Brevet FR2824884A1 — publié le 20021122

par un décalage de la vitesse de rotation. La présente invention a pour objet un ensemble modulaire et répartiteur de pression, susceptible de nombreuses applications dans des domaines extrémement variés, par exemple chaussures, ordinaires ou orthopédiques, sièges de véhicule automobile de compétition, siage pour pilote d'avion de chasse etc... cette énumération n'étant pas limitative. On sait que, d'une manière très générale, les chocs, pressions, tensions, accélérations et vibrations tendent à produire sur les systèmes fonctionnels, vivants ou inertes, une gamme d'effets nuisibles allant de l'altération des fonctions jusqu'à celle des structures, proportionnellement à l'intensité et à la o durce des contraintes. Le choc à lui seul génère un éventail presque complet de contraintes, d'autant plus intenses que le phénomène est bref par définition, notamment surpression de contact, accélération positive ou négative, onde de choc, tensions de déformation. En l'absence de protection, les effets dommageables i5 d'un choc sont eux-mêmes fonction de divers facteurs tels que: vitesse des éléments antagonistes au moment de l' impact, leurs masses respectives, leurs forces de cobésion, la nature du choc (sec ou mou, élastique ou inélastique...). Pour atténuer les effets d'un choc, il faut: - réduire la vitesse d'impact, c'est à dire freiner - abaisser la surpression de contact - atténuer l'onde de choc. Pour réduire la vitesse d'impact, il est connu de mettre en _uvre des moyens soit élastiques, soit inélastiques, les moyens élastiques présentant des limites d'élasticité, un amortissement et un durcissement progressif.Les :, exemples suivants peuvent être cités: -déformation élastique d'un solide: les ressorts métalliques -compression élastique d'un gaz captif: pneu, air-beg, film à bulles, mousses à alvéoles fermés.. - compression élastique d'un matériau type " gel >: latex, caoutchouc, o polyuréthanne, polyéther etc, plein ou à alvéoles ouverts. Les dispositifs élastiques sont les plus utilisés parmi les dispositifs d'amortissement. Ils sont efficaces et d'une mise en _uvre simple, mais par contre entranent un rebond, des oscillations et un durcissement progressif. Les moyens inélastiques peuvent être mis en _uvre par friction (freins de véhicules, amortisseurs à friction...), par résistance à l'écoulement d'un fluide (amortisseur hydraulique ou hydropneumatique, parachute..), déformation visqueuse, pâteuse, granulaire (sol terreux de champ de course, de terrain de s sport, sac de sable anti-projectiles...), déformation d'un solide (zone d'impact déformable des carrosseries de véhicules..). Ces moyens inélastiques ne présentent pas de phénomènes de rebond ou d' oscillations élastiques, mais leur absence de rappel implique une persistance de la déformation, ce qui rend le moyen inefficace contre les chocs répétitifs. o Pour abaisser la surpression de contact, il existe deux possibilités apparemment contradictoires mais en réalité complémentaires: - déformer l'un des éléments au moment du choc grâce à un dispositif déformable tel qu'une matelassure en mousse par exemple; - interposer un écran rigide, morphologiquement adapté et pratiquement s moulé à la face exposée à l' impact, tout en étant suffisamment rigide pour répartir la pression ponctuelle sur toute la surface possible et avec le minimum de déformation: armure, bouclier, casque, gilet pare-balle Enfin pour atténuer l'onde de choc, il est connu d'accro^tre l'inertie, ou de mettre en _uvre une déformation inélastique ou visco-élastique. o Un exemple de moyen naturel de déformation visco-élastique est la pelote charnue du talon, formée d'un mélange complexe de tissu condonctif visco déformable à résilience lente, et de fibres élastiques extensibles à résilience rapide. Cette pelote constitue un amortisseur visco- élastique naturel particulièrement efficace, mais difficile à reproduire artificiellement. Résistance à l'écoulement d'un fluide: au contact du sol, le sang de la pelote calcanéenne reflue, avec une certaine résistance, vers la périphérie de la zone d'appui, créant un effet d'amortissement appréciable, mais là encore difficile à reproduire. Il a toutefois été proposé de réaliser une semelle contenant un gel qui peut se déplacer à travers une communication de section o réduite entre deux compartiments étanches disposés, I'un à l'avant et l'autre à l'arrière d'une semelle intérieure de chaussure. On connat également des matériaux visco-élastiques dont l'originalité consiste dans leur élasticité lente ou molle, et dont la première phase de la déformation est assimilable à celle d'un matériau visqueux, tandis que la phase suivante évolue progressivement vers un comportement élastique. Ces matériaux présentent des avantages ( efficacité réelle contre les ondes de choc, les vibrations mécaniques et les oscillations des amortisseurs élastiques dont ils améliorent sensiblement les performances) , mais aussi des inconvénients: grande amplitude de déformation, lenteur de rappel. Ces inconvénients confinent l'emploi de ces matériaux à la protection contre les ondes de choc et les vibrations mécaniques de basse fréquence de répétition. L'invention a pour but de proposer un ensemble modulaire adapté pour to mettre en _uvre de façon judicieuse un amortissement et une répartition de pression, préoccupations majeures notamment pour les spécialistes de la fonctionnalité du pied. Conformément à l'invention, I'ensemble modulaire amortisseur et répartiteur de pression comprend, en combinaison, un premier module s contenant un matelas de particules répartiteur de pression, et un second module élastique amortisseur superposé sur ledit matelas, ce second module étant destiné à subir une contrainte mécanique telle qu'un choc, une pression, une tension, une accélération ou des vibrations, dont la pression peut être amortie puis répartie sur le premier module. o Suivant un mode réalisation avantageux, ces particules peuvent être sphériques, avec un diamètre compris entre par exemple environ 200,um et plusieurs millimètres. Un tel matelas de particules, de caractéristiques appropriées à leurs diverses utilisations possibles, réalise un compromis avantageux entre l'effet de :, répartition de pression par la fluidité du matériau particulaire, et l'effet d'amortissement c'est à dire l' atténuation de l' impact. Dans le cas d'une application de cet ensemble modulaire à une chaussure, le matériau particulaire moule en temps réel les transformations de la surface plantaire pendant tout le processus de déroulement du pas depuis le o poser du talon jusqu'à la phase d'appui digital. De plus, ce matériau atténue l' impact du pied sur le sol par sa résistance à la déformation, assurant ainsi un freinage efficace et progressif. D'autres particularités et avantages de l' invention appara^tront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent deux formes de réalisation à titre d'exemples non limitatifs. - La Figure 1 est une vue en élévation et coupe longitudinale partielle d'une s chaussure selon un premier mode de réalisation de l' ensemble modulaire visé par l' invention. - La Figure 2 est une vue en coupe transversale de la chaussure de la Figure 1. - La Figure 3 est une vue en coupe transversale d'une chaussure selon un o second mode de réalisation de l'ensemble modulaire visé par l'invention. On voit aux Figures 1 et 2 une chaussure 1 équipée d'un ensemble mod ulaire amortisseur et répartiteu r de pression selon l' invention. La chaussure 1 comporte une semelle- cuvette 2 délimitant trois faces d'un " contenant et dans laquelle sont logés les deux modules: s - ie premier module 3 contenant un matelas de particules répartiteur de pression - et le second module 4 élastique amortisseur, constitué d'une membrane en tissu élastique résistant ou en tout autre matériau en feuille, perméable ou non; cette membrane élastique superposée sur le matelas 3, constitue la quatrième face, supérieure, de 1'ensemble modulaire et est destinée à recevoir l'appui de la surface plantaire sur toute sa longueur. Les particules sont avantageusement des micro- sphères d'un diamètre compris par exemple entre 200 um et plusieurs millimètres, choisies en un matériau de caractéristiques appropriées (état de surface, coefficient de friction ) Pendant la marche, la surface plantaire, en commençant par le talon, prend appui sur la membrane élastique 4 et s'enfonce avec souplesse dans la matelas 3 de micro- sphères. Ce dernier, du fait de sa fluidité, répartit cette pression locale de façon homogène sur toute la surface plantaire pendant le o déroulement complet du pied au sol. La déformation fluide produite par la pression du pied s'équilibre en continu avec la résction élastique du contenant tout entier, la déformation iocale en volume ayant pour limite la capacité de déformation totale dudit contenant 2. Au repos, c'est à dire entre deux appuis, le rappel élastique de la membrane 4 tend à ramener le système à 1'état initial. L'épaisseur du matelas 3 de micro- sphères peut être déterminée par des essais corrélés de contenant et de contenu (3,4). Le principe de fonctionnement de 1'ensemble modulaire ci-dessus n'est pas affecté par la nature rigide ou souple des micro- sphères utilisées. La courbe d'amortissement, par contre, s'en trouve modifiée. Les particules sphériques du matelas 3 sont choisies en un matériau déformable ou non, ayant un coefficient de friction et une densité appropriés à to l'utilisation de l'ensemble modulaire. L'ensemble modulaire visé par l' invention est applicable à de nombreuses utilisations autres que les chaussures: par exemple à des matelas pourvus d'un rembourrage formé par ledit ensemble modulaire, à des sièges domestiques ou de bureau, des matelassures de selles équestres (côté cheval s et côté cavalier) ou cyclistes, à des poignées et bandoulières de portage etc... Pour certaines applications, dont celles citées, il est intéressant de limiter la migration des micro- sphères à l'intérieur du premier module, lequel est alors pourvu de moyens adaptés à ce but. Ces moyens peuvent comprendre, soit des cloisons souples dépendantes d'une enveloppe externe du premier module o ainsi divisé en compartiments contenant les particules, soit des coussins individuels contenant les particules en quantités respectives appropriées. Les cloisons peuvent être élastiques ou non, et perméables ou non aux micro- sphères. Les coussins individuels ou " micro- coussins " ont des formes, volumes, structures... adaptés pour chaque application. Ils peuvent contenir des micro- sphères homogènes ou en mélange. On peut aussi mélanger, au sein d'une même application, des coussins de taille, de propriétés et de contenu différents. Pour les utilisations mentionnées ci-dessus, la sphère est la géométrie préférentielle des particules, en raison de la fluidité d'une masse de particules o sphériques. Le choix de son diamètre prend en compte l'échelle de l' objet à protéger et le rendement du système de protection recherché, qui ne doit pas être affecté de façon sensible par la variation du diamètre des sphères, du moins en ambiance atmosphérique. C'est ainsi que l'on parvient à une fourchette préférentielle d'environ 200 um à quelques mm de diamètre. Ces particules sphériques doivent présenter une résilience, un coefficient de friction et une plasticité appropriés. La résilience est une condition sine qua non, car toute déformation permanente paralyserait le système. Le coefficient de friction est lié à la nature et à l'état de la surface: certains matériaux tel le caoutchouc adhèrent spontanément à de nombreux matériaux, et leur coefficient de friction est peu approprié à l'ensemble modulaire visé par l'invention. D'autres, comme le PTFE ( " Téflon ") ou le graphite, sont o antiadhésifs et lubrifiants par nature, donc susceptibles d' amplifier la fluidité d'un ensemble de micro- sphères. Enfin, plus la surface est lisse et plus la friction est faible. La plasticité est liée au caractère déformable ou non des micro- sphères. Si elles sont non déformables, le comportement fluide de l' ensemble est sous le , contrôle direct du coefficient de frottement. Cette formule peut être utilisée telle quelle pour des applications nécessitant exclusivement un effet de répartition de pression, ou bien en association avec un dispositif d'amortissement. Si les micro- sphères sont déformables élastiquement, il y a conservation de la quantité de mouvement. La fluidité globale devrait donc être conservée o jusqu'à un niveau appréciabie de déformation des microsphères, I'accroissement de leur surface de contact étant compensé par l'abaissement de la pression qu'elles échangent. Par contre cette déformation élastique est fructueuse pour l'amortissement, car la phase de déformation fluide collective est suivie d'une :> phase de déformation élastique individuelle en compression, avec imbrication des micro- sphères. Cette imbrication doit induire un retard d'échappement (par désimbrication) dans la phase de rappel élastique, bénéfique pour l'amortissement. Par ailleurs la fluidité résiduelle doit corriger en simultané les effets o gênants de surpression - iiés au durcissement progressif - et de rappel, dont souffrent les procédés d'amortissement élastique. La densité a son importance dans la majorité des applications " mobiles " de l'invention, celles destinées à la compétition par exemple, car la masse, donc l'inertie, sont défavorables aux performances. La composition du matériau choisi doit être corrélée aux essais de structure: métaux, métailodes, céramiques, carbone, polymères organiques ou inorganiques sont a priori appropriés. Egalement la structure (microsphères pleines ou creuses, homogènes, composites ou multicouches, à noyau dur, s souple, visqueux ou gazeux, à enveloppe extensible ou inextensible..) et l'environnement (gazeux, liquide à faible ou fort indice de viscosité, constitué d'eau, d'huile, de gel...) sont des facteurs à prendre en considération. La Figure 3 illustre un second mode de réalisation de 1'ensemble modulaire visé par l' invention, dans lequel ledit ensemble comporte en outre to des moyens pour mettre sous vide le premier module contenant le matelas de particules, ce premier module étant étanche et souple. En effet il est intéressant, pour certaines applications, de pouvoir modifier l'état et la dynamique d'un ensemble donné de particules, à volonté et de façon rapide s i nécessai re sel on les m oye ns m is en _uvre, p ropo rtion nel le, la pression régnant dans le contenu étant fonction du dogré de dépressurisation, et réversible par simple ouverture d'une vanne de re-pressurisation. Dans l'exemple de réalisation de la Figure 3, on voit une chaussure 5 en coupe transversale au niveau du cou-de-pied. La matelassure, comportant un matelas 8 de particules, est insérée dans une semelle- cuvette 6 dans la paroi o de laquelle est disposée une valve 7. Cette dernière permet de mettre en communication l'intérieur du premier module formé par un coussin étanche intérieur à la semelle - cuvette 6, avec une pompe à vide non représentée, munie d'un embout adapté à la valve 7. La pompe à vide est équipée de moyens de réglage du degré de vide ou s de dépressurisation souhaité pour le matelas 8 de particules. Le second module 9 est souple, extensible, perméable à 1'air et superposé sur le matelas 8 du premier module. Le matelas 8 constitue un coussin inférieur à dépressurisation réglable, tandis que le coussin supérieur 9, amovible dans cette réulisation, sert d' appoint pour l' amortissement et la o répartition de pression. En outre, sa structure aérse participe activement à la ventilation de la surface plantaire. Le contenu et le contenant de chacun des coussins sont choisis en fonction des contraintes et objectifs particuliers de chaque utilisation considérée, et éventuellement adaptés aux besoins de chaque utilisateur, athiète de haute compétition, professionnel du sport ou amateur exigeant. Le fonctionnement de l'ensemble modulaire de la Figure 3 est le suivant: 1) L'utilisateur est de préférence en position assise. Après avoir retiré le coussin supérieur 9, il enfile normalement la chaussure 5, puis prend appui modérément sur un pied (le demi- appui permet d'éviter d'imprimer dans le coussin inférieur l'effet d'écrasement de l' arche plantaire, et de ce fait d' offrir au pied un meilleur appui fonctionnei personnalisé). Le relief de la surface plantaire de l'utilisateur s'imprime facilement dans le coussin inférieur 8. o 2) L'utilisateur procède alors à la dépressurisation du coussin ou matelas de particules 8 à 1'aide de la pompe à vide, puis replace le coussin supérieur 9. La chaussure 5 est prête à 1'emploi, et le relief de sa matelassure correspond parfaitement à celui du pied de l'utilisateur, lequel peut à tout moment renouveler l'opération ou bien régler à sa convenance le degré de dépressurisation, dont la valeur s'affiche sur le dépressiométre de la pompe à vide. Dans le cas o le pied de l'utilisateur exige une surface d'appui de type orthopédique, il est possible d'introduire dans la chaussure, en lieu et place du pied, une forme dont le dessous, médicalement moulé et aménagé, viendra o imprimer son relief dans la matelassure, qu'il suffit alors de dépressuriser pour la stabiliser. Le principe de cette version peut, par extension, être appliqué à la confection de semelles d'essai ou de traitement pour l'orthopédie. Ce procèdé, assimilable au moulage, peut en cas de fort déficit fonctionnel, être étendu au s pied tout entier et, pour les amputés, aux zones de contact, particulièrement critiques, des prothèses de marche. Le double effet recherché étant une bonne fluidité du contenu à pression am biante et u ne bon ne stabilité de la forme après mise sous vide, les m icro sphères peuvent avantageusement être remplacées par des particules o " imbricables " convenant mieux aux objectifs de ces applications. Ces particules peuvent être par exemple des cubes à sommets et arêtes arrondis, ou des sphères à facettes, qui sont profilées pour pouvoir être imbriquéss les unes dans les autres après mise sous vide du premier module. Ce premier module peut être constitué d'un groupe de coussins à enveloppe étanche et souple. Ces coussins peuvent de plus inclure des micro coussins pour empêcher l'écoulement des particules vers le bas par gravité, eV ou comportent des cloisons souples, perméables aux gaz. s De nombreuses autres applications de l'ensemble modulaire de l' invention sont possibles: ainsi ce système dépressurisable peut s'appliquer à l'ergonomie de nombre d'objets: poignées de pilotage, outils, accessoires de sport, notamment de frappe (raquettes, clubs, battes, maillets etc...) et ce en coexistence avec la réalisation à micro- sphères " atmosphériques " décrite o précédemment. D' autres utilisations possibles sont constituées par l' application à la structure d'un siège de pilote de chasse - ou d'avion civil - ou de véhicule de compétition automobile. Ce type de siage doit être conçu autour des contraintes critiques d'accélération (mesurées en g) que subit le pilote, spécialement de s chasse, à chaque variation de vitesse et de direction. Le rôle du siège est- ou doit étre: - d'accueillir la pression de toute la partie postérieure et hémilatérale du corps, et de répartir uniformément cette pression sur la plus grande surface possible pendant les accélérations axiales; o - de maintenir le pilote dans la position de pilotage optimum et de s'opposer à ses déplacements quand il subit les accélérations tangentielles ou centrifuges causées par les changements de trajectoire ou d'assiette. Pour cette application, le dispositif est constitué par exemple d'un groupe de coussins à enveloppe étanche et souple, associés à la structure réglable du siège, ces coussins pouvant comporter des parties extensibles et fonctionner ensemble ou individuellement. Les coussins, notamment ceux du dossier, peuvent inclure des cloisons souples, perméables aux gaz eVou contenir des micro- coussins pour empêcher l'écoulement des particules vers le bas par gravité. JO L'ensemble modulaire selon l' invention est aussi utilisable comme dispositif de secours aux accidentés victimes de fractures: il comprend alors deux contenants ou plus, formant ensemble, après dépressurisation, une coque autour de la partie à immobiliser. La finalité de cette application étant la répartition de pression et particulièrement l'immobilisation du blessé pour son transport, plus que l'amortissement, le contenu sera, de préférence, constitué de particu les rig id es, pl us ou moins im b ricables m utue llement. Ce système de contention peut être conçu pour une zone du corps, un membre ou encore le corps tout entier. Il comporte alors, en vue du transport, une partie rigide intégrant, par exemple, une civière ou un caisson. Il peut être intéressant de gonfler certains coussins dépressurisables pour améliorer la " prise d'empreinte " avant dépressurisation eV ou parfaire le calage et le positionnement du blessé. L' invention est susceptIble de nombreuses variantes d'exécution. o Ainsi chaque module peut être divisé en sous- modules; plusieurs types de particules de densités voisines, mais de forme, de taille et de propriétés physiques différentes peuvent être mélangés en toutes proportions, ceci afin d'obtenir par leur complémentarité une réponse appropriée aux contraintes et objectifs d'une application donnée. Par exemple des micro- sphères rigides et creuses peuvent être mélangéss avec des micro- sphères élastiques à noyau visqueux, ou bien des microsphères élastiques à noyau rigide avec des particules visco-élastiques imbricables etc... Le contenu est donc constitué d'un ensemble de micro modules:les particules elles - mêmes. o Le contenant peut lui aussi être moduiaire, chacun des sous- contenants pouvant lui- même être libre ou divisé par des cloisons, perméables ou non aux particules... REVENDICATIONS 1) Ensemble modulaire amortisseur et répartiteur de pression, caractérisé s en ce qu'il comprend en combinaison, un premier module (2,3;6,8) contenant un matelas de particules répartiteur de pression, et un second module élastique amortisseur (4,9) superposé sur ledit matelas, ce second module étant destiné à subir une contrainte macanique telle qu'un choc, une pression, une tension, une I0 accélération ou des vibrations, dont la pression peut être amortie puis répartie par le premier module. 2) Ensemble modulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules sont sphériques. 3) Ensemble modulaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le s diamètre des particules sphériques est compris entre environ 200,um et plusieurs millimètres. 4) Ensemble modulaire selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les particules sphériques sont choisies en un matériau déformable ou non, ayant un coefficient de friction et une densité o appropriés à l'utilisation dudit ensemble modulaire. ) Ensemble modulaire selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel les particules peuvent subir une migration à l'intérieur du premier module, caractérisé en ce que ledit premier module est pourvu de moyens pour limiter la migration des particules. s 6) Ensembie modulaire selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent, soit des cloisons souples dépendantes d'une enveloppe externe du premier module ainsi divisé en compartiments contenant les particules, soit des coussins individuels contenant les particules en quantités respectives appropriées. o 7) Application de l'ensemble modulaire selon l'une des revendications 1 à 6 à l'une des utilisations suivantes: - chaussure dans laquelle le premier module (2,3;6,8) est incorporé à une semelle de la chaussure, et le second module (4;9) constitué par une feuille élastique résistante, est disposé sur le premier module; - matelas pourvu d'un rembourrage formé par ladit ensemble; - siège domestique ou de bureau; - matelassure de selle équestre, cycliste; - poignée et bandoulière de portage. s 8) Ensemble modulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour mettre sous vide le premier module (6,8) contenant le matelas (8) de particules, et en ce que le premier module est étanche et souple. 9) Ensemble modulaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que to les particules sont profilées pour pouvoir être imbriquées les unes dans les autres après mise sous vide du premier module (6,8), et sont constituces par exemple par des cubes à sommets et arêtes arrondis, ou par des sphères à facettes. ) Ensemble modulaire selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le premier module est constitué d'un groupe de coussins à enveloppe étanche et souple. 11) Ensemble modulaire selon la revendication 10, caractérisé en ce que les coussins incluent des micro- coussins pour empêcher l'écoulement des particules vers le bas par gravité, eVou comportent des cloisons o souples, perméables aux gaz. 12) Ensemble modulaire selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de mise sous vide comprennent une valve (7) disposée sur l'enveloppe (6) du matelas (8) du premier module, et adaptée pour pouvoir être reliée à une pompe à vide s extérieure, équipée de moyens de réglage du degré de vide ou de dépressurisation du matelas. 13) Application de i'ensemble modulaire selon la revendication 12 à une chaussure (5), notamment de compétition, dans laquelle le premier module est logé dans une semelle - cuvette (6), dans la paroi de o laquelle est placée la valve (7) afin de pouvoir être raccordée à la pompe à vide, et le second module (9) est souple, extensible et perméable à l'air et superposé sur le matelas (8) du premier module. 14) Application selon la revendication 13 d'un ensemble modulaire pour chaussure orthopédique, dans laquelle une forme médicalement amAnage Dent d'abo impMmer son mbef dans le mass du palmer module, apes quoi ce demur peut m Ill dans congurabon par Mae sons de. ) Application de l'ensemble modulaim salon l'une quelconque des revendicadons 8 12 la sours d'un slAge de pilots d'avion de chase ou de adobe de Plop, ou Dun dlspos#K de tnspo de basso.