le bouchon 48 dans l'extrémité de grand diamètre 42. Après l'insertion, on laisse la douille 42 se re- froidir, de sorte qu'elle retient le bouchon 48. La douille peut être légèrement évasée à l'intérieur, pour empêcher le bouchon de s'échapper sous un effort. L'éva- sement est représenté sous la forme de l'angle-e, sur la Fig. 4. Le piston composite est représenté avec des bossages de montage 49A, 49B qui forment une partie ren- forcée pour la formation de trous filetés 47A, 47B des- tinés au montage d'un goujon ou d'autres moyens de fi- xation appropriés pour la fixation du piston au dispo- sitif dans lequel le ressort pneumatique travaille. Sur la Fig. 5, on a représenté une variante de réalisation d'un piston composite 50 qui montre une conicité positive extrême du piston, analogue en princi- pe à celle décrite dans le piston 34 de la Fig. 3. Le piston 50 est composé d'une douille 52 qui présente une section évasée vers l'extérieur et un bouchon 58 qui est monté solidairement et à joint étanche à l'air dans l'extrémité de grand diamètre 56 de la robe 52. Le mode de fixation de la membrane flexible du ressort pneuma- tique sur le piston 50 s'effectue par utilisation d'une bague de sertissage (non représentée sur le dessin) qui comprime la membrane pour l'appliquer à joint étanche à l'air sur des cannelures annulaires 55 qui entourent la surface externe de l'extrémité de petit diamètre 54 du piston composite 50. L'extrémité de petit diamètre 54 s'ouvre dans la cavité de travail du ressort pneumati- que, ce qui est utile pour donner au ressort pneumatique une plus faible constante de rappel, en raison du plus grand volume de la cavité de travail dans la phase de compression extrême de la course du ressort pneumatique. Un bossage de renforcement 57 est venu de moulage sur le bouchon 58 et renferme un trou fileté 59 servant de moyen pour fixer des goujons ou autres éléments de fixa- tion structuraux au dispositif dans lequel le ressort pneumatique est placé. Le bouchon 58 et la douille 52 évasée vers l'extérieur sont moulés ou coulés séparément et sont réunis par des moyens qui établissent un joint étanche à l'air entre les pièces moulées séparément, par des techniques appropriées telles que celles qui ont été mentionnées plus haut en regard de la Fig. 4. L'utilisation des pistons composites pour ressorts pneumatiques qui sont composés d'au moins deux pièces ou parties distinctes est avantageuse dans les il pistons de ressorts pneumatiques qui présentent des de- grés relativement extrêmes de conicité positive ou né- gative et dans lesquels l'extrémité de grand diamètre du piston doit être fermée, pour le support ou la fixa- t05 tion du ressort pneumatique sur le dispositif dans le- quel le ressort pneumatique travaille. L'extrémité de petit diamètre du piston du ressort pneumatique peut être ouverte ou fermée, selon les critères de concep- tion de l'application. Comparativement a un piston en une seule pièce possédant une dimension extérieure ana- logue, il est possible de réaliser d'importantes écono- mies sur le poids en utilisant un piston composite. La facilité et le rendement de la fabrication de pièces séparées donne naissance à des ensembles d'un faible coût. Les pièces séparées permettent également d'utili- ser des noyaux de moulage massifs amovibles, ce qui permet d'extraire rapidement la pièce constitutive du dispositif de moulage ou de coulée lorsque l'opération de moulage ou de coulée est terminée. De cette façon, on peut réaliser d'importantes économies sur les coûts de fabrication et la complexité du piston finie peut être réduite par l'élimination des canaux de coulée in- térieurs qui sont nécessaires dans les configurations en une seule pièce. REVENDICATIONS 1. Piston composite (40) en deux pièces, pour un ressort pneumatique (20), caractérisé par: une douille extérieure (42) à section décroissante, possédant une extrémité-de grand diamètre (44) et une extrémité de petit diamètre (46); un bouchon intérieur (48) possédant une section à peu près complémentaire de la section de l'extrémité de grand diamètre (44) de la douille (42) ledit bouchon (48) étant monté en position fixe dans ladite douille (42) dans la région voisine de ladite extrémité de grand diamètre (44). - 2. Piston (40) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite douille extérieure-(42) à section décroissante est fermée à ladite extrémité de petit diamètre (46), et en ce que ledit piston composite (40) forme un corps creux après que ledit bouchon (48) a été positionné en position fixe dans ladite douille (42). 3. Piston (40) selon la revendication 1, caractérisé en-ce que ledit bouchon (48) comprend en outre un épaulement (47) adapté pour y positionner un bourrelet d'étanchéité d'une membrane flexible du res- sort pneumatique (20). 4. Ressort pneumatique à lobe roulant (20), comprenant: un piston (40); un organe de retenue supérieur (16); une membrane flexible (12), imperméable à l'air, présentant une première extrémité et une deuxième extré- mité qui est fixée audit organe de retenue supérieur (16) à sa première extrémité et fixée audit piston (40) à sa deuxième extrémité, pour former une cavité de tra-- vail (18) entre cet organe et ce piston; ce ressort pneumatique étant caractérisé en ce que le piston (40) est un piston composite en deux pièces qui comprend une douille extérieure (42) à section décroissante qui pré- sente une extrémité de grand diamètre (44) et une extré- mité de petit diamètre (46) et un bouchon intérieur (48) monté en position fixe dans ladite extrémité de grand diamètre (46) de ladite douille (42). 5. Ressort pneumatique (20) selon la revendi- cation 4, caractérisé en outre en ce qu'il comprend un organe de retenue inférieur (43) fixé en position fixe audit piston composite (40) et qui se prolonge dans la cavité de travail (18), ladite deuxième extrémité de la- dite membrane (12) étant positionnée à joint étanche entre ledit piston (40) et ledit organe de retenue supé- rieur (16). 6. Procédé de fabrication d'un piston compo- site creux (40) pour ressort pneumatique, qui possède une extrémité ouverte de petit diamètre (46) et une ex- trémité fermée de plus grand diamètre (44), caractéri- sé en ce que: a) on forme une douille annulaire (42) à section décroissante possédant une extrémité de grand diamètre (44) et une extrémité de petit diamètre (46); b) on forme un bouchon cylindrique (48) possédant un diamètre extérieur à peu près égal au diamètre inté- rieur de l'extrémité de grand diamètre (44) de ladite douille (42); c) on positionne ledit bouchon (48) dans l'extrémi- té de grand diamètre de la douille (42); d) on assemble ledit bouchon (48) et ladite douille (42) pour former un piston composite (40) pour ressort pneumatique. 7. Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que la phase de formation utilise un moule et un noyau massif de forme complémentaire pour former la douille annulaire à section décroissante (42) entre ce moule et ce noyau. 8. Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que ladite phase d'assemblage s'effectue par montage du bouchon (48) par retrait à l'intérieur de ladite douille (42). 9. Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que ladite phase de moulage consiste à couler la douille (42) et le bouchon (48) en alliage métallique fondu. 10. Procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que ladite phase de moulage consiste à mouler une résine synthétique polymère par injection dans un moule pour former la douille (42) et le bou- chon (48).