Brevet FR2942161A1 — publié le 20100820

La présente invention a trait au domaine des pièces réalisées en matériaux composites, et plus particulièrement des pièces destinées à être assemblées à d'autres, et susceptibles d'être soumises à des efforts en traction et/ou en compression. La présente invention a ainsi pour objet une telle pièce réalisée en matériau composite destinée à être soumise, au travers d'au moins un point d'attache, à des efforts en traction et/ou en compression. La présente invention trouve une application particulière dans le domaine de la fabrication des bielles, et a ainsi également pour objet une bielle et son procédé de fabrication. On sait que le point faible des matériaux composites est la matrice dans laquelle sont noyées les fibres de renfort, et qui consiste généralement en une résine, car elle a une résistance spécifique très inférieure à celle des fibres. Le mode de ruine d'une pièce en composite est généralement une rupture de la résine liant les fibres. Une bonne conception d'une pièce composite prend en compte ce phénomène et privilégie une transmission des efforts par la mise en traction ou en compression pure des fibres ce qui a pour effet de ne pas solliciter la résine. Ainsi, le matériau composite est constitué de couches de fibres orientées dans la direction desdits efforts ou dans des directions proches. S'il cela est aisément réalisable au niveau de l'essentiel de la pièce lorsque les formes sont simples et la direction des efforts maîtrisée, cela est délicat au niveau des zones de jonction avec une ou plusieurs autres pièces, notamment les zones ou s'exerce la traction ou la compression. De manière générale une telle zone de jonction comporte un insert muni d'un moyen d'accrochage permettant de réaliser la liaison et la transmission des efforts dans la pièce, mais la mise en place de tels inserts est particulièrement délicate, notamment lorsque les efforts changent de sens lors de l'utilisation de ladite pièce composite. Le principal inconvénient est donc localisé au niveau de la jonction du corps de la pièce composite avec l'insert, et concerne la transmission de l'effort de l'un à l'autre. La présente invention a pour but de proposer une pièce réalisée en matériau composite destinée à être soumise, au travers d'au moins un point d'attache, à des efforts en traction et/ou en compression, qui permet de remédier aux divers inconvénients précités. La pièce en matériau composite selon l'invention, destinée à être soumise, au travers d'au moins un point d'attache, à des efforts en traction et/ou en compression, où ledit matériau composite est constitué, au niveau notamment de sa partie destinée à être soumises auxdits effort, de couches de fibres de renfort orientées dans la direction desdits efforts ou dans des directions proches, et noyées dans une matrice, et où ledit point d'attache consiste en un insert comprenant des moyens d'accrochage, ladite pièce se caractérise essentiellement en ce que ledit insert est constitué essentiellement de deux éléments prévus aptes à enserrer une paroi en matériau composite, lesdits éléments comprenant un élément interne dont le plan de contact avec ladite paroi est courbe convexe, et un élément externe dont le plan de contact avec ladite paroi est courbe concave, tandis que ladite paroi d'une part présente, dans sa partie enserrée entre lesdits éléments, une forme concordante avec celles de ces derniers, et d'autre part la partie desdites fibres qui la traverse est parallèle, ou sensiblement parallèle, audit plan de contact courbe convexe et/ou audit plan de contact courbe concave. Lors d'un effort en traction, la sollicitation de la matière est décomposée de la manière suivante, au niveau des parties où les fibres sont orientées dans la direction de l'effort, ce sont les fibres qui supportent cet effort et la résine n'est pas sollicitée, tandis qu'au niveau de l'attache, c'est-à-dire de l'insert, la résine est comprimée contre la partie courbe convexe de l'élément interne, en sorte qu'il n'y a pas de risque de délaminage des fibres. De la même manière, lors d'un effort en compression, la sollicitation de la matière est décomposée de la manière suivante, au niveau des parties où les fibres sont orientées dans la direction de l'effort, ce sont les fibres qui supportent cet effort et la résine n'est pas sollicitée, tandis qu'au niveau de l'attache, c'est-à-dire de l'insert, la résine est comprimée contre la partie courbe concave de l'élément externe, en sorte que là encore il n'y a pas de risque de délaminage des fibres. Selon un premier mode de réalisation de la pièce composite selon l'invention, sa partie essentiellement soumise à l'effort de traction et/ou de compression, est de forme tubulaire, tandis que d'une part le plan de contact convexe de l'élément interne de l'insert présente une forme de calotte du pôle de laquelle s'étend axialement un fût fileté, et que d'autre part le plan de contact concave de l'élément externe présente une forme de calotte au pole de laquelle est percé un puits taraudé permettant le vissage dudit fût. Selon un second mode de réalisation de la pièce composite selon l'invention, la pièce comporte au moins un enroulement rigide de fibres en forme de boucle, qui comprend une partie intermédiaire constituée de deux segments rectilignes parallèles à l'axe de l'effort de traction et/ou de compression, et au moins une partie extrême reliant lesdits deux segments et qui présente une forme courbe en U; tandis que d'une part le plan de contact convexe de l'élément interne de l'insert présente une forme cylindrique ou partiellement cylindrique, et que d'autre part le plan de contact concave de l'élément externe de l'insert présente une forme en portion de tube cylindrique, en sorte que lesdits plans de contact délimitent un espace dans lequel s'insère étroitement ladite partie extrême en forme de U. Selon une caractéristique additionnelle du second mode de réalisation de la pièce selon l'invention, l'insert et le ou les enroulements de fibres sont solidarisables de manière réversible. On notera que de manière préférentielle, mais non limitative, les courbures des plans de contact des éléments interne et externe, sont de rayon constant, en sorte que lesdits plans de contact sont, selon la géométrie de la pièce à réaliser, de forme hémicylindrique ou hémisphérique, ou en partie cylindrique ou en partie sphérique. La présente demande a également pour objet une bielle, laquelle consiste en une pièce en matériau composite telle que définie précédemment, et comprenant deux inserts entre lesquels s'étendent les fibres. L'utilisation des matériaux composites permet de réaliser des bielles résistantes et légères. Un tube composite peut avantageusement présenter une résistance en traction, en compression et au flambage pour le peu qu'il soit composé principalement de fibres à hautes caractéristiques mécaniques et dont l'orientation est proche de la direction axiale. Un tel positionnement des fibres peut se faire sur un mandrin par enroulement filamentaire de la fibre composite. Cependant la faiblesse d'une telle bielle réside dans l'assemblage du tube ainsi constitué avec les moyens d'accrochage disposés aux extrémités de la bielle. La liaison entre le tube et ces pièces d'extrémité fait apparaître des modes de sollicitation mal supportés par le matériau composite, particulièrement s'il est formé de fibres unidirectionnelles. La présente invention remédie à cet inconvénient, et permet de concevoir des bielles en matériaux composites, qu'elle soit tubulaire ou non, et qui comporte deux points d'attache reliés par un corps en matériau composite. La présente demande a également pour objet un procédé de fabrication d'une bielle telle que définie précédemment, lequel se caractérise en ce que ce qu'il consiste à réaliser les opérations suivantes : - disposer les deux éléments internes de deux inserts à une certaine distance l'un de l'autre, en les maintenant éventuellement au moyen d'arbre axial et/ou un noyau, fusible ou non, - enrouler des fibres en passant successivement sur les plans de contact convexes desdits éléments internes, - mettre en place les éléments externes des inserts en enserrant le matériau composite, - polymériser le matériau composite. Selon une variante du procédé selon l'invention, l'enroulement de la fibre sur les deux éléments internes est associé à un mouvement relatif de rotation axiale desdits deux éléments internes. Les avantages et les caractéristiques de la pièce selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente plusieurs modes de réalisation non limitatifs. Dans le dessin annexé : - la figure 1 représente une vue schématique partielle en coupe longitudinale d'un premier mode de réalisation d'une bielle en matériau composite selon l'invention. - la figure 2 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une partie de la même bielle. - la figure 3 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une variante d'une bielle selon l'invention. - les figures 4a, 4b, 4c et 4d, représentent des vues schématiques, de plusieurs étapes successives du procédé de fabrication d'une bielle selon l'invention. - la figure 5 représente une vue schématique en perspective d'un second mode de réalisation d'une bielle selon l'invention. - la figure 6 représente une vue schématique en perspective et en éclaté de cette même bielle. - la figure 7 représente une vue schématique en perspective d'une variante de ce second mode de réalisation d'une bielle selon l'invention. - la figure 8 représente une vue schématique en perspective d'une partie de cette même bielle. - la figure 9 représente une vue schématique en perspective d'une autre partie de cette même bielle. - la figure 10 représente une vue schématique en perspective d'une partie d'une pièce composite selon l'invention. - la figure 11 représente une vue schématique en coupe de 5 la même pièce composite. En référence à la figure 1, on peut voir une bielle 1 selon l'invention, conçue selon un premier mode de réalisation. Cette bielle 1 comprend un corps tubulaire 10 en matériau composite et deux extrémités 11, dont une est représentée sur la 10 figure 2, qui comportent chacune un moyen de fixation 2 d'un moyen d'accrochage non représenté. Le corps tubulaire 10 est constitué de couches superposées des fibres, orientées parallèlement, ou sensiblement parallèlement, à l'axe XX' de la bielle 1, et noyées dans une 15 résine. On notera que les fibres peuvent être unidirectionnelles ou bien tissées. Chacun des moyens de fixation 2 consiste en un insert, de préférence mais non limitativement réalisé en métal, constitué de deux parties, un élément interne 3 et un élément externe 4. 20 Dans ce mode de réalisation, l'élément interne 3 comporte une coupelle 30 dont la paroi extérieure 31 est de forme hémisphérique, prolongée à son pôle d'un fût 32 fileté et taraudé, tandis que l'élément externe 4 comprend une coupelle 40 présentant une cavité 41 de forme hémisphérique de rayon 25 supérieur à celui de la paroi 31, percée à son pôle d'un trou 42 prolongé d'un puits taraudé 43. Les éléments interne 3 et externe 4 sont assemblés, par vissage du fût 32 dans le puits 43, pour former un moyen de fixation 2, les coupelles 30 et 40 emprisonnant par, 30 respectivement, la paroi extérieure hémisphérique 31 et la cavité hémisphérique 41, le bord extrême 12 du corps tubulaire 10, qui présente une forme de coupole hémisphérique, traversée axialement par le fût 32. On notera que le vissage du fût 32 dans le puits 43 permet 35 d'ajuster le serrage du bord extrême 12. Dans le corps tubulaire 10, les fibres de renfort sont parallèles à l'axe principal XX', tandis que dans le bord extrême 12 en forme de coupole, les fibres contournent la coupelle 30 en demeurant parallèles ou sensiblement parallèles à la paroi 31 et/ou à la cavité 41. En traction l'effort est réalisé contre la coupelle 30, tandis qu'en compression il est réalisé contre la coupelle 40 ce qui permet d'éviter un délaminage des fibres. Le taraudage du fût 32 permet la fixation d'un moyen d'accrochage, tel qu'un anneau ou une chape, non représenté. Cependant les éléments interne 3 et externe 4 peuvent être configurés en sorte d'incorporer des moyens d'accrochage comme c'est le cas de la bielle 1 représentée sur la figure 3. En référence maintenant aux figures 4a, 4b, 4c et 4d, on peut voir des étapes successives de fabrication d'une bielle 5 tubulaire selon l'invention. Cette bielle 5 est non cylindrique et non symétrique, puisque sa forme peut être adaptée à sa fonction. Sur la figure 4a, on peut voir un arbre support S qui traverse axialement un noyau N destiné à définir la forme intérieure du tube, et les deux éléments internes 3 d'inserts 2, enfilés sur l'arbre support S et enserrant le noyau N, pour former un mandrin d'enroulement. Sur la figure 4b, le mandrin d'enroulement est monté sur une machine M d'enroulement filamentaire, qui permet d'enrouler des fibres F sur le noyau N, en passant alternativement sur chacune des coupelles 30 des éléments internes 3 parallèlement ou sensiblement parallèlement à celles-ci, et en opérant une rotation axiale R pour former le corps tubulaire 50 de la bielle 5, comme cela est visible sur la figure 4c. Sur la figure 4d, avant ou après polymérisation du matériau composite, on met en place les éléments externes 4 des inserts 2, la polymérisation étant faite sur le montage pour permettre de conserver la rectitude des fibres composites. Après polymérisation, l'arbre support S est démonté, le noyau N est laissé en place ou supprimé selon sa nature, ce qui peut être réalisé de manière thermique, mécanique ou chimique. Le procédé tel que décrit n'est pas exhaustif, et des variantes peuvent être utilisées comme par exemple, le moulage de tissus drapés dans un moule et gonflé par une vessie ou un noyau expansible en mousse, silicone, cire etc .... De manière avantageuse la fibre composite est disposée en continu, sans rupture de continuité, et la forme des inserts 2 permet la continuité de forme de la paroi composite du corps tubulaire 50. On notera que la forme des coupelles 30 et 40 des éléments respectivement interne 3 et externe 4, ne sont pas de forme hémisphérique, mais d'une forme proche. En référence maintenant aux figures 5 et 6, on peut voir un second mode de réalisation d'une bielle 6 selon l'invention, qui diffère de celles précédemment décrite en ce qu'elle n'est pas tubulaire. Cette bielle 6 comporte un corps composé de deux 20 enroulements 60 rigides en forme de boucle, faits en matériau composite, associés à deux moyens de fixation 7. Chacun des enroulements 60 comprend une partie intermédiaire constituée de deux segments rectilignes 61 parallèles à l'axe principal de la bielle 6, et deux parties 25 extrêmes 62 reliant les deux segments 61 et qui présentent chacune une forme courbe en U. Du point de vue fabrication, chacun des enroulements 60 peut être réalisé par moulage au moyen de deux coquilles mises en place autour d'enroulement de fibres, en sorte de pouvoir 30 presser celles-ci avant et pendant leur polymérisation. Chacun des moyens de fixation 7 est fait, non limitativement, d'une seule pièce réalisée de préférence mais non limitativement en métal, et il incorpore une paire d'éléments internes 8 et une paire d'éléments externes 9, ainsi 35 qu'un moyen d'accrochage, en l'occurrence un anneau 70. Chaque élément interne 8 consiste en un bout d'arbre cylindrique 80, d'axe perpendiculaire à l'axe de la bielle 6, d'un diamètre égal à celui interne d'une partie extrême 62 en U, qui est destinée à y être assujettie. Les deux bouts d'arbres cylindriques 80 d'une paire d'éléments internes sont alignés, et font chacun saillie de part et d'autre d'une paroi centrale 71. Chaque élément externe 9 consiste en une portion de tube cylindrique, coaxial à un bout d'arbre 8, faisant saillie de la paroi 71, et dont la paroi concave 90 est d'un rayon égal à celui externe d'une partie extrême 62 en U, en sorte de délimiter avec un bout d'arbre 8, une gorge 72 en forme de U dans laquelle peut venir s'insérer étroitement une partie extrême 62. Dans la partie extrême 62, les fibres sont donc parallèles 15 ou sensiblement parallèles la surface du bout d'arbre 8 et à la paroi 90. L'assemblage de deux enroulements 60 à deux moyens de fixation permet de constituer une bielle 6 apte à supporter des efforts en traction et en compression, sans risque de délaminage 20 des fibres. De manière avantageuse, dans le mode de réalisation représenté toutes les pièces sont d'une fabrication aisée, tout en étant d'une grande modularité puisque d'une part on peut choisir la longueur des enroulements 60 pour fabriquer une 25 bielle 6, et les moyens de fixation 7 peuvent présenter des configurations différentes, adaptées à l'utilisation souhaitée. Dans le mode de réalisation représenté, la bielle 6 comporte deux enroulements 60, mais il est possible qu'elle n'en comporte qu'un seul ou plus de deux. 30 Ainsi par exemple, en référence aux figures 7, 8 et 9, on peut voir une bielle 6 comprenant deux moyens de fixation 7 entre lesquels s'étendent trois enroulements 60 disposés selon des plans écartés angulairement deux à deux de 120°. Dans ce mode de réalisation, chacun des moyens de fixation 35 7 est constitué de l'assemblage d'un élément interne 8 et d'un élément externe 9, ce dernier comportant un trou central 91 dans lequel peut être engagé étroitement un fût 81 que comporte l'élément interne 8. La solidarisation des deux éléments 8 et 9 peut être réalisée par vissage, le fût 81 étant fileté et, soit le trou 91 est taraudé, soit un écrou de blocage est vissé sur le fût 81 après son engagement dans le trou 91. La présente invention n'est pas limitée à la fabrication d'une bielle, elle s'applique en effet, à toute forme de pièces en matériaux composites présentant une zone pouvant être sollicitée selon un axe d'effort en traction et en compression. Dans une telle pièce il suffit de prévoir une paroi locale, ou bossage, présentant une forme globalement en partie sphérique coopérant avec un élément interne et un élément externe. Les figures 10 et 11 montrent une telle pièce, et plus 15 exactement dans une partie d'une pièce P, la partie configurée selon l'invention. Ainsi cette pièce P comporte en un point destiné à être fixé à une autre pièce ou à un objet, un moyen de fixation comprenant un élément interne I et un élément externe E entre 20 lesquels est emprisonnée étroitement une partie de la paroi de la pièce P, au travers de surface de contact hémisphériques ou sensiblement hémisphériques. On notera que, quel que soit le mode de réalisation, les inserts, ou au moins l'un d'eux, peut être réalisé en matériau 25 composite, et être surmoulé sur la paroi. REVENDICATIONS1) Pièce en matériau composite (1; 6; P), destinée à être soumise, au travers d'au moins un point d'attache, à des efforts en traction et/ou en compression, où ledit matériau composite est constitué, au niveau notamment de sa partie destinée à être soumises auxdits effort, de couches de fibres de renfort (F) orientées dans la direction desdits efforts ou dans des directions proches, et noyées dans une matrice, et où ledit point d'attache consiste en un insert (2; 7) comprenant des moyens d'accrochage (70), caractérisée en ce que ledit insert (2; 7) est constitué essentiellement de deux éléments (3, 4; 8, 9; I, E) prévus aptes à enserrer une paroi en matériau composite (12; 62), lesdits éléments (3, 4; 8, 9; I, E) comprenant un élément interne (3; 8; I) dont le plan de contact (31; 80) avec ladite paroi (12; 62) est courbe convexe, et un élément externe (4; 9; E) dont le plan de contact (41; 90) avec ladite paroi (12; 62) est courbe concave, tandis que ladite paroi (12; 62) d'une part présente, dans sa partie enserrée entre lesdits éléments (3, 4; 8, 9; I, E), une forme concordante avec celles de ces derniers, et d'autre part la partie desdites fibres (F) qui la traverse est parallèle, ou sensiblement parallèle, audit plan de contact courbe convexe (31; 80) et/ou audit plan de contact courbe concave (41; 90). 2) Pièce en matériau composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa partie (10; 50) essentiellement soumise à l'effort de traction et/ou de compression, est de forme tubulaire, tandis que d'une part le plan de contact convexe (31) de l'élément interne (3) de l'insert (2) présente une forme de calotte du pôle de laquelle s'étend axialement un fût fileté (32), et que d'autre part le plan de contact concave (41) de l'élément externe (4) présente une forme de calotte au pole de laquelle est percé un puits taraudé (43) permettant le vissage dudit fût (32). 3) Pièce en matériau composite selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un enroulement rigide (60) de fibres en forme de boucle, qui comprend une partie intermédiaire constituée de deux segments rectilignes (61) parallèles à l'axe de l'effort de traction et/ou de compression, et au moins une partie extrême (62) reliant lesdits deux segments (61) et qui présente une forme courbe en U; tandis que d'une part le plan de contact convexe (80) de l'élément interne (8) de l'insert (7) présente une forme cylindrique ou partiellement cylindrique, et que d'autre part le plan de contact concave (90) de l'élément externe (9) de l'insert (7) présente une forme en portion de tube cylindrique, en sorte que lesdits plans de contact (80, 90) délimitent un espace (72) dans lequel s'insère étroitement ladite partie extrême en forme de U (62). 4) Pièce en matériau composite selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'insert (7) et le ou les enroulements (60) de fibres sont solidarisables de manière réversible. 5) Pièce en matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les courbures des plans de contact (31, 41; 80, 90) des éléments interne (3; 8) et externe (4; 9), sont de rayon constant, en sorte que lesdits plans de contact (31, 41; 80, 90) sont, selon la géométrie de la pièce à réaliser, de forme hémicylindrique ou hémisphérique, ou en partie cylindrique ou en partie sphérique 6) Bielle en matériau composite (1; 5; 6) caractérisée en ce qu'elle consiste en une pièce en matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, et qui comporte deux points d'attache reliés par un corps en matériau composite. 7) Procédé de fabrication d'une bielle en matériau composite selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser les opérations suivantes : - disposer les deux éléments internes (3; 8) de deux inserts (2; 7) à une certaine distance l'un de l'autre, en les maintenant éventuellement au moyen d'arbre (S) axial et/ou un noyau (N), fusible ou non,- enrouler des fibres (F) en passant successivement sur les plans de contact convexes (31; 80) desdits éléments internes (3; 8), - mettre en place les éléments externes (4; 9) des inserts 5 (2; 7) en enserrant le matériau composite, - polymériser le matériau composite. 8) Procédé de fabrication d'une bielle en matériau composite selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'enroulement de la fibre sur les deux éléments internes est 10 associé à un mouvement relatif (R) de rotation axiale desdits deux éléments internes (3; 8).