Brevet FR2837250A1 — publié le 20030919

des exLrmiLs du segmenL (10). 1 2837250 B REVET TITRE: RESSORT HELICOIDAL COMPOSITE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE. Etat de la technique. Les ressorts helicodaux vent a la base de nombreuses applications en mecanique. Ils vent regulierement realises a base de fils d'acier ou de titane enroule en spirale. Ces materiaux isotropes ont une susceptibilite a l'entaille tres importante, si bien qu'un ressort peut avoir une rupture catastrophique tres rapide apres entaille, attaque chimique ou oxydation locale. De plus, les ressorts metalliques vent relativement lourds et la tendance actuelle de reduction des masses non suspendues, en suspension automobile, implique un progres technologique. Les ressorts acier vent en butee de developpement. Enfin, les ressorts acier ont tendance a entrer en resonance, assez aisement, suivant la frequence d'excitation qu'on leur applique. Des tentatives de realisations de ressorts helicodaux composites ont ete faites en vue de reduire la masse et d'ameliorer la tenue en fatigue de cet element de securite. Wiles vent infructueuses a ce jour. Solution technique proposee. Nous proposons ici, une geometric de ressorts helicodaux optimisee, ainsi qutune methode de realisation simplifiant la fabrication. L'invention consiste a creer des ressorts helicodaux fabriques a ['aide de materiaux composite dont ['orientation des fibres est optimisee pour prendre en charge les contraintes de cisaillement (partie unidirectionnelle centrale 2) et les contraintes des couples (partie guipee peripherique 3), (guipage effectue autour de l'axe 1 sur la 25. partie centrale 2). De tels ressorts ont des tenues en fatigue exceptionnelles, une excellente resistance a l'entaille et une masse extremement faible par rapport a un ressort metallique equivalent. De plus, du fait de leur falble masse, de tels ressorts vent difficiles a exciter et leur frequence de resonance peut etre tres elevee par rapport a celle d'un ressort acier. Description du contenu des figures. À La figure 1 montre un ressort helicodal composite simple (c'est a dire en helice cyli ndrique) naturel lement les ressorts dits en n id et en hypo de ou tout autre forme de geometric globale est envisageable. - 1: Axe dufil - 12: Fil - 2: Partie centrale du fil (ame) - 3: Partie peripherique du fil (ecorce) - 6: Axe de l'helicoTde À La figure 2 montre une vue en coupe du fil 12. 2 2837250 On observe l'axe du fil 1, la partie centrale 2 et la partie peripherique 3. À La figure 3 montre une vue de la surface du fil 12. On observe l'axe 1 du fil, la couche 3 de composite qui est enroulee en helice autour de la partie centrale 2 et done de l'axe 1. On note que la couche 3 a un angle d'enroulement 7 de ses fibres par rapport a l'axe 1. À La figure 4 montre une vue de cote de la partie centrale 2. On observe les fibres 5 du composite preferentiellement alignees avec l'axe 1 fils unidirectionnels (UD). À La figure 5 montre un exemple de confection du fil. Apres avoir realise la partie centrale 2 le long de l'axe 1, on enroule par guipage un ruban ou un fil preferentiellement constitue de composite unidirectionnel 8 selon un angle de guipage 7 par rapport a l'axe 1. II est a noter que le guipage, a spires jointives ou non, destine a constituer la couche 3, du fil 12, peut etre constitue par une multitude de couches 3 superposees ou juxtaposees entre elles. La couche 3 est done constituee par une multitude de rubans ou fils de type B preferentiellement tous orientes selon un angle de guipage 7 qui peut varier d'une couche de guipage a la suivante et peut meme comporter des angles negatifs dans certains cas (cas de la traction compression en particulier). Remaroue: Le guipage est preferentiellement realise avec un ruban, un film ou des fils ou une combinaison successive de ces composants deposgs suivants une loi de guipage a spires jointives ou non, mais cela n'est pas obligatoire, I'angle pouvant etre optimise suivant la nature ou la fonction de chaque materiau apporte. Une fois le fil 2 confectionne. On peut faire roter l'axe 1 du fil 2 dans le sens 10 et le deplacer suivant l'axe 11; on peut alternativement, avec la partie 2 fixes, faire tourner le fil ou ruban 8 autour de l'axe 1 pendant qu'on le guipe. On peut combiner une partie des deux solutions. La figure 6 montre le fil 12 apres ou pendant sa fabrication. Le fil 12 est enroule lui- meme en helice d'axe 6 par exemple par rotation 9 au fur et a mesure de la fabrication du fil 12 ou en fin de fabrication de celui-ci. Principe de fabrication. Solution sequentelle. a) On fabrique un fil preferentiellement unidirectionnel 2 rectiligne que lton coupe a la longueur desiree necessaire a la confection du futur ressort en tenant le fil 2 tendu par ces 2 extremites. b) On fait tourner le hl 2 devant une ou plusieurs filieres debitant le ruban 8, les lois de translation 11 et de rotation 10 permettant de regler ['angle de guipage 7. c) Optionnellement, on peut extruder ou gulper a la surface de fil 12, une derriere couche qui peut etre un film par exemple auto adhesif servant a emmailloter le fil et a faciliter les operations de formage et de manipulation suivantes. d) De fa,con a simplifier le procede (voir Fig. 12 A & 12 B) au lieu de constituer le fil 12 de deux sous ensembles, a savoir une partie unidirectionnelle 2 et une partie guipee 3. On peut obtenir une structure equivalente en vrillant selon l'axe 1 un fil unidirectionnel unique occupant les fonctions de 2 et de 3. 3 2837250 Remaroue: Fil unidirectionnel unique ne veut pas forcement dire d'une structure interne simple. Le vrillage dans le sens 10 assure la mise en helice des fils. La figure 12A montre le fil 12 avant vrillage et la generatrice ABA' rectiligne. Apres vrillage, Figure 12B, dans le sens 10, on volt que la generatrice ABA' a desormais une forme helicodale. Remarque: La meilleure solution pour obtenir une telle structure parfaite est de faire tourner la ou les filieres ou extrudeuses qui alimentent le fil 12 dans le sens inverse a 10. L'avantage de ce procede est que la ou les filieres auront une vitesse differentielle entre les fils peripheriques et centraux juste parfaite et qu'une seule famille de filiere rotative confectionnera directement le fil complet vrille sensiblement equivalent a un fil comportant du guipage. e) Apres une ou plusieurs couches de guipage jointives ou non, on dispose d'un fil 12 complet comprenant le fil axial 2 entoure de son guipage 3 ou de fil visse sur lui-meme 12 comme decrit ci dessus. fl On l'enroule alors en helice d'axe 6. Preferentiellement a I aide d'un mandrin (13 male ou 18 femelle), a gorges 14 ou 16, voir Figure 7 ou sur une chenille de poulies, voir Figure 8, ou de bande(s) transporteuse(s) 27, voir Figures 9, 10, 11 combinees avec des poulies. Ou une combinaison des solutions. Solution discontinue. Description de moyens de moulage fixe. La figure 7 montre un moule 13 constitue d'une partie male 16 porteuse de saignees 14 en spirales 15 d'axe de fil 1, ayant une forme preferentiellement en '/ cercle 14. Preferentiellement, ce moule est complete par un contre moule 18 portent des saignees 16 en helice complementaire a celles du moule 13. Voir la section 17. On peut eventuellement utiliser uniquement une forme exterieure 18. Remaroue: 1) On peut eventuellement juste enrouler le fil 12 en ellipse autour d'une forme (sans saignee) 13 lisse ou a l'interieur d'une forme 18 lisse. Ce dispositif est alors compatible avec une production continue ou discontinue. 2) On peut utiliser des moules de formage 13 ou 18 de forme 16 non cylindrique (de fagon a mouler de ressorts en nid (forme en cauf) ou en diabolo (ressort de forme hypode). 3) Le moule une fois charge est place preferentiellement dans une etuve pour polymerisation. 4) Le moule interieur 13 ou exterieur 18 peut etre une membrane de type sac a vice ou membrane souple caoutchouc silicone ou equivalent connue de l' hom me de ltart ainsi que tout moyen equivalent. 5) Le moule interieur 13 ou exterieur 18 peut etre realisee en materiaux jetables ou recyclable apres polymerisation exemple a sable de fonderie >> , v process, mousse cire perdue, klegecel. Solutions continue. DescripUon des moyens de moulage dynamique. La figure 8 montre un fil 12 d'axe 1 enroule en helice d'axe 6. Pour cela, on utilise une serie de poulies. Par exemple la poulie 20 preferentiellement a gorge 4/ cylindrique 14 et d'axe 19. Ces poulies vent preferentiellement motorisees par des moteurs 25 preferentiellement asservis numeriquement ou elles peuvent etre montees folles. On peut imaginer disposer des poulies par exemple montrees sur le dessin 8. On observe sur ce dessin, deux poulies 20 et 21 receptionnant le fil 12 rectiligne, pods une serie de poulies placees en helice de fa,con a assurer la mise en forme du fil helicoldal. 11 y a une famille de poulies interieures a helice telles que la 22 et les 24, et une famille de poulies exterieures telles que 23. Ce mecanisme est positionne dans un four tunnel utilisant de l'air chaud ou des sources infrarouges ou ultraviolet/es ou haute frequence genre micro ondes pour assurer la polymerisation. Remarque: 1) A la sortie du four, on obtient un ressort > qu'il suffit de tailler a la longueur desiree. 2) Si les poulies vent disposees sur des supports fixes, on obtient des ressorts 20. helicoldaux. Si toutes les poulies vent orientables, sous controle mecanique ou numerique, voir Figure 9, en incidence 28 (angle entre l'axe 6 de ltellipse et l'axe19 de la poulie), il est possible de programmer un ressort ayant des spires a pas variables. On peut ainsi organiser des zones de coupe ou le fil est quasiment a spire a plate >>. Cette fonction implique egalement que les poulies puissent coulisser, sous controle, ou librement, le long de l'axe 6. Donc, il y a eventuellement deux >: I'angle 28 et la position le long de l'axe 6. 3) Enfin, si en plus, les poulies vent mobilisables radialement (distance 29) sous controle mecanique ou numerique, on peut faire varier la forme du ressort et obtenir des formes en nid ou en hypolde. Autre type de moule dynamique. Ce montage reprend toutes les options et les details techniques decrits pour les figures 8 et 9. Mais, il les complete par ['usage preferentiellement d'un ruban 27 en forme preferentiellement de gouttiere 14 preferentiellement demi-cylindrique cote alesage (voir Figure 12). Ce ruban 27B puis 27C par exemple, place sur l'exterieur de la trajectoire helicolde du ressort, voir Figure 10, est controle par une chane de poulies exterieure (famille 2837250 26). Apres avoir accompagne le fil 12 sur une certaine longueur, le ruban est recycle le long de la trajectoire 27A. Sur la Figure 11, I'on volt la poulie 26A d'entree de fil 12 ou arrive le ruban 27A, puis on volt une serie de poulies 26B placees le long de l'axe 6 (pour des raisons de simplification, I'on n'a dessine qu'une poulie par spire: 26A, 26B, 26B1,, 26Bn, 26Bn+1). Apres la derriere poulie 26Bn+1, le ruban est recycle zone 27A. II suit ensuite une trajectoire rectiligne 27B, puis helicode 27C dans la zone de moulage. Remarques: 1) Le ruban 27 pourrait etre place sur la partie interieure du ressort sur les poulies 21. 2) On pourrait utiliser 2 ou plusieurs rubans. Par exemple, I'un a l'interieur de l'helicode et l'autre a l'exterieur de lthelicorde du ressort. 3) Le ou les rubans peuvent n'etre cantonnes qu'au tout debut du formage du ressort, la suite du guidage etant assuree par des poulies. 4) On peut egalement initier la mise en helice et la polymerisation en utilisant une buse de polymerisation ayant un axe en tron,con d'helicolde a ['initiation de l'helicode, il s'agit ici d'une transposition de la technique des moules de pultrusion; on realise, en fait, aiors une pultrusion helicodale, accouplee ou non, aux guidages decrits en procede continu ou discontinu ci dessus. 5) On peut egalement utiliser un ou des rubans perdus, sans recyclage. 6) On peu remplacer tout ou parties des poulies par un moule lisse interieur ou exterieur, on peu combiner toutes les solutions Polymrisation. On peut utiliser une etuve ou un four tunnel chauffe par tout moyen connu de 25. I homme de ['art. Fibres et rubans de type Wetpreg. Le procede decrit ci-avant est pratiquement impossible a realiser avec des materiaux traditionnels tels que le pre impregne. Nous avons developpe un procede consistent a confectionner des fils ou nappe preferentiellement de section ronde, rectangulaire ou parallelepipedique, constitue de fibres unidirectionnelles de renforcement impregnees par une resine. Les fibres de renforcement peuvent etre de tout type et en particulier en verre. Toutes les resines connues de l' hom me de l'art vent admissibles, en particulier ['Epoxy. Pour pouvoir satisfaire aux besoins du procede decrit precedemment, il faut confectionner un fil ne goGtant pas et ne perdant pas ses fibres par adherence de celle-ci notamment sur les poulies de guidage ou sur les doigts d'eventuels robots de manipulation. Lorsque l'on assemble des fibres (par exemple de verre) et que l'on procede a une impregnation de resine (par exemple de ['Epoxy), si le taux de resine est preferentiellement de 38% en masse (en fait dans la fourchette 45% a 20%), on obtient un produit fibreux ayant la consistence du chewing-gum humide, de guimauve. Lorsque l'on le touche, il mouille legerement les doigts, mais ne depose pas ses fibres. Lorsqu'on le pose que une surface, il ne mouille pratiquement pas la 6 2837250 surface, il ne goutte pas. En fait, I'adjonction de fibres en forte proportion dans la resine a artificiellement dramatiquement augmente sa viscosite apparente et sa thixotropie. On peut eventuellement amplifier ce phenomene en refroidissant legerement le composite pour augmenter la viscosite de la resine libre et renforcer les proprietes de thixotropie. Ce composite, fortement charge que nous appelons Wetpreg, presente les avantages suivants: 1) Si l'on forme un ruban de Wetpreg sur une table, il garde exactement sa forme, ne goutte pas et polymerise en 1'etat. 2) Si l'on empire 2 couches de Wetpreg l'une sur l'autre, elles adherent, on peut done manipuler une couche, sans plus se soucier de la 2 me. Mais, phenomene interessant, on peut faire coulisser aisement une couche sur l'autre car ['interface liquide entre les 2 couches leur donne une liberte parfaite de translation dans le plan d'interface. 3) On peut couper un ruban en deux, dans le sens des fibres juste en separant son extremite en 2 parties. Le ruban se fend en longueur sans abmer ou liberer des fibres. 4) On peut couper avec tout moyen connu de l'homme de ['art, un ruban perpendiculairement a ses fibres sans difficultes. ) Les points 2 et 3 signifent par exemple que si 1'on realise un empilement a plat de plusieurs couches de Wetpreg, et quton les cintre, en-quite, toutes les couches vont coulisser entre elles de maniere que toutes les couches conservent leurs fibres parfaitement alignees sans contraintes de compression. Cela permet de realiser des structures parfaites post-formees aisement. Avec un empilement classique de preimpregne, seule la couche exterieure au cintrage serait restee alignee et toutes les couches interieures seraient degradees avec des ondulations inadmissibles de fibres, du a ['adherence intercouche. Avec les preimpregnes classiques, il faut done realiser des structures epaisses de preimpregnes, par drappage couche par couche en forme definitive. Ce qui n'est pas toujours possible ou aise. Amortissement structural. Tel que decrit, les ressorts composites ont un amortissement structural quasi nul analogue a leur equivalent metallique. Ceci est une qualite en general; toutefois, pour certaines applications, il peut etre utile d'obtenir un amortissement integre au ressort de maniere a limiter sa resonance, sous excitation a sa frequence propre, ou tout simplement pour se passer d'un amortisseur dans un mecanisme. 11 est extremement facile de parvenir a un tel resultat avec nos ressorts composites. Pour cela, il est possible de faire usage de materiaux viscoelastiques: A) On peut par exemple placer un jonc viscoelastique au centre de la partie centrale 2 du fil 12. B) On peut gripper ou extruder un tube sur la partie guipee 3. C) La partie centrale 2 peut etre constituee de 2 parties preferentiellement unies 5. directionnelles, concentriques, separees par un tube viscoplastique confectionne par guipage ou extrusion. D) La partie guipee 3 peut alterner des couches guipees ou extrudees continues ou discontinues a des rayons intermediaires entre sa surface interieure (tangente a la partie 2) et sa surface exterieure. En particulier une extrusion 10. ou un guipage de materieux viscoelastiques entre la couche 2 et la couche 3 peut etre tres interessante. E) Le ruban structural de guipage 8 d'une couche peut egalement etre deposee en spires non jointives separees entre elles par des spires de materiaux viscoelastiques deposees par extrusion ou guipage. 15. F) La surface du hl 12 peut etre gainee par une couche viscoelastique guipee ou extrudee eventuellement gainee par une couche de finition extremement hne a fibres jointives. Ce gainage parfait la manipulabilite du fil. G) Rappelons que la surface du fil 12 peut etre gainee par une couche de hnition pouvant etre guipee ou extrudee assurant ? du fil 20. 12. Type de sollicitation. Les ressorts tels que decrits ici suivant leur sens et loi de guipage, peuvent travailler en compression ou en traction ondulee, ainsi qu'en mode tractioncompression. 8 2837250 REVENDICATIONS 1. Ressort helicodal composite constitue d'un fil (12) enroule en helice autour d'un premier axe (6), caracterise par le fait que ledit fil (12) est constitue le long de leur second axe (1) d'une structure composite pleine realisee principalement a base de fibres de renforcement. 5. 2. Ressort helicodal composite selon la revendication 1 caracterise par le fait que lesdites fibres de renforcement vent unidirectionnelles, au moins couche par couche, concentriques 3. Ressort helicodal composite selon la revendication 2 caracterise par le fait que lesdites fibres de renforcement presentent, notamment pres de la surface, 10. une structure helicodale audit second axe (1) 4. Ressort helicodal composite selon la revendication 3 caracterise par le fait que lesdites hbres de renforcement vent vissees autour de leur propre axe (1). 5. Ressort helicodal composite selon la revendication 3 caracterise par le fait que lesdites fibres de renforcement, presentent une zone 3, guipees autour de 1S. I'axe (1) des cites fibres. 6. Ressort helicodal composite selon la revendication 5 caracterise par le fait que les fibres proches audit second axe (1) de guipage vent constituees d'une structure interne, zone 2, de fibres paralleles a ce second axe (1). 7. Ressort helicodal composite selon la revendication 6 caracterise par le fait 20. qu'un materiau destine a procurer de l'amortissement structural est incorpore dans la structure audit fil (12). 8. Procede pour realiser un ressort helicodal composite constitue d'un fil (12) enroule en helice autour d'un premier axe (6), ledit fil (12) etant constitue le long de leur second axe (1) d'une structure composite pleine realisee principalement a 25. base de fibres de renforcement. selon l'une des revendications 1 a 7, caracterise par le fait que ledit fil (12) est tout d'abord realisee et ensuite formee en helice suivant ledit premier axe (6). 9. Procede selon la revendication 8, caracterise par le fait qutil consiste a utiliser un motile, ou partie d'un motile, confectionne en materiaux jetables ou 30. recyclable, apres la polymerisation desdites fibres 10. Procede selon l'une des revendications 8 et 9, caracterise par le fait qu'il consiste a utiliser un motile, ou partie d'un motile, confectionne en materiaux deforma bles, tel le par exem ple me m bra ne elastomere ou sac a vice 11. Procede selon l'une des revendications 8 a 10, caracterise par le fait que 35. Iedit fil (12) est mis en forme dthelice au moyen d'une serie de poulies (20, 21, 22, 23, 24) assurant son formage au defile pendant sa polymerisation. 12. Procede selon l'une des revendications 8 a 11, caracterise par le fait qu'il consiste a utiliser une ou plusieurs courroles transporteuses type (27) pour assurer le convoyage et la mise en forme audit fil (12) durant sa polymerisation en helice selon le premier axe (6), au moins sur une partie audit fil. 13. Procede selon l'une des revendications 8 a 12, caracterise par le fait qu'il consiste a initier la mise en forme et la polymerisation audit fil (12) par un moule de pultrusion ayant un troisieme axe selon le second axe (1) en forme de trongon