Brevet FR2727482A1 — publié le 19960531

i "Arbre en résine synthétique renforcée par des fibres" La présente invention concerne un arbre en résine synthétique renforcée par des fibres comprenant au moins une bride agissant comme élément compensateur angulaire. EP O 443 470 décrit un arbre comprenant au moins une bride, ainsi qu'un dispositif et un procédé destiné à la mise en oeuvre dudit arbre. L'arbre susmentionné comprend une bride radiale dont le contour extérieur est muni d'alésages de raccordement. Etant donné que la section de chaque tronçon de tube et de chaque bride est identique à la section globale de l'ensemble des fibres, cela coïncide avec un amincissement de la partie fibres en direction de la périphérie extérieure de la bride, laquelle est liée à un amincissement de la partie fibres en direction de la périphérie extérieure de la bride. Cet amincissement permet d'obtenir l'influence souhaitée, du fait que I'épaisseur de la bride est diminuée de façon continue en fonction du rayon, sans qu'il en résulte une diminution des contraintes de cisaillement pouvant être transmises. Cela entraîne un plus faible travail de déformation dans la zone extérieure de la bride, qui est essentielle pour l'effet de compensation angulaire de l'arbre et, de ce fait, un plus faible développement de chaleur. En outre, I'allure du couple diminue en allant vers l'extérieur, ce qui engendre une sollicitation uniforme sur la surface de la bride. De plus, le diamètre extérieur de la bride dépend des sollicitations de flexion tolérées. De ce fait, dans les cas o un arbre de transmission métallique doit se substituer à des joints de cardan, les diamètres des brides peuvent atteindre des dimensions trop importantes pour les halles de construction existantes. US-PS 4 173 128 décrit un arbre en forme de tube comprenant des éléments de compensation intégrés; ledit arbre est en résine synthétique renforcée par des fibres, ses extrémités sont munies de brides métalliques de raccordement, qui pénètrent dans les extrémités de l'arbre par l'intermédiaire d'un appendice tubulaire. Les extrémités de l'arbre sont munies sur l'extérieur d'une bague métallique, les brides sont assemblées à l'arbre par des rivets radiaux, qui s'engagent à travers la bague extérieure, I'arbre et l'appendice tubulaire de la bride. Les éléments compensateurs se présentent par paires en forme de soufflets annulaires, bombés vers l'extérieur dont la section est partiellement circulaire. Le renforcement par les fibres est constitué par des fibres disposées selon un angle de + 45 et des fibres unidirectionnelles qui s'étendent dans le sens longitudinal de l'arbre. Les éléments compensateurs en forme de soufflets permettent certes d'obtenir une diminution locale de la résistance à la flexion souhaitée pour la compensation angulaire. Cependant, cette diminution de la résistance à la flexion est perceptible sur l'ensemble de l'arbre, ce qui le rend sensible aux efforts alternés. JP-3 223 516 A - abrégés de brevet japonais - section M, vol. 15 (1991), n 509 (M-1195) - décrit un arbre cylindrique en résine synthétique renforcée par des fibres, dont les extrémités sont reliées, par l'intermédiaire de traverses annulaires élastiques, à une bride de raccordement métallique aux parois cylindriques, dont les extrémités recouvrent l'arbre à une distance radiale. L'objet de la présente invention est de concevoir un arbre de ce type, de telle sorte qu'il puisse être exécuté avec un plus petit diamètre pour un décalage angulaire prédéfini avec une transmission de puissance prédéfinie. Cet objet est résolu conformément à la présente invention par les caractéristiques présentées dans la partie caractérisante de la revendication 1. Des modes de réalisation rationnels de l'arbre et un dispositif pour la fabrication dudit arbre font l'objet des sous-revendications. La présente invention est expliquée en détail ci-après à l'appui des dessins. Ce sont: Figure 1: la section de l'extrémité d'un arbre avec une bride qui joue le rôle d'un élément compensateur angulaire. Figure 2: le schéma de la fabrication d'un arbre avec deux brides à former sur cet arbre. Figure 3: le schéma, à plus grande échelle, d'un organe d'écartement qui joue le rôle d'élément de formage dans un dispositif destiné à la fabrication d'arbres munis de brides agissant comme des éléments de compensation angulaire. Figure 4: la section d'un organe d'écartement conforme à la figure 3 et d'un outil de formage monté sur la partie tubulaire de I'arbre. Figure 5 la fabrication d'une collerette. Figure 6 une autre étape du processus visant à l'étirage des fibres. Figure 7 une demi-coupe d'un mode de réalisation modifié d'un organe d'écartement dans une position correspondant à la figure 5. Figure 8: une ébauche d'une bride fabriquée avec un organe d'écartement conforme à la figure 7. Figure 9: la bride précédente finie. Figure 10: une vue de devant d'un arbre muni d'éléments de raccordement, vue du côté de l'arbre. L'extrémité de l'arbre 2, représenté sur la figure 1, forme un tronçon 4, de préférence annulaire, cylindrique, qui s'étend jusqu'à la ligne 6, formé de tirets et points, avec une longueur L1, un diamètre intérieur D3, un diamètre extérieur D4 et une épaisseur de paroi d. Le tronçon 4 tubulaire se termine par la bride 8 qui forme une collerette avec un changement de direction des fibres de 180 et avec un diamètre intérieur R1. L'extrémité libre de la collerette forme un tronçon 10 annulaire cylindrique ou tubulaire, qui s'étend sur l'extrémité du tronçon tubulaire 4 de l'arbre 2. La bride ainsi réalisée est reliée à un élément de raccordement 12 en forme de cuvette ou de cloche, dont la paroi 14 cylindrique, de préférence tubulaire, recouvre par l'extérieur le tronçon 10 tubulaire de la bride et qui, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, est relié au tronçon 10 de la bride par l'intermédiaire d'éléments de fixation 16 à engagement positif - des rivets dans le cas présent - disposés radialement. Dans un mode de réalisation préférentiel, un organe de support 18 annulaire est monté sur la face intérieure et s'appuie de l'intérieur contre le tronçon cylindrique 10 de la bride d'accouplement et dans lequel s'engagent les éléments de fixation 16 disposés radialement. Il est possible de monter une bride sur une ou les deux extrémités de l'arbre fini, en fonction des exigences auxquelles il doit répondre. Le fond 21, transversal à l'axe 20, de l'élément de raccordement 12 est muni d'alésages 24 destinés à recevoir les éléments de fixation. Il est possible de fixer éventuellement des écrous 25 sur la paroi intérieure destinés à recevoir des vis de fixation, comme le montre la figure 1. L'élément de raccordement 12 permet de relier l'arbre à une bride de l'arbre moteur et/ou de l'arbre de sortie. Une ouverture de passage 26, réalisée au milieu de l'élément de raccordement, est destinée à recevoir une broche de centrage formée sur la bride de raccordement. Au lieu de réaliser un assemblage à engagement positif rigide entre le tronçon 10 de la bride et la paroi de l'élément de raccordement, il est également possible de prévoir dans le sens de la périphérie un assemblage souple par l'intermédiaire d'une bague élastique fixée par vulcanisation. Il est possible de fixer l'élément de raccordement sur le tronçon 10 de la bride dans la zone de recouvrement par collage ou vulcanisation. Un autre mode de réalisation d'un assemblage à engagement positif sera décrit ci- dessous en se référant aux figures 7 à 10. L'arbre est formé d'un matériau composite à base de fibres. Les fibres, destinées à transmettre les forces de torsion, sont enroulées en se croisant selon un angle déterminé par rapport à l'axe 20, de préférence avec un angle de + 45 . Pour augmenter la résistance à la flexion, il est également possible de prévoir dans la zone du tronçon cylindrique des fibres unidirectionnelles (parallèles à l'axe). La section globale de l'ensemble des fibres du bobinage croisé est identique dans la zone du tronçon 4 tubulaire, dans la zone de la collerette 8 et dans la zone du tronçon 10 de l'extrémité cylindrique. Dans la zone de la collerette, un agrandissement du diamètre du bord entraîne un amincissement des couches de fibres. Cet amincissement est lié à une diminution correspondante de l'épaisseur de la paroi, comme il a été décrit en détail dans le brevet EP 0 443 470 à l'appui des figures 18 et 19. De ce fait, le rayon intérieur R1 de la collerette est basé sur le diamètre D1 qui, d'une valeur égale à la différence de l'épaisseur de la paroi de la collerette sur le diamètre intérieur ou extérieur, est supérieur au diamètre D2, sur lequel se base le rayon extérieur R2 de la collerette. La figure 2 montre un schéma représentant une première étape de la fabrication d'un arbre 2, dont les deux extrémités sont munies d'une collerette. Le dispositif destiné à la fabrication de l'arbre comprend un noyau d'enroulement 30 cylindrique avec un axe 31, dont le diamètre extérieur est égal au diamètre intérieur D3 du tronçon tubulaire en U de l'arbre. Les deux extrémités du noyau d'enroulement sont bloqués dans des mandrins de serrage mobiles 32 d'une machine de bobinage non représentée, pouvant être commandée à partir d'un programme définissant le motif d'enroulement souhaité. Les fibres 34 sont posées au-dessus du système de guidage des fils, déplaçable dans le sens de l'axe. Un noyau d'enroulement, muni d'un organe d'écartement 38, est monté sur chaque zone formant l'extrémité de l'arbre à enrouler. Les organes d'écartement sont guidés sur le noyau d'enroulement dans le sens de l'axe du noyau d'enroulement 30. Comme le montre la figure 3, un évidement profilé annulaire est réalisé dans les parois frontales opposées des organes d'écartement 38. Le fond de l'évidement profilé présente une section courbe concave semi- cylindrique avec un rayon R2 et se prolonge vers la surface frontale 44 de l'organe d'écartement par un tronçon 42 cylindrique creux. Le profil, constitué par le contour extérieur du noyau d'enroulement, I'évidement profilé 40 et le tronçon 42 cylindrique consécutif, correspond à la forme de la paroi extérieure de la collerette. Des goujons d'enroulement 46, qui impliquent aux fibres un changement de direction pendant l'enroulement, sont montés radialement en saillie vers l'extérieur sur la paroi extérieure de l'organe d'écartement, à une distance déterminée de la surface frontale courbe 44. La zone de transition de l'enroulement entre le tronçon cylindrique 48 et le tronçon conique 50 est réalisée de préférence selon la manière décrite dans le brevet EP 0 443 470 - Pabsch et coll. - en se référant aux figures 18 et 19. Les fibres utilisées sont de préférence des fibres très résistantes, telles que les fibres de carbone, qui sont enroulées de préférence avec la résine synthétique dans laquelle elles sont imprégnées. D'autres éléments qui composent le dispositif sont les outils de formage 52 qui, après achèvement de l'enroulement, sont montés sur les extrémités du tronçon tubulaire 48 de l'enroulement. Les outils de formage 52 sont séparés dans un plan 53 traversé par l'axe 31 du noyau d'enroulement 30. Il est possible de les monter radialement sur l'enroulement fini, comme le montre la flèche C sur la figure 3, et, dans leur position finale, la paroi intérieure 55 cylindrique de leurs deux moitiés 54, 56 enveloppent complètement l'enroulement fini jusqu'à la ligne 6 de la figure 1. La paroi frontale des outils de formage 52, orientée vers l'organe d'écartement 38, est munie d'un épaulement 58 annulaire. La section de l'épaulement 58 est une section arrondie convexe semi-cylindrique de rayon intérieur R1 et se prolonge sur la paroi extérieure de l'outil de formage 52 par un tronçon cylindrique 60. La forme de l'épaulement 58 coïncide avec le contour intérieur concave de la collerette 8. L'outil de formage couvre avec l'épaulement 58 I'extrémité du tronçon 48 cylindrique de lI'enroulement sur une longueur égale au rayon Rj. Le dispositif est décrit ci-après en se référant à l'un des deux couplages constitués par l'organe d'écartement 38 et l'outil de formage 52. Pour réaliser l'enroulement, les organes d'écartement 38 sont montés sur le noyau d'enroulement à une distance correspondant à la longueur de l'arbre et bloqué sur chaque noyau d'enroulement dans le sens de l'axe. Après l'achèvement de l'enroulement, les outils de formage 52 séparés en deux dans le plan de l'axe 53 sont montés sur le noyau d'enroulement de telle sorte qu'ils enveloppent les extrémités du tronçon 4 tubulaire de l'enroulement et que leur épaulement arrondi soit placé au-dessus du tronçon contigu conique de l'enroulement. Dans cette position, représentée sur la figure 4, les outils de formage sont bloqués l'un contre l'autre et dans le sens relativement axial par rapport au noyau d'enroulement. Ensuite, les organes d'écartement 38 sont desserrés de telle sorte qu'il soit possible de les déplacer axialement sur le noyau d'enroulement 18. Les organes d'écartement 38 sont déplacés à l'aide de systèmes d'entraînement - représentés schématiquement dans le cas présent par des boulons d'assemblage 62 et des rondelles de serrage ou brides de serrage 64, 66 -, qui permettent de déplacer les organes d'écartement 38 axialement sur les outils de formage 50, dans le sens de la flèche B figure 5. Au cours du déplacement, le tronçon conique de l'enroulement est enveloppé autour de l'épaulement 58 de l'outil de formage, sur lequel il est mis sous précontrainte et amené jusqu'à l'installation. En outre, le schéma d'enroulement des fibres reste sensiblement reproductible. Dans la position finale, représentée sur la figure 5, le tronçon de I'extrémité de l'arbre 2 est formé entre les zones de formage du noyau d'enroulement 30, de l'organe d'écartement 38 et de l'outil de formage 52. La précontrainte appliquée permet de compacter la structure de bobinage dans la zone de la collerette et de réguler la quantité de résine synthétique nécessaire. Pour exercer une contrainte axiale sur toute la longueur de l'enroulement, qui est liée à un allongement des fibres même dans le tronçon 4 tubulaire de l'arbre, il est prévu de monter d'autres systèmes d'entraînement, qui permettent de séparer l'une de l'autre les deux unités solidement reliées et formées par le disque d'écartement 38 et l'outil de formage 52. Les systèmes d'entraînement représentés sur la figure 6 sont des boulons d'assemblage 70 qui prolongent les boulons d'assemblage 62 et qui, dans le cas présent, agissent en même temps qu'une bride de serrage 68 bloquée sur le noyau d'enroulement. Le déplacement axial dans le sens de la flèche A, représenté sur la figure 6, exerce une force de traction sur les fibres, ce qui permet d'étirer les fibres. En même temps, la force de réaction exercée sur les outils de formage 52, rendus mobiles dans le sens de l'axe pour l'étirage, permet d'augmenter la force d'étirage exercée sur la zone de la collerette de l'enroulement. Il suffit d'appliquer la force de traction sur une seule extrémité de l'arbre. Dans ce cas, il est nécessaire de maintenir en position fixe dans le sens de l'axe l'outil de formage monté sur l'extrémité opposée du noyau d'enroulement 30. Lorsque la résine synthétique a atteint la tension finale, elle sera soumise à un traitement de durcissement approprié par la rotation de l'arbre et l'influence de la température. Après durcissement de la résine synthétique, I'ébauche d'arbre ainsi obtenue est retirée du noyau d'enroulement. Le bord libre du tronçon tubulaire est traité et lI'arbre, ainsi que l'élément de raccordement sont confectionnés. En ce qui concerne la fabrication des arbres dont une seule extrémité est munie d'une collerette, il faut séparer le tronçon tubulaire de l'arbre à la longueur appropriée. Il est possible de concevoir diverses variantes pour les systèmes d'entraînement et les systèmes de blocage des outils de formage, utilisés pour exécuter les fonctions décrites, en particulier dans le sens d'une large automatisation de chaque étape de fabrication. La figure 10 montre un mode de réalisation dans lequel a été modifié l'assemblage entre la collerette et l'élément de raccordement. Entre le tronçon 10 tubulaire de la collerette 8 et la face intérieure de la paroi 14 de l'élément de raccordement 12, qui couvre ce tronçon, il est prévu de monter un assemblage à rainures multiples 72, qui permettent d'obtenir le profil d'un arbre cannelé avec des flancs parallèles obliques, mais aussi avec des flancs en développante. Il est également possible de représenter le profil à multiples rainures comme un assemblage cannelé. Le profil de l'assemblage à multiples rainures de la bride de lI'arbre, également profil de l'arbre, peut de préférence être formé sur une douille 74 à parois minces, reliée à la paroi extérieure du tronçon annulaire cylindrique. Le profil de l'assemblage à multiples rainures sur la face intérieure cylindrique de l'élément de raccordement peut également être formé sur une douille 76 à parois minces, reliée en position fixe à la paroi interne de l'élément de raccordement. Mais il est également possible de former le profil directement dans la paroi intérieure cylindrique de l'élément de raccordement, par mandrinage, par exemple. Dans la mesure o l'on utilise des douilles dont la face intérieure ou la face extérieure est cannelée, il faudrait concevoir les douilles aussi minces que possible afin que le diamètre extérieur de l'élément de raccordement, forcément agrandi par l'assemblage cannelé, reste le plus faible possible. Il est rationnel dans ce cas de concevoir un grand nombre de flancs obliques relativement bas ou de dents de faible hauteur. Une denture cannelée a l'avantage de faire en sorte que les forces radiales s'exercent sur la bride et/ou la paroi intérieure de I'élément de raccordement, ce qui décharge l'assemblage collé. Pour les douilles 74, 76, on utilise des matériaux synthétiques présentant une rigidité élevée, une grande dureté et une bonne résistance aux efforts alternés, tels que des polymères fluorés ou des copolymères d'acétal sur une base trioxane. De préférence, on utilise des matériaux synthétiques qui permettent de réaliser les douilles avec denture externe et/ou interne oblique ou cannelée par le procédé de moulage par injection. La figure 7 montre une possibilité pour assembler une douille, comprenant un assemblage extérieur à multiples rainures, avec la bride. Un évidement 78 annulaire, contigu à la face frontale 44 de l'organe d'écartement, est réalisé sur la face intérieure cylindrique de la paroi annulaire du disque d'écartement. La douille ondulée 74 de l'assemblage cannelé est placée dans cet évidement avant la pose de lI'enroulement. Lorsque l'outil de formage 52 et l'organe d'écartement 38 viennent en contact l'un avec l'autre, le tronçon conique 50 de l'enroulement entre en contact avec la paroi intérieure de la douille 74. Il est possible, dans ce cas, de la fixer solidement sur la bride au cours du durcissement, par la résine ou, le cas échéant, par un agent adhésif appliqué sur la paroi intérieure de la douille 76. La bride obtiendra la forme dans laquelle elle sera retirée à l'état durci du dispositif de bobinage, telle qu'elle est représentée sur la figure 8. Le tronçon 78 courbé vers l'arrière est séparé à la face frontale libre de la douille 74. La figure 9 montre la bride 8 ainsi obtenue, sur laquelle est fixée la douille 74. Dans le mode de réalisation conforme à la figure 10, l'élément de raccordement 12 peut être déplacé dans le sens axial par rapport à la bride 8 de l'arbre, par l'intermédiaire de l'assemblage cannelé. Afin d'éviter le retrait involontaire de l'élément de raccordement, il est possible de monter sur l'assemblage cannelé des cames de blocage sur l'un des éléments et ces évidements contenants dans l'autre élément. REVENDICATIONS 1. Arbre en résine synthétique renforcée par des fibres enroulées comprenant des éléments compensateurs angulaires intégrés, formé d'un tronçon de tube cylindrique dont au moins une extrémité est munie d'une bride d'accouplement élastique déformable, dans lequel les fibres, enroulées en se croisant selon un angle déterminé par rapport à l'axe de l'arbre, s'étirent sur toute la longueur du tronçon de tube cylindrique jusqu'à l'extrémité libre de la bride d'accouplement, la bride forme une collerette (8) recourbée à 180 avec un rayon intérieur (R1) sensiblement constant, l'extrémité libre de la collerette couvre le tronçon de tube cylindrique, qui présente un tronçon annulaire cylindrique (10), et la bride est reliée, par l'intermédiaire de ce tronçon annulaire cylindrique, à un élément de raccordement (12) en forme de cuvette, dont la paroi intérieure couvre par l'extérieur le tronçon annulaire cylindrique. 2. Arbre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces éléments de fixation (16) à engagement positif traversant le sens radial constituent un système de fixation entre l'élément de raccordement et le tronçon annulaire cylindrique de la collerette. 3. Arbre selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une bague de support (18), dans laquelle s'engagent les éléments de fixation (16), est posée contre la paroi intérieure du tronçon (10) annulaire cylindrique de la collerette (8). 4. Arbre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de raccordement (12) est vulcanisé, à l'aide d'une couche intermédiaire élastomère, sur le tronçon (10) annulaire cylindrique de la collerette (8). 5. Arbre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche intermédiaire élastomère disposée dans le sens de la périphérie est une couche élastiquement déformable. 6. Arbre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu de réaliser un assemblage à multiples rainures sur la paroi extérieure du tronçon cylindrique de la collerette et la face intérieure de la paroi annulaire cylindrique de l'élément de raccordement. 7. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'arbre et l'élément de raccordement peuvent être déplacés l'un vers l'autre dans le sens de l'axe par l'intermédiaire de l'assemblage à multiples rainures. 8. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le profil de l'assemblage à multiples rainures de la bride de l'arbre est formé sur une douille à parois minces, laquelle est reliée à la paroi extérieure du tronçon cylindrique de la collerette. 9. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le profil de l'assemblage à multiples rainures de la paroi intérieure de l'élément de raccordement est formé sur une douille à parois minces, laquelle est reliée de façon fixe à la paroi intérieure. 10. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le profil de l'assemblage à multiples rainures est formé dans la paroi intérieure cylindrique de l'élément de raccordement. 11. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'assemblage à multiples rainures est formé par le profil d'un arbre cannelé avec des flancs parallèles obliques. 12. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'assemblage à multiples rainures est formé par le profil d'un arbre cannelé avec des flancs en développante. 13. Arbre selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'assemblage à multiples rainures est formé comme un assemblage cannelé. 14. Arbre selon la revendication 9, caractérisé en ce que la douille est formée dans un matériau synthétique présentant une grande rigidité, dureté et résistance aux efforts alternés. 15. Arbre selon la revendication 10, caractérisé en ce que la douille est formée dans un matériau synthétique présentant une grande rigidité, dureté et résistance aux efforts alternés.