Brevet FR2672252A1 — publié le 19920807

i ROUE EN RESINE SYNTHETIQUE DU TYPE D'UNE SEULE PIECE La présente invention concerne une roue en résine synthétique et, en particulier, se rapporte à une roue en résine synthétique ayant d'excellentes qualités mécaniques telles que la résistance aux chocs, la résistance aux efforts de flexion, la rigidité, la résistance à la chaleur, la résistance à l'usure et la résistance au glissement, qui est légère et convient à la production en grande série. Dans la catégorie des roues, les roues d'automobile par exemple, ont généralement été fabriquées avec des aciers inoxydables ou des alliages légers (alliages d'aluminium et alliages de magnésium). Une roue en acier inoxydable est fabriquée à la presse ou par repoussage mais ces procédés provoquent souvent des dispersions dans les dimensions des pièces et, en particulier tendent à provoquer des erreurs dans la rotondité de la partie formant le rebord d'une jante et sont également peu satisfaisants en ce qui concerne la réduction du poids des pièces d'automobile, puisque cette roue est lourde. En revanche, bien qu'une roue en métal léger soit stable en ce qui concerne les dimensions des pièces moulées et que le poids soit réduit à moins d'un tiers de celui de la roue en acier, elle présente l'inconvénient que le coût du matériau est extrêmement élevé, c'est-à- dire trois à cinq fois plus cher que la roue en acier inoxydable. A ce propos, la réduction du poids de pièces de voiture est un facteur extrêmement important en ce qui concerne l'économie d'énergie, à laquelle, il a été attaché une grande importance, et la diminution du poids est encore souhaitable, en particulier, pour les pièces non suspendues sur ressort telles que les roues, dans le but de réduire la consommationde carburant et d'améliorer la maniabilité. Dans un tel contexte, une roue en résine a été récemment proposée comme roue pouvant répondre aux conditions de réduction de poids, d'uniformité des pièces moulées et de réduction du coût La roue en résine est moulée en utilisant, comme matériau principal, du FRP ( plastique renforcé par fibres) comprenant une résine thermodurcissable mélangée à des fibres courtes et des fibres longues de renfort, le poids de cette roue est réduit et l'uniformité des dimensions de pièces moulées est excellente en comparaison de la roue en métal, et il est également attendu qu'elle soit satisfaisante en ce qui concerne la productivité, permettant de réduire le coût du produit, et elle est excellente en ce qui concerne les possibilités esthétiques telles que la coloration. Les caractéristiques requises pour un telle roue en résine sont les suivantes: ( 1) une grande résistance aux chocs afin d'empêcher le bris, ( 2) une grande résistance au glissement pour empêcher que le pneu ne se décolle de la roue, ( 3) une excellente résistance à la chaleur dégagée par le tambour de frein, ( 4) une excellente uniformité (les produits moulés ayant une partie non uniforme et comportant des défauts ne peuvent pas être utilisés comme roue, puisque la roue est une des pièces importantes d'une automobile), et ( 5) la possibilité de production en grande série. A ce propos, la roue comprend en général, comme cela est montré à la figure 6 (vue en coupe transversale de la moitié supérieure) et à la figure 7 (vue en perspective), une jante 1 et un voile 2, un trou axial 3, des trous de goujon de moyeu 4, des trous décoratifs 5 étant disposés dans le voile 2 Ensuite, en ce qui concerne la structure, les roues en aluminium, disponibles sur le marché, sont généralement classées en: roue d'une seule pièce comprenant la jante 1 et le voile 2 moulés d'une seule pièce; et roue en deux pièces dans laquelle la jante 1 et le voile 2 sont moulés séparément l'un de l'autre, les deux étant ensuite réunis en les assemblant par des boulons métalliques La roue en deux pièces, en comparaison de celle d'une seule pièce, a le grand mérite de pouvoir fournir des roues constituant une large gamme de combinaisons en changeant le dessin du voile 2 tout en gardant la même structure pour la jante 1 En revanche, puisque la jante 1 et le voile 2 sont assemblés, des parties de chevauchement doivent être prévues sur les deux pièces et puisque les pièces sont assemblées par des boulons en métal, la roue présente l'inconvénient que son poids est plus élevé en comparaison de la roue d'une seule pièce. D'autre part, puisque la roue en résine a naturellement un atout commercial remarquable de par son poids réduit, toute conception provoquant une augmentation de poids doit être évitée autant que faire se peut Par conséquent, les roues en résine classiques disponibles sur le marché ont été développées sur la base de moulage par compression d'une résine thermodurcissable en une roue d'une seule pièce. En ce qui concerne, le procédé de moulage de la roue en résine classique, une roue en résine fabriquée par moulage par compression est excellente, par exemple, du point de vue de la rigidité et de la résistance puisque l'endommagement des fibres au cours du moulage est relativement rare En outre, puisque la résine utilisée est constituée principalement par une résine thermodurcissable, la résistance à la chaleur et la résistance au glissement sont également satisfaisantes. Toutefois, ce procédé ne convient pas au moulage de produits ayant des formes compliquées (par exemple, ceux qui présentent des variations sensibles de l'épaisseur de la paroi) et il présente l'inconvénient d'un faible rendement, puisque le cycle de moulage est long. En revanche, bien que le procédé de moulage par injection donne un rendement extrêmement élevé et soit excellent du point de vue du co t de production, il a l'inconvénient que les produits de moulage par injection ont généralement une résistance qui ne représente que le 1/3 ou le 1/5 de celle des produits de moulage par compression Cela est dû au fait que les qualités physiques du matériau constituant les produits moulés ne sont pas uniformes ou sont altérées, ce qui réduit la résistance et ceci est provoqué par la présence de cordons de bavure à l'endroit o les parties moulées se rejoignent, dans le cas o les fibres et molécules sont orientées, en particulier, il se forme des trous, etc dans les produits en raison de la destruction et de la déformation des fibres pendant le malaxage et l'écoulement de la résine En particulier, dans le cas de la roue, telle que montrée à la figure 7, puisqu'un certain nombre de trous décoratifs 5 sont disposés dans la partie du voile 2, dans un but esthétique et également pour accroître l'effet de refroidissement par air pendant la marche, et qu'en outre, il y a des trous de goujon 4 pour le serrage contre un tambour de frein d'un corps principal d'automobile, il en résulte une forme telle qu'elle entraîne souvent des cordons de bavure Donc, jusqu'à présent, une roue en résine fabriquée par le moulage par injection en utilisant une résine thermoplastique n'a pas encore été réellement créée et commercialisée. La présente invention a pour but de surmonter les problèmes mentionnés ci- dessus rencontrés dans la technique antérieure, en éliminant les trous décoratifs dans une partie du voile et de fournir une roue en résine ayant d'excellentes qualités mécanique telles que la résistance aux efforts de flexion, la rigidité, la résistance aux chocs, la résistance à la chaleur, la résistance à l'usure et la résistance au glissement, dont le coût soit réduit et qui se prête à la production en grande série. La roue en résine du premier mode de réalisation de la présente invention se présente sous forme de roue d'une seule pièce comprenant une jante et un voile moulés d'une seule pièce, dans laquelle une partie située entre un trou axial du voile et la jante est formée en une plaque pleine sans trous, ladite roue étant obtenue par moulage par injection ou moulage par injection et compression d'une résine thermoplastique renforcée par fibres. La roue en résine du deuxième mode de réalisation de la présente invention se présente sous forme d'une seule pièce comprenant une jante et un voile moulés d'une seule pièce, dans laquelle seulement des trous de goujon sont formés entre un trou axial du voile et la jante, tandis que les autres parties sont laissées en forme d'une plaque pleine sans trous, ladite roue étant obtenue par moulage par injection ou moulage par injection et compression d'une résine thermoplastique renforcée par fibres. La roue en résine selon la présente invention est un produit moulé d'une seule pièce obtenue par un procédé de moulage par injection ou de moulage par injection et compression en utilisant une résine thermoplastique renforcée par fibres, elle a une structure sans trous décoratifs dans le voile pour empêcher la réduction de la résistance provoquée par la présence de bavures au cours du moulage Bien que la roue en résine selon la présente invention, qui ne comporte pas de trous décoratifs, soit un produit de moulage par injection ou de moulage par injection et compression utilisant une résine thermoplastique renforcée par fibres, elle a une résistance excellente et possède également les qualités des produits moulés d'une seule pièce en résine thermoplastique renforcée par fibres, c'est-à- dire, le coût réduit, la possibilité de réutilisation, le poids réduit et le bon rendement de production en grande série. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale montrant une partie de la roue en résine selon la présente invention; la figure 2 est une vue agrandie d'une partie II de la figure 1; la figure 3 est une vue en coupe transversale selon la ligne III-III de la figure 2; la figure 4 est une vue en coupe transversale montrant un autre mode de réalisation de la roue en résine selon la présente invention; la figure 5 est une vue en coupe transversale montrant encore un autre mode de réalisation de la roue en résine selon la présente invention; la figure 6 est une vue en coupe transversale d'une roue en résine classique; la figure 7 est une vue en perspective d'une roue en résine classique; la figure 8 est une vue en coupe transversale complète d'une roue selon un mode de réalisation; et la figure 9 est une vue en coupe transversale complète d'une roue selon un autre mode de réalisation. Les descriptions détaillées des modes de réalisation préférés selon la présente invention vont être faites en faisant référence aux dessins. Dans la roue en résine montrée à la figure 8, une partie entre un trou axial d'un voile 2 et une jante 1 est formée comme plaque pleine sans trous Dans la roue en résine montrée à la figure 9, seulement des trous de goujon 4 sont formés entre le trou axial 3 de la partie de voile 2 et la partie de jante 1, tandis que les autres parties sont laissées en forme de plaque pleine sans trous Aucune des roues en résine n'a de trous décoratifs. Dans la roue en résine selon la présente invention telle que décrite ci-dessus, il peut être considéré que l'effet de refroidissement par air de l'arbre tournant risque d'être diminué puisqu'il n'y a pas de trous décoratifs Compte tenu de ce qui précède, dans la roue en résine selon la présente invention, il a été préféré de compenser cet inconvénient par les mesures suivantes. Par exemple, une roue est habituellement montée par des goujons de moyeu sur un disque adjacent à un tambour de frein ou d'un disque de freins Par conséquent, la périphérie du trou de goujon de moyeu subit directement l'effet de la chaleur produite par les freins, ce qui produit un relâchement du serrage allant de paire avec un ramollissement et un glissement de la résine provoque un desserrage du moyeu au cours d'une utilisation de longue durée Pour surmonter ce problème, il est préférable, par exemple, comme cela est montré à la figure 1 (vue en coupe transversale à proximité du moyeu), à la figure 2 et à la figure 3, de fixer une douille 20, possédant une grande rigidité, une grande résistance mécanique et résistante à la chaleur, sur un trou de goujon 4 par lequel un goujon de moyeu 21 d'une roue en résine 10 est fixé, la force de serrage de l'écrou 23 étant transmise par l'intermédiaire de la douille 20 à un tambour de frein 24 La figure 1 montre en outre un pneu 25 Dans ce cas, du métal, de la matière plastique résistante à la chaleur, de la matière plastique résistante à la chaleur renforcée par fibres de verre, un composite de carbone renforcé par fibres de carbone, de la céramique, etc peuvent convenir à la fabrication de la douille 20 devant être fixée dans le trou de goujon 4. En outre, pour faire écran contre la chaleur, dégagée par le tambour de frein, on peut envisager un procédé pour disposer un matériau calorifuge sur toute la surface du voile et de la jante du côté du tambour de frein, par moulage avec insert ou analogue Dans ce cas, un tel moyen d'amélioration peut être appliqué sur une partie, par exemple, la surface 31 montrée à la figure 4, faisant partie du voile 2, ou sur toutes les surfaces 31 et 32 du voile 2 En outre, il peut être appliqué sur une partie de la surface ou sur toute la surface 33 de la jante 1 Comme matériau calorifuge 30 utilisé, dans ce cas, conviennent par exemple, un matériau en forme de plaque comprenant une matière plastique résistante la chaleur, de la céramique ou une matière inorganique avec son moyen de renfort, une plaque comprenant de l'amiante ou analogue Toute matière ayant un pouvoir calorifuge et une résistance mécanique suffisante peut être utilisée. Comme fibres de renfort à mélanger à la résine synthétique de la présente invention, on peut mentionner des fibres de verre, de carbone, de graphites, d'aramide, de polyéthylène, de céramique (Si C, A 1203, etc), de métal (de bore, d'acier inoxydable, etc) Parmi ces matières, le carbone et le verre sont particulièrement efficaces En ce qui concerne le diamètre des fibres de renfort, s'il est trop petit, il est impossible d'obtenir un effet de renforcement suffisant En revanche, s'il est trop grand, le moulage par injection et compression devient difficile car l'aptitude au moulage en pâti Par conséquent, le diamètre des fibres de renfort se situe, de préférence, à l'intérieur d'une fourchette allant de 0,1 à 100 Hm, une fourchette allant de 0,5 à 50 pm étant particulièrement indiquée. Si la quantité de fibres de renfort dans le mélange est trop petite, il est impossible d'obtenir un effet de renforcement suffisant, tandis que si elle est trop grande, la résine de base devient insuffisante, de sorte que l'aptitude au moulage en pâti Par conséquent, il est préférable que la quantité de fibres de renfort, devant être mélangée à la matière de moulage, se situe de préférence dans une fourchette allant de 5 à 70 % de la quantité totale et, plus particulièrement dans une fourchette allant de 10 à 60 % de la quantité totale. Comme matière de moulage convenant particulièrement bien à la présente invention, on peut indiquer un produit granuleux obtenu par moulage en continu de fibres et d'une résine thermoplastique par pultrusion dans un élément en forme de tube d'un diamètre de 2,5 à 3 mm, qui seront ensuite coupées à une longueur de 10 mm Dans ce cas, la longueur des fibres de renfort contenues dans la matière de moulage peut être réglée de manière optimale en fonction de la longueur de coupe En outre, la résine peut être suffisamment imprégnée entre chacune des fibres bien qu'il s'agisse de fibres longues, puisque la matière est moulée par pultrusion Par ailleurs, la résine renforcée par fibres longues de ce type à des qualités mécaniques bien meilleures que la résine habituelle renforcée par fibres courtes sans que l'aptitude au moulage et à la fabrication soit dégradée et le même degré d'aptitude au moulage et à la fabrication peut être obtenu Par ailleurs, il est extrêmement efficace d'utiliser une résine renforcée par fibres courtes classiques comme matière ajoutée afin d'améliorer entre autres l'aptitude à la fabrication de la matière renforcée par fibres longues Dans ce cas, le rapport de mélange avec la résine renforcée par fibres courtes est de préférence inférieur à 70 % et il est souhaitable qu'il soit inférieur à 60 % du poids de la quantité totale. La roue en résine selon la présente invention peut être facilement fabriquée en moulant d'une seule pièce de la résine thermoplastique renforcée par fibres par moulage par injection ou moulage par injection et compression. Le procédé de moulage par injection et compression auquel se réfère la présente invention désigne un procédé dans lequel les moules sont d'abord légèrement ouverts ou fermés par une faible force de serrage de moule La matière est injectée et ensuite le moulage par compression est effectué tandis que la force de serrage de moule est augmentée En particulier, un procédé de moulage dans lequel une résine fondue est injectée au moyen d'un vérin d'injection ou d'une extrudeuse dans des moules inférieurs et supérieurs disposés dans une presse, et dans lequel les cavités de moule sont fermées après ou avant le remplissage complet avec la résine, convient comme procédé de moulage par injection et compression auquel la présente invention se réfère. A ce propos, l'économie d'énergie est depuis quelques temps vivement encouragée en raison d'une demande émanant d'un comportement social, et la réduction de poids a été également souhaitée pour des pièces d'automobile, comme cela a été décrit ci-dessus En particulier, la réduction de poids a été demandée pour les éléments non suspendus sur ressort puisqu'elle permet d'obtenir un effet remarquable, également en ce qui concerne la maniabilité. La résine thermoplastique constituant la roue en résine selon la présente invention peut comprendre différents types de résines polyamides, telles que les polyamides aromatiques Nylon 6, 6-6, 4-6, 6- 10, 10, 11, 12, le téréphtalate de polybutylène (PBT), la sulfure de polyphénylène (PPS), la résine acétal (POM), les polycarbonates (PC), le téréphtalate de polyéthylène (PET), le polypropylène (PP), les sulfones de polyéther (PES), les polysulfones (PSF), les éthers cétones de polyéther (PEEK), l'oxyde de polyphénylène (PPO), la polyamide-imide (PAI), la polyimide (PI), le polyester, de même que toute une variété de polymères à cristaux liquides Parmi lesquelles différentes sortes de résines polyamides, PBT, PPS, POM, PC, PES, PI, PAI, PEEK, le polyester et différentes sortes de polymères à cristaux liquides, sont préférés De telles résines thermoplastiques peuvent être utilisées seules ou en mélange de deux ou plus, d'entre elles. La résine synthétique mentionnée ci-dessus peut être également mélangée à la quantité voulue de différents types de matières de remplissage, d'agents anti- vieillissement, d'agents de réticulation, d'huile, d'agents plastifiants, d'oligomères et d'élastomères afin d'améliorer la résistance aux intempéries, la résistance à la chaleur, la résistance à l'usure, la caractéristique d'écoulement, la caractéristique de dilatation thermique, la qualité ignifuge de la résistance chimique. Compte tenu de ce qui précède, il est préférable d'ajouter encore une structure de renforcement pour l'amélioration de la résistance mécanique ou de la structure réduisant le poids La structure mentionnée ci- dessus peut être introduite de manière appropriée dans il une roue complète, seulement dans la jante ou des parties de voile, ainsi que dans d'autres parties si nécessaire. Par exemple, comme cela est montré à la figure 5, un certain type de couche de renfort, plus particulièrement, une couche contenant une plus grande quantité de fibres de renfort, ou un élément de renfort, peut être disposé comme structure de renforcement sur la partie médiane 18 de toute la roue 17 La couche de renfort peut être déposée également sur la surface 19. Dans ce cas, une matière utilisée comme couche de renfort peut comprendre, par exemple, du verre, du carbone, du graphite, de l'aramide, de la céramique (Si C, A 1203 ou analogue) et du métal (bore ou acier inoxydable) Comme forme de renforcement une structure à fibre longue orientée convient, telle que les structures stratifiées, tissées, pressées, torsadées, à mailles, linéaires ou en forme de plaque préparées, en les disposant et en les rigidifiant avec une résine (FRP) ou bien encore des structures à trois dimensions. Pour introduire et déposer une couche de renfort dans la roue, il est avantageux d'adopter le procédé de moulage avec insert en moulant d'abord une matière de remplissage en une forme prédéterminée et en procédant ensuite au moulage par injection de la matière en la plaçant à un emplacement prédéterminé du moule. La roue en résine selon la présente invention a également l'avantage qu'un dispositif ayant une fonction différente peut être incorporé à la roue et moulé d'une seule pièce Par exemple, des éléments de sécurité de dessous d'automobile, constitués solidairement par une roue ou un pneu, peuvent être prévus par incorporation à la roue d'un avertisseur d'anomalie, tel qu'un avertisseur de crevaison, et par moulage d'une seule pièce Par ailleurs, un dispositif de sécurité active, comme l'érection d'un cordon de protection sur la partie jante de la roue, peut être facilement moulé d'une seule pièce avec la roue. Au cas o la roue selon la présente invention doit comporter des trous décoratifs, de tels trous décoratifs peuvent être prévus, par exemple, par une réalisation ultérieure, par exemple, par découpage après moulage. Cela permet d'éviter la diminution de la résistance mécanique résultant du moulage. Comme cela a été décrit ci-dessous, la roue en résine selon la présente invention comprend une structure qui est excellente du point de vue de la réduction du poids et une structure de renforcement ayant des effets avantageux, par exemple, ( 1) son poids est réduit et elle a d'excellentes qualités telles que la résistance aux efforts de flexion, la résistance aux chocs, la rigidité, la résistance à la chaleur, la résistance à l'usure, la résistance au glissement, etc, ( 2) elle a une uniformité excellente avec très peu de dispersion dans la qualité du produit, ( 3) son rendement en production en grande série est excellent, permettant de réduire le coût du produit. Selon la présente invention, une roue en résine d'une très grande utilité pratique peut ainsi être réalisée. La roue en résine selon la présente invention comme décrite ci-dessus, convient aussi bien à une roue pour les automobiles, au sens strict du terme, telles qu'une automobile particulière, un autobus ou un camion, qu'à une roue pour les véhicules, au sens large, tels qu'une voiture de chemin de fer, une voiture de chemin de fer métropolitain, un véhicule automobile à moteur linéaire, un aéronef, une motocyclette, un quadricycle à moteur utilisé, par exemple sur un terrain de golf ou dans un parc d'attraction. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans les détails peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit et du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1 Roue en résine du type d'une seule pièce comprenant une jante ( 1) et un voile ( 2) moulés d'une seule pièce, dans laquelle une partie située entre un trou axial ( 3) du voile ( 2) et la jante ( 1) est formée en une plaque pleine sans trous, ladite roue étant obtenue par moulage par injection ou moulage par injection et compression d'une résine thermoplastique renforcée par fibres. 2 Roue en résine du type d'une seule pièce comprenant une jante ( 1) et un voile ( 2) moulés d'une seule pièce, dans laquelle une partie entre un trou axial ( 3) de la partie voile ( 2) et la partie jante ( 1) est en forme de plaque pleine sans trous, à l'exception de trous de goujon ( 4), ladite roue étant obtenue par moulage par injection ou moulage par injection et compression d'une résine thermoplastique renforcée par fibres. 3 Roue selon la revendication 2, dans laquelle des douilles ( 20) ayant une très grande rigidité, une grande résistance mécanique et résistantes à la chaleur sont fixées dans les trous de goujon ( 4). 4 Roue selon la revendication 1, dans laquelle un matériau calorifuge est déposé sur au moins une partie de la surface du voile ( 2) et de la jante ( 1) du côté du tambour de frein. Roue selon la revendication 2, dans laquelle un matériau calorifuge ( 30) est déposé sur au moins une partie de la surface du voile ( 2) et de la jante ( 1) du côté du tambour de frein. 6 Roue selon la revendication 1, dans laquelle les fibres de renfort contiennent au moins l'une des matières de l'ensemble constitué par: le verre, le carbone, le graphite, l'aramide, le polyéthylène, la céramique et le métal. 7 Roue selon la revendication 2, dans laquelle les fibres de renfort contiennent au moins l'une des matières de l'ensemble constitué par: le verre, le carbone, le graphite, l'aramide, le polyéthylène, la céramique et le métal. 8 Roue selon la revendication 1, dans laquelle la résine est choisie parmi au moins l'une des matières suivantes: les polyamides aromatiques Nylon 6, 6-6, 4-6, 6-10, 10, 11, 12, le téréphtalate de polybutylène (PBT), la sulfure de polyphénylène (PPS), la résine acétal (POM), les polycarbonates (PC), le téréphtalate de polyethylene (PET), le polypropylene (PP), les sulfones de polyéther (PES), les polysulfones (PSF), les éthers cétones de polyéther (PEEK), l'oxyde de polyphénylène (PPO), la polyamide-imide (PAI), la polyimide (PI), le polyester, de même que toute une variété de polymères à cristaux liquides. 9 Roue selon la revendication 2, dans laquelle la résine est choisie parmi au moins l'une des matières suivantes: les polyamides aromatiques Nylon 6, 6-6, 4-6, 6-10, 10, 11, 12, le téréphtalate de polybutylène (PBT), la sulfure de polyphénylène (PPS), la résine acétal (POM), les polycarbonates (PC), le téréphtalate de polyéthylène (PET), le polypropylène (PP), les sulfones de polyéther (PES), les polysulfones (PSF), les éthers cétones de polyéther (PEEK), l'oxyde de polyphénylène (PPO), la polyamide-imide (PAI), la polyimide (PI), le polyester, de même que toute une variété de polymères à cristaux liquides.