Brevet FR2618499A1 — publié le 19890127

Arbre de transmission comPosite et procédé de fabrication d'un tel arbre L'invention concerne les arbres rotatifs de transmission d'énergie en matériau composite fibresrésine et leurs procédés de fabrication. Elle trouve une application particulièrement importante dans le domaine automobile où un arbre longitudinal de transmission est utilisé dans le cas d'un moteur placé à l'avant entrainant soit uniquement des roues arrière, soit l'ensemble des roues avant et d'un ou plusieurs trains de roues arrière. q Les arbres de transmission de ce genre, soumis essentiellement à des contraintes de torsion, sont actuellement réalisés en métal ou en matériau composite. Dans le second cas, l'arbre est fabriqué en enroulant un fil imprégné de résine, suivant un angle donné, sur un mandrin préalablement revetu d'une pellicule de produit facilitant le démoulage. Cette solution exige une machine d'enroulement dont le coût est élevé, conduit à un angle d'enroulement qui n'est pas constant sur l'ensemble des couches superposées et à une hétérogénéité de la pièce qui diminue sa fiabilité. Enfin, ce procédé de fabrication ne s'applique pratiquement qu'à des arbres de diamètre constant. On sait par ailleurs réaliser des tubes stratifiés en matériau composite, destinés à constituer des structures, dans lesquel les fils se présentent sous forme de tresses tubulaires bidirectionnelles comprenant au moins deux jeux de fils entrecroisés ayant une inclinaison sur l'axe du tube. Les documents FR-A-2 510 624 et 2 546 473 donnent des exemples de tels tubes et tresses. Mais il n'y a pas eu d'application de telles tresses à la constitution d'arbres soumis à des contraintes de nature fondamentalement différente de celle de pièces de structures. L'invention vise à fournir un arbre en matériau composite répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, en particulier en ce qu'il est mieux adapté à la transmission de couples élevés et en ce qu'il est susceptible d'être réalisé avec un diamètre variable le long de sa longueur. Dans ce but, l'invention propose notamment un arbre tubulaire de transmission en matériau composite fibres-résine; caractérisé en ce qu'il est constitué de plusieurs gaines tubulaires superposées et solidarisées de façon à constituer une structure monobloc, chaque gaine ayant une structure tressée en fils à haute résistance mécanique faisant avec l'axe de l'arbre des angles opposés supérieurs à 10.. L'arbre doit être-réalisé de façon que sa plus basse fréquence de résonance soit supérieure à celle du moteur qui l'entraîne. Par ailleurs, la résistance de l'arbre en torsion doit être proportionnée au couple qu'il doit transmettre. La nécessité de respecter cette double condition peut conduire, dans le cas notamment de l'application au domaine automobile, où la vitesse maximale du moteur est souvent de l'ordre de 6000 tours/mn et correspond à une fréquence de 100 Hz, à un diamètre extérieur optimum supérieur à l'encombrement admissible en certains emplacements, et notamment aux extrémités. L'invention permet de réaliser l'arbre avec un diamètre plus faible (et en conséquence une épaisseur plus forte) à une extrémité qu'en partie courante. En règle générale, l'épaisseur de l'arbre sera comprise entre 1,5 et 4 mm d'épaisseur car, au-delà de cette valeur, on arrive à un nombre de couches excessif. Dans la pratique, le nombre de gaines superposées sera souvent compris entre 5 et 9. Les fils seront en matériau choisi en fonction de la résistance qu'il est nécessaire de leur donner on pourra notamment utiliser le verre, le carbone et les résines aramides, telles que le "Kevlar". La résine sera généralement époxy, bien qu'on puisse également utiliser les résines vinyl-ester et acryliques. L'invention propose également un procédé de fabrication d'un arbre du genre ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'on enfile successivement, sur un mandrin préalablement revetu d'un produit de démoulage, plusieurs gaines en fils ensimés tressés de façon à présenter des fils faisant avec l'axe de l'arbre des angles opposés habituellement compris entre 10 et 30 on imprègne et on enduit l'empilement de gaines de résine polymérisable en maintenant le mandrin en rota tion son on prégélifie la résine puis on la polymérise en étuve en maintenant le mandrin en rotation avant de démouler une ébauche d'arbre on refroidit l'ébauche on l'étuve éventuellement pour achever la polymérisation ; et on usine l'arbre en forme finale. L'arbre peut être muni, à une extrémité ou aux deux, d'un embout métallique présentant un épaulement d'appui, une portée de centrage et une zone ménageant un jeu radial de quelques dixièmes de millimètre dans lequel on injecte une résine polymérisable souple pour solidariser l'arbre de l'embout. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe montrant une constitution possible d'arbre - la Figure 2 est une vue en coupe simplifiée montrant la partie terminale d'un arbre de diamètre variable - la Figure 3 montre un mode possible de montage d'un embout sur l'arbre. L'arbre 10 montré schématiquement en Figure 1 est constitué par une structure monobloc dans laquelle une coupe révèle des gaines tubulaires concentriques constituées chacune par une tresse du genre décrit dans le document FR-A-2 510 624. Chacune des gaines, par exemple la gaine externe 12, est constituée de deux jeux de fils 14 et 16 entrelacés, disposés avec un angle d'enroulement a qui sera généralement compris entre 10 et 30 dans le cas de l'application au domaine automobile. Certaines des gaines peuvent comporter de plus des fils longitudinaux. L'ensemble des tresses est imprégné d'une masse de résine polymérisée, qui sera généralement une résine époxy. L'arbre 10 de la Figure 1 peut être fabriqué de la façon suivante. On prépare un mandrin 18 ayant un diamètre correspondant au diamètre interne de l'arbre à réaliser et on le revêt d'une pellicule mince de matériau facilitant le démoulage, suivant une technique bien connue. On enfile ensuite une première gaine tressée en fils ayant la nature choisie. Cette gaine présente une forme de chaussette ouverte aux deux, bouts. On la choisit de façon que, une fois enfilée sur le mandrin, les fils 14 et 16 aient l'orientation désirée. On enfile ainsi successivement plusieurs gaines les unes sur les autres. Les gaines sont constituées en fils munis d'en ensimage, qui n'est que très faiblement arraché par la mise en place, car cette dernière n'implique que de faibles frottements, la gaine présentant une déformabilité due à sa constitution. Le mandrin 18 portant l'empilement de gaines est alors placé sur un dispositif d'entrainement en rotation et on imprègne les gaines de résine, époxy en général. Pour obtenir une bonne résistance à la torsion, il est généralement souhaitable que les gaines aient un coefficient de vide tel que l'arbre terminé ait une teneur en fibres dépassant 40a en volume. il est également souhaitable d'utiliser des fils de faible texture, par exemple des fils de 400 filaments ayant un titre d'environ 30 Tex. Après l'enrobage, on racle en surface la résine excédentaire et on laisse la résine se prégélifier avant de porter l'ensemble du mandrin et de l'ébauche d'arbre en étuve de polymérisation. Après séjour en étuve, on laisse refroidir l'ébauche, puis on la retire du mandrin pour un nouvel étuvage destiné à achever la polymérisation. Un usinage éventuel permet de dresser les faces terminales et de donner à l'arbre une surface lisse. La résistance en torsion de l'arbre dépend de son diamètre D et de son épaisseur e (Figure 1). Sa fréquence propre est une fonction inverse de la racine carrée de sa densité et est proportionnelle au diamètre. Par exemple, dans le cas d'un arbre de transmission d'automobile, l'encombrement du groupe moteur impose souvent un diamètre limite. Dans ce cas, il est avantageux d'utiliser un arbre dont la partie initiale 20 (Figure 2) a un diamètre plus faible et une épaisseur plus forte que la partie courante de l'arbre. L'utilisation de gaines tressées, se prêtant bien à des diamètres variables, représente une solution avantageuse. Eventuellement, l'arbre peut avoir un nombre de gaines différent en divers emplacements de sa longueur pour homogénéiser les contraintes. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'un arbre en tresses constituées de fibres de verre et de carbone et en résine époxy présentant les caractéristiques suivantes a été réalisé, à partir de gaines tressées de 1,70 m de long à 142 g/m de verre et 137,50 g/m de carbone Diamètre intérieur : 75,70 mm Diamètre .extérieur : 81,10 mm Densité : 1,732 Teneur en verre : 52,09% en masse Teneur de carbone : 11,93% en masse Limite élastique : 1106 m x M Limite de fissuration (moment provoquant l'endommagement en torsion) 2026 m x N L'arbre a été réalisé en six tresses enfilées sur un mandrin de 75 mm de diamètre, les fils ayant un angle d'enroulement de 21,5'. Les gaines tressées ont été enduites de résine époxy. L'ensemble a été prégélifié pendant 15 minutes à la température ambiante, puis mis en étuve à 14Oc pendant 1 heure. Après refroidissement et démandrinage, l'ébauche d'arbre a subi encore un étuvage à 140-C, avant usinage final. L'arbre peut être muni d'embouts de raccordement. Dans le mode de réalisation montré en Figure 3, l'extrémité de l'arbre 10 est enfilée sur un embout 22 comportant une portée 24 de centrage de quelques millimètres de longueur, jusqu'à ce qu'il soit en butée contre un épaulement 26. L'embout présente, sur une longueur 1 de quelques centimètres, un diamètre tel qu'un jeu radial de quelques dixièmes de millimètre subsiste entre arbre et embout. Ce jeu est rempli d'un prépolymère de résine époxy avant mise en place de l'arbre, puis l'arbre et l'embout sont solidarisés en étuve. En règle générale, on sera amené à choisir une résine relativement souple, pour permettre l'allongement de l'arbre. REVENDICATIONS 1. Arbre tubulaire de transmission (10) en matériau composite fibres-résine, caractérisé en ce qu'il est constitué de plusieurs gaines tubulaires (12) superposées et solidarisées par la résine de façon à constituer une structure monobloc, chaque gaine ayant une structure tressée en fils à haute résistance mécanique faisant avec l'axe de l'arbre des angles opposes supérieurs à 10-. 2. Arbre selon la revendication 1, caractérisé en ce q*'il a une épaisseur comprise entre 1,5 et 4 mm 4 et comporte cinq à neuf gaines. 3. Arbre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fils sont en fibres de verre, de carbone ou d'aramide et en ce que la résine est une résine époxy, vinyl-ester ou acrylique. 4. Arbre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la proportion de fibres dans le matériau composite est supérieure à 408 en volume. 5. Arbre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les angles sont au plus égaux à 30'. 6. Arbre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que son diamètre à une extrémité (20) est inférieur au diamètre en partie courante. 7. Arbre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est muni, à une extrémité au moins, d'un embout métallique (22) qui présente un épaulement d'appui (26), une portée (24) de centrage de l'arbre et une zone ménageant un jeu de quelques dixièmes de millimètre occupé par une résine souple. 8. Arbre de transmission pour selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur et un diamètre tels que sa fréquence de résonance la plus basse .soit supérieure à la fréquence du moteur à son régime le plus élevé. 9. Procédé de fabrication d'un arbre tubulaire de transmission en matériau composite fibres-résine caractérisé en ce qu'on enfile successivement, sur un mandrin (18) préalablement revêtu d'un produit de démoulage, plusieurs gaines (12) en fils ensimés tressés de façon à présenter des fils faisant avec l'axe de l'arbre des angles opposés compris entre 10 et 30 ; on imprègne et on enduit l'empilement de gaines avec une résine polymérisable en maintenant le mandrin en rotation ; on polymérise la résine en étuve en maintenant le mandrin en rotation avant de démouler l'ébauche d'arbre qu'on usine en forme finale.