Brevet FR2718802A1 — publié le 19951020

-1 La présente invention concerne une bielle en matière compo- site, notamment pour des moteurs à combustion interne, ainsi qu'un procédé pour fabriquer une telle bielle. Une telle bielle est une pièce allongée comportant, outre un corps central, une tête, plus large, qui est la partie de la bielle se trouvant du côté du vilebrequin, et un pied, plus étroit, qui est la partie de la bielle se trouvant du côté du piston. Pour le montage, la tête doit pouvoir s'ouvrir et comporte donc deux éléments solidarisés par deux vis,10 lesquelles exercent une contrainte importante sur la surface de l'élément sur laquelle elles sont serrées. La bielle est une pièce ayant une direction privilégiée d'effort, et devant présenter une bonne raideur empêchant les déforma- tions autour des alésages du pied et de la tête. On connaît déjà, par exemple par le brevet FR-A-2 654 483, une bielle réalisée en matière composite. Par matière composite, on comprend une matière comportant une armature de fils ou de fibres, noyée dans une matrice de matière synthétique durcie. Une telle matière composite, outre le20 gain de poids qu'elle procure, présente une excellente tenue aux efforts mécaniques, une résistance élevée à la corro- sion, et un excellent comportement aux températures élevées. Dans le brevet FR-A-2 654 483, cependant, ces propriétés des matières composites ne sont pas entièrement exploitées du25 fait que, dans ce cas, le corps, le pied et la tête de la bielle sont réalisés sous forme de pièces séparées, reliées par collage et bobinage d'un fil, formant une sangle. En outre, une telle réalisation est complexe et doit être mise en oeuvre en plusieurs étapes, ce qui empêche une production30 efficace en série de telles bielles. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients et concerne une bielle en matière composite, dont la struc- ture permet, d'une part, d'exploiter à plein les propriétés des matières composites et, d'autre part, de fabriquer facilement et rapidement un grand nombre de telles pièces. A cet effet, la bielle en matière composite, notamment pour des moteurs à combustion interne, ladite matière composite étant formée d'une armature noyée dans une matière durcie, et ladite bielle comprenant, suivant l'extension longitudi- nale de la bielle, un corps central prolongé, à ses deux extrémités, par une tête de bielle et un pied de bielle, respectivement, est remarquable, selon l'invention, en ce que ladite bielle est réalisée entièrement et en une seule pièce en matière composite, et en ce que l'armature de ladite matière composite comprend des nappes superposées de fils de tramage rectilignes croisés, les fils de tramage, qui s'étendent parallèlement à l'extension longitudinale de la bielle, constituant au moins deux fois le pourcentage volumique des fils de tramage qui s'étendent dans chacune des directions différentes de l'extension longitudinale de la bielle, et en ce que des fils de solidarisation traver- sent lesdites nappes superposées. Aussi, l'armature de la bielle en matière composite selon l'invention présente un renforcement dans la direction25 d'effort maximal, c'est-àdire l'extension longitudinale de la bielle, et, de plus, comme la bielle est réalisée en une seule pièce de matière composite, elle est simple à fabri- quer et les propriétés de la matière composite peuvent être exploitées au maximum. Avantageusement, considérant que les fils de tramage de l'armature s'étendant parallèlement à l'extension longitudi- nale de la bielle sont les fils de direction 00, les autres fils de tramage de l'armature s'étendent suivant les direc- tions 456, 90 et 1350 . En particulier, l'armature peut comprendre autant de fils de tramage de direction 0 que de fils de tramage s'étendant suivant les trois autres directions 45 , 90 et 135 . De préférence, par rapport au volume total de la matière composite incluant l'armature et la matrice durcie, le pourcentage volumique des fils de tramage est compris entre % et 60%, et le pourcentage volumique des fils de solida- risation est compris entre 1% et 10%. En particulier, le pourcentage volumique des fils de tramage de direction 0 est au moins sensiblement égal à 27%, tandis que le pourcentage volumique des fils de tramage de direc- tions 45 , 90 et 135 est au moins sensiblement égal, à chaque fois, à 9%. Par ailleurs, le pourcentage volumique des fils de solidari- sation peut être au moins sensiblement égal à 3%. Avantageusement, pour chaque série de nappes, les fils de tramage sont disposés selon la succession suivante: fils de direction 0 , fils de direction 45 , fils de direction 0 , fils de direction 90 , fils de direction 0 et fils de direction 135 . Selon une autre caractéristique de l'invention, des fils de tramage supplémentaires de direction 90 sont prévus dans la zone de la tête de bielle, augmentant son épaisseur. De préférence, lesdits fils de tramage supplémentaires de direction 90 sont intégrés dans chacune desdites séries de nappes. Selon encore d'autres caractéristiques de l'invention, des fils de tramage de direction 0- , contournant le pied de bielle, peuvent être incorporés entre lesdites séries de nappes, et/ou des fils, contournant le pied de bielle, peuvent être disposés par piquage sur les chants dudit pied de bielle. La présente invention concerne également un procédé pour fabriquer une bielle en matière composite, qui vient d'être décrite, remarquable, selon l'invention, en ce que: a) on réalise une armature pour une plaque de matière composite, ladite armature comprenant des nappes superpo- sées de fils de tramage rectilignes croisés, les fils de tramage, qui s'étendent parallèlement à une première direction, constituant au moins deux fois le pourcentage volumique des fils de tramage qui s'étendent dans chacune des autres directions, et des fils de solidarisation traversant lesdites nappes superposées; b) on imprègne ladite armature d'une matière synthétique destinée à former la matrice de ladite plaque de matière composite; c) on fait durcir ladite résine synthétique de façon à former ladite plaque de matière composite; d) on découpe ladite plaque de matière composite de façon à obtenir des ébauches de bielle, ladite première direction correspondant à l'extension longitudinale desdites ébauches; et e) on usine chaque ébauche de bielle ainsi obtenue à son état final. En particulier, considérant que les fils de tramage de l'armature s'étendant suivant ladite première direction sont les fils de direction 0 , les autres fils de tramage de l'armature s'étendent suivant les directions 45 , 90 et . De préférence, dans l'étape a), on dépose autant de fils de tramage de direction 0 que de- fils de tramage s'étendant suivant les trois autres directions 450, 90 et 135 . Avantageusement, pour chaque série de nappes, on dépose les fils de tramage selon la séquence suivante: fils de direc- tion 0 , fils de direction 45 , fils de direction 0 , fils de direction 900, fils de direction 0 et fils de direction . Selon une autre caractéristique de l'invention, dans l'étape a), on dépose des fils de tramage supplémentaires de direc- tion 90 dans la zone correspondant aux têtes de bielles. De préférence, dans ce cas, la dépose desdits fils de tramage supplémentaires de direction 90 est effectuée au moment de la réalisation de chacune desdites séries de15 nappes. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, entre lesdites séries de nappes, on dépose des fils de tramage de direction 0 , contournant les emplacements prévus pour les pieds de bielle. En particulier, l'étape d) peut être effectuée avant les étapes b) et c), pour permettre ainsi, après l'étape d), de piquer des fils dans l'armature, contournant le pied de bielle, sur les chants de ce dernier. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des réfé- rences identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est une vue de face d'une bielle réalisée conformément à l'invention. La figure 2 est une vue de côté de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessus d'une plaque & partir de laquelle sont découpées les bielles de l'invention. La figure 4 est la coupe transversale IV-IV de la figure 3. Les figures 5A-5F illustrent les différentes phases de la formation d'une série de nappes de fils selon l'invention. La figure 6 montre le piquage des nappes superposées. Les figures 1 et 2 montrent une bielle en matière composite A selon l'invention, notamment pour des moteurs à combustion10 interne. Comme déjà indiqué, la matière composite en ques- tion est formée d'une armature de fils (en carbone, verre, bore, notamment) noyée dans une matrice de matière synthéti- que durcie. On notera que, pour des raisons d'illustration, il est montré de façon schématique, sur les figures 1 et 2,15 le réseau des fils de l'armature qui n'apparaît bien évidem- ment pas, aussi clairement, lorsque l'armature est noyée dans la matrice. De façon classique, la bielle A comprend, suivant l'exten- sion longitudinale X-X de celle-ci, un corps central B20 prolongé, à ses deux extrémités, par une tête de bielle C et un pied de bielle D, respectivement, comportant chacun un alésage El,E2 pour relier la bielle, d'une part, au vilebre- quin et, d'autre part, au piston. La tête de bielle C, pour le montage, doit pouvoir s'ouvrir et comporte donc deux25 éléments C1,C2 solidarisés par des vis (non représentées) et présentant, pour cela, des taraudages G,H. Comme déjà indiqué, une telle bielle est une pièce ayant une direction privilégiée d'effort (son extension longitudinale X-X), et doit présenter une bonne raideur empêchant les déformations30 autour des alésages du pied et de la tête. Selon l'invention, la bielle A est réalisée entièrement et en une seule pièce en matière composite, et l'armature 1 de la matière composite comprend des nappes superposées de fils de tramage rectilignes croisés, les fils de tramage, qui5 s'étendent parallèlement à l'extension longitudinale X-X de la bielle A, constituant au moins deux fois le pourcentage volumique des fils de tramage qui s'étendent dans chacune des directions différentes de l'extension longitudinale X-X de la bielle, et, par ailleurs, des fils de solidarisation F10 traversent lesdites nappes superposées, en formant des points de piqûre 7 à boucles ouvertes 8 (figure 6) à l'aide d'une aiguille, non représentée sur la figure 6. La réalisa- tion d'une série de nappes N sera décrite en détail ci-après en regard des figures 5A-5F. Par série de nappes, on15 comprend une succession répétitive de nappes comme expliqué ci-après. Par rapport au volume total de la matière composite incluant l'armature et la matrice durcie, le pourcentage volumique des fils de tramage est compris entre 40% et 60%, et le20 pourcentage volumique des fils de solidarisation est compris entre 1% et 10%. Par exemple, considérant que les fils de tramage de l'armature s'étendant parallèlement à l'extension longitudinale de la bielle sont les fils de direction 0 et que les autres fils de tramage de l'armature s'étendent25 suivant les directions 45 , 90 et 135 , l'armature comprend autant de fils de tramage de direction 0 que de fils de tramage s'étendant suivant les trois autres directions 45 , 90 et 1350. A titre d'exemple, le pourcentage volumique des fils de tramage de direction 0 est au moins sensiblement égal à 27%, tandis que le pourcentage volumique des fils de tramage de directions 45 , 90 et 135 est au moins sensiblement égal, à chaque fois, à 9%. Le pourcentage volumique des fils de solidarisation, quant à lui, peut être au moins sensible- ment égal à 3%. Pour fabriquer la bielle A en matière composite de l'inven- tion, on procède généralement de la façon suivante: a) on réalise une armature pour une plaque de matière composite, ladite armature comprenant des nappes superpo- sées de fils de tramage rectilignes croisés, les fils de tramage, qui s'étendent parallèlement à une première direction, constituant au moins deux fois le pourcentage volumique des fils de tramage qui s'étendent dans chacune des autres directions, et des fils de solidarisation traversant lesdites nappes superposées; b) on imprègne ladite armature d'une matière synthétique destinée à former la matrice de ladite plaque de matière composite; c) on fait durcir ladite résine synthétique de façon à former ladite plaque de matière composite; d) on découpe ladite plaque de matière composite de façon à obtenir des ébauches de bielle, ladite première direction correspondant à l'extension longitudinale desdites ébauches; et e) on usine chaque ébauche de bielle ainsi obtenue à son état final. Les figures 3 et 4 montrent une telle plaque P dans laquelle des bielles A selon l'invention seront découpées. On voit, notamment sur la figure 3, que la conformation des bielles et la formation d'une plaque de forme géométrique simple permettent de fabriquer, de façon simple, un grand nombre de bielles, avec un minimum de déchets. Les figures 5A-5F illustrent les différentes phases de la formation d'une série de nappes N de fils selon l'invention. Dans cet exemple, pour chaque série de nappes, on dépose les fils de tramage selon la séquence suivante: fils 4 de direction 0 (figure 5A), fils 4(45) de direction 45 (figure 5B), fils 4 de direction 0 (figure 5C), fils 5 de direction 900 (figure 5D), fils 4 de direction 0 (figure E), et fils 5(135) de direction 135 (figure 5F). La dépose des fils de tramage est effectuée sur un support 6, en supposant que la série de nappes en question, pour des raisons de clarté du dessin, est la première série de nappes déposée. La dépose des fils ci-dessus peut être effectuée d'une façon quelconque connue, mais avantageusement comme10 décrit dans les demandes de brevet français, déposées le 18 avril 1994, au nom de la demanderesse pour "Procédé et machine pour la réalisation d'une armature pour une pièce de matière composite" et "Procédé et machine pour la réali- sation d'une armature en forme de plaque pour une pièce de15 matière composite". On notera que l'épaisseur d'une série de nappes, c'est-à- dire de la couche constituée par les fils tramés dans les différentes directions définies ci-dessus, dépend du pas de dépose des fils et de la section des fils. A titre d'exemple20 pratique, cette épaisseur est d'environ 1 mm, et de telles séries de nappes seront superposées autant de fois que nécessaire suivant l'épaisseur de la pièce à obtenir. Par ailleurs, pour augmenter l'épaisseur de la bielle dans les zones Ll (figure 3) correspondant aux têtes des bielles,25 des fils de tramage supplémentaires 5A de direction 90 sont déposés, pendant l'élaboration de chaque série de nappes, dans lesdites zones ainsi que dans les zones de transition L2. Cela permet d'obtenir directement, à la découpe, une pièce d'épaisseur variable, en évitant d'avoir à usiner les30 faces de celle-ci, pour cela. De plus, entre deux séries de nappes successives, on peut déposer des fils de tramage 4A de direction- 0 , contournant les emplacements prévus pour les pieds de bielle (figure 3). Cela peut être effectué en plantant des picots de guidage des fils dans le support, lesquels sont enlevés au cours de l'opération de piquage (dépose des fils de solidarisation). On peut également, après la découpe de la plaque en pièces élémentaires et avant imprégnation par la matrice, renforcer le pied de bielle par des fils I piqués dans l'armature, contournant le pied de bielle D, sur les chants de ce dernier (figures 1 et 2). Pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être décrit, on peut utiliser une machine programmable, dont des exemples de réalisation particuliers sont décrits dans les demandes de brevet français citées ci-dessus. Pour les nappes dont les fils ont des trajectoires droites et simples, l'opérateur de la machine utilise l'appel par un programme principal de ces directions. Un premier programme crée les données nécessaires au tramage de nappes simples en accord avec un outillage. L'opérateur introduit dans ce programme les données de l'outillage: longueur, largeur, pas des picots périphériques. Ce programme crée sur une disquette: - quatre fichiers pour la direction 0 , - quatre fichiers pour la direction 90 , - deux fichiers pour la direction 450, - deux fichiers pour la direction 135e. En effet, les nappes de directions 0 et 90 peuvent être réalisées en partant de l'un des quatre angles de l'outil- lage, alors que les nappes de directions 45 et 135 ne peuvent partir que de deux angles opposés. Pour une pièce particulière, l'opérateur crée un programme qui appelle successivement les diverses nappes à tramer, en respectant l'enchaînement des points d'arrivée et de départ. Par ailleurs, un programme particulier créera les fichiers correspondant à la dépose de nappes de fils dans des directions autres que celles énoncées ci-dessus. Les trajectoires de fils particulières sont en général suffisamment simples pour être programmées par apprentissage par l'opérateur, puis appelées par le programme principal. La fonction du piquage est appelée par le programme de piquage. Au cours de l'exécution de chaque point, la lon- gueur de fil utilisée est mesurée et comparée à la valeur demandée écrite dans le programme de piquage. Pour réaliser la plaque, après avoir placé sur la machine le S15 cadre de tramage voulu, l'opérateur introduit, dans le lecteur de disquette de la machine, la disquette correspon- dant au cadre utilisé et appelle le programme principal définissant cette plaque. Il introduit les fils dans l'outil de dépose et colle avec un ruban adhésif leur extrémité sur le cadre. Le tramage est réalisé automatiquement et ne nécessite l'intervention de l'opérateur: - qu'après exécution d'un motif de six nappes (une série de nappes) en cas d'utilisation d'un cadre à picots périphé- riques droits, ce qui exige de tasser les fils sur ces picots, - ou en cas de détection par la machine de l'absence de fil (bobine vide). En fin de tramage, l'opérateur colle également l'extrémité des fils sur le cadre. Le piquage est réalisé après avoir placé sur la face opposée à l'outil de piquage un matériau tendre apte à laisser passer l'extrémité de l'aiguille. Ce piquage peut être réalisé sur une face, puis la plaque peut être retournée pour être piquée sur la seconde face. Les points de piquage peuvent être réalisés de manière à être situés aux endroits les plus judicieux pour la tenue de la pièce, en particulier des deux côtés des trous des vis reliant la tête de bielle au corps. La découpe de chaque pièce dans la plaque peut être faite avant imprégnation. C'est indispensable pour pouvoir dispo- ser des fils I tournant autour du pied, par piquage sur les faces latérales (chants). Cette découpe est réalisée par sciage ou par une machine à jet d'eau. L'imprégnation de ces pièces est réalisée suivant le cycle: - mise de la pièce dans un moule, - mise sous vide du moule, - injection de la résine, - montée en température avec maintien d'une pression jusqu'à la prise de la résine, - démoulage de l'ébauche, et - post-cuisson en étuve hors du moule. L'usinage est identique à celui de toute pièce mécanique. En général, il est réalisé avec des meules au diamant. Dans le cas o la pièce est réalisée dans une plaque avec les variations d'épaisseur prévus dès le tramage et que l'impré- gnation est réalisée dans un moule aux cotes voulues,30 l'usinage peut être réduit à la séparation de la tête en deux éléments, et au perçage des trous et des taraudages des vis de fixation. REVENDICATIONS 1. Bielle en matière composite, notamment pour des moteurs à combustion interne, ladite matière composite étant formée d'une armature noyée dans une matière durcie, et ladite bielle (A) comprenant, suivant l'extension longitudinale (X-X) de la bielle, un corps central (B) prolongé, à ses deux extrémités, par une tête de bielle (C) et un pied de bielle (D), respectivement, caractérisée en ce que ladite bielle (A) est réalisée entièrement et en une seule pièce en matière composite, et en ce que l'armature de ladite matière composite comprend des nappes superposées de fils de tramage rectilignes croisés, les fils de tramage, qui s'étendent parallèlement à l'extension longitudinale (X-X) de la bielle (A), consti- tuant au moins deux fois le pourcentage volumique des fils de tramage qui s'étendent dans chacune des directions différentes de l'extension longitudinale (X-X) de la bielle (A), et en ce que des fils de solidarisation traversent lesdites nappes superposées. 2. Bielle en matière composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que, considérant que les fils de tramage de l'armature s'étendant parallèlement à l'extension longi- tudinale (X-X) de la bielle (A) sont les fils de direction 0 , les autres fils de tramage de l'armature s'étendent suivant les directions 45 , 90 et 135 . 3. Bielle en matière composite selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'armature comprend autant de fils de tramage (4) de direction 0 que de fils de tramage (4(45), , 5(135)) s'étendant suivant les trois autres directions , 90 et 135 . 4. Bielle en matière composite selon la revendication 3, caractérisée en ce que, par rapport au volume total de la matière composite incluant l'armature et la matrice durcie, le pourcentage volumique des fils de tramage est compris entre 40% et 60%, et le pourcentage volumique des fils de solidarisation est compris entre 1% et 10%. 5. Bielle en matière composite selon la revendication 4, caractérisée en ce que le pourcentage volumique des fils de tramage de direction 0 est au moins sensiblement égal à 27%, tandis que le pourcentage volumique des fils de tramage de directions 45 , 90 et 135 est au moins sensiblement égal, à chaque fois, à 9%. 6. Bielle en matière composite selon la revendication 5, caractérisée en ce que le pourcentage volumique des fils de solidarisation est au moins sensiblement égal à 3%. 7. Bielle en matière composite selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que, pour chaque série de nappes (N), les fils de tramage sont disposés selon la succession suivante: fils (4) de direction 0 , fils (4(45)) de direction 45 , fils (4) de direction 0 , fils (5) de direction 90 , fils (4) de direction 0 et fils (5(135)) de direction 135 . 8. Bielle en matière composite selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisée en ce que des fils de tramage supplémentaires (5A) de direction 90 sont prévus dans la zone de la tête de bielle (C), augmentant son épaisseur. 9. Bielle en matière composite selon la revendication 8, caractérisée en ce que lesdits fils de tramage supplémentai- res (5A) de direction 900 sont intégrés dans chacune des- dites séries de nappes (N). 10. Bielle en matière composite selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisée en ce que des fils de tramage (4A) de direction 0 , contournant le pied de bielle (D), sont incorporés entre lesdites séries de nappes (N). 11. Bielle en matière composite selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisée en ce que des fils (I), contournant le pied de bielle, sont disposés par piquage sur les chants dudit pied o10 de bielle (D). 12. Procédé pour fabriquer une bielle en matière composite selon l'une quelconque des revendications i à 11, caractérisé en ce que: a) on réalise une armature pour une plaque (P) de matière composite, ladite armature comprenant des nappes superpo- sées de fils de tramage rectilignes croisés, les fils de tramage, qui s'étendent parallèlement à une première direction, constituant au moins deux fois le pourcentage volumique des fils de tramage qui s'étendent dans chacune des autres directions, et des fils de solidarisation traversant lesdites nappes superposées; b) on imprègne ladite armature d'une matière synthétique destinée à former la matrice de ladite plaque (P) de matière composite; c) on fait durcir ladite résine synthétique de façon à former ladite plaque (P) de matière composite; d) on découpe ladite plaque (P) de matière composite de façon à obtenir des ébauches de bielle (A), ladite première direction correspondant à l'extension longitudi- nale (X-X) desdites ébauches; et e) on usine chaque ébauche de bielle (A) ainsi obtenue à son état final. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, considérant que les fils de tramage de l'armature s'étendant suivant ladite première direction sont les fils de direction 0 , les autres fils de tramage de l'armature s'étendent suivant les directions 45 , 90 et . 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que, dans l'étape a), on dépose autant de fils de tramage (4) de direction 0 que de fils de tramage (4(45), 5, 5(135)) s'étendant suivant les trois autres directions 45 , 90 et 135 . 15. Procédé selon la revendication 13 ou la revendication 14, caractérisé en ce que, pour chaque série de nappes (N), on dépose les fils de tramage selon la séquence suivante: fils (4) de direction 0 , fils (4(45)) de direction 45 , fils (4) de direction 00, fils (5) de direction 90 , fils (4) de direction 0 et fils (5(135)) de direction 135 . 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que, dans l'étape a), on dépose des fils de tramage supplémentaires (5A) de direction 90 dans la zone correspondant aux têtes des bielles (C). 17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la dépose desdits fils de tramage supplémentaires (5A) de direction 90 est effectuée au moment de la réalisation de chacune desdites séries de nappes (N). 18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que, entre lesdites séries de nappes (N), on dépose des fils de tramage (4A) de direction 0 , contour- nant les emplacements prévus pour les pieds de bielle (D). 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 18, caractérisé en ce que l'étape d) est effectuée avant les étapes b) et c). 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que, après l'étape d), on pique des fils (I) dans l'armature, contournant le pied de bielle (D), sur les chants de ce dernier.