Brevet FR2808771A1 — publié le 20011116

La présente invention concerne un dispositif destiné à mettre en rotation les roues de train d'atterrissage d'avions préalablement à leur contact avec le sol. Lors de l'atterrissage d'un avion quel qu'il soit, et en parti culier d'un gros proteur, le train est soumis à d'énormes contraintes, celles-ci étant automatiquement transmises à la cellule de l'appareil, ses moteurs, aux systèmes embarqués, et aux passagers. La majeure partie de ces contraintes est due au fait que, lors que les roues de trains d'atterrissage entrent en contact avec le sol, on exige de celles-ci à la fois des performances de roues de poids-lourd (pour 1a masse additionnée de l'accélération verticale) et de roues de "formule un" (pour la vitesse de rotation, passant presqu'instantanément de zéro à plusieurs centaines de tours/minute). L'inertie des roues de trains d'atterrissage est d'autant plus importante que leurs dimensions et leurs masses propres sont élevées. Du rant le court instant pendant lequel cette inertie doit être vaincue par les forces de frottement avec le sol de la piste, les jambes de train ont tendance à fléchir vers l'arrière, transmettant une torsion aux cais sons ou longerons de voilure, générant un moment à piquer de l'appareil, un effet de précession gyroscopique sur les soufflantes de réacteurs ou les hélices de turbopropulseurs, etc..., et une courte période d'incon fort pour les passagers. Mais le plus important de ces inconvénients, en relation directe avec la sécurité, est sans doute le fait que les pneumatiques, lors de leur contact avec le sol, s'usent brutalement sur une seule partie de leur circonférence, induisant la formation d'un faux-rond qui, sous l'ac tion de la force centrifuge, provoque des vibrations. Cette usure brutale et irrégulière s'accompagne d'une élévation tout aussi brutale de température, qui dans bien des cas peut s'avérer dangereuse. Tous ces éléments obligent les exploitants à changer souvent les pneumatiques des roues de trains, pour des raisons évidentes de sécurité, et afin de diminuer la fatigue des cellules et des trains d'atterrissage. Ceci ayant pour conséquences une augmentation des temps de main tenance et des coûts très élevés pour les compagnies aériennes. Si la question budgétaire se pose de façon moins aigüe pour les avions militai res, le coût exhorbitant des appareils et de leurs systèmes d'armes ainsi que la sécurité des équipages justifient les soins dont ils font l'objet, et la réduction maximale des temps d'immobilisation peut avoir des effets décisifs sur leur capacité opérationnelle. Une grande part de ces inconvénients pourrait être sinon élimi née, du moins fortement atténuée, si les roues de trains d'atterrissage prenaient contact avec le sol à une vitesse périphérique aussi proche que possible de celle qu'elles ont une fois ce contact établi. Or, il appa- rait complètement irréaliste de vouloir motoriser les roues de trains, pour de nombreuses raisons. Tout d'abord, l'appareil adapte sa vitesse non par rapport au sol, mais par rapport à une masse d'air qui se déplace, ce qui rend très difficile l'établissement d'un régime de rotation optimal des roues. En suite, même si un calculateur de bord, renseigné sur la vitesse du vent au sol, établissait un tel régime, la masse, l'encombrement, et la con sommation d'énergie des éventuels moteurs de moyeux, assortis de leurs systèmes de réduction et de débrayage, seraient parfaitement rédhibitoi res. Enfin, en cas de panne d alimentation, ces moteurs, qu'ils soient électriques, pneumatiques, ou hydrauliques, constitueraient au tant de freins beaucoup plus puissants que la seule inertie des roues, rendant toute tentative d'atterrissage catastrophique. I1 serait cependant facile d'obtenir une mise en rotation des roues de trains préalable au contact-sol, à l'aide d'un dispositif aéro dynamique permanent, par exemple en ajoutant sur les flancs des pneuma tiques des reliefs de moulage à profils assymétriques, induisant un dif férentiel de trainée entre le bas et le haut de la roue par rapport au vent relatif, donc sa mise en rotation. Mais une telle solution n'est que difficilement envisageable, car, lors de l'approche, le train d'atterrissage est sorti de longues minutes avant la finale, et si les roues du train se mettent en rotation dés la sortie de puits, les vibrations qu'implique cette rotation pen dant toute la durée de l'approche sont préjudiciables. I1 convient donc, pour obtenir un résultat acceptable, de ne dé clencher 1a mise en rotation des roues de train que dans la toute derniè re partie de la finale. Cette opération s'effectuant par un procédé aérodynamique, et non mécanique, est forcément progressive; ainsi les phénomènes vibratoi res ne durent pas plus longtemps que lors du décollage, avant freinage et relevage du train, ce qui est parfaitement toléré par la cellule et les systèmes embarqués. Le dispositif selon l'invention apporte une solution simple, lé gère, peu coûteuse, très fiable, et aussi complète que possible à ce pro blème, par un compromis équilibré entre tous les paramètres précités. Il comporte en effet, selon une première caractéristique, une série d'augets de section hémisphérique creuse, disposés de façon angu- lairement régulière autour de l'axe de chaque roue de train. Ces augets sont solidaires de la jante de 1a roue (ou du moyeu) par l'intermédiaire d'axes radiaux et de roulements-butées permettant de contrecarrer la for ce centrifuge. Les augets et leurs axes pivotent de 90 sous l'action d'un vé rin pneumatique également solidaire de la jante (ou du moyeu), dont le piston est équipé de crémaillères attaquant chacune un pignon d'engrena ge solidaire de chaque axe d'auget. Ce vérin est alimenté en air comprimé (prélevé par exemple au niveau des compresseurs de réacteurs ou turbopropulseurs) par un canal axial d'essieu, de section compatible avec la résistance calculée de ce lui-ci, et un orifice de distribution pratiqué également sur l'essieu au niveau de la jambe de train ou du boggie. L'admission d'air comprimé par le vérin est commandée par une électrovanne normalement fermée, assujettie à une électrovanne normale ment ouverte de refoulement. Un ressort de rappel, prenant appui sur la paroi externe du dispositif, tend à maintenir le piston du vérin en po sition fermée. A l'ouverture de la vanne d'admission d'air comprimé, et à la fermeture de la vanne de refoulement, l'air comprimé arrive dans le vé rin, pousse le piston vers l'extérieur en comprimant le ressort de rap pel, expulse l'air se trouvant dans la cavité à l'arrière du piston par les trous d'évents pratiqués dans la cloison externe, et fait pivoter les axes des augets de 90 . Ceux-ci présentent alors au vent relatif leur face concave pour ceux situés en-dessous de l'axe de la roue, et leur face convexe pour ceux situés au-dessus de cet axe. II s'ensuit un différentiel de tral- née entre le bas et le haut de la roue, donc un différentiel de moments de forces mettant la roue en rotation. A la fermeture de la vanne d'admission d'air comprimé, et à l' ouverture de la vanne de refoulement, l'air contenu dans le vérin se dé tend et s'échappe par le canal axial d'essieu sous l'action du ressort de rappel sur le piston. L'air extérieur pénètre alors à nouveau dans la cavité arrière du piston par les trous d'évents de la cloison externe, et les axes d'au- gets pivotent de 90 en sens inverse, ramenant le dispositif en position neutre, les augets présentant au vent relatif une même face convexe. Le dispositif est alors prêt pour un nouveau cycle d'ouverture. Afin de permettre un pivotement des axes d'augets de 90 ,1a course du piston de vérin est égale au 1/4 de la circonférence primiti ve de chaque pignon d'engrenage solidaire de chaque axe d'auget. Il est évident que le module de denture doit être le même pour les pignons que pour les crémaillères. Les axes d'augets sont équipés, à l'extérieur des roulements, de bagues d'étanchéité à lèvres, protégeant le dispositif de l'ingestion d'eau et de poussières. L'étanchéité du vérin est assurée par le joint de piston à fai ble coefficient de frottement, et par un joint torique interposé entre la paroi de la jante et celle du moyeu lui-même étanche. Cette disposition permet l'absence totale de contact entre la partie fixe constituée par l'essieu à axe creux et son écrou sécurisé de blocage, et la partie rotative constituée par le dispositif selon l'in vention, celui-ci tournant entièrement, vérin compris, en même temps que la jante et le moyeu. Le guidage longitudinal et le maintien transversal du piston de vérin sont assurés par la polygonalité de sa section et de celle de son carter et de son joint. Les butées de course du piston sont assurées par 1e contact a vec la paroi externe du moyeu dans la position fermée, et par le contact avec la paroi externe du dispositif dans la position ouverte. Selon des modes particuliers de réalisation, -La partie du dispositif selon l'invention supportant le vérin, les roulements d'axes d'augets, les joints et le ressort de rappel, est partie intégrante de la jante de roue, obtenue par moulage puis usinage des logements de constituants mécaniques. -Cette même partie du dispositif selon l'invention est construi te indépendamment de la jante, et rapportée sur celle-ci ou sur le moyeu dont elle est rendue solidaire par fixations sécurisées. -Les axes d'augets ne sont pas radiaux, donc perpendiculaires à l'axe de rotation de la roue, mais parallèles à celui-ci, le pivotement des augets s'effectuant par roulements-butées et vis-écrou à pas rapide. -Le dispositif selon l'invention ne dépasse pas du plan formé par les flancs des pneumatiques. Cette solution, bien que moins efficace sur le plan aérodynamique, présente l'avantage de ne pas nécessiter de supplément de place dans les logements de train existants, permettant ainsi la modification des trains non pourvus de dispositifs selon l'in vention sans qu'il soit nécessaire de modifier également la structure des puits de trains. -Le dispositif selon l'invention est situé dans un plan externe à celui formé par les flancs des pneumatiques. Cette solution est bien plus efficace sur le plan aérodynamique, mais nécessite que l'étude de la structure des puits de trains tienne compte du supplément d'encombre ment que celà impose. -Le dispositif selon l'invention est extractile-rétractile, c'est â dire qu'en position ouverte, les augets dépassent du plan formé par les flancs des pneumatiques, et qu'ils se trouvent à l'intérieur de ce plan en position fermée. Cette solution, alliant les avantages de l'encombre ment diminué et de l'efficacité augmentée, n'exclut cependant pas les risques de pannes, et nécessite donc elle aussi, par sécurité, un espace supérieur dans les puits de trains. -Le vérin de commande du dispositif selon l'invention est hydrau lique. Cette solution implique une pompe et un circuit d'alimentation sé parés, par sécurité, et présente des risques de fuites plus conséquents. -Le vérin de commande du dispositif selon l'invention est élec trique. Cette solution n'est souhaitée par aucun constructeur, car la multiplication des circuits électriques augmente toujours les risques de courts-circuits, donc d'incendie. -La commande du dispositif selon l'invention est électromagnéti que. Cette solution allie les inconvénients de la précédente aux risques de perturbation des instruments de bord. -La commande du dispositif selon l'invention est directement mé- canique,par tringles, guignols de renvois, glissières axiales d'essieux, butées à billes, sur avions de tourisme par exemple. Mais celà ne présen te pas de grand intérêt à ce niveau. Le calibrage dimensionnel, l'optimisation de la forme à donner aux augets pivotants, l'étalonnage des ressorts de rappel, etc...doivent être effectués en soufflerie, à l'aide de modèles ou maquettes dont les dimensions et la masse, donc l'inertie, correspondent au type de train d'atterrissage étudié par le constructeur pour équiper un type d'appareil bien défini. Ceci en fonction des paramètres d'atterrissage (vitesse d' approche, V.M.C., vent de travers maxi admissible, etc...). Ces essais doivent également déterminer une valeur maximale de vent relatif à partir de laquelle le dispositif selon l'invention doit être purement et simplement désactivé par 1e pilote commandant de bord, informé dès les premiers contacts avec la tour de contrôle de la vitesse et de la direction du vent au sol. En effet, lors d'un atterrissage par fort vent de face, il ne faut en aucun cas que la vitesse périphérique des roues de train en pha- se aérienne finale soit supérieure à celle qu'elles auront après contact avec le sol, ce qui induirait un moment à cabrer de l'appareil, et des contraintes anormales au niveau des jambes de train. Ces essais doivent en outre déterminer une valeur "temps optimal de mise en rotation@des roues", de façon à fixer la hauteur sol à laquel le le système doit être activé, la pente en approche finale étant cons tante. Cette activation doit être de préférence automatique (en conser vant toutefois une possibilité de désactivation manuelle), car c'est en phase atterrissage, et en particulier en finale, que la charge de travail et le soutien d'attention de l'équipage sont le plus intensément solli cités. A cet effet, il est souhaitable, puisque la majorité des appa reils modernes en est équipé, de prévoir un couplage au radioaltimètre de la commande d'activation du dispositif selon l'invention, à une hau- teur-sol préprogrammée. La commande de désactivation peut quant â elle, être manuelle, mais doit impérativement être couplée à la (aux) manet te (s) de puissance, afin que la vanne de prélèvement d'air comprimé au niveau des compresseurs se referme automatiquement en cas de remise des gaz. Le dispositif selon l'invention doit être équipé d une sécuri té interdisant son activation unilatérale au niveau du train principal, car le fait que les roues soient en rotation d'un côté et fixes de l'au tre déséquilibrerait l'appareil lors du contact avec le sol. Dans tous les cas, le dispositif selon l'invention doit être relié au tableau de bord de l'appareil par commutateur redondant auto/ manuel, voyants et alarme. Le supplément de trainée induit par l'ouverture du dispositif selon l'invention est d'autant plus négligeable que l'appareil sur le quel il est adapté est lourd et rapide en approche. Par contre, on peut considérer que le dispositif selon l'inven tion diminue légèrement la trainée imputable au train d'atterrissage du rant toute l'approche avant activation, par effet "enjoliveur", par rap port à un train non équipé. La position habituelle du train d'atterrissage par rapport aux entrées d'air des moteurs et aux dispositifs hypersustentateurs fait qu' il n'y a aucun risque que les turbulences occasionnées par l'ouverture du dispositif selon l'invention perturbent leur fonctionnement normal. I1 convient toutefois d'en tenir compte si des organes aérodynamiques sont situés à proximité du train d'atterrissage (prises d'air de conditionne- ment de cabine, prises d'air extérieur d'instruments, etc...), ce qui est souvent le cas à l'avant de l'appareil sous le fuselage. Afin de préserver l'étanchéité de la chambre de vérin du dis positif selon l'invention, il est préférable de prévoir l'interposition, entre la prise d'air comprimé au niveau des moteurs et la vanne d'ali mentation, d'un limiteur de pression taré à une valeur à peine supérieu re à celle nécessaire pour vaincre la résistance du ressort de rappel, et des forces de frottement des joints. Le dispositif selon 1 invention peut, a fortiori, être utilisé sur des appareils à train d'atterrissage fixe, à condition que celui-ci ne soit pas caréné, ou bien qu'il ne le soit que partiellement, ou bien encore que le carénage participe lui-même aérodynamiquement au fonction nement du dispositif, par exemple en ne laissant apparaître que la par tie basse des augets. De toute évidence, les éléments constitutifs du dispositif se lon l'invention doivent être construits dans des matériaux à la fois les plus légers et les plus résistants possible, 1e devis de masse supplé mentaire ne devant pas excéder quelques kilogrammes pour un train d'at-_ terrissage principal de gros porteur, par exemple. Afin de disposer d'une marge de sécurité importante, les orga nes constitutifs des trains d'atterrissage d'avions (tourillons d'arti culations, jambes de trains, amortisseurs, vérins de manoeuvre, verrous, etc...) sont toujours surdimensionnés et étudiés pour travailler en sous capacité : ils peuvent donc, a priori, supporter ce faible supplément de masse sans modification majeure de conception générale par rapport aux trains conventionnels. Il convient toutefois de tenir compte, dans le choix des maté riaux de construction (alliages légers, matières plastiques, composites, etc...) des écarts extrêmement importants de températures que doivent su bir les trains d'atterrissage dans leurs logements non pressùrisés, en fonction de l'altitude de croisière et des changements de latitudes. Les dessins annexés lustrent l'invention -La figure 1 (Planche 1/3) représente l'agencement général d'une variante du dispositif selon l'invention sur un diabolo de train. -La figure 2 (Planche 2/3) représente une vue en coupe partielle du dispositif selon l'invention en position ouverte. -La figure 3 (Planche 2/3) représente une vue en coupe partielle du dispositif selon l'invention en position fermée. -Lafigure 4 (Planche 2/3) représente une vue en coupe partielle du vérin de commande du dispositif selon l'invention. -La figure 5 (Planche 3/3) représente le principe de fonction nement du dispositif selon l'invention sur une roue de train vue de face. -N.B.: Les éléments déjà connus, donc faisant partie du domaine public, lorsqu'ils sont représentés, ne sont pas répertoriés, à l'excep tion de ceux participant au dispositif selon l'invention. Le système d'a limentation et de refoulement, lui aussi du domaine public, n'est pas re présenté. La variante choisie pour les dessins est celle dans laquelle les augets pivotants sont situés à l'intérieur du plan formé par les flancs des pneumatiques. L'air comprimé arrive par l'orifice de distribution (1), suit le canal axial (2) d'essieu (3), pour aboutir dans une chambre étanche cons tituée par la paroi externe du moyeu (4), la jante (5), le piston (7), le joint de piston (8), et le joint torique (6) entre jante (5) et moyeu (4). Sous l'action de cet air comprimé, le piston (7) est poussé vers l'extérieur, comprimant le ressort de rappel (9), faisant agir les cré maillères (10) dont il est solidaire sur les pignons d'engrenage (11) eux-mêmes solidaires des axes (13) d'augets pivotants (20), provoquant leur rotation de 90 , et chassant l'air se trouvant dans la cavité à lar- rière du piston (7) par les trous d'évents (19) pratiqués dans la cloi son externe du dispositif (5), qui sert également de butée au piston (7). Les augets pivotants (20) présentent alors au vent relatif leur face concave pour ceux situés au-dessous de l'axe de la roue, et leur fa ce convexe pour ceux situés en-dessus de cet axe. Le différentiel de tramée entre ces deux parties engendre un différentiel de moments de forces, mettant la roue en rotation. A l'inverse, dès la fermeture de la vanne d'admission d'air com primé et l'ouverture simultanée de la vanne de refoulement, l'air contenu dans la chambre étanche s'évacue par le canal axial (2) d'essieu (3) et l'orifice de distribution (1), l'air extérieur pénètre à nouveau dans la cavité à l'arrière du piston (7) par les trous d'évents (19) pratiqués dans la cloison externe du dispositif (5), ceci sous l'action du ressort de rappel (9), et les augets (20) pivotent en sens inverse de 90 , pré sentant alors au vent relatif uniquement des faces convexes, neutralisant le dispositif. Les augets pivotants (20), directement solidaires de leurs axes (13), sont rendus solidaires de leur pignon d'engrenage (11) par des goupilles (12) élastiques, ainsi que l'entretoise (14) prenant appui sur les roulements (16) à billes à contact oblique, retenus par une plaque (17) solidaire par vis sécurisées (18) de la jante (5). Des bagues d'étanchéité à lèvres (15), également retenues par les plaques (17), assurent la non pénétration d'eau de pluie et de pous sières à l'intérieur du dispositif. Dans l'exemple non limitatif choisi ci-avant, le dispositif se lon l'invention comporte huit augets pivotants (20), par conséquent le piston (7) de vérin comporte huit crémaillères (10), et sa section exté rieure est octogonale, de même que la partie intérieure du carter (5) sur lequel il glisse. Par contre, la section intérieure du piston (7)est cylindrique, afin de permettre la rotation sans contact autour de l'écrou sécurisé de blocage de moyeu (4) sur l'essieu (3). La partie du carter (5) s'emboîtant sur le moyeu (4) est également cylindrique. Ce mode particulier de réalisation n'est donné qu'à titre d e xemple non limitatif. En résumé, . -Le dispositif selon l'invention permet un accroissement notable de la sécurité à l'atterrissage, par une adhérence quasi immédiate des pneumatiques, même sur piste détrempée ou glissante, une forte diminu tion de l'inévitable élévation de température au contact-sol, une plus grande régularité d'usure circonférentielle des pneumatiques, donc une forte diminution des phénomènes vibratoires. -Le dispositif selon l'invention permet de réduire la fatigue des trains d'atterrissage, des cellules, des moteurs, des systèmes embarqués, peut-être même l'allongement des intervalles entre visites. -Le dispositif selon l'invention permet de réduire la consomma tion de pneumatiques, donc d'abaisser sensiblement le niveau de l'un des postes "achats" les plus douloureux pour les compagnies aériennes, les armées de l'air, les utilisateurs privés, et même les aéro-clubs. -Le dispositif selon l'invention permet de réduire les temps de maintenance de ces exploitants, donc le taux d'attrition des appareils. -Le dispositif selon l'invention apporte un confort indéniable de pilotage en phase atterrissage lors du contact-sol après arrondi, et permet d'atténuer considérablement la courte mais brusque décélération subie par les passagers et le fret à ce même moment. -Le dispositif selon l'invention, de par sa simplicité, ne neces- site que des frais d'étude, de construction, et d'entretien très limités. Dans la mesure où des essais en conditions réelles viennent con firmer les données théoriques, on imagine mal comment, et surtout pour quoi un maximum d'appareils existants ou en projet pourraient ne pas être équipés de trains d'atterrissage munis du dispositif selon l'invention, dans l'une de ses variantes. R E V E N D I C A T I 0 N S 1) Dispositif destiné à mettre en rotation les roues de train d'atterrissage d'avions préalablement à leur contact avec le sol, carac térisé par le fait qu'il comporte, répartie de façon angulairement régu lière autour de l'axe de la roue, une série d'augets (20) de section hémisphérique creuse solidaires de la jante (5) par des axes (13) pivo tant de 90 sous l'action d'un vérin pneumatique également solidaire de la jante (5), dont le piston (7) est équipé de crémaillères (10) en pri se avec des pignons d'engrenages (11) solidaires des axes (13) d'augets (20), ce pivotement leur permettant, en position ouverte, de présenter au vent relatif leur face concave pour la partie des augets (20) située en-dessous de l'axe de la roue, et leur face convexe pour la partie des augets (20) située au-dessus de cet axe, créant ainsi un différentiel de traînée aérodynamique entre le bas et le haut de la roue, donc un dif férentiel de moments de forces, mettant la roue en rotation, et de reve nir en position neutre par l'opération inverse de pivotement à 90 , l'en semble des augets pivotants (20) présentant alors au vent relatif des faces convexes uniquement. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le carter de vérin supportant l'ensemble du dispositif est partie in tégrante de la jante (5). 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le dispositif est construit séparément, et rapporté sur la jante (5) ou le moyeu (4). 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les axes (13) d'augets (20) sont disposés radialement, donc perpen diculairement à l'axe de la roue. 5) Dispositif selon les revendications 1 et 4, caractérisé par le fait que les axes (13) d'augets (20) sont disposés parallèlement à l'axe de la roue. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé par le fait que les augets (20) sont situés à l'in térieur du plan formé par les flancs des pneumatiques. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé par le fait que les -augets (20) sont situés à l'ex térieur du plan formé par les flancs des pneumatiques. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé par le fait que la série d'augets pivotants (20) est extractile-rétractile par rapport au plan formé par les flancs des pneu matiques. 9) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par 1e fait que le système de commande de pivotement des augets (20) est hydraulique, électrique, électromagnétique, ou directement mécanique.