Brevet FR2637952A1 — publié le 19900420

La présente invention a pour objet un dis- positif de liaison axiale d'un tube en matière composite sur des embouts métalliques et concerne plus précisément un dispositif utilisant l'incorporation dans la structure composite d'une frette métallique servant de pièce d'an- crage aux embouts d'extrémité. L'invention est plus particulièrement des- tinée, entre autres applications, à équiper les trains d'atterrissage d'aérodynes, notamment d'avions légers ou d'hélicoptères, dont les futs tubulaires avantageusement réalisés en matériau composite doivent d'une part tenir à la pression interne et d'autre part résister à des efforts axiaux de traction-compression. Dans le domaine de la liaison de futs ou arbres en matériaux composites à des embouts métalliques, il a été proposé un certain nombre de solutions qui peuvent donner satisfaction dans des applications spécifiques mais qui restent insuffisants pour les utilisations à fortes contraintes, comme c'est le cas pour les vérins et amortis- seurs des pneumatiques des trains d'atterrissage. On connaît par le FR-A 2 434 300 un élément d'arbre de transmission en matière plastique renforcée de fibres dans lequel sont prévus des moyens pour réaliser une liaison efficace entre l'arbre lui-même et la chape d'un joint universel et suffisante pour résister aux forces de flexion et de couple imposées à l'élément. A cet effet, l'arbre est relié à un manchon solidaire de la chape par un moyen d'ancrage mécanique constitué par exemple par une nervure annulaire associée éventuellement à d'autres aspé- rités telles que crêtes, bossages ou rugosités. L'ancrage est réalisé à partir d'une nervure ménagée sur l'embout qui s'appuie sur une empreinte correspondante prévue sur le tube. Cette liaison connue n'est réalisée cependant que pour encaisser des efforts de flexion et de couple et non pas de traction-compression. D'après le FR-A 2 343 918, il est connu de réaliser une bielle de commande dont le corps tubulaire, constitué de fibres à haute résistance agglomérées par une résine synthétique polymérisée, est solidarisé avec un embout métallique portant extérieure- ment des stries et des ondulations. Pour réaliser la bielle on bobine sur le mandrin du corps tubulaire, équipé de ses embouts métalliques d'extrémité, des rubans de fibres appropriées enrobées dans de la résine époxy non polymérisée, les fibres étant parallèles ou en tresses. On bobine ainsi plusieurs couches de fibres selon des orien- tations différentes. Aux extrémités les couches de fibres viennent épouser les stries ou les ondulations; après polymérisation, le frettage des fibres sur les parties striées des embouts donne une bielle dont les embouts sont très correctement solidarisés du corps tubulaire et qui peut supporter des efforts entraction-compression. Il existe aussi une autre méthode de liaison telle que décrite dans le USA 3 989 280 qui consiste à assurer une liaison entre un tuyau en composite et un tuyau métallique par l'intermédiaire d'un collier ou d'un épaule- ment périphérique solidaire d'un tuyau et sur lequel est fabriqué l'autre tuyau. Dans toutes ces réalisations, il y a donc interférence de forme, à un niveau particulier, entre la pièce en matériau composite et un embout métallique. Bien souvent, il faut donc que l'embout métallique soit conformé de façon particulière, par exemple avec des nervures, pour pouvoir coopérer avec la partie en matériau composite. Par- fois, ce type de liaison impose à l'embout métallique ou au tube composite d'avoir une surface interne ou externe irré- gulière au niveau des nervures ce qui peut gêner le passage d'organes coulissants. Hormis, ces inconvénients, ces types de liaisons peuvent s'avérer insuffisamment résistants pour des futs tubulaires soumis à de fortes contraintes en trac- tion-compression, comme c'est le cas pour les trains d'at- terrissage hydro-pneumatiques d'hélicoptères. L'invention a donc pour objet un dispositif de liaison des extrémités d'un tube en matériau composite fortement sollicité axialement, avec des brides métalliques, qui est constitué d'une frette métallique annulaire formant une bague, noyée dans l'épaisseur du tube composite à l'extérieur ou à l'intérieur de celui-ci et arasée au dia- mètre externe ou interne du tube composite, la bague ccns- tituant un élément d'ancrage pour un embout ou autre ferrure métallique à l'aide d'un moyen complémentaire de liaison axiale. Selon une caractéristique particulière de l'invention, la liaison entre la bague solidaire du tube composite et l'embout métallique est assurée par un jonc métallique torique logé dans deux gorges semi-circulaires prévues d'un côté sur la face externe de la bague et de l'autre côté sur la face interne de l'embout, ou encore cette liaison est assurée par un filetage prévu sur l'ex- térieur de la bague, sur lequel se visse l'extrémité de l'embout, ou encore par un anneau solidaire de la bague coopérant avec une bride solidaire de l'embout. En variante, la patte annulaire présente une forme extérieure ou intérieure polygonale qui inter- fère en torsion avec une forme intérieure ou extérieure polygonale correspondante du tube composite. L'invention a également pour objet un pro- cédé de fabrication du dispositif de liaison qui consiste à bobiner des fibres préimprégnées de résine synthétique thermodurcissable ou draper un tissu préimprégné de ce même type de résine autour d'un mandrin préalablement coifié d'une vessie gonflable, à entourer le mandrin d'un moule extérieur préalablement muni de frettes dont la face intérieure débordante présente la forme d'un arc de cercle, - à gonfler la vessie par application d'un fluide sous pres- sion, par exemple d'air comprimé par des conduits, pour que les frettes soient contournées par les tissus ou fibres bobinées, et encastrées dans le matériau composite, à poly- mériser à chaud et sous pression la résine d'imprégnation des fibres ou des tissus et après démoulage - à araser la frette au diamètre intérieur ou extérieur du tube pour obtenir une bague d'ancrage dont la surface intérieure ou extérieure est alignée avec la surface voisine du tube en matériau composite, et à fixer la ferrure métallique sur la bague d'ancrage par un moyen de liaison. On peut aussi assurer la mise en place des constituants du matériau composite du tube dans le moule par un empilage de tresses sèches sur un mandrin muni de frettes annulaires suivi d'une opération d'injection sous pression de la résine synthétique ou encore par un bobinage filamentaire de fils ou de rubans préimprégnés de résine sur un mandrin muni de frettes annulaires. D'autres caractéristiques particulières et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre du dispositif de liaison et de son procédé de fa- brication, dans laquelle il est fait référence aux dessins annexés qui représentent: Figure 1: une vue en coupe du dispositif de liaison; Figures 2 et 3: des vues schématiques en coupe d'un procédé de fabrication; Figures 4 et 5: deux variantes de réalisa- tion d'une liaison tube-embout Figure 6: un exemple d'utilisation du dis- positif de liaison; Figures 7 et 8: des vues en coupe à plus grande échelle de certaines liaisons selon la figure 6. On a représenté schématiquement à la figure 1 la liaison axiale d'un tube composite 1 et d'un embout métallique 4 emmanché sur l'extrémité dudit tube. Pour assurer cette liaison, on a inséré à l'extérieur du tube composite une frette annulaire 2 qui présente en coupe la forme d'un segment circulaire. La partie courbe AB de ce segment est tournée vers le tube et disposée dans l'outil- lage de fabrication de telle sorte qu'elle fasse saillie à l'extérieur du tube et par construction reste encastrée dans le matériau composite, comme on le verra plus loin. Une liaison par jonc 3 est assurée entre ladite frette et l'embout 4. Par interférence de formes, il n'y a plus de possibilités de déplacement axial de l'embout sur le tube, même sous des efforts axiaux importants. En effet, ces efforts axiaux sont transmis du tube en matériau composite dans la frette annulaire par une surface d'appui constituée par la calotte sphérique, relativement importante, de telle sorte que la pression de matage sur le matériau composite du tube reste modérée et qu'en conséquence elle ne risque pas d'endommager ce ma- tériau. Par contre, la liaison de la frette annulaire avec l'embout par l'intermédiaire du jonc permet de faire sup- porter aux gorges du logement de celui-ci ménagées dans des pièces métalliques et au jonc lui-même, également métallique, de très importantes pressionsde matage sans risque de dété- rioration du métal des éléments assurant cette liaison. On décrit maintenant plus en détail, en référence aux figures 2 et 3, les étapes de réalisation d'une telle liaison. Un mandrin 5 est coiffé d'une vessie gon- flable 6, des conduits 7 d'alimentation en air comprimé permettant d'établir une pression dans la chambre délimitée par le mandrin et la vessie. On bobine des fibres ou on drape un tissu préimprégné 10 tout autour du mandrin, par dessus la vessie. On entoure le mandrin d'un moule exté- - rieur 8 préalablement muni de frettes dont la face inté- rieure A'B' débordante présente la forme d'un arc de cercle. Lors de la déformation de la vessie gonflable 6 par application d'air comprimé par les conduits 7, on obtiendra une interférence de forme entre le tube compo- site 1 en cours d'ébauche (figure 3) et les frettes 2. On a ainsi des frettes 2 extérieures au tube composite, contournées par les tissus 10 ou les fibres bobinées, qui se trouvent ainsi encastrées dans le matériau composite. On polymérise à chaud et sous pression la résine d'impré- gnation. On démoule ensuite le tube muni de ses frettes. Après usinage autour pour être arasée au diamètre extérieur du tube composite,chaque frette 2 forme une bague qui constitue un excellent ancrage pour la liaison axiale du tube avec ses embouts métalliques d'ex- trémité dont la surface extérieure est alignée avec la surface extérieure voisine du tube composite. Comme on l'a indiqué en référence à la figure 1, cette liaison peut être réalisée par un jonc métallique torique 3 logé dans deux gorges semi-circulaires prévues d'un côté sur la face externe de la bague 2 et de l'autre côté sur la face inter- ne de l'embout 4. La liaison peut aussi être réalisée par un filetage ll prévu sur l'extérieur de la bague 2, sur lequel vient se visser l'extrémité de l'embout 4 (figure 4). La liaison peut encore être réalisée par un anneau 12 solidaire de la bague 2 fixé par un boulonnage 13 à une bride 14 solidaire de l'embout 4 (figure 5). En variante, et dans le cas o, aux efforts axiaux et radiaux, s'ajoute une sollicitation en couple, le principe d'interférence de formes entre la frette et le matériau composite du tube reste valable; il suffit alors de donner à la frette annulaire une forme extérieure ou intérieure polygonale qui vient interférer en torsion avec une forme intérieure ou extérieure polygonale corres- pondante du tube. Dans ce qui précède on a parlé de frettes formant des bagues, localisées à l'extérieur d'un tube com- posite. Il va de soi que la même technique pourrait être appliquée, sans sortir du cadre de l'invention à des frettes placées à l'intérieur d'un tube ou d'un fut composite en vue d'une liaison avec une pièce métallique interne audit tube. On a représenté à la figure 6 un exemple d'utilisation sur un ensemble oléo-pneumatique de train d'atterrissage. L'amortisseur-vérin comporte un embout d'extrémité 4 muni d'un raccord I5 pour la mise en commu- nication avec un circuit hydraulique externe; le fond de l'embout se prolonge par une chape à rotule 16 pour l'ar- ticulation de l'amortisseur sur le fuselage. L'embout 4 est fixé au tube composite 1 par la liaison décrite, c'est- à-dire la bague 2 et le jonc 3 (liaison A). On remarquera la présence d'un joint d'étanchéité 9 entre l'extrémité du tube et la bague. A l'autre extrémité le tube composite 1 est relié (référence 6), toujours par une même liaison à bague et jonc, avec un piston 17 destiné à coulisser dans une tige creuse composite 18, elle-même fixée encore par une même liaison (référence C) à un palier 19 en saillie radiale vers l'intérieur pour permettre le coulissement de façon étanche sur le tube 1. D'autres liaisons identiques non re- présentées peuvent être prévues entre tous autres tubes et tiges compositeset les embouts ou ferrures métalliqeus aux- quels ils doivent être raccordés. Des joints toriques 9 sont inter- calés entre manchon et tube pour parfaire l'étanchéité. Ces liaisons permettent une reprise des efforts axiaux en traction et en compression. L'étanchéité de la cavité interne du tube est assurée grâce aux joints 9. On notera également l'absence de surépaisseurs par rapport au tube composite, qui permet le montage de fourreaux ou de pistons sur les diamètres intérieur et extérieur du tube, et qui permet aussi de démonter les embouts. - Les tubes composites munis de ces bagues de liaison 2 peuvent être réalisés par drapage de nappes de tissus préimprégnés suivi de compactage par vessie gonflable comme décrit précédemment en référence aux figures 2 et 3. Ils peuvent aussi être obtenus par empilage de tresses sèches puis imprégnation par injection sous pression ou encore par bobinage filamentaire de fils ou de rubans. On voit sur la figure 7 une représentation à plus grande échelle de la liaison A de la figure 6, qui montre la disposition des tissus constituant le tube com- posite 1. On remarque que des coins de résine 20 se forment entre les tissus et la bague 2 aux points de con- tact du tube et de l'embout 4. Le joint torique d'étanchéité 9 occuperait la position représentée en pointillés. De la même façon la figure 8 montre la dis- position des tissus dans la liaison B entre le tube 1 et le piston 17. On y retrouve les coins de résine 20 en bor- dure de la bague 2. REVENDICATIONS 1. Dispositif de liaison des extrémités d'un tube en matériau composite fortement sollicité axia- lement, avec des brides métalliques caractérisé en ce qu'il est constitué d'une frette métallique annulaire (2) formant une bague, noyée dans l'épaisseur du tube compo- site (1) à l'extérieur ou à l'intérieur de celui-ci et arasée au diamètre externe ou interne du tube composite et en ce que la bague (2)constitue un élément d'ancrage pour un embout ou autre ferrure métallique (4, 17, 19) à l'aide d'un moyen complémentaire de liaison (3, 11, 13, 14). 2. Dispositif de liaison selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la liaison entre la bague (2) solidaire du tube composite (1) et l'embout métallique (4) est assurée par un jonc métallique torique (3) logé dans deux gorges semi-circulaires prévues d'un côté sur la face externe de la bague (2) et de l'autre côté sur la face interne de l'embout (4). 3. Dispositif de liaison selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la liaison entre la bague (2) solidaire du tube composite (1) et l'embout métallique (4) est assurée par un filetage (11) prévu sur l'extérieur de la bague (2), sur lequel se visse l'extrémité de l'embout. 4. Dispositif de liaison selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la liaison entre la bague (2) solidaire du tube composite (1) et l'embout métallique (4) est assurée entre un anneau (12) solidaire de la bague et une bride (14) solidaire de l'embout. 5. Dispositif de liaison selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la frette annulaire (2) présente une forme extérieure ou intérieure polygonale, qui interfère en torsion avec une forme intérieure ou ex- térieure polygonale correspondante du tube composite (1). 6. Procédé de fabrication du dispositif de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à bobiner des fibres préimprégnées de résine syn- thétique thermodurcissable ou draper des tissus pré- imprégnés de cette même résine (1) autour d'un mandrin (5) préalablement coiffé d'une vessie gonflable (6), à entourer le mandrin d'un moule extérieur (8) préalablement muni de frettes (2) dont la face intérieure (A' B') débordante présente la forme d'un arc de cercle, à gonfler la vessie par application d'un fluide sous pression au moyen des conduits (7) , pour que les frettes soient contournées par les tissus ou fibres bobinées et encastrées dans le matériau composite, à polymériser à chaud la résine d'imprégnation des fibres ou des tissus en plaçant le moule (8) avec la vessie (6) gonflée dans un four, et après démoulage du tube ainsi constitué, à araser la frette au diamètre inté- rieur ou extérieur du tube pour obtenir une bague d'ancrage dont la surface intérieure ou extérieure est alignée avec la surface voisine du tube en matériau composite, et à fixer la ferrure métallique (4, 17, 19) sur la bague d'an- crage par un moyen de liaison (3, 11, 13, 14). 7. Procédé de fabrication du dispositif de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer un empilage de tresses sèches sur un mandrin (5) muni de frettes annulaires, à introduire cet empilage dans un moule extérieur étanche (8), à injecter sous pression entre le mandrin et le moule une résine syn- thétique d'imprégnation des tresses, à polymériser à chaud cette résine et après démoulage du tube ainsi constitué à araser la frette au diamètre intérieur du tube pour obtenir une bague d'ancrage dont la surface intérieure est alignée avec la surface voisine du tube en matériau composite et enfin à fixer la ferrure métallique (4, 17) sur la bague d'ancrage par un moyen de liaison (3, 11, 13, 14). Z637952 1l 8. Procédé de fabrication du dispositif de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer un bobinage filamentaire de fils ou de rubans préimprégnés de résine synthétique thermodurcis- sable sur un mandrin démontable muni de frettes annulaires, à polymériser à chaud cette résine d'imprégnation, à couper les surlongeurs du tube ainsi constitué, à sortir les éléments constitutifs du mandrin, à araser la frette au diamètre intérieur du tube pour obtenir une bague d'ancrage dont la surface intérieure est alignée sur la surface voisine du tube en matériau composite et enfin à fixer la ferrure métallique (4, 17) sur la bague d'an- crage par un moyen de liaison (3, 11, 13, 14).