Brevet FR2777614A1 — publié le 19991022

L'invention a pour objet un amortisseur de chocs du type à compression de fluide élastomère comprenant un cylindre rempli dudit fluide dans lequel pénètre à travers une paroi d'extrémité du cylindre un piston dont le degré d'enfoncement détermine les pressions régnant dans le cylindre. De tels amortisseurs de chocs sont utilisés notamment pour l'amortissement de chocs de très forte énergie tels que l'on en rencontre par exemple dans l'exploitation du matériel ferroviaire ainsi que dans d'autres domaines d'applications dans lesquels peuvent paraitre occasionnellement des chocs très importants qui, sans protection, peuvent produire des dommages considérables à un matériel qui ne serait pas protégé et à ses utilisateurs. Dans les dispositifs connus de ce type, on utilise généralement un piston que l'on fait pénétrer seulement partiellement dans la chambre du cylindre remplie du fluide élastomère, cette limitation de pénétration étant dictée par le fait, qu'au-delà d'une certaine longueur de pénétration, l'augmentation de la pression dans le cylindre ferait éclater ce dernier, rendant le système inopérant. En pratique donc, on n'utilisera qu'une course limitée de déplacement du piston dans le cylindre par rapport à la course totale que le piston pourrait parcourir dans le cylindre si cela n'entrainaît pas une augmentation inacceptable de la pression. La figure 7 des dessins illustre un tel dispositif comportant, se déplaçant dans un cylindre 1, un piston 2 comportant une tige de piston 3 et une tête de piston 4, laquelle tête peut se déplacer sur une course référencée 11 entre une position pleinement rétractée du piston référencée en trait pointillé en 4' et une position pleinement enfoncée référencée 4 en trait plein. A la même figure, on aperçoit que le volume du cylindre permettrait un déplacement théorique sur une course beaucoup plus longue 12 du piston. On rappellera brièvement que le cylindre 1 est rempli initialement d'un fluide élastomère sous pression, par exemple sous une pression de 1 à 1000 bars et que, du fait de l'enfoncement progressif du piston dans le cylindre provoquant par l'introduction de la tige 3 la diminution progressive du volume de la chambre 5 du cylindre 1 libre pour recevoir le fluide élastomère, ce dernier est progressivement comprimé à des pressions croissantes pouvant s'étager par exemple de 1000 à 3000 bars. Comme il est bien connu, un tel amortisseur présente automatiquement une fonction de retour élastique, le piston tendant à être rappelé de la position en trait plein 4 à la position en trait pointillé 4' par diminution de la pression régnant dans la chambre 5 lorsque le piston est repoussé hors du cylindre. Comme il est bien connu également pour ces amortisseurs de chocs, on met à profit les forces de laminage et de frottement du piston dans le cylindre et de la gomme qui passe d'un côté à l'autre de la tête du piston 4 lors de son déplacement Le laminage de la gomme peut se faire par un passage de fuite, ménagé entre la surface périphérique de la tête 4 du piston et la paroi intérieure du cylindre 1 dans lequel cette tête coulisse, ce passage ayant été référencé e à la figure 7 et/ou des orifices calibrés tels que l'orifice référencé 6 au travers de la tête du piston 4; dans le cas o des orifices sont ménagés, ceux-ci sont répartis de façon à équilibrer les forces de réaction, par exemple en ménageant trois orifices tels que 6 écartés à 120 les uns des autres tout autour de la tête du piston. Conformément à l'invention, on modifie l'amortisseur de chocs connu tel qu'indiqué précédemment en prévoyant au moins deux plages différentes de fonctionnement de cet amortisseur et en mettant à profit une plus grande longueur de la course disponible dans le cylindre et par exemple, toute cette longueur. Pour atteindre cet objet, on modifie l'amortisseur de chocs tel que décrit précédemment, en prévoyant qu'au-delà d'un certain degré d'enfoncement du piston dans le cylindre, on crée dans le cylindre un passage de fuite pour le fluide. On comprend que par ce moyen, il devient possible sans dépasser un seuil critique inacceptable de l'augmentation de la pression dans le cylindre, de mettre à profit l'enfoncement dimensionnellement possible du piston dans le cylindre sans dépasser la pression critique, grâce au passage de fuite créé pour le fluide. Avantageusement, le passage de fuite en question est ménagé au niveau de la tige du piston qui, au-delà du degré d'enfoncement prédéterminé, présente une section légèrement réduite, créant entre elle et la paroi d'extrémité du cylindre en regard qu'elle traverse, ledit passage de fuite. L'invention, ses applications et sa mise en oeuvre apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 montre de façon schématique et en coupe longitudinale un amortisseur de chocs fonctionnant selon le principe de l'invention; la figure 2 est un graphique montrant diverses courbes de montée et de retour d'effort porté en ordonnées, en fonction du déplacement du piston dans le cylindre porté en abscisses; la figure 3 montre comme la figure 1 un exemple d'application d'un amortisseur de chocs dans sa première plage de fonctionnement; la figure 4 montre un diagramme force/course du piston correspondant à la première plage de fonctionnement du dispositif illustré à la figure 3; la figure 5 montre le même dispositif que celui de la figure 3 mais dans une position o il se trouve dans la seconde plage de fonctionnement; la figure 6 montre le schéma force/course du piston relativement à cette seconde plage de fonctionnement de la figure 5; la figure 7 montre en coupe longitudinale un dispositif de l'art antérieur. Le dispositif de l'art antérieur de la figure 7 ayant été précédemment décrit, ses organes et son fonctionnement ne le seront pas à nouveau. Par contre, aux figures 1, 3 et 5, on référencera de la même manière les organes similaires que l'on retrouve par rapport au dispositif de l'art antérieur. En se reportant ainsi à la figure 1, on aperçoit, se déplaçant dans la chambre 5 d'un cylindre 1, un piston comportant une tige 3 se terminant par une tête 4. La tige 3 traverse de façon étanche la paroi d'extrémité 7 opposée à la paroi de fond 8 fermant à l'autre extrémité le cylindre 1. En arrière de la tige 3 qui traverse de façon étanche la paroi 7, on aperçoit un prolongement 9 de la tige du cylindre dont le diamètre est réduit par rapport à celui de la partie 3, laissant ainsi un passage de fuite entre la paroi 7 et la surface en regard de la tige 9. La chambre 5 du cylindre est ainsi subdivisée en deux chambres respectivement 51 située derrière la tête de piston 4 et 52 située devant cette tête 4. Bien entendu, les volumes des chambres 51 et 52 varient selon le degré d'enfoncement du piston 2 dans le cylindre 1. Comme indiqué en relation avec la figure 7, les deux chambres 51 et 52 sont mises en relation par des passages de fuite tels par exemple que le passage périphérique e assurant le laminage du fluide lors des mouvements de déplacement du piston dans le cylindre, ou encore (ceci n'ayant pas été représenté à la figure 1) par des passages tels que 6 (figure 7) à travers la tête 4 du piston. En relation avec la figure 1, on va maintenant expliquer le fonctionnement de l'amortisseur de l'invention. FONCTIONNEMENT DE L'AMORTISSEUR SUR SA PREMIERE PLAGE: Le fluide élastomère occupe les chambres 51 et 52. nl est porté à une pression initiale P0 quand le piston 4 est en butée à gauche sur la figure (position correspondant à la position 4' illustrée à la figure 7). Lors d'un déplacement du piston vers la droite (action d'enfoncement du piston dans la chambre du cylindre), le piston rencontre plusieurs forces qui tendent à s'opposer à ce déplacement, à savoir: - les pressions de frottement, notamment à la jonction d'étanchéité entre la tige 3 et la paroi 7, - le laminage de la gomme qui doit passer de la chambre 52 à la chambre 51 par les passages de laminage, - et enfin, l'augmentation de pression produite par la réduction du volume libre des chambres 51 + 52 (le volume libre dans le cylindre se réduisant du fait de la pénétration dans la chambre du volume occupé mécaniquement par la tige 3). D'autre part, les pressions dans les deux chambres 51 et 52 sont inégales, la pression P2 dans la chambre 52 étant supérieure à la pression P1 dans la chambre 51. Si l'on appelle S1 la section de la tige 3 du piston et S2 la section de la tête 4 de la tige de piston, l'effort résistant F exercé sur le piston s'écrira: F = P2.S2 - P1. (S2-S1) + Fg = S2 (P2-P1) + S1.P1 + Fg, (1) avec Fg = effort de contact du fluide sur la surface latérale du piston + forces de frottement mécanique. On note que Fg est sensiblement indépendant de la vitesse de déplacement du piston et dépend peu sensiblement de la pression P2. Au contraire, les pressions P2 et P1 varient considérablement selon la vitesse d'enfoncement du piston, le facteur S2(P2-P1) traduisant essentiellement la valeur de l'effort de laminage qui croit avec la vitesse. Il faut ainsi noter que, lorsque le piston se déplace à une vitesse V, (P2 - P1) dépendra étroitement de V mais également de la section de passage ménagée entre les deux chambres 51 et 52. Si V augmente ou si le passage est plus étroit, P2-P1 augmente. On note d'autre part que si le piston est arrêté dans une position déterminée, autrement dit si V = 0, les pressions P1 et P2 dans les chambres 51 et 52 s'équilibrent progressivemenLt. La figure 2 décompose des facteurs de la formule indiquée ci- dessus F = S2 (P2-P1) + S1.Pl + Fg. Dans un dispositif classique, il apparaît qu'assez rapidement, c'est le facteur P1.S1 qui augmente le plus vite. En créant le débit de fuite comme indiqué, à partir d'un certain degré d'enfoncement du piston, il devient possible de minimiser le facteur S1P1 (en annulant éventuellement P1 si le débit de fuite est suffisant) et donc de maximiser le facteur (P2-P1) S2, ce qui permet de faire fonctionner l'amortisseur de chocs sur toute sa course. FONCTIONNEMENT DE L'AMORTISSEUR SUR LA SECONDE PLAGE: On suppose maintenant que le piston continue à être enfoncé de telle sorte que sa section 3 a quitté la paroi 7 arrière du cylindre 1. Le piston 4 occupe par exemple la position indiquée en pointillé 4" à la figure 1, avec la section 3 dans la position indiquée en 3' et la section 9 indiquée en 9'. Dans ces conditions, il existe une fuite créée entre la section 9 et la paroi arrière 7 de la chambre 5. Dans ces conditions, selon le calibrage du débit de fuite ainsi formé, la pression P1 dans la chambre 51 va chuter en étant d'autant plus faible que le débit de fuite sera important. Dans ces conditions, la force de réaction sur le piston tend vers Fg + S2.P2: F - Fg + S2.P2 (2) Le bon fonctionnement de l'appareil dépendra essentiellement de S2.P2. Le facteur S2.P2 peut être réglé par réglage du jeu de laminage, dans l'exemple indiqué e entre la tête de piston 4 et le cylindre et du jeu de fuite ménagé entre la tige 9 et la paroi arrière 7 du cylindre qui détermine la valeur de la pression P1. Le calibrage peut être en première approche calculé en fonction de la dissipation d'énergie recherchée sur cette deuxième plage de fonctionnement et, en seconde approche, confirmé et vérifié par l'expérimentation. En relation aux figures 3 à 6, on décrira maintenant un mode de réalisation mis en oeuvre. Les paramètres suivant ont été choisis. Diamètre intérieur de la chambre 5: 90 mm. Course de la première plage (fonctionnement sans fuite entre la tige 3 et la paroi 7): 80 mm. Course de la seconde plage (avec débit de fuite entre la tige 9 et la paroi 7): 300 mm. Diamètre de la partie 3: 46 mm. Diamètre de la partie 9: 45 mm. Pression de remplissage de la gomme: 800 bars Pression maximum équilibrée à la fin de la première plage: 1 900 bars. Pour une vitesse de chocs de l'ordre de 15 Km/h, la courbe de fonctionnement effort/course sur la première plage est donnée par la figure 4 avec un effort maximum voisin de 1 200 KN (Kilonewtons). Bien entendu, ce fonctionnement est réversible, le piston revenant à sa position initiale après cessation de l'effort. Pour un fonctionnement avec débit de fuite pour une vitesse de fonctionnement supérieure à 15 Km/h, la courbe effort/course est donnée par la figure 6. On note que, dans ce cas, le fonctionnement n'est pas réversible, puisque l'élastomère sous pression a été libéré vers l'extérieur par le débit de fuite formé par le léger jeu laissé entre la tige 9 et la paroi 7 arrière du cylindre. Dans le premier cas, l'énergie qui pouvait être amortie était de 75 kJ tandis que dans le deuxième cas, elle était de 75 kJ (sur la première plage réversible) et de 275 kJ (sur la course non réversible de 300 mm), soit une énergie totale amortissable de 350 kJ. l apparaît clairement qu'un tel dispositif pourra être utilisé avantageusement en cas de situation critique accidentelle pour l'amortissement de chocs d'intensité très supérieure à celle que pourrait encaisser un dispositif de même importance non pourvu des perfectionnements de l'invention. Bien entendu, après un tel fonctionnement critique, l'amortisseur de chocs pourra être réutilisé, s'il n'a pas été détruit, après reconditionnement qui consisterait principalement en un simple rechargement du fluide élastomère sous la pression adéquate. Diverses variantes de réalisation au mode de mise en oeuvre décrit en relation avec les figures 1 à 6, peuvent être prévues, en particulier pour améliorer le fonctionnement en guidage de l'amortisseur. Ainsi, pour assurer un bon guidage de la tête de piston 4 à l'intérieur de la chambre 5 du cylindre, on utilisera généralement un jeu e très faible, par exemple de l'ordre du dixième de millimètre, et l'on accroîtra le passage de fluide en ménageant dans la tête de piston des orifices traversants tels que 6 (figure 7) ou par exemple des cannelures périphériques. De la même façon, il poura être utile que la section 9 de la tige de piston glisse sans jeu dans la paroi 7 arrière de la chambre du cylindre 1, le débit de fuite pouvant être assuré là encore à ce niveau par des orifices ménagés dans cette tige ou par exemple par des cannelures longitudinales convenablement réparties. Revendications 1. Amortisseur de chocs du type à compression de fluide élastomère comprenant un cylindre rempli dudit fluide dans lequel pénètre à travers une paroi d'extrémité du cylindre un piston dont le degré d'enfoncement détermine les pressions régnant dans le cylindre, caractérisé en ce que, au-delà d'un certain degré d'enfoncement, on crée dans le cylindre (1) un passage de fuite pour le fluide. 2. Amortisseur de chocs selon la revendication 1, caractérisé en ce que le passage de fuite est ménagé au niveau de la tige du piston (2) qui, au- delà du degré d'enfoncement prédéterminé, présente une section (9) légèrement réduite créant entre elle et la paroi (7) d'extrémité du cylindre en regard qu'elle traverse, ledit passage de fuite. 3. Amortisseur de chocs selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie (9) de section réduite de la tige du piston (2) est plus longue que la partie (3) de section non réduite. 4. Amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tige de piston (2) se termine à son extrémité qui pénètre dans le cylindre (1) par une tête (4) de diamètre supérieur à celui de ladite tige (3, 9), ladite tête (4) ménageant un passage e de fuite pour le fluide d'un côté à l'autre de la tête. 5. Amortisseur de chocs selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins un passage de fuite est ménagé entre la surface périphérique de la tête (4) du piston et la paroi du cylindre (1) dans lequel elle coulisse. 6. Amortisseur de chocs selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins un passage de fuite (6) est ménagé dans la tête du piston. 7. Procédé d'amortissement de chocs mettant en oeuvre un amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sur une première partie de la course d'amortissement du choc et en fonctionnement normal d'amortisseur, celui- ci se fait essentiellement par compression de fluide dans le cylindre sous l'effet de l'enfoncement de la tige du piston, tandis que sur une seconde partie de la course exclusivement en cas de situation critique au-delà du degré d'enfoncement prédéterminé du piston, l'amortissement se fait sur le reste de la course du piston essentiellement par laminage du fluide passant d'un côté à l'autre de la tête du piston.