Brevet FR2756340A1 — publié le 19980529

Dispositif anti-choc La présente invention concerne un dispositif anti- choc, en particulier pour véhicule automobile. Il importe que les véhicules automobiles présentent un niveau de sécurité élevé, et ce tout en évitant un accroissement excessif de volume, de poids et de coût. Il est par ailleurs souhaitable qu'une proportion la plus grande possible des matériaux d'un véhicule soit réutilisable ou recyclable. Des dispositifs réversibles - c'est-à-dire à usages multiples - d'absorption de chocs sont connus dans de nombreux domaines. Il s'agit par exemple de dispositifs comprenant des ressorts ou des amortisseurs pneumatiques ou hydrauliques. Ces derniers dispositifs sont toutefois complexes et posent des problèmes de fiabilité (risque de fuites,.. .). En outre, la plupart des absorbeurs réversibles de ce type ne sont efficaces que dans le cas de chocs légers, en raison de leur faible capacité d'absorption d'énergie. Une plus grande efficacité peut être atteinte en recourant à des dispositifs irréversibles (à usage unique) d'absorption de chocs. De nombreux types en ont déjà été proposés et appliqués dans le domaine des véhicules; ils sont dans ce cas généralement interposés entre le pare-choc et le châssis du véhicule. Ainsi, par exemple, le brevet US 5427214 décrit un dispositif comprenant deux tubes métalliques pouvant coulisser l'un dans l'autre. Un choc provoque le coulissement relatif de ces deux tubes, de sorte qu'une section rétrécie du tube extérieur, renforcée par une bague, comprime radialement le tube intérieur qui se déforme plastiquement et absorbe ainsi partiellement l'énergie du choc. Ce dispositif est d'une fabrication complexe, et d'un fonctionnement probablement peu efficace dans la mesure o l'absorption d'énergie est basée sur une déformation radiale en compression du tube intérieur, moins reproductible et exploitant moins la résistance du matériau qu'une sollicitation en traction. Le brevet US 4601367, quant à lui, décrit un tube composite fabriqué ppr enroulement hélicoïdal de plusieurs couches de rubans de fibres de renforcement enrobées d'une résine thermodurcissable, qui se croisent selon un angle élevé, approximativement perpendiculairement. En cas de choc, ce tube composite est comprimé axialement, et l'énergie du choc est partiellement absorbée par la délamination des rubans de fibres aux endroits o ils se -2- croisent, sous l'effet de forces de torsion. L'absorption d'énergie est donc directement proportionnelle à la superficie totale des intersections des rubans, qui est relativement faible, à moins d'utiliser un nombre élevé de couches de rubans. En outre, les fibres ne sont ainsi sollicitées qu'en cisaillement (torsion), et sont donc sous-exploitées par rapport à une sollicitation en traction. Enfin, l'utilisation d'une résine thermodurcissable complique la fabrication et le recyclage de ce dispositif Notons par ailleurs, de manière plus générale, qu'une sollicitation en compression crée généralement un risque de flambement, ce qui conduit à un fonctionnement d'une efficacité aléatoire. La présente invention vise à fournir un dispositif anti-choc simple, léger, efficace, peu volumineux et peu coûteux, dont l'utilisation permette notamment d'éviter ou de réduire le surdimensionnement d'autres parties du véhicule, ainsi que de préserver leur intégrité en cas de choc modéré. Elle entend atteindre ce but en faisant usage d'un élément principal de géométrie très simple, à base de matière plastique, présentant l'avantage de ne pas se corroder et d'être recyclable. Des pare-chocs en matière plastique sont certes largement utilisés, mais ils ne sont capables que d'absorber des chocs de faible énergie, tels que ceux qui peuvent se produire lors de manoeuvres à faible vitesse, typiquement à moins de 8 km/h dans le cas de voitures moyennes. La présente invention étend le domaine d'application des matières plastiques à l'absorption de l'énergie de chocs plus violents, tels par exemple que ceux se produisant à des vitesses de l'ordre de 10 à 20 km/h. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif pour l'absorption de chocs, comprenant un élément creux de forme allongée à base de matière plastique, ainsi qu'un piston conçu de manière à pouvoir s'enfoncer à l'intérieur dudit élément creux en le déformant au moins radialement. L'élément creux peut présenter une section quelconque, par exemple polygonale, ovale ou circulaire. De préférence, l'élément creux a une section circulaire. Ses dimensions transversales peuvent être variables ou constantes dans le sens axial. A titre d'exemples, un élément creux de section circulaire peut présenter au choix une forme cylindrique (diamètre constant) ou tronconique (diamètre variant linéairement). On préfère que les dimensions transversales de l'élément creux soient constantes, ce qui simplifie sa fabrication. L'élément creux comprend une matière plastique. Par matière plastique, 3- on entend désigner tout polymère thermodurcissable ou thermoplastique, ou mélange de tels polymères. On peut éventuellement ajouter à ce ou ces polymères un ou plusieurs additifs classiques tels que lubrifiants, plastifiants, stabilisants, anti-oxydants, pigments, charges minérales, fibres de renforcement, etc. De préférence, la matière plastique utilisée pour la réalisation de l'élément creux comprend un ou plusieurs polymères thermoplastiques, qui offrent notamment des avantages sur le plan du recyclage, tels que le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polychlorure de vinyle (PVC), etc. De très bons résultats ont été obtenus en utilisant des polyoléfines. On préfère utiliser du PP, dont la thermorésistance est supérieure à celle du PE. Selon une variante avantageuse, l'élément creux est renforcé dans le sens circonférentiel. Ce renforcement circonférentiel peut par exemple être obtenu par des fibres de renforcement orientées de manière majoritairement circonférentielle. Il peut notamment s'agir de fibres courtes dispersées au sein de la paroi de l'élément creux lors de sa fabrication, et/ou de faisceaux de fibres continues enroulés à la surface d'un mandrin creux postérieurement à sa fabrication. On applique avantageusement la technique de l'enroulement filamentaire, selon laquelle l'élément creux est renforcé dans le sens circonférentiel par un ou plusieurs faisceaux de fibres de renforcement continues enroulés à sa surface. Les fibres "continues" utilisées sont dans ce cas d'une grande longueur, par exemple de plusieurs dizaines de mètres. Tout type de fibres peut être utilisé: fibres de carbone, d'aramide, de verre, etc. On préfère utiliser des faisceaux de fibres de verre. Le ou lesdits faisceaux sont de préférence enroulés de manière quasi- circonférentielle autour de l'élément creux, en formant par rapport à l'axe de l'élément creux un angle supérieur à . On préfère en outre que les spires qu'il(s) forme(nt) soient jointives. Lorsque plusieurs faisceaux sont utilisés, il est avantageux de les enrouler alternativement dans le sens lévogyre et dans le sens dextrogyre. Après l'êtape de renforcement, les faisceaux de fibres de renforcement peuvent avantageusement être protégés par l'application d'une couche de finition de matière plastique sur la surface extérieure de l'élément creux ainsi renforcé, par exemple par surextrusion. De tels faisceaux de fibres de renforcement accroissent considérablement la résistance circonférentielle de l'élément creux, ainsi que par conséquent sa capacité d'absorption d'énergie. Un autre avantage -4- de la présence de ces faisceaux de fibres de renforcement est d'empêcher que l'élément creux ne se fissure brutalement sur une grande partie de sa longueur en cas de choc, ou ne flambe. Il est en particulier avantageux d'utiliser des faisceaux de fibres imprégnés d'une matière thermoplastique (ci-après qualifiés de "Cofits", pour "Continuous fiber impregnated by a thermoplastic"). Une technique avantageuse de fabrication consiste à renforcer un élément creux par un tel Cofit en réchauffant à la fois ce dernier et la surface extérieure de l'élément creux, de manière à améliorer leur adhérence, ainsi que, de préférence, en exerçant une pression radiale sur le Cofit à son point de contact avec l'élément creux, ou en aval de ce point. De préférence, l'élément creux est exclusivement constitué de matière plastique (au sens susdéfini, incluant d'éventuels additifs) et d'éventuelles fibres de renforcement. En outre, selon une variante avantageuse, l'élément creux est notamment renforcé par des fibres courtes dispersées en son sein, majoritairement orientées parallèlement à son axe. Le piston, initialement disposé à l'une des extrémités de l'élément creux, est mobile par rapport à celui-ci, à l'intérieur duquel il peut s'enfoncer coaxialement. La section transversale du piston a généralement la même forme que la section transversale intérieure de l'élément creux. En particulier, tous deux peuvent présenter une section transversale circulaire. En outre, au moins une partie du piston doit présenter des dimensions transversales légèrement supérieures aux dimensions transversales intérieures de l'élément creux, de manière à ce que le piston ne puisse pas coulisser librement à l'intérieur de l'élément creux sans le déformer radialement. Il est préférable que l'extrémité antérieure du piston (définie par rapport à son sens d'enfoncement en cas de choc) soit plus étroite que l'élément creux, de façon à assurer un guidage sans déformation radiale initiale. Selon une variante avantageuse, l'élément creux et le piston présentent chacun une section transversale circulaire, et le piston est profilé de manière à ce que son extrémité antérieure soit d'un diamètre inférieur au diamètre intérieur de l'élément creux (Dc), et à ce qu'au moins l'une de ses parties présente un diamètre supérieur à Dc. L'écart entre les dimensions transversales de l'extrémité antérieure du piston et les dimensions intérieures de l'élément creux est de préférence de 1 à 10 %. Il est avantageux que le piston ne présente pas d'arêtes vives, afin d'éviter -5- que le piston ne lacère la paroi de l'élément creux et/ou ne se bloque dans l'élément creux, auquel cas l'efficacité du dispositif de l'invention risquerait d'être réduite. On préfère pour cette raison qu'au fil de son axe, les dimensions du piston varient de manière progressive. Dans le cas d'un élément creux de section circulaire, le piston peut par exemple présenter une forme tronconique, son petit diamètre étant inférieur au diamètre intérieur de l'élément creux et son grand diamètre lui étant supérieur. Le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention est qu'en cas de choc, le piston s'enfonce à l'intérieur de l'élément creux, et que sa progression y soit essentiellement contrecarrée par les forces radiales de déformation de l'élément creux. Ces forces radiales exercées par le piston sur l'élément creux engendrent des tensions circonférentielles au sein de la paroi de ce dernier. Le fait que cette dernière soit ainsi sollicitée majoritairement en traction réduit significativement les risques de flambement auxquels conduisent de nombreux dispositifs antérieurement connus. Selon une variante avantageuse, le piston est conçu de manière à ce que son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux ne provoque pas la rupture complète de celui-ci. En effet, une rupture complète de l'élément creux, même si elle n'intervenait initialement qu'au droit du piston, risquerait de se propager rapidement dans l'élément creux, par effet d'entaille, et de conduire à une rupture du type fragile, ce qui réduirait l'énergie absorbée. Lorsque l'élément creux n'est pas renforcé par un ou plusieurs faisceaux de fibres de renforcement enroulés quasi-circonférentiellement à sa surface, cette variante revient à imposer que l'élément creux ne subisse qu'une déformation plastique tout au plus. Les dimensions transversales du piston doivent donc être telles que l'allongement circonférentiel de l'élément creux provoqué par l'enfoncement du piston soit inférieur à l'allongement à la rupture du matériau constitutif de l'élément creux. Lorsque l'élément creux est constitué d'un mandrin creux renforcé par un ou plusieurs tels faisceaux de fibres, cette variante revient à imposer que ce mandrin ne subisse qu'une déformation plastique tout au plus. Dans ce second cas, il est toutefois souhaitable que le piston soit conçu de manière à ce que son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux provoque la rupture des faisceaux de fibres de renforcement. Ceci impose que l'allongement à la rupture des faisceaux de fibres utilisés soit inférieur à celui du matériau constitutif du mandrin de l'élément creux, ce qui est généralement le cas pour -6- des fibres telles que des fibres de verre. L'énergie absorbée par la rupture des faisceaux de fibres accroît considérablement l'énergie absorbée en cas de choc par rapport au cas non-renforcé, toutes autres choses étant égales. Dans tous les cas, il est par ailleurs souhaitable d'éviter d'utiliser une matière plastique fragile au choc pour la fabrication.de l'élément creux. Un avantage que présente le dispositif de l'invention par rapport aux dispositifs connus est que son efficacité, c'est-à-dire l'énergie absorbée, est liée à la résistance circonférentielle de l'élément creux, c'est-à-dire essentiellement à l'épaisseur de sa paroi et à son éventuel renforcement, et n'est pas liée à ses dimensions transversales globales (à son diamètre extérieur dans le cas d'un élément creux de section circulaire constante). Ceci permet au dispositif de l'invention de combiner une grande compacité à des performances élevées. Le piston peut être constitué de tout matériau présentant une résistance mécanique suffisante, par exemple de métal ou d'une matière plastique appropriée. Il peut être plein ou creux. La résistance du piston doit être telle qu'il ne subisse que des déformations négligeables, et en tout cas ne se rompe pas avant une éventuelle rupture complète de l'élément creux, lorsque le dispositif de l'invention est soumis à un choc. La recyclabilité du piston est moins critique que celle de l'élément creux dans la mesure o, contrairement à ce dernier, le piston n'est en principe pas endommagé lors d'un choc provoquant le fonctionnement du dispositif de l'invention. Autrement dit, après un tel choc, il suffit en principe de remplacer l'élément creux pour rendre le dispositif de l'invention à nouveau opérationnel. En vue de rendre le dispositif encore plus efficace dans les cas o le choc est susceptible de survenir selon une orientation oblique par rapport à l'axe du dispositif d'absorption, une variante intéressante de l'invention consiste à ce que le dispositif décrit ci- dessus soit équipé d'un ou plusieurs éléments de guidage contraignant le piston à se déplacer coaxialement à l'élément creux. De manière concrète, ce but peut notamment être atteint en prévoyant une tige rigide, de résistance mécanique élevée, coaxiale à l'élément creux, et en prévoyant un orifice coaxial traversant le piston de part en part, d'un diamètre légèrement supérieur à celui de ladite tige, de manière à ce que le piston puisse coulisser sur cette tige et soit guidé par elle coaxialement à l'élément creux. Alternativement, on pourrait fixer le piston à une tige rigide coulissant à travers la pièce à laquelle est fixée l'élément creux. On peut indifféremment fixer l'élément creux au châssis du véhicule et le -7- piston à une pièce susceptible de subir des chocs (par exemple un pare-choc) ou faire l'inverse. Par ailleurs, il peut être souhaitable de combiner un ou plusieurs absorbeurs de chocs réversibles (blocs élastiques, etc.) au dispositif de l'invention, de manière à ce que ce dernier ne soit pas endommagé par des chocs légers. Selon une variante particulièrement simple et économique, mais non- limitative, l'élément creux a une section constante et le piston une section variable, profilée de manière adéquate. Ceci permet de fabriquer l'élément creux par tronçonnage d'une pièce initiale de grande longueur, obtenue par exemple par extrusion (et renforcement éventuel) selon un procédé continu. Selon une variante avantageuse de la présente invention, l'élément creux est de plus en plus renforcé à proximité de celle de ses extrémités qui est la plus éloignée de la position initiale du piston. En effet, si l'élément creux oppose une résistance de plus en plus élevée au fur et à mesure de l'enfoncement du piston à l'intérieur de celui-ci, l'énergie absorbée par centimètre d'enfoncement croît progressivement, ce qui peut être utile dans le cas de chocs très violents. Un tel renforcement progressif peut par exemple être obtenu en renforçant toute la longueur de l'élément creux par enroulement d'une couche de filaments de fibres, en renforçant les deux derniers tiers de sa 1 ongeur d'une seconde couche de filaments, et en renforçant le dernier tiers de sa longueur d'une troisième couche de filaments. Un renforcement progressif peut également s'obtenir en faisant varier le pas d'enroulement du ou des faisceaux de fibres au fil de l'axe longitudinal de l'élément creux. Une autre variante consiste à soumettre l'élément creux non seulement à des tensions circonférentielles, mais également à des forces de flexion radiales. A cette fin, on peut utiliser un piston dont la section transversale ne présente pas la même forme que la section intérieure de l'élément creux. Par exemple, si ce dernier présente une section intérieure circulaire, l'enfoncement d'un piston de section ovale à l'intérieur de cet élément creux conduira dans un premier temps à une déformation (ovalisation) élastique puis éventuellement plastique n'engendrant que peu de tensions circonférentielles. L'énergie totale absorbée dans un tel cas peut être supérieure à celle absorbée dans le cas de sollicitations purement circonférentielles. Le dispositif décrit ci-dessus peut servir à absorber des chocs dans tout type d'application, et n'est aucunement limité au domaine des véhicules automobiles. A titre d'exemple, il peut également être utilisé dans des -8- hélicoptères, interposé entre leur corps et leurs patins. Il est en outre clair que plusieurs tels dispositifs peuvent être utilisés en parallèle en vue d'augmenter leur capacité totale d'absorption d'énergie. De manière plus générale, l'invention concerne également un ensemble absorbeur de chocs pour véhicule, comprenant au moins un dispositif selon l'une des revendications précédentes. Elle concerne encore un véhicule comprenant au moins un tel ensemble absorbeur de chocs. Un autre aspect de l'invention concerne l'utilisation d'un dispositif tel que décrit ci-dessus pour absorber des chocs, de préférence d'une façon telle que le piston ne provoque pas la rupture complète de l'élément creux lors de son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux. Les figures annexées illustrent, de façon non-limitative, le fonctionnement de l'invention. La figure 1 représente un dispositif tel que décrit ci-dessus, comprenant un élément creux cylindrique (1) et un piston (2) disposé coaxialement à celui-ci. L'élément creux (1) est constitué d'un mandrin creux de matière plastique, renforcé par trois faisceaux (3, 4, 5) de filaments de fibres de verre enroulés hélicoldalement à sa surface, le premier (3) s'étendant sur toute sa longueur, le second (4) s'étendant sur ses deux derniers tiers et le troisième (5) s'étendant sur le dernier tiers de l'élément creux. Le piston présente une protubérance antérieure de guidage (6), précédant (dans le sens d'enfoncement du piston en cas de choc) une partie centrale (2) de forme tronconique, elle-même prolongée par un tronçon cylindrique (7) postérieur. Le diamètre de ce tronçon cylindrique (7) est tel que son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux (1) provoque la déformation plastique du mandrin et la rupture progressive des fibres de renforcement, sous l'effet des tensions circonférentielles induites. Dans un souci de simplicité, la coupe du piston (2) est délimitée par des lignes droites; en pratique, le piston ne présente aucune arête vive. L'extrémité inférieure de l'élément creux (1) est fixée au châssis d'un véhicule par un dispositif de fixation non-représenté. Le piston (2) est fixé au pare-choc du véhicule par l'intermédiaire d'une pièce de raccordement (8) dont seule une partie est représentée. Globalement, l'axe longitudinal du dispositif est parallèle à l'axe de déplacement du véhicule. On peut toutefois prévoir des dispositifs auxiliaires identiques disposés selon des orientations différentes, afin de mieux absorber des chocs non frontaux. -9- Sur la figure 1, le dispositif n'a subi aucun choc. La figure 2 représente le même dispositif en train de subir un choc (les fibres de renforcement n'ont plus été représentées, par souci de simplicité): le piston (2) s'enfonce à l'intérieur de l'élément creux, en provoquant progressivement la déformation plastique du mandrin et la rupture des fibres sous l'effet des tensions circonférentielles qu'il y induit. La figure 3 décrit une variante du dispositif de l'invention, comprenant une tige rigide (9) coaxiale à l'élément creux (1), destinée à guider le piston (2) coaxialement à ce dernier en cas de choc survenant selon un axe qui ne serait pas exactement parallèle à celui de l'élément creux. L'extrémité inférieure de la tige (9) est fixée au châssis du véhicule. Il convient naturellement que l'extrémité supérieure de la tige (9) n'interfère pas avec le pare-choc auquel est raccordée la pièce de raccordement (8), qui peut se déplacer par rapport à celle tige. L'exemple suivant illustre, de façon non limitative, le fonctionnement de l'invention. On a fabriqué un mandrin creux constitué de PEHD renforcé de 20 % en poids de fibres de verre courtes orientées axialement, de section circulaire, d'un diamètre intérieur de 93 mm et d'une épaisseur de paroi de 6,7 mm. Ce mandrin, d'une longueur de 15 cm, a été renforcé par l'enroulement hélicoïdal à sa surface de 2 couches de Cofits constituées de fibres de verre continues imprégnées de PEHD (épaisseur de chaque Cofit = 0,3 mm; largeur: 10 mm), sous un angle voisin de 90 par rapport à l'axe de l'élément creux. La déformation à la rupture d'un tel Cofit est voisine de 2 %, ce qui correspond à un allongement circonférentiel d'environ 7 mm pour un diamètre extérieur de l'élément creux valant 107,6 mm. On a utilisé un piston de forme approximativement tronconique, dont le plus grand diamètre valait 110 mm, garantissant ainsi la rupture du Cofit sans provoquer celle du mandrin. Ce dispositif a permis d'absorber des chocs d'une énergie d'environ 4,2 kJ, ce qui représente environ 25 % de l'énergie (10 à 20 kJ) dissipée lors de l'impact frontal d'une voiture moyenne roulant à environ 15 km/h contre up obstacle fixe. - 10- REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour l'absorption de chocs, comprenant un élément creux (1) de forme allongée à base de matière plastique, ainsi qu'un piston (6, 7) conçu de manière à pouvoir s'enfoncer à l'intérieur dudit élément creux (1) en le déformant au moins radialement. 2 - Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'élément creux (1) a une section circulaire. 3 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément creux (1) est renforcé dans le sens circonférentiel. 4 - Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l'élément creux (1) est renforcé dans le sens circonférentiel par un ou plusieurs faisceaux de fibres de renforcement continues (3, 4, 5) enroulés à sa surface. - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément creux (1) est notamment renforcé par des fibres courtes dispersées en son sein, majoritairement orientées parallèlement à son axe. 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le piston (6, 7) est conçu de manière à ce que son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux (1) ne provoque pas la rupture complète de celui-ci. 7 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, équipé d'un ou plusieurs éléments de guidage (9) contraignant le piston (6, 7) à se déplacer coaxialement à l'élément creux (1). 8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément creux (1) est de plus en plus renforcé à proximité de celle de ses extrémités qui est la plus éloignée de la position initiale du piston (6, 7). 9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément creux (1) et le piston (6, 7) présentent chacun une section transversale circulaire, et dans lequel le piston (6, 7) est profilé de manière à ce que son extrémité antérieure (6) soit d'un diamètre inférieur au diamètre intérieur de l'élément creux (1) (Dc), et à ce qu'au moins l'une de ses parties (7) présente un diamètre supérieur à Dc. - 11 - - Ensemble absorbeur de chocs pour véhicule, comprenant au moins un dispositif selon l'une des revendications précédentes.