Brevet FR2866399A1 — publié le 20050819

DISPOSITIF AMORTISSEUR A ORGANE DEFORMABLE PLASTIQUEMENT, NOTAMMENT POUR VEHICULES DE TRANSPORT La présente invention concerne le domaine des dispositifs amortisseurs à organe déformable plastiquement. De tels dispositifs amortisseurs sont notamment utilisés pour les véhicules de transport. On connaît dans l'état de la technique des systèmes d'absorption d'énergie cinétique, ou absorbeurs de choc, qui comprennent au moins un organe adapté à absorber de l'énergie par déformation plastique en cas de choc. Par exemple, pour la protection des occupants d'un véhicule automobile, on connaît un absorbeur de choc constitué par un organe déformable plastiquement intercalé entre la traverse, côté pare-chocs, et le longeron correspondant du véhicule. L'organe d'absorption est généralement un corps solide, relativement court, et plus particulièrement un cylindre à paroi mince. Ce cylindre est conformé de manière à être écrasé axialement en cas de collision du véhicule. Du fait de la stabilité de la charge moyenne d'écrasement ainsi que de l'importance de la course d'écrasement par unité de masse, de tels cylindres sont des organes d'absorption très intéressants. En revanche, leur comportement durant le processus d'écrasement est difficilement prévisible. La déformation plastique de la paroi du tube peut se faire selon un mode axisymétrique connu sous le nom de mode concertina ou selon un mode non axisymétrique connu sous le nom de mode diamant . On ne connaît pas à l'heure actuelle tous les paramètres permettant de déterminer le mode de déformation particulier qui va se produire pour une forme de tube et un matériau donnés. Le rapport entre le diamètre moyen du tube et l'épaisseur de sa paroi, connu sous le nom de paramètre 1, donne une indication sur ce mode de déformation: lorsque 1 Du fait des incertitudes sur le comportement en écrasement des absorbeurs de choc connus, il est très difficile de modéliser le comportement du véhicule en cas de choc en fonction de la vitesse. Par ailleurs, pour des applications demandant l'absorption d'une grande quantité d'énergie cinétique, par exemple dans le cas de trains et plus spécifiquement de trains à grande vitesse, l'encombrement de l'organe d'absorption devient trop important. Le but de la présente invention est de proposer un système d'absorption d'énergie cinétique permettant 15 notamment de résoudre les problèmes précédents. L'invention concerne un dispositif amortisseur du type comprenant un organe déformable absorbant par déformation plastique de l'énergie cinétique lors d'une sollicitation dudit dispositif, caractérisé en ce que ledit organe déformable est associé à un organe de transmission adapté à ce que, lors de ladite sollicitation dudit dispositif, ledit organe déformable soit sollicité à la fois en compression axiale et en torsion. Pour une course d'écrasement donnée, l'imposition 25 d'une torsion associée à la compression confère une meilleure capacité d'absorption d'énergie. Selon un mode de réalisation préféré, ledit organe de transmission comprend un moyen d'écrasement dudit organe déformable adapté à recevoir une charge de compression axiale, ledit moyen d'écrasement étant associé à un moyen de guidage hélicoïdal de manière à solliciter ledit organe déformable à la fois en compression axiale et en torsion. Le moyen d'écrasement est en liaison glissière-hélicoïdale avec le moyen de guidage. L'angle de pente du moyen de guidage hélicoïdal détermine la vitesse de déformation en torsion pour une course d'écrasement donnée. De préférence, ledit organe de transmission comprend un corps cylindrique sur les parois duquel sont ménagées des rainures hélicoïdales formant moyen de guidage, ledit moyen d'écrasement comprenant un croisillon dont les extrémités sont en prise avec lesdites rainures hélicoïdales. Selon un mode de réalisation préféré, une extrémité dudit moyen déformable est fixée audit moyen d'écrasement par un premier moyen de fixation et l'autre extrémité dudit moyen déformable est maintenue immobile par un second moyen de fixation. Selon une variante avantageuse, lesdits premier et second moyens de fixation sont des moyens de fixation par 15 adhérence. Le blocage résulte d'un effort de serrage provoqué, par exemple par des pinces agissant sur des demi-coquilles coniques qui plaquent l'un contre l'autre les organes à fixer. Un tel système permet une fixation solide de l'organe déformable quelle que soit sa section et sans influence sur son comportement lors de l'écrasement. Avantageusement, ledit organe déformable est un cylindre à paroi mince. Du fait de la conception du moyen de guidage, ces 25 cylindres peuvent présenter toutes sortes de sections, de formes et de longueurs initiales. Tous types de matériaux métalliques, composites et polymères peuvent être utilisés en dehors des matériaux fragiles. La sollicitation s'exerçant sur le dispositif amortisseur est, bien entendu, généralement une sollicitation de nature instantanée comme un choc, mais il peut également s'agir d'une sollicitation de nature progressive. 2866399 4 Un système absorbeur d'énergie cinétique selon l'invention présente un coût relativement faible, un encombrement relativement faible et il est facile à adapter à un usage donné. Il peut trouver application pour tout type de véhicules de transport comme voitures, bateaux, avions, etc. Il est particulièrement intéressant dans le domaine du transport par train où les chocs subis sont quasi-systématiquement des chocs frontaux. L'incorporation d'organes d'absorption selon l'invention peut se faire facilement, par exemple au niveau des systèmes d'attelage. Les trains à grande vitesse (T.G.V) pour lesquels l'énergie cinétique à absorber est particulièrement importante sont particulièrement concernés par la présente invention. Un autre domaine d'application est celui des moyens de transport suspendus, tels qu'ascenseurs, téléphériques ou autres, dans lesquels l'invention peut servir d'amortisseur de choc en cas de chute accidentelle. Le dispositif amortisseur pourra être installé dans une partie inférieure du moyen de transport suspendu, entre un socle et un habitacle dans lequel se trouvent des personnes à protéger. Il peut être utilisé dans tout dispositif nécessitant une absorption d'énergie cinétique, y compris dans le domaine de la recherche, notamment en ce qui concerne l'étude du comportement plastique des différents matériaux. Le système décrit permet d'appliquer simultanément la compression et la torsion. Alternativement, la torsion peut n'être appliquée qu'après une certaine course d'écrasement. L'on peut prévoir pour cela des rainures qui sont rectilignes et parallèles à l'axe du corps cylindrique dans une première portion du système. Cette disposition est notamment intéressante pour un dispositif expérimental destiné à étudier le comportement des structures tubulaires soumises à un écrasement en compression-torsion. 2866399 5 L'invention sera mieux comprise à la lecture des dessins annexés, correspondant à un mode de réalisation non limitatif, où : - la figure 1 représente une vue schématique en élévation d'un dispositif amortisseur selon l'invention; - la figure 2 est un histogramme montrant l'énergie absorbée en fonction de la course d'écrasement pour un dispositif selon l'invention et un dispositif selon l'état de la technique; et - les figures 3 et 4 sont des courbes représentant la charge appliquée et l'énergie absorbée en fonction de la course d'écrasement pour deux dispositifs selon l'invention et un dispositif selon l'état de la technique. Le dispositif amortisseur 1 selon l'exemple de réalisation décrit comprend globalement un organe déformable constitué par un tube à écraser 14 et un organe de transmission. Le tube à écraser 14 est un cylindre à paroi mince de section, de forme et de longueur initiale quelconques. Il peut être fait en tous types de matériaux métalliques, composites et polymères, en dehors des matériaux fragiles. L'organe de transmission comprend un corps cylindrique creux 10 en acier trempé sur lequel sont usinées quatre rainures hélicoïdales 25 diamétralement opposées. Ces rainures sont caractérisées par un angle d'hélice déterminé. Dans ce corps cylindrique creux peut se mouvoir un moyen d'écrasement 12 comprenant un croisillon associé à un disque 16. Les extrémités du croisillon 12 sont en prise avec lesdites rainures hélicoïdales de sorte que le moyen d'écrasement est en liaison glissièrehélicoïdale avec le corps 10. Sur le croisillon 12 peut être appliquée, par l'intermédiaire d'un disque récepteur 21, une charge d'écrasement. Un cylindre intermédiaire 20 intervient entre le disque récepteur 21 et le croisillon 12. Du fait de la liaison glissière-hélicoïdale du croisillon avec le corps cylindrique 10, une sollicitation uniaxiale est transformée en sollicitation bi- axiale de compression torsion. Afin de réduire le frottement entre le croisillon 12 5 et les parois des rainures 25, les extrémités du croisillon sont équipées de galets en bronze 13 adaptés à rouler dans les rainures. Le tube cylindrique disque de cylindrique le croisillon 12. Des systèmes de fixation 30 et 31 du tube 14 aux disques respectivement 17 et 16 sont constitués de pinces 18 associées à des demi-coquilles 19 coniques. Une vis permet le serrage des pinces contre les demi-coquilles avec les surfaces inclinées desquelles elle sont en contact, de sorte que le tube est bloqué contre le disque. Le montage et le démontage des tubes à écraser 14 est simple. Il permet néanmoins une fixation solide sans risque de glissement du tube à écraser. Le mode de fixation choisi n'influe pas le comportement des tubes lors de l'écrasement. Les tubes à écraser n'ont à subir ni traitement thermique, ni usinage particulier, mis à part un simple dressage qui permet d'ajuster leurs longueurs initiales aux dimensions voulues. Le système ne nécessite ni graissage régulier ni entretien particulier. Les disques peuvent être interchangeables afin de permettre l'utilisation de différentes sections de tubes. Le système décrit permet d'appliquer simultanément la compression et la torsion. Alternativement, la torsion peut n'être appliquée qu'après une certaine course d'écrasement. L'on peut prévoir pour cela des rainures qui sont rectilignes dans une première portion du système. à écraser 14 est installé dans le corps creux, entre un disque fixe 17 goupillé sur un base 15 installé à l'extrémité du corps 10 opposée à la charge et le disque 16 vissé sur 2866399 7 Les deux dernières dispositions décrites (interchangeabilité des disques et application différée de la torsion) sont notamment intéressantes pour un dispositif expérimental destiné à étudier le comportement des structures tubulaires soumises à un écrasement en compression-torsion tel que celui qui va maintenant être décrit. Le comportement des structures tubulaires soumises à un écrasement en compression-torsion est étudié en vue d'optimiser les capacités dissipatrices d'énergie d'un système selon l'invention. Le dispositif 1 selon l'invention est associé à un moyen de charge. Le système permet de travailler en régime quasi-statique (sollicitation fournie par une presse) ou dynamique (sollicitation fournie par la chute d'un corps). On prend en compte, pour les tubes à écraser 14, l'effet des paramètres radial (ri, rapport entre le diamètre moyen du cylindre et l'épaisseur de la paroi) et longitudinal (?, rapport entre le diamètre moyen du cylindre et sa longueur initiale). On prend également en compte l'influence de la vitesse de déformation. Pour cela, on a étudié trois corps cylindriques 1 dont les rainures ont des angles d'hélices respectifs de 30, 37,5 et 45 degrés, de manière à travailler avec trois vitesses de torsion différentes. Une première série de tests expérimentaux a permis de valider la capacité d'un dispositif selon l'invention à optimiser la dissipation d'énergie par déformation plastique de structures tubulaires en cuivre. Les tubes utilisés sont de section circulaire, avec un paramètre i de 15 et un paramètre X de 0,075, correspondant à un diamètre de 30 mm, une épaisseur de 1 mm et une longueur initiale de 200 mm. Les essais sont réalisés en sollicitation biaxiale 35 hors-phase, c'est-àdire que l'application de la torsion est différée au-delà de la zone d'entrée en plasticité du matériau. Autrement dit, dans un premier temps, la compression agit seule sur une certaine distance axiale. Les figures 3 et 4 représentent la charge appliquée en fonction du déplacement axial, la figure 3 pour une vitesse de sollicitation de 1mm/min et un angle d'inclinaison d'hélice de 30 et la figure 4 pour une vitesse de sollicitation de 500 mm/min et un angle d'inclinaison d'hélice de 45 . Chacune de ces figures montre aussi la courbe charge appliquéedéplacement axial pour un tube identique, mais qui est simplement comprimé comme dans l'état de la technique. Si on considère par exemple la figure 2, on remarque en premier lieu un accroissement pour le dispositif selon l'invention de plus de 2kN de la charge moyenne alors que la charge maximale reste inchangée. En outre, l'amplitude des oscillations au-delà du premier pic d'élasticité est largement supérieure pour la présente invention, ce qui prouve que le matériau est davantage sollicité. Le mode de déformation est pratiquement axisymétrique (mode concertina), alors que pour le dispositif de l'art antérieur, il est mixte (partiellement concertina et partiellement diamant. Sur la figure a été également représentée la quantité d'énergie absorbée en fonction de la longueur écrasée pour le dispositif selon l'invention et pour le dispositif de l'art antérieur. L'absorption est identique pour les 20 premiers millimètres. Au-delà de ce point, la courbe correspondant au dispositif selon la présente invention s'éloigne vers le haut dès l'entrée en action de la torsion. A titre d'exemple, pour un écrasement de 80 mm, les énergies absorbées sont de 1,59 kJ pour le dispositif selon l'invention (avec des rainures inclinées à 30 ) et de 1,29 kJ pour le dispositif correspondant de l'art antérieur. 2866399 9 Le même constat peut être fait pour l'essai représenté sur la figure 3. L'histogramme de la figure 2 représente l'énergie absorbée par le dispositif selon l'invention (hors phase avec un angle d'inclinaison des rainures de 30 ) en comparaison du dispositif de l'état de la technique pour trois courses d'écrasement (20, 50 et 80 mm) pour une vitesse de sollicitation de 1 mm/min. Le gain en énergie absorbé est directement fonction de la torsion intervenant en parallèle avec la compression. Pour des écrasements de 20, 50 et 80 mm, les gains d'énergie absorbée sont respectivement de 2%, 18% et 25%. REVENDICATIONS 1 - Dispositif amortisseur (1) du type comprenant un organe déformable (14) absorbant par déformation plastique de l'énergie cinétique lors d'une sollicitation dudit dispositif, caractérisé en ce que ledit organe déformable est associé à un organe de transmission (10, 12) adapté à ce que, lors de ladite sollicitation dudit dispositif, ledit organe déformable soit sollicité à la fois en compression axiale et en torsion. 2 - Dispositif amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe de transmission (10, 12) comprend un moyen d'écrasement (12) dudit organe déformable adapté à recevoir une charge de compression axiale, ledit moyen d'écrasement étant associé à un moyen de guidage hélicoïdal (25) de manière à solliciter ledit organe déformable à la fois en compression axiale et en torsion. 3 Dispositif amortisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de guidage hélicoïdal (25) a un angle de pente déterminé par une vitesse de torsion choisie. 4 Dispositif amortisseur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit organe de transmission (10, 12) comprend un corps cylindrique (10) sur les parois duquel sont ménagées des rainures hélicoïdales (25) formant moyen de guidage, ledit moyen d'écrasement comprenant un croisillon (12) dont les extrémités sont en prise avec lesdites rainures hélicoïdales. - Dispositif amortisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les extrémités dudit croisillon (12) sont équipées de galets (13) adaptés à rouler dans lesdites rainures (25). 6 Dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que ledit moyen de guidage hélicoïdal est précédé d'un moyen de guidage en translation axiale. 7 Dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'une extrémité dudit moyen déformable (14) est fixée audit moyen d'écrasement (12) par un premier moyen de fixation (31) et l'autre extrémité dudit moyen déformable est maintenue immobile par un second moyen de fixation (30). 8 Dispositif amortisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits premier (31) et second (30) moyens de fixation sont des moyens de fixation par adhérence. 9 Dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit organe déformable (14) est un cylindre à paroi mince. 10 Dispositif amortisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la section dudit cylindre est circulaire, carrée, triangulaire ou hexagonale. 11 Véhicule de transport routier, caractérisé en ce qu'un dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes est intercalé entre une traverse, côté pare-chocs, et un longeron correspondant dudit véhicule. 12 Véhicule de transport ferroviaire, caractérisé en ce qu'un dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 est installé au niveau de systèmes d'attelage. 13 Véhicule de transport suspendu, caractérisé en ce qu'un dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 est installé au niveau d'une partie inférieure dudit véhicule. 14 Dispositif d'étude du comportement plastique de différents matériaux, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.