Brevet FR2576993A1 — publié le 19860808

l La présente invention concerne les systèmes d'immobili- sation d'éléments mécaniques intervenant à raison de leur capa- cité à subir des couples de torsion élevés, et notamment mais non exclusivement, des barres de torsion dans l'industrie automobile. Il est connu que l'efficacité de ces systèmes est liée à leur longueur libre entre les zones terminales d'injec- tion de couples, dites "encastrement", dans cette longueur libre s'exerçant des contraintes de torsion variable, par exemple dans une suspension. ou un arbre de transmission. Dans les systèmes connus à barres de torsion en acier, l'encastrement est habituellement obtenu au moyen d'un embout cannelé ou à section polygonale, introduit dans un logement à même géométrie du bâti fixe d'un côté,et dans l'élément de suspension, par exemple le triangle, de l'autre. Le poids de l'ensemble est considérable, et d'un encombrement important. Au surplus la transposition de la structure d'encastrement cannelée à une barre de torsion en matériau composite,(par exemple fibres de verres noyées dans une matrice de matière plastique)se heurte à des problèmes de cisaillement et de compression de la matrice dont les conséquences sont généralement fâcheuses et/ou aboutissent à des dimensions de pièces inadmissibles. La présente invention offre une solution à l'ensemble de ces problèmes, grâce à: - un encastrement applicable efficacement sans distinc- tion à des barres en acier ou en matériau composite - un système à barre de torsion composite, plus léger et moins long à performances égales que le système équivalent en acier, et donc plus facilement intégrable par exemple dans une voiture. L'invention vise donc, en premier lieu un procédé pour l'introduction de couples aux extrémités d'une barre de torsion, caractérisé en ce qu'il consiste à enrouler autour de chacune de ces zones les deux extrémités réunies d'un ruban composite formé essentiellement par exemple de fibres de verre longitudinales noyées dans une matrice de liant thermoplastique, la boucle opposée à ces deux extrémités étant soumise à une retenue, de sorte que la tension sur ledit ruban résultant de ladite opération d'enroulement crée une pression radiale dudit ruban sur ladite zone de la barre, en permettant par la suite d'assurer ladite introduction de couples. Dans la pratique, l'enroulement dudit ruban composite est efficace dès qu'il s'étend par exemple sur environ deux fois la périphérie de la barre. Toutefois, pour assurer un meilleur ancrage de l'en- castrement, toujours selon l'invention, on associe plusieurs rubans composites identiques répartis de préférence régulièrement autour de la barre et se chevauchant successivement d'une fraction de leur longueur égale à leur écart tout autour de la barre. De même, pour obtenir un effet d'amortissement au niveau de cet encastrement, la boucle, considérée comme immobile, de chaque ruban composite, est enroulée autour d'un axe ou broche, de préférence gainé d'un matériau élastomère, et, dans le cas o l'on associe plusieurs rubans, et donc plusieurs axes, à chaque fois que, par exemple, une roue à laquelle est associé un tel système de suspension, se soulève d'une certaine hauteur, elle entraine en rotation l'articulation de l'élément de suspension, ce qui permet d'entraîner à son tour en rotation la barre de torsion: pour cela, à l'interface suspension/barre de torsion on développe tangentiellement à la barre de torsion une traction perpendiculaire à chacune des broches, qui, à leur tour exercent chacune une traction sur le ruban qui leur est associé, l'ensemble des rubans répercutant, en fin de compte sur la barre de torsion des couples proportionnels à la hauteur de soulèvement de la roue. Les rubans travaillent alors en tension et autopressuri- sation centripète de la barre comme un frein à bandes. Ce type de fonctionnement est particulièrement favorable au niveau de la qualité de la mise en contrainte des différentes parties de la pièce. En effet, on travaille en tension dans les fibres du ruban, ce qui est idéal. La pressurisation centripète exercée par cette tension assure l'adhérence de l'interface structure d'introduction du couple/ barre, cette transmission des contraintes se faisant par phénomène complexe de frottement et collage sous haute pression dans un continuum de matrice fibrée. La barre étant pressurisée radialement par les structures d'extrémités, est placée dans des conditions-pratique- ment idéales d'encastrement et peut donc travailler à plein rendement; en particulier cette pressurisation verrouille efficacement l'âme aux extrémités de la barre et favorise son r8le de "cable de précontrainte", comme il est décrit dans le Brevet français N 80/24491, au nom de l'un des demandeurs. On notera que l'on peut coller sur la barre de torsion les rubans d'entraînement non pas avec de la matrice "plastique" mais en utilisant une couche d'élastomère vulcanisé (effet amortisseur de vibrations). Le dessin ci-après permettra de mieux comprendre encore l'invention;sur ce dessin, - la figure I représente schématiquement le principe de base de l'invention, - la figure 2 représente schématiquement un mode d'application pratique de l'invention, - la figure 3 illustre la répartition des éléments d'un système d'encastrement conforme à la figure 2, - la figure 4 illustre un montage pratique d'encastre- ment selon l'invention, et - la figure 5 est une section partielle à grande échel- le d'un encastrement selon l'invention, dans sa version cannelée. Le principe de base de l'invention consiste à réunir les deux extrémités sensiblement de mâme longueur d'un ruban,par exemple en fibres de verre principalement longitudinales, imprégnées d'une matrice, par exemple une matière thermoplastique, en les enroulant dans leur partie médiane autour dun axe 1-optionnellI gainé d'un tube de caoutchouc 2 de préférence allongé comme représenté sur la figure 1 pour constituer une "tête" 5, lesdites extrémités constituent alors un ruban complexe 3, que l'on enroule autour de la barre de torsion 4. Apres un certain nombre de tours, généralement au moins deux, la "tte"' 5 vient au contact de la dernière couche, et, une fois immobilisée, assure l'encastrement de la barre 4. Dans la pratique, on dépose plusieurs rubans tels que 3, répartis de préférence équiangulairement sur la barre 4, comme l'illustre la figure 2. Dans ce cas, les têtes 5a, 5b, 5c, 5d... viennent en fin d'enroulement, au contact de la périphérie de l'ensemble des rubans enroules, en 5a', 5b', c' 5d',.., à condition, bien entendu, que les "'queues,' des rubans 3 soient rparties au départ régulièrement sur la circon- fcr - d- e a,a -J 4 (!aS rubaus 3 ayant senslblemet tous la o:-î %:iïoueu' dis manirc que chaqu q4eue soit coincea par la tête précédente. C'est cette répartition qu'ilustre à titre d'exemple la figure 3. Chacun des quatre rubans 3a, 3b, 3c, 3d, ayant la même longueur L égale à deux fois le périmètre de la barre 4, et l'enroulement se faisant dans le sens de la flèche F, chaque ruban sera déposé sur la barre avec, par rapport au précédent, un décalage 1 égal au quart dudit périmètre. Après enroulement, le nombre total de couches de ruban 3 superposées sera de huit, avec quatre têtes réparties 9quiangulairement autour de la 0 barre. Selon une variante, avant l'enroulement des rubans 3, on peut enrouler autour de la barre un tour de bande de caout- chouc ou autre élastomère (non représenté). La présence de cette bande et/ou de la gaine d'élastomère a pour avantage de mieux i5 supporter les chocs et également de rattraper des défauts éventuels d'alignement de la barre. Ce système s'applique avantageusement à l'encastrement des barres de torsion en acier. Il s'applique encore mieux à l'encastrement des barres de torsion réalisées en fibres agglo- mérées dans une matrice, comme décrit notamment dans le brevet français précité. Dans ce cas le matériau des rubans et celui de la barre elle-même constituent un ensemble unitaire comme l'illus- tre la figure 4. Sur cette figure, la barre 6 est encastrée à son ex- trémité gauche 7 par un système selon l'invention comportant (visibles sur le dessin) huit têtes constituées par des axes 8- 8' immobilisés par des rondelles cannelées, solidaires du bâti 9 après enroulement des rubans représentés comme formant une masse unitaire avec ladite extrémité 7-de la barre. Un tel montage présente toute une série d'avantages: Ainsi par exemple, la barre encastrée de la figure 4 peut subir des angles de torsion de plus de 60 . Elle passe un couple de 90 M.Da N. (mètre-dica-Newton).Le diamètre hors tout de l'encas- trement est de 38 mm; l'épaisseur du ruban est de 0,2 mm, sa largeur 15 mm. Le diamètre des broches est de 3 mm. Il y a 8 broches. La masse de la barre est de 454 g de composite et 428 g d'acier, telle que dessinée. Elle peut être ramenée avec un dessin différent à 454 g de composite et 110 g d'acier, soit 564g comparé aux 2,3 kg d'une barre acier équivalente. Donc, la barre composite ne pèse que 24 % de la barre acier équivalente. D'autre part, pour les mêmes propriétés, elle mesure 440 mm de longueur hors tout contre 982 mm pour son homologue acier (soit 44 % de la barre acier). Elle est donc plus facilement integrable dans une voiture. Comme matière thermoplastique, on peut utiliser les polyamides, les poly-éthylènes, les polypropylènes, les polysty- rènes, modifiés ou non, et analogues. Bien que l'on ait décrit l'invention en se référant à l'exemple préférentiel de rubans constitués par des fibres de verre agglomérées par une matrice de résine thermoplastique, de nombreuses variantes peuvent être envisagées; par exemple les fils peuvent être plus généralement les fibres de renforcement classiques, telles que les fibres de verre, de métal, de carbone, de textiles, de bore, d'aramides et analogues, et les matrices peuvent être, non seulement thermoplastiques, mais encore ther- modurcissables, ou encore être constituées par exemple par des élastomères ou même des métaux appropriés, notamment des métaux légers tels que l'aluminium ou le magnésium. Le fait qu'on utilise une matrice par exemple en élastomère permet de réaliser des têtes de barres de torsion présentant une certaine compliance angulaire, ce qui autorise un rattrapage d'alignement qu'on ne pouvait obtenir avec des têtes rigides. De même, alors qu'il a été spécifié que le système selon l'invention est monodirectionnel, on peut aisément déposer deux séries de rubans c8te à côte enroulés en sens inverse, ce qui permettra au système d'être bidirectionnel, par exemple de pouvoir être utilisé pour des arbres de transmission. A l'inverse, les rubans étant tous enroulés dans le même sens, le système est normalement monodirectionnel, mais on peut le rendre bi-directionnel en ceinturant l'ensemble des rubans par un enroulement les recouvrant assurant le cerclage des têtes, ce qui confère au système sa capacité de fonctionnement inverse. Au lieu ou en plus de fibres, les rubans peuvent comporter (non exclusivement) comme matériau de renforcement une ou plusieurs bandes métalliques très minces par exemple des clinquants, par exemple d'acier, de 0,1 à 0,01 mm d'épaisseur. 6 2576993 Dans le cas de l'encastrement direct d'une barre de torsion dans une partie cannelée, par exemple un élément de suspension d'un véhicule. Les broches des rubans enroulés sur ladite barre constituent la cannelure mâle qui vient coopérer avec la cannelure femelle pratiquée dans ledit élément, et transmettre le couple à la barre. La broche 1 peut alors être aussi bien en acier qu'en composite à fibres courtes. Ainsi, si l'on se reporte à la figure 5, on y a repré- senté, en section schématique très agrandie, un secteur d'une barre 10, semblable à la barre 6 de la figure 4, et sur la zone d'encastrement de laquelle sont enroulés équiangulairement, sur deux tours chacun, huit rubans, 11, 11'..., constitués de la ma- nière indiquée pour le ruban 3 sur la figure 1, c'est-à-dire comportant chacun deux épaisseurs de composite et une tete 5,5'... La zone d'encastrement de la barre est ainsi recouver- te de 32 strates S ( 8 rubans X 2 épaisseurs X 2 couches), ce qui, pour une épaisseur unitaire de 0,2 mm représente une épaisseur radiale e de 6, 4 mm, assurant l'encastrement cannelé, chaque tête 5 représentant une cannelure mâle de 3,2 mm (broche 1 de 3 mm de diamètre, recouverte d'une épaisseur de 0,2 mm de compo- site), coopérant avec les-cannelures femelles 13 du chassis ou de la suspension 12, la "queue" de chaque ruban étant immobilisée par coincement de la tête du précédent, comme illustré sur la figure 3. Le sens d'entraînement de la barre 10 étant indiqué par la flèche F', les cannelures mâles 5 transmettent le couple au bâti 12 par les cannelures femelles 13 correspondantes de ce dernier. Une telle construction est aussi efficace que le système métallique, et dans de nombreux cas présente des avantages sup- plégmentaires, et cela pour un prix de revient beaucoup moins élevé. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'encastrement, d'une barre de torsion, caractérisé en ce qu'il consiste à enrouler autour de chaque zone d'injection de couple les deux extrémités réunies d'un ruban composite formé essentiellement d'éléments de renforcement sensiblement longitudinaux agglomérés dans une matrice, la boucle opposée àcette extrémité étant soumise à une retenue de sorte que la tension sur ledit ruban résultant de ladite opération d'enroulement crée une pression radiale dudit ruban sur chacune desdites zones de ladite barre en assurant ainsi ledit encastremer 2. Procédé selon la revendication I caractérisé en ce que l'enroulement est poussé pratiquement jusqu'au contact de ladite boucle avec la surface extérieure de la dernière spire de l'enroulement. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit enroulement est fait par dessus une bande d'élas- tomBre entourant la barre. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite boucle est elle-même enroulée autour d'une broche gainée de matériau élastomere. 5. Procéd5 selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que l'on associe des enroulements de plu- sieurs rubans identiques répartis de préférence équiangSlaire- ment autour de la barre en se chevauehant successivement de longueurs égales. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications X à , caractérisé en ce que, dans le but de créer un système bi- directionnel, utilisable notamment avec tu arbre de transmission, on enroule côte à cote en sens inverse deux séries de rubans. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la barre de torsion est en acier, les extrémités des rubans lui étant fixées par collage ou vulcanisa- tion. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caracterisé en ce que les élémenat de renforcement sont en tout ou par t-e des fibres de verre, de etaIl de tenitle, de carbone, rira t R^i^te ou.anel;g esD a3] des ru ans c5étZXlUquos t_ë.- r-2.e DcTi i{Ota or es. a U O a 1i ie s r aZy- -._3 q.,53 e O a rLou d 7ra 5 - el r e t a Zmi En ium o71 le magnésium pour former un matériau composite. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la barre est elle-même également en matériau composite, de manière que chaque zone d'encastrement constitue une tête uni- taire. 10. Procédé selon les revendications I à 5, caractérisé en ce que l'ensemble des boucles jouent le r8le des cannelures mâles coopérant avec les cannelures femelles pratiquées en creux dans un bâti fixe pour constituer un encastrement cannelé. 11. Tête d'encastrement pour barre de torsion, de suspen- sion d'arbre de transmission ou autre organe métallique soumis à des couples de torsion, caractérisée en ce qu'elle résulte de la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10.