Brevet FR2620100A1 — publié le 19890310

L'invention est du domaine de la protection contre les chocs de projectiles; elle s'applique plus précisément aux véhi- cules équipés d'une suspension pneumatique à membrane défor- mable, o l'accroissement de flexibilité, en vue d'améliorer le confort des passagers, a comme corollaire une fragilité accrue à l'impact d'objets soulevés par la grande vitesse de déplacement du véhicule et qui se trouvent projetés sur les parois des membranes de suspension pneumatique. Pour améliorer le confort de suspension des voitures de ses trains à grande vitesse, la S.N.C.F. a été amenée à demander au fabricant des membranes de suspension d'utiliser des parois beaucoup plus minces que celles de toutes les concep- tions antérieures, offrant, de ce fait, une flexibilité améliorée dans la suspension verticale o les parois de la membrane roulent sur elles-mêmes, mais surtout dans le confort transversal, obtenu par des déformations dissymé- triques provoquant une déformation en cisaillement des parois minces de la membrane de suspension. La protection contre les projections diverses, jusque là assurée par la robustessse de la réalisation des membranes, grâce à l'emploi de composites multicouche de renforcements textiles - tels que décrits, par exemple, dans les brevets francais 1.218.300 de Dunlop ou 2.448.661 de Continental - ou encore, par l'emploi, pour ces renforcements, de cables uniquement métalliques, devient caduque et rend ces nouvelles suspensions à parois minces vulnérables à l'impact des projectiles. En particulier l'hiver, des accumulations de neige ou de glace, tombant à grande vitesse sur le ballast de la voie ferrée, ont entrainé des projections de pierres du ballast, projections peut-être accrues par le croisement de deux trains, et il arrive que ces pierres meurtrissent les mem- branes de suspension, créant ainsi des amorces de déchirure préjudiciables à leur bon fonctionnement. En effet, sans couper immédiatement les fils du renforcement textile, l'impact de quelques arêtes vives des pierres ainsi projetées -- 2 --10 provoque des déchirures du revêtement superficiel, devenu très fin, et rend le renforcement textile très sensible aux intempéries et au vieillissement, conduisant, au bout de quelque temps de fonctionnement, jusqu'à la rupture de la membrane de suspension. Le remplacement de la membrane de suspension détruite demande à l'exploitant une manutention très coûteuse. Il est donc nécessaire de limiter les risques d'impact des projectiles. On a conçu, pour la protection des membranes de suspension des écrans à base de feuilles plastiques, plus ou moins souples, mais le problème est aggravé par la grande flexi- bilité des nouvelles membranes qui viennent, en fin de course, au contact tangentiel de leur support métallique pour y prendre appui, progressivement, par une surface variable qui doit donc être exempte de tout risque de coincement de petites pierres qui représenteraient autant d'agressions pour la membrane de suspension. Des écrans élastomériques, plus ou moins armés de renfor- cements textiles, peuvent étre conçus avec un rôle analogue a celui des passages de roues sur les poids lourds, par exemple, le plus souvent réalisés par un moulage sous pression d'élastomères thermoplastiques ou de plastiques, dits renforcés au choc, par la conception des macromolécules des matériaux les constituants. La présente invention a pour objectif de proposer un écran de protection des membranes de suspension pneumatique, - ci- après désigné par le terme écran protecteur - offrant une protection efficace, ainsi qu'un mode de réalisation économique. L'invention propose une solution d'écran protecteur offrant un amortissement important des énergies de choc, énergies qui atteignent des niveaux non négligeables lors de l'impact des pierres de ballast. L'invention concerne également les modes possibles de réali- sation d'un tel écran protecteur à partir de feuilles de composition élastomérique renforcée de fibres courtes. _ 3 _ 2 62620100 L'invention consiste à utiliser, pour la réalisation de ces écrans de protection - dont la forme approximativement torique, non développable, est connue - un composite multi- couche, constitué par la superposition de couches minces croisées et alternées de compositions élastomériques renforcées de fibres courtes, naturelles, artificielles ou synthétiques, lesdites fibres courtes étant orientées au cours du calandrage en feuilles, sous l'influence du laminage sous un taux de cisaillement élevé provoquant une proportion très majoritaire d'orientation des fibres dans le sens du laminage. Le composite multicouche présente, dans le sens de l'épaisseur, les caractéristiques de la matrice élastomérique protégée contre les intempéries, la déchirure, les projec- tions d'huiles ou d'eaux de lavage. La déformation au choc, réversible, aura l'énergie d'absorption d'un élastomère Dans les autres déformations de l'écran protecteur, non déve- loppable, à deux rayons de courbure, le module de cisail- lement de cette surface sera la résultante du renforcement multidirectionnel dû à la présence des fibres orientées, lors de la confection. Le matériau composite multicouche sera donc autoporteur, la particularité présentée dans les figures illustrant la description ci-après ne résultant que du mode de fixation sur un support rigide. Les caractéristiques et variantes de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description ci-après et en se référant aux dessins, sur lesquels: - la figure 1 montre la disposition générale de l'écran protecteur, en vue et en coupe; - la figure 2 est une vue - supposée transparente - de l'écran protecteur, montrant les inserts métalliques de fixation; - la figure 3 est une coupe de détail dans l'épaisseur de l'écran protecteur; - 4- Dans la figure 1, la vue la représente ce que voit i'obser- vateur du train articulé d grande vitesse, depuis le quai, par exemple, la vue partielle lb étant une coupe par le plan tranversal. Le chassis de bogie (1) est chargé de porter les extrémités des caisses (2) et (3) par l'intermédiaire d'un anneau d'appui (4) qui constitue la particularité des trains à intercirculation. Ledit anneau d'appui (4) repose par une couronne (5) de fixation de la membrane souple de suspension (6) qui roule dans ses dèbattements verticaux sur une sorte de piston (7) fixé au chassis de bogie (1). Les rebords de celui-ci et les accessoires tels qu'amortisseurs qui y sont fixes ne forment pas suffisamment écran aux projections de pierres et un écran protecteur (8), objet de l'invention, fixé par des vis (9) sur la couronne (5), doit venir protéger la membrane dans les directions les plus vulnérables tout en laissant libres, en particulier, les dèbattements trans- versaux dynamiques accroissant la valeur permanente desdits débattements prise en virage, due à une insuffisance ou a un excès de devers. La figure 2 représente une vue en transparence de l'écran protecteur (8) o des trous de fixation (10) doivent étre ménages dans un insert rigide, formé de préférence de fers plats du commerce. Une barre (11), rectiligne ou formée comme illustré sur la figure, est courbée à rayon approximativement constant autour de l'axe de la suspension pour suivre la forme de la couronne (5) o des vis (9) seront fixées à travers les trous (10). Des baleines de raidissement (12) noyées dans l'épaisseur de l'écran protecteur sont soudées à la barre (11). On a représenté la disposition préférentielle de deux baleines latérales qui raidissent le corps de l'écran protecteur (8) par ses extrémités, mais qui sont masquées en retrait de la façade des véhicules (2) et (3) pour éviter les mouvements dynamiques dus aux tourbillons aérodynamiques, tandis que le centre (13) de l'écran protecteur est en pleine gomme et recevra, de façon réversible, le choc des projec- tiles et éventuellement les coups accidentels de chariots de manutention sur les quais. -5- Masquant à peu près totalement la membrane de suspension, l'écran protecteur constitue, en outre, une protection contre les risques de vandalisme et- évite une atteinte de la suspension par des objets frôlés, dépassant du gabarit, par exemple. La figure 3 explique la constitution du composite multi- couche, parfaitement invisible après vulcanisation, par une coupe faite dans l'écran protecteur (8), vers le bord et en pleine paroi telle que sa région centrale (13). Le matériau nécessaire à la réalisation de ces écrans de protection se présente, le plus souvent, sous forme de feuilles d'épaisseur de l'ordre de 0,5 à 1 millimètre. La matrice est constituée d'un élastomère naturel ou syn- thétique qui recevra une formulation adaptée aux contraintes de l'utilisation, par addition de charges, d'adjuvants de protection contre le vieillissement et d'agents de vulcani- sation. Préférentiellement, l'élastomère de la matrice sera du polychloropréne. Les matériaux textiles de renforcement de la matrice élasto- mérique peuvent être constitués, à titre d'exemples non liri- tatifs, de fibres de bois, de fils ou de fibres coupées de rayonne, de polyamide, de polyester ou d'aramide. Les feuilles ainsi constituées de la matrice élastomérique renforcée de fibres courtes parallèles - ci-après désignées par le terme de feuilles composites - ont la particularité de présenter, à l'état cru de la composition élastomérique, c'est-à-dire avant sa vulcanisation, le comportement rigide du papier dans une direction privilégiée et le module d'élas- ticité, l'apparence et la déformabilité à l'état cru du caoutchouc dans la direction perpendiculaire. Dans le plan de la barre (11) et des baleines de raidissement (12), l'épaisseur de 2 ou de 3 millimètres de tôle d'acier vient se substituer à plusieurs des couches (14), repré- sentées symboliquement alternées, les unes montrant des fibres en bout, les autres en longitudinal ou coupées en oblique. Une disposition intéressante sera constituée, par exemple, de huit couches dans une pleine paroi ayant une - 6 2- épaisseur totale de 6 millimètres. Les baleines de raidis- sement (12) seront, dans une disposition préférencielle, noyées dans la fibre neutre, c'est-à-dire au milieu de la paroi, la barre (11) viendra, préférentiellement affleurer en surface, pour permettre l'appui des vis de fixation, ou bien sera noyée et complétée de rondelles soudées venant à fleur seulement autour des trous de fixation (10) ménagés à travers cette barre. Les feuilles composites peuvent être superposées comme toute composition élastomérique utilisée dans les procédés de confection employés de manière traditionnelle dans l'indus- trie de transformation des polymères: soit par enroulement sur tambour comme dans la réalisation des pneumatiques à carcasse dite croisée, o le galbage des formes non dévelop- pables est permis par l'allongement dans la direction perpen- diculaire à celle de l'orientation des fibres, soit par superposition des couches croisées dans une ébauche découpée, de forme plane ou partiellement creusée. Les feuilles composites seront avantageusement superposées avec des orientations différentes d'une couche à l'autre, afin d'assurer au composite multicouche ainsi constitué un module de déformation très élevé. Les orientations entre deux feuilles composites peuvent prendre toutes les valeurs, de 0 à 90 degrés, selon la rigi- dité souhaitée pour le composite multicouche. Comme dans le procédé connu de fabrication des pneumatiques, la déformation par glissement entre les feuilles composites est rendu possible par l'établissement d'une pression créee par une vessie de galbage, ou par la fermeture d'un moule écrasant une ébauche prédécoupée. La fonction des fibres orientées dans des directions croisées étant de conférer au composite multicouche un module de déformation considérablement plus élevé que celui de la matrice élastomérique, il n'est pas grave de perdre, lors d'un tel glissement entre feuilles composites, une partie de l'orientation privilégiée lors de la pose. En particulier, un réseau de renforts constitué de feuilles composites orientées 7- dans deux directions, croisées ou perpendiculaires, pQrmet- trait à la forme non d&veloppable des déformations de cisail- lQment, par rotation entre ces deux feuilles composites. En toute rigueur, le blocage d'une forme non développable demande de prévoir au moins trois directions pour les feuil- les composites de façon à constituer, lors de l'empilage, des triangles élémentaires non déformables à l'échelle du module de la matrice. Préférentiellement, les feuilles composites seront donc disposées selon trois directions faisant, entre elles, un angle sensiblement égal à 120 degrés. Par conséquent, le procédé de fabrication des écrans protec- teurs, dés qu'il utilise au moins trois directions privi- légiées de pose pour les feuilles composites, ne présente qu'une réduction très limitée de module lors des mouvements de matière dus au galbage, contrairement a ce qui se produi- rait avec des couches de cablés textiles disposés en paral- lèle dont la perte d'alignement dans une zone comprimée conduirait à l'effondrement local du module de déformation - aussi bien en traction (limitée) qu'en compression - par ondulation des fibres résistantes. La confection des écrans protecteurs est suivie d'une vulca- nisation par les procédes utilisés de manière classique dans l'industrie de transformation du caoutchouc, c'est-à-dire soit par vulcanisation en étuve ou en autoclave après galbage de la forme et sanglage, soit par vulcanisation sous pres- sion, en moule fermé, après superposition de feuilles compo- sites prédécoupées et galbées individuellement. Lors du moulage sous pression et de la vulcanisation simul- tanee, les mouvements de matière autour des armatures pour les noyer, dus à l'épaisseur maintenue constante du moule, feront perdre - au moins partiellement - l'orientation privi- légiée des fibres dans les feuilles composites, sans inconvé- nient selon les observations faites plus haut, évitant même une localisation des contraintes si le module du renforcement se réduit à leur proximité. Tous ces inserts métalliques recevront, bien entendu, un traitement approprié en vue d'assurer la liaison par collage entre l'armature métallique et la composition élastomérique - o -- et pour les protéger contre les intempéries et l'attaque par les eaux de lavage lorsque l'on cherche à ce qu'ils affleurent. En résumé, l'écran protecteur objet de l'invention constitue -un moyen de protection privilégié pour les membranes de suspension pneumatique, suffisamment raidi par un cadre métallique incorporé, mais à l'abri des déformations perma- nentes sans risque de désolidarisation du matériau multi- couche par vieillissement local dans les zones de raidis- sement par ce cadre. L'écran protecteur présente les propriétés amortissant les chocs d'un élastomère renforcé de fibres, tout en ayant l'endurance et l'insensibilité aux agressions apportées par une matrice intimement liée à des fibres courtes de module notablement plus élevé que le sien. Le procédé de fabrication proposé fournit un moyen économique et facile à mettre en oeuvre d'anisotropie préférentielle, mais peu exigeant sur les mouvements incontrôlés de la matière. Il n'exige pas la mise en place de moyens coûteux pour les cadences de fabrication envisagées. L'homme de l'art peut, bien entendu, apporter à l'écran protecteur et à son procédé de fabrication, objets de l'invention, et à leurs variantes, décrites à titre d'exemples non limitatifs, diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. -9- REVENDICATIONS 1 ) Ecran protecteur (8) contre les chocs de projectiles pour véhicules équipés d'une suspension pneumatique à membrane déformable (6), caractérisé en ce qu'il est constitué d'un composite multicouche composé de feuilles composites (14), minces, croisées et alternées, à base d'une composition élastomérique renforcée de fibres courtes, naturelles, artificielles, ou synthétiques, lesdites fibres courtes étant orientées au cours du calandrage de la composition élastomérique renforcée, par laminage gràce à un taux de cisaillement élevé, et les feuilles composites (14), ainsi constituées étant galbées, lors de la confection de l'ébauche, avant vulcanisation. 2 ) Ecran protecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des inserts métalliques (11) et (12), servant à la fixation et noyés dans l'épaisseur de la paroi protectrice sont disposés à la périphérie de l'écran protecteur (8), de forme générale torique, de façon à être masqués par la paroi des véhicules et à ne présenter aux chocs des projectiles que le bombé de l'écran (8), en composite multicouche qui prend appui, par sa périphérie, sur lesdites armatures de fixation (11) et (12). ) Procédé de fabrication d'un écran protecteur (8) conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la confection de l'ébauche est réalisée par enroulement - sur un tambour mécanisé portant la forme de galbage - de feuilles composites (14), disposées dans au moins deux directions différentes, et, préférentiellement, dans trois directions sensiblement à 120 degrés les unes des autres, les inserts métalliques (11) et (12), servant à la fixation, étant noyés au voisinage de la fibre neutre, au cours de cette confection, et en ce que l'ébauche ainsi constituée est vulcanisée en étuve ou en autoclave, après sanglage. 4 ) Procédé de fabrication d'un écran protecteur (8) conforme à l'un des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la confection de l'ébauche est réalisée par superposition de feuilles composites (14), de formes prédécoupées, disposées - 10 - dans au moins deux directions différentes, et, de préférence trois directions sensiblement 'à 120 degrés les unes des autres, les inserts métalliques (11) et (12), servant à la fixation, étant noyés au voisinage de la fibre neutre, au cours de cette confection, ladite ébauche étant ensuite insérée dans un moule fermé pour vulcanisation sous pression.