Brevet FR2911886A1 — publié le 20080801

La présente invention concerne un perfectionnement aux structures amortisseurs de chocs constituées d'une pluralité d'empilements verticaux de pneus équipés chacun d'un insert de dissipation énergétique, en particulier pour équiper les bordures des circuits de compétitions automobiles. Les bordures de la plupart des circuits de compétitions automobiles sont équipées de barrières de sécurité (murets, rails de sécurité, etc.) qui sont protégées par des structures amortisseurs de chocs, très généralement constituées d'une pluralité d'empilements de pneus, juxtaposés les uns par rapport aux autres ; les pneus d'un empilement sont agencés c:oaxialement les uns par rapport aux autres selon un axe vertical ou sensiblement vertical. Pour renforcer l'aptitude de ces empilements de pneus à absorber l'énergie cinétique des véhicules susceptibles de venir les percuter, il est fréquent de rapporter, sur la hauteur de leur logement central, un insert tubulaire en matériau thermoplastique (très souvent en polyéthylène), afin d'en augmenter la raideur et donc le pouvoir d'arrêt. Ces inserts tubulaires en matière plastique assurent aussi le maintien vertical des empilements de pneus et ils contribuent à maintenir l'intégrité de la structure amortisseur lors d'un choc. Cependant, ces structures actuelles ne sont pas entièrement satisfaisantes. E:n effet, dans la pratique, lorsque des véhicules percutent les empilements de pneus, ils subissent un phénomène de rebond relativement important lié en partie à la nature élastique des inserts. Le véhicule est alors susceptible d'être renvoyé sur le circuit, créant des risques non négligeables de collision avec d'autres véhicules en mouvement. En outre, la faculté de dissipation énergétique de ces empilements n'est pas optimale, l'énergie restituée étant non négligeable. Alors que certains préjugés pouvaient faire penser qu'il convenait d'éviter l'utilisation de matériaux métalliques pour assurer la protection des véhicules sur le côté des circuits, la demanderesse a mis en évidence qu'un insert constitué d'au moins un tube cylindrique réalisé en matériau métallique à capacité de déformation plastique, dont le diamètre extérieur est compris entre 90 % et 100 % du diamètre du logement central délimité par l'intérieur des pneus empilés, permet de réduire de manière sensible le phénomène de rebond suite à un choc, cela par rapport aux structures amortisseurs actuelles avec inserts en matériau thermoplastique, et qu'une telle structure assure une dissipation énergétique importante, aussi bien sous sollicitation quasi-statique que dynamique. Ce nouveau système améliore significativement les performances obtenues au moyen des inserts en polyéthylène employés à ce jour. Ces inserts métalliques ont en outre l'avantage de présenter un comportement mécanique constant alors que les inserts plastiques actuels sont en particulier sensibles aux variations de la température environnante. D'autres particularités techniques de l'invention, indépendantes ou prises en combinaison les unes avec les autres, sont listées ci-dessous, à savoir : - l'insert tubulaire a un diamètre extérieur maximum de 325 mm et une longueur de 1000mm 10mm; -l'insert tubulaire présente une conformation adaptée pour subir une déformation radiale d'au moins 80 % et pour délivrer une énergie de l'ordre de 4000 J, sans rupture, sous l'action d'une force radiale quasi-statique maximale de 35kN ; - l'insert tubulaire est réalisé en tôle d'acier inoxydable, dont l'épaisseur est comprise entre 2 mm et 3,5 mm, avantageusement à partir d'un alliage de type Z2CN1810 ; de manière alternative, il peut être réalisé en tôle d'alliage d'aluminium dont l'épaisseur est comprise entre 3 mm et 5 mm, avantageusement en alliage de type 5754H111 ; - l'insert tubulaire est obtenu par extrusion d'un matériau adapté ; il peut également avantageusement être obtenu à partir d'une tôle plane de matière, par une étape de roulage suivie d'une étape de soudure continue des bordures longitudinales en regard de ladite tôle roulée. Dans le cadre d'une telle structure amortisseur de chocs, certains au moins des pneus d'un empilement, et le cas échéant certains au moins des pneus de deux empilements juxtaposés, sont reliés entre eux par des moyens de liaison métalliques, par exemple de type boulonnage ou sanglage. En outre, la face frontale d'impact, en regard du circuit, de cette pluralité d'empilements est avantageusement recouverte d'un film en matière plastique. L'invention sera encore illustrée, sans être aucunement limitée, par la description suivante et les figures annexées, dans lesquelles : - la figure 1 est une vue générale en perspective, et schématique, d'une structure amortisseur de chocs conforme à l'invention, placée ici pour empêcher l'impact direct d'un véhicule contre une barrière rigide ; - la figure 2 est une vue générale en perspective, et schématique, de l'un des empilements verticaux de pneus de la structure amortisseur de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue schématique et de dessus, de l'empilement de pneus de la figure 2 ; - les figures 4 et 5 représentent les courbes d'effort (exprimé en kN) en fonction de la déformation radiale (Ad/Do) d'un insert métallique, fabriqué respectivement en acier inoxydable et en alliage d'aluminium, cela pour trois cycles consécutifs de charge/décharge en situation quasi-statique ; - les figures 6 et 7 représentent les courbes d'énergie (en J) en fonction de la déformation radiale (Ad/Do) d'un insert métallique, fabriqué respectivement en acier inoxydable et en alliage aluminium, lors de trois cycles consécutifs en charge/décharge en situation quasi-statique ; - les figures 8 et 9 illustrent, sous la forme de courbes, le déplacement d'une masse tombante (mm) en fonction du temps (ms), respectivement pour des inserts tubulaires en acier inoxydable et en alliage d'aluminium. Tel que représenté sur la figure 1, la structure amortisseur de chocs 1 protège la face avant, côté circuit, d'une barrière de sécurité 2, par exemple de type rail ou muret de sécurité. Cette structure amortisseur 1 se compose d'une pluralité d'empilements verticaux 3 de pneus 3', disposés les uns en face des autres. La face frontale d'impact de ces empilements verticaux 3, en regard du circuit, est recouverte d'un film en matière plastique 4, pour éviter l'encastrement des véhicules. Comme détaillé sur les figures 2 et 3, chaque empilement vertical 3 comprend généralement une superposition de quatre à six pneus 3' en matériau à base de caoutchouc (en l'occurrence cinq), agencés coaxialement les uns par rapport aux autres selon un axe vertical ou sensiblement vertical. Les pneus 3' d'un empilement 3 délimitent ensemble un logement central 5, de forme générale cylindrique. Un insert tubulaire cylindrique 6, réalisé en matériau métallique à capacité de déformation plastique (acier ou aluminium par exemple), est rapporté au sein de ce logement central 5. Cet insert tubulaire 6 a pour fonction, d'une part, de renforcer la capacité de dissipation énergétique des pneus 3', et d'autre part, d'améliorer le maintien relatif entre les pneus 3' de l'empilement 3. Pour obtenir une dissipation énergétique optimale et efficace, l'insert 6 est structuré pour être capable de subir une déformation radiale d'au moins 80% et pour clélivrer une énergie de l'ordre de 4000J, sans rupture, sous l'action d'une force radiale quasi-statique maximale de 35kN. Ces propriétés sont obtenues par un choix adapté du matériau métallique constitutif de l'insert, et de l'épaisseur e de sa paroi. Les pneus 3' des empilements 3 délimitent ensemble un logement vertical 5 d'une hauteur de l'ordre de 1000 mm, avec un diamètre D pouvant être compris entre 325 mm et 360 mm. Pour remplir convenablement son rôle, l'insert tubulaire 6 a un diamètre extérieur d compris entre 90 et 100 % du diamètre interne D du logement central 5 (par exemple 321 mm pour un logement 5 ayant un diamètre de 325 mm) ; sa longueur L correspond sensiblement à la hauteur dudit logement 5 (en particulier cette longueur L peut être de 1000 mm 10 mm). Cet insert 6 est réalisé dans un matériau métallique d'une épaisseur e adaptée à sa nature, comprise de manière générale entre 2 et 5 mm. En particulier, et plus précisément : - pour une tôle d'acier inoxydable, avantageusement de type Z2CN1810, l'épaisseur e est de préférence comprise entre 2 et 3,5 mm, et - pour une tôle d'alliage aluminium, avantageusement de type 5754H111, l'épaisseur e est de préférence comprise entre 3 et 5 mm. Encore pour optimiser la cohésion de la structure amortisseur 1, les pneus 3' de chaque empilement 3, ainsi que les pneus 3' de deux empilements 3 juxtaposés, sont avantageusement reliés entre eux par des moyens de liaison métalliques classiques, par exemple de type boulonnage ou sanglage. Des essais ont été menés, en situation quasi-statique et dynamique, pour montrer l'intérêt de l'utilisation de tels inserts métalliques à capacité de déformation plastique. La méthodologie et les résultats obtenus lors de ces différents essais sont détaillés ci-dessous. Le tableau ci-après présente la nature et les caractéristiques dimensionnelles des prototypes d'inserts fabriqués pour ces essais : Matériau Diamètre extérieur Epaisseur (mm) Longueur (mm) insert (mm) Acier inoxydable 321 2,5 1000 type 304 (Z2CN1810) Alliage aluminium 321 3 1000 5754H111 (AG3) Ces inserts métalliques sont obtenus à partir d'une tôle roulée, puis soudée en continu. Des essais ont également été menés sur des inserts tubulaires en polyéthylène, préconisés par la FIA. Les résultats obtenus sont récapitulés par la suite. 1.- Essai en situation quasi-statique Cette procédure a pour but de comparer la capacité de dissipation énergétique d'un insert pour différents niveaux d'écrasement. 1.1 - Méthodologie Les essais sont réalisés sur une machine de traction - compression INSTRON 5584 (réf. Ecole Centrale de Nantes : BSN F1-7). Les inserts sont placés sur un socle ; puis ils sont sollicités radialement en leur milieu, à mi-longueur, par une plaque indéformable de section carrée (surface 250 x 250 mm2) se déplaçant à une vitesse de 2 mm/s. Les essais sont réalisés en trois temps, suivant trois cycles de charge et décharge à la même vitesse, cela pour des niveaux de déformation radiale de 20%, de 50% puis de 80 %. Les signaux force et déplacement sont enregistrés à la fréquence de 5 Hz. 1.2 - Résultats expérimentaux Les figures 4 et 5 représentent les courbes d'effort exprimé en kN en fonction de la déformation radiale (Ad/Do, avec Ad correspondant à l'enfoncement radial et Do correspondant au diamètre extérieur initial de l'insert) en charge/décharge de l'insert en acier inoxydable (figure 4) et de l'insert en alliage d'aluminium (figure 5), pour les trois cycles consécutifs de charge/décharge. Les figures 6 et 7 représentent les courbes d'énergie en J en fonction de la déformation radiale (Ad/Do) en charge/décharge, respectivement de l'insert en acier inoxydable (figure 6) et de l'insert en alliage aluminium (figure 7), pour les trois cycles consécutifs de charge/décharge. On note que, à part leur déformation plastique, les inserts ne présentent pas après essais de zone de rupture ou de déchirure. Les courbes précitées permettent de mesurer l'énergie fournie Ef et l'énergie restituée Er, correspondant respectivement à l'aire sous courbe en charge et en décharge. L'énergie dissipée Ed est définie comme étant l'énergie fournie Ef à laquelle est soustraite l'énergie restituée Er. 1. 3 - Interprétation Pour les trois cycles consécutifs appliqués sur les deux inserts, en fonction du pourcentage de déformation radial, l'expression du ratio énergie dissipée Ed/énergie fournie Ef donne les valeurs suivantes : Déformation radiale Ratio Ed/Ef Ratio Ed/Ef Ratio Ed/Ef Ad/Do insert acier insert alliage inserts inoxydable aluminium polyéthylène 20% 57% 52% 48% 50% 85% 81 % 65% 80 % 91 % 92 % 80 % _ Ainsi, en comparaison avec le ratio Ed/Ef observé pour les inserts tubulaires en polyéthylène préconisés par la FIA (colonne de droite dans le tableau), les inserts métalliques donnent des résultats significativement meilleurs, en particulier : - 85 % et 81 % pour les inserts métalliques, contre 65 % dans le cas de l'insert en polyéthylène, pour une déformation radiale de 50 % et - 91 % et 92 % pour les inserts métalliques, contre 80 % dans le cas d'un tube de polyéthylène, pour une déformation radiale de 80%. Par ailleurs, comme on peut le voir sur les figures 6 et 7, les énergies nécessaires à la déformation des deux inserts de l'étude (acier inoxydable et alliage d'aluminium), en situation quasi-statique, sont respectivement de 3464J et 2507J pour une déformation radiale de 80%. Un simple ajustement de l'épaisseur etiou de la nature du matériau constitutif de l'insert métallique sont suffisants pour atteindre les niveaux d'énergies recherchés.30 2.- Essai en situation dynamique La finalité de cet essai est de quantifier, sur des inserts métalliques, la proportion du rebond de la masse tombante par rapport à l'action d'écrasement. 2.1 - Méthodologie Les essais dynamiques ont été réalisés au sein d'un puits de chute. Ce puits de chute est équipé d'une masse tombante de 300 kg, à laquelle a été ajouté un percuteur de 20 kg de base carrée de 250 x 250 mm2. La masse tombante est donc de 320 kg. L'insert est placé sur l'embase du dispositif expérimental. La longueur du contact est de 1 m (longueur totale du tube), alors que le contact avec la masse tombante n'est assuré que par la plaque carrée de 250 mm de côté. Une caméra vidéo rapide filmant à 2000 images par seconde enregistre la séquence d'écrasement du tube suivant un axe parallèle à l'axe principal du tube. Ces enregistrements permettent ensuite de déterminer le déplacement de la masse tombante. La hauteur de chute de la masse tombante est estimée à partir des essais quasi-statiques, à savoir : - pour l'insert en acier inoxydable : 1276 mm, - pour l'insert en alliage d'aluminium : 800 mm. 2.2 - Résultats expérimentaux Les images vidéo issues de l'enregistrement de la caméra rapide permettent de déterminer le déplacement de la masse tombante en fonction du temps, c'est-à- dire le déplacement en mm de la masse tombante en fonction du temps exprimé en ms. Ces résultats sont représentés sur les figures 8 et 9, respectivement pour les inserts tubulaires en acier inoxydable et en alliage d'aluminium. Comme en quasi-statique, hormis leur déformation plastique, les inserts ne présentent pas, après essai, de zone de rupture ou de déchirure. 2.3 - Interprétation Pour les deux essais, on distingue clairement une série de rebonds progressivement amortis. En faisant l'hypothèse que les frottements externes sont négligeables (guidage de la masse tombante, frottement de celle-ci dans l'air, frottement du tube au point de contact avec son environnement), cette dissipation énergétique est donc interne à l'insert. Les étapes d'amortissement sont les suivantes : - étape 1 - position haute rebond n : la masse est à vitesse nulle, en position haute X, résultant d'un rebond n, - étape 2 - position basse rebond n+1 : la masse est descendue en position X2, sa vitesse est nulle ; - étape 3 - position haute rebond n+1 : la masse est à vitesse nulle en position haute X3, résultant d'un rebond n+1. Le tableau ci-après récapitule la hauteur initiale h de la masse tombante, la position de la masse aux différentes positions X précitées, et le ratio énergie dissipée (Ed)/énergie fournie (Ef) pour le premier rebond observé (l'expression des autres rebonds pour les inserts métalliques n'a pas de signification en terme de dissipation énergétique, car hormis lors du premier impact, l'insert reste élastique sous l'action de la masse). Les énergies dissipée Ed et fournie Ef sont mesurées par des formules mathématiques classiques. En particulier, l'énergie fournie Ef est définie comme étant l'énergie potentielle de la masse tombante, délivrée entre les étapes d'amortissement 1 et 2 précitées ; l'énergie dissipée Ed est définie comme étant l'énergie absorbée dans la phase de rebond, exprimée par l'énergie fournie Ef à laquelle est soustraite l'énergie restituée Er définie comme étant l'énergie potentielle restituée à la masse tombante entre les étapes d'amortissement 2 et 3. Insert h (mm) X, (mm) X2 (mm) X3 (mm) Ed/Ef Acier 1276 0 1547 1449 94 % inoxydable Alliage 800 0 1101 1060 96 % aluminium Comme observé lors des essais quasi-statiques à 80 % d'écrasement, les inserts métalliques dissipent quasiment totalement l'énergie fournie lors du premier rebond (à hauteur de 94 % pour l'acier inoxydable et 96 % pour l'alliage d'aluminium). A titre indicatif, un essai dynamique réalisé sur un tube en polyéthylène donne un ratio énergétique de 71 %, pour un écrasement radial de 64 %. En regard des essais réalisés par des organismes habilités, sur des barrières de pneus équipées ou non d'inserts en polyéthylène, le phénomène de rebond serait alors atténué par l'utilisation des inserts métalliques. 3 - Conclusion des essais quasi-statiques et dynamiques La capacité de dissipation énergétique d'un insert métallique sous sollicitation quasi-statique (essai 1) et dynamique (essai 2) est nettement supérieure à celle des inserts en polyéthylène actuellement employés. Plus particulièrement, les essais mis en oeuvre démontrent que : - en quasi-statique, le gain en capacité de déformation est très intéressant pour des niveaux d'écrasement moyen des inserts métalliques (de l'ordre de 20% en plus de dissipation pour une déformation de 50 %), et reste non négligeable pour un écrasement plus important (gain de 10% pour 80% de déformation). - en dynamique, la dissipation énergétique est quasi intégrale, avec 95% en moyenne de dissipation énergétique pour un écrasement de l'ordre de 90% des inserts métalliques. Ces différents résultats montrent bien l'intérêt d'utiliser des inserts métalliques en lieu et place des inserts en matière plastique actuels, pour équiper les empilements de pneus placés sur le côté des circuits automobiles (ou motocyclistes). REVENDICATIONS - 1.- Structure amortisseur de chocs, en particulier pour les circuits de compétitions automobiles, comprenant au moins un empilement vertical (3) de pneus (3'), agencés coaxialement les uns par rapport aux autres selon un axe vertical ou sensiblement vertical, lesquels pneus (3') d'un empilement (3) délimitent ensemble un logement central (5) de forme générale cylindrique au sein duquel est rapporté un insert (6) apte, d'une part, à renforcer la capacité de dissipation énergétique dudit empilement de pneus (3), et d'autre part, à améliorer le maintien relatif entre lesdits pneus (3') dudit empilement (3), caractérisée en ce que ledit insert (6) est constitué d'au moins un tube cylindrique réalisé en un matériau métallique à capacité de déformation plastique, le diamètre dudit tube (6) étant compris entre 90 % et 100 % du diamètre du logement central (5) délimité par lesdits pneus empilés (3'). 2.- Structure amortisseur de chocs selon la revendication 1, caractérisée en 15 ce que l'insert tubulaire (6) a un diamètre extérieur maximum de 325 mm et une longueur de 1000 mm 10 mm. 3.- Structure amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'insert tubulaire (6) présente une structure adaptée pour subir une déformation radiale d'au moins 80 % et pour délivrer une énergie de 20 l'ordre de 4000 J, sans rupture, sous l'action d'une force radiale quasi-statique maximale de 35 kN. 4.- Structure amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'insert tubulaire (6) est réalisé en tôle d'acier inoxydable dont l'épaisseur est comprise entre 2 et 3,5 mm. 25 5.- Structure amortisseur de chocs selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'insert tubulaire (6) est réalisé en tôle d'acier inoxydable de type Z2CN1810. 6.- Structure amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'insert tubulaire (6) est réalisé en tôle d'alliage d'aluminium dont l'épaisseur est comprise entre 3 et 5 mm. 30 7.- Structure amortisseur de chocs selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'insert tubulaire (6) est réalisé en tôle d'alliage d'aluminium de type 5754H111. 8.- Structure amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'insert tubulaire (6) est obtenu soit à partir d'une tôle 35 en matériau adapté, par une étape de roulage suivie d'une étape de soudurecontinue des deux bordures longitudinales en regard de ladite tôle roulée, soit par extrusion d'un matériau adapté. 9.- Structure amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que certains au moins des pneus (3') d'un empilement (3), et le cas échéant certains au moins des pneus (3') de deux empilements (3) juxtaposés, sont reliés entre eux par des moyens de liaison métalliques, par exemple de type boulonnage. 10.- Structure amortisseur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité d'empilements verticaux de pneus (3) munis chacun d'un insert tubulaire (6), la face frontale d'impact, en regard du circuit, de ladite pluralité d'empilements (3) étant recouverte d'un film en matière plastique (4).