Brevet FR3017819A1 — publié le 20150828

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la réalisation de pièces mécaniques allongées en matériau composite qui 5 comprennent à au moins l'une de leurs extrémités une chape destinée à recevoir un axe pour réaliser une liaison pivot avec une autre pièce et qui sont sollicitées en traction et en compression. Un exemple non limitatif d'application de l'invention est celui de la réalisation de contrefiches pour train d'atterrissage. 10 Une contrefiche d'un train d'atterrissage sert à reprendre les efforts latéraux exercés sur le train et à le maintenir déployé après contact avec le sol. Typiquement, une contrefiche se compose de deux bras qui sont articulés entre eux et à d'autres pièces du train d'atterrissage au niveau de leurs extrémités, par l'intermédiaire de liaisons pivots. 15 De telles pièces mécaniques sont soumises en fonctionnement à des efforts mécaniques importants, principalement en compression et en traction, orientés selon l'axe longitudinal de la pièce (c'est-à-dire l'axe passant par les deux extrémités de la pièce). Ces pièces sont généralement réalisées dans des alliages d'acier, d'aluminium ou de titane. 20 Afin de réduire la masse de ces pièces mécaniques, il a été proposé de les réaliser en matériau composite. Or, la réalisation de ces pièces en matériau composite pose un certain nombre de problèmes. Notamment, la largeur et la hauteur de ces chapes au regard des limitations en matage entraînent généralement des surdimensionnements 25 pour les pièces métalliques d'interfaces avec les autres pièces du train d'atterrissage. De plus, ces pièces en matériau composite présentent une faible tenue à l'impact et un fort risque de délaminage, c'est-à-dire de désolidarisation des couches de fibres, liés aux efforts répétés auxquels la pièce est soumise. Enfin, les coûts de fabrication de ces pièces sont 30 élevés. Pour répondre à ces exigences, le document EP 1,736,674 a proposé de réaliser ces pièces mécaniques en matériau composite à partir d'une préforme fibreuse centrale et d'une préforme fibreuse périphérique obtenues par tissage tridimensionnel, la préforme périphérique entourant 35 la préforme centrale de manière à laisser substituer aux extrémités de la pièce, entre les deux préformes, deux espaces libres dédiés à l'articulation des autres pièces. Des inserts métalliques sont logés dans ces espaces. Cette pièce mécanique présente ainsi un gain en matage pour les efforts en traction sur la chape. Objet et résumé de l'invention La présente invention vise à proposer une pièce mécanique en matériau composite permettant, d'une part d'obtenir également un gain en matage pour les efforts en compression aussi bien qu'en traction sur la chape, et d'autre part de repousser la discontinuité de matière en dehors d'une zone de sur-contrainte. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un renfort fibreux pour la réalisation d'une pièce mécanique allongée en matériau composite comprenant à une extrémité au moins une chape destinée à recevoir un axe pour réaliser une liaison pivot avec une autre pièce, le renfort fibreux étant réalisé à partir d'une structure fibreuse centrale destinée à former une âme qui est obtenue par tissage tridimensionnel, d'une structure fibreuse périphérique destinée à former une ceinture qui entoure la structure centrale de manière à ménager au niveau de la chape de la pièce d'au moins un espace cylindrique libre, et d'au moins une structure fibreuse annulaire destinée à former une bague qui est formée à l'intérieur de l'espace libre ménagé entre la structure centrale et la structure périphérique. Le renfort fibreux selon l'invention est remarquable en ce que la présence d'une bague en matériau composite qui est logée à l'intérieur de 25 l'espace libre ménagé entre la structure centrale et la structure périphérique permet de repousser notablement le mode de rupture en matage, notamment pour les efforts en compression ainsi qu'en traction sur la chape. Il en résulte un gain de masse de la pièce et permet d'éviter de sur-dimensionner les pièces d'interface tout en facilitant son intégration 30 avec un encombrement plus faible. Selon un mode de réalisation, la structure annulaire forme une seule et même structure avec la structure centrale. Selon un autre mode de réalisation, la structure annulaire forme une seule et même structure avec la structure périphérique. Dans ce cas, 35 la structure périphérique et la structure annulaire peut être obtenue par tissage tridimensionnel d'une ébauche fibreuse en une seule pièce avec une partie principale ayant une forme de bande s'étendant selon une direction correspondant à la direction longitudinale de l'âme à fabriquer, et deux parties secondaires chacune liée à la partie principale par une zone de déliaison pour former deux languettes longitudinales destinées à venir se rabattre l'une vers l'autre pour former une bague. Les deux languettes de l'ébauche fibreuse peuvent présenter chacune une partie tronquée dans le sens longitudinal de façon à permettre un recouvrement entre les languettes lorsqu'elles sont rabattues l'une vers l'autre. De plus, l'ébauche fibreuse de la structure périphérique et de la structure annulaire peut comprendre une pluralité de couches de fils de chaîne s'étendant dans le sens de la longueur de la bande et des languettes et liées entre elles par des fils de trame. Selon encore un autre mode de réalisation, la structure annulaire forme une structure distincte de la structure centrale et de la structure périphérique. Dans ce cas, la structure annulaire peut être obtenue par tissage tridimensionnel d'une ébauche fibreuse sous forme d'une bande qui est destinée à être enroulée pour former une bague. Alternativement, la structure annulaire peut être obtenue par tressage. L'invention a également pour objet une pièce mécanique allongée en matériau composite comprenant un renfort fibreux. Cette pièce mécanique peut constituer un levier d'une contrefiche pour train d'atterrissage. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un exemple de contrefiche de train d'atterrissage ; - la figure 2 représente un exemple de pièce mécanique conforme à l'invention ; - les figures 3A à 3C différentes étapes d'obtention de la pièce mécanique de la figure 2 selon un mode de réalisation de l'invention ; - les figures 4A et 4B montrent différentes étapes d'obtention de la pièce mécanique de la figure 2 selon un autre mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 5A à 5C montrent différentes étapes d'obtention de 5 la pièce mécanique de la figure 2 selon encore un autre mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à la réalisation de toute pièce mécanique 10 allongée en matériau composite comprenant à une extrémité au moins une chape destinée à recevoir un axe pour réaliser une liaison pivot avec une autre pièce. Un exemple d'application non limitatif est celui de la réalisation d'une contrefiche pour train d'atterrissage telle que celle représentée sur 15 la figure 1. Typiquement, une telle contrefiche 2 qui sert à reprendre les efforts latéraux exercés sur le train et à le maintenir déployé comprend un levier supérieur 4a et un levier inférieur 4b qui se présentent chacun sous la forme d'une pièce mécanique allongée. Ces leviers 4a, 4b sont articulés entre eux et à d'autres pièces du train d'atterrissage au niveau de leurs 20 extrémités respectives, par l'intermédiaire d'axes d'articulation symbolisés en traits mixtes sur la figure 1. La figure 2 représente un exemple de pièce mécanique 10 pouvant servir en tant que levier inférieur ou levier supérieur d'une contrefiche telle que celle illustrée sur la figure 1. 25 La pièce 10 comprend un corps allongé 12 qui se termine à chaque extrémité longitudinale par une double chape 14 destinée à recevoir un axe pour réaliser une liaison pivot avec une autre pièce. Ces doubles chapes 14 se présentent chacune sous la forme d'un U dont chaque branche comprend un orifice pour le passage d'un axe pour la 30 liaison pivot. Bien entendu, dans d'autres exemples d'application non représentés, la pièce ne pourrait comporter à chaque extrémité que des simples chapes, ou une double chape à un extrémité et une simple chape à l'autre extrémité, ou encore une simple ou double chape à l'une seule 35 seulement de ses extrémités, etc. 3 0 1 7 8 1 9 Cette pièce est réalisée entièrement en matériau composite à partir d'un renfort fibreux densifié par une matrice. Le renfort fibreux est réalisé à partir de plusieurs structures fibreuses, notamment en fibres de carbone, qui seront décrites ultérieurement. 5 Une fois mises en forme et séchées, ces structures fibreuses sont placées dans un moule d'injection. Le dépôt de la matrice dans les structures fibreuses est réalisée en maintenant celles-ci dans le moule au moins jusqu'à rigidification (ou consolidation) des structures. La matrice est de nature choisie en fonction de l'application envisagée, par exemple une matrice organique obtenue notamment à partir d'une résine précurseur de matrice polymère telle qu'une résine époxyde, bismaléimide ou polyimide, ou une matrice en carbone ou une matrice en céramique. Dans le cas d'une matrice organique, les structures fibreuses sont imprégnées par une composition contenant la résine précurseur de matrice, avant conformation dans un outillage, ou après conformation, l'imprégnation étant dans ce dernier cas réalisée par exemple par infusion ou par un processus de type RTM (nResin Transfer Moulding"). Dans le cas d'une matrice en carbone ou en céramique, la densification pourra être réalisée par infiltration chimique en phase gazeuse, ou CVI ("Chemical Vapor Infiltration") ou par imprégnation par une composition liquide contenant une résine précurseur de carbone ou de céramique et traitement thermique de pyrolyse ou céramisation du précurseur, ces procédés étant bien connus en soi. Conformément à l'invention, le renfort fibreux destiné, après densification par une matrice, à former la pièce 10 est réalisé à partir d'une structure fibreuse centrale obtenue par tissage tridimensionnel pour former l'âme de la pièce, d'une structure fibreuse périphérique obtenue par tissage tridimensionnel pour former une ceinture venant entourer l'âme de manière à ménager au niveau de la chape de la pièce deux espaces cylindriques libres, et de deux structures fibreuses annulaires pour réaliser des bagues qui sont formées à l'intérieur des espaces libres ménagés entre l'âme et la ceinture. Les figures 3A à 3C représentent, selon un premier mode de réalisation de l'invention, différentes étapes pour l'obtention d'un tel renfort fibreux. 301 7 8 1 9 6 Dans ce premier mode de réalisation, la structure fibreuse périphérique pour la réalisation de la ceinture est obtenue par tissage tridimensionnel à partir de l'ébauche fibreuse représentée sur la figure 3A. Cette ébauche fibreuse se présente sous la forme d'une bande 100 5 comprenant une pluralité de couches de fils de chaîne s'étendant dans le sens de la longueur de la bande et liées entre elles par des fils de trame (les sens chaîne et trame sont représentés sur la figure 3A). Des ouvertures 102 de forme oblongue, orientées dans le sens de longueur et traversant dans le sens de l'épaisseur, sont pratiquées 10 dans la bande. De telles ouvertures sont par exemple réalisées par découpe au jet d'eau. La bande 100 ainsi obtenue est ensuite recourbée selon les flèches F (figure 3B) de manière à joindre ses extrémités libres 104 et former une boucle. Ces extrémités 104 sont alors jointes l'une à l'autre, par exemple par couture, collage ou toute autre technique 15 appropriée. Une fois la bande 100 recourbée, on obtient la structure périphérique 16 représentée sur la figure 3B avec les ouvertures 102 situées à des extrémités opposées de la boucle. On pourra se référer au document EP 1,736,674 qui décrit la réalisation d'une telle structure 20 périphérique. Dans une variante de réalisation de la structure périphérique non représentée, celle-ci pourrait être obtenue par un enroulement de plusieurs tours d'une même bande fibreuse pour former une boucle comme celle de la figure 3B. 25 La structure fibreuse centrale 106 destinée à former l'âme de la pièce est obtenue par tissage tridimensionnel de l'ébauche fibreuse représentée sur la figure 3C. Cette ébauche fibreuse en une seule pièce se présente sous la forme d'une poutre à section, par exemple en H (ou autre, par exemple en 0, en S, etc.), avec deux parties longitudinales 108 30 reliées par une partie transversale 110. A chacune de leurs extrémités, les deux parties longitudinales 108 de la structure centrale se terminent chacune par une structure annulaire 112 munie d'un orifice 114. Ces structures annulaires sont destinées à former des bagues en matériau composite pour le passage 35 d'un axe de la liaison pivot. Les structures annulaires 112 et la structure 301 7 8 1 9 7 centrale 106 forment ici une seule et même structure fibreuse obtenue par tissage tridimensionnel. Une fois les structures fibreuses périphérique 16 et centrale 106 réalisées et mises en forme comme décrit précédemment, celles-ci sont 5 imbriquées l'une dans l'autre en positionnant la structure périphérique autour de la structure centrale. En particulier, dans cette position, la structure périphérique 16 ménage avec la structure centrale 106, au niveau des extrémités de celle-ci, des espaces cylindriques qui sont comblés par les structures annulaires 112. Les structures sont alors 10 assemblées entre elles par couture, collage ou toute autre technique appropriée. On obtient ainsi un renfort fibreux qui, après densification par une matrice, devient la pièce 10 représenté en figure 2. En particulier, ce renfort fibreux comprend, au niveau des chapes 14, des bagues (formés 15 par les structures annulaires 112 de la structure centrale) en matériau composite, ce qui permet de repousser substantiellement le mode de rupture en efforts de matage de la pièce. Les figures 4A et 4B représentent, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, différentes étapes pour l'obtention du même 20 renfort fibreux. Ce deuxième mode de réalisation se distingue de celui précédemment décrit en ce que les structures annulaires destinées à former les bagues au niveau des chapes de la pièce sont des structures distinctes de la structure centrale et de la structure périphérique. 25 La structure centrale destinée à former l'âme de la pièce est obtenue par tissage tridimensionnel à partir de l'ébauche fibreuse 106' représentée sur la figure 4A. Cette ébauche fibreuse est proche de celle représentée sur la figure 3B, notamment en ce qu'elle se présente sous la forme d'une poutre à section, par exemple en H (ou autre, par exemple en 30 0, en S, etc.), avec deux parties longitudinales 108' reliées par une partie transversale 110'. Contrairement au premier mode de réalisation, cette poutre est dépourvue, au niveau de ses extrémités longitudinales, de structures annulaires destinées à former les bagues. On pourra se référer au document EP 1,736,674 qui décrit la réalisation d'une telle structure 35 centrale. 301 7 8 1 9 8 Quant à la structure fibreuse périphérique 16, elle est identique à celle représentée sur la figure 3A, à savoir qu'elle est obtenue par tissage tridimensionnel à partir d'une ébauche fibreuse sous forme d'une bande dans laquelle des ouvertures 102 sont pratiquées et qui est 5 recourbée pour former une boucle (voir la figure 4B). Les structures annulaires 112' destinées à former les bagues pour le passage d'un axe de la liaison pivot sont représentées sur la figure 4B. Elles peuvent être obtenues chacune par tissage tridimensionnel d'une ébauche fibreuse se présentant sous forme d'une bande qui est ensuite 10 recourbée en anneau pour former une bague. Dans ce cas, l'ébauche fibreuse de chaque structure annulaire 112' comprend une pluralité de couches de fils de chaîne s'étendant dans le sens de la longueur de la bande et liées entre elles par des fils de trame. Une fois recourbée sous forme de bague, les fils de chaîne 15 s'étendent ainsi selon une direction circonférentielle, tandis que les fils de trame s'étendent dans le sens de l'épaisseur de la bague. Alternativement, les structures annulaires 112' peuvent être obtenues chacune par tressage. Une fois la structure périphérique 16, la structure centrale 106' 20 et les structures annulaires 112' réalisées et mises en forme comme décrit précédemment, celles-ci sont imbriquées les unes dans les autres en positionnant la structure périphérique autour de la structure centrale. En particulier, dans cette position, la structure périphérique 16 ménage avec la structure centrale 106', au niveau des extrémités de celle-ci, des 25 espaces cylindriques 114 dans lesquels viennent se positionner les structures annulaires 112'. Les structures sont alors assemblées entre elles par couture, collage ou toute autre technique appropriée. On obtient ainsi un renfort fibreux qui, après densification par une matrice, devient la pièce 10 représenté en figure 2. 30 Les figures 5A à 5C représentent, selon un troisième mode de réalisation de l'invention, différentes étapes pour l'obtention du même renfort fibreux. Dans ce troisième mode de réalisation, les structures annulaires destinées à former les bagues au niveau des chapes de la pièce forment 35 une seule et même structure avec la structure périphérique destinée à réaliser l'âme de la pièce. 301 7 8 1 9 9 Plus précisément, la structure fibreuse périphérique et les deux structures annulaires sont obtenues par tissage tridimensionnel de l'ébauche fibreuse 200 en une seule pièce représentée sur la figure 5A. Cette ébauche fibreuse 200 se compose d'une partie principale 5 ayant une forme de bande 202 qui s'étend selon une direction correspondant à la direction longitudinale de l'âme à fabriquer. Des ouvertures 204 de forme oblongue, orientées dans le sens de longueur et traversant dans le sens de l'épaisseur, sont pratiquées dans cette bande. Par ailleurs, au niveau des parties de bande 206 qui bordent 10 chaque ouverture 204, l'ébauche fibreuse comprend également deux parties secondaires 208 chacune liée à la bande 202 par une zone de déliaison 210 et qui forment des languettes longitudinales. Cette ébauche fibreuse 200 est réalisée tissage tridimensionnel en une seule pièce par une pluralité de couches de fils de chaîne qui 15 s'étendent dans le sens de la longueur de la bande 202 et qui sont liées entre elles par des fils de trame. Les sens chaîne et trame sont représentés sur la figure 5A. La bande 202 avec les languettes 208 est recourbée selon les flèches F' de manière à joindre ses extrémités libres 212 et former une 20 boucle. Ces extrémités 212 sont alors jointes l'une à l'autre et éventuellement renforcées par couture, collage ou toute autre technique appropriée. Au cours de cette opération, les languettes 208 de l'ébauche fibreuse se rabattent l'une vers l'autre autour d'un outil adapté 300 pour 25 former deux structures annulaires 112" au niveau de chaque ouverture 204 (figure 5B). En particulier, les extrémités libres de ces languettes sont assemblées entre elles par couture, collage ou toute autre technique appropriée. Une fois enroulés sous forme de structures annulaires 112", les 30 fils de chaîne des languettes 208 s'étendent ainsi selon une direction circonférentielle, tandis que les fils de trame s'étendent dans le sens de l'épaisseur des bagues. Dans l'exemple représenté sur les figures 5A à 5C, les deux languettes 208 de l'ébauche fibreuse présentent chacune une partie 35 tronquée dans le sens longitudinal de façon à permettre un recouvrement partiel entre les languettes lorsqu'elles sont rabattues l'une vers l'autre. Cette zone de recouvrement entre les languettes 208 peut s'étendre en faisant varier la dégressivité des pentes qui sera choisie et adaptée aux sollicitations de dirnensionnement. Bien entendu, il est possible d'imaginer que les extrémités libres des languettes de l'ébauche fibreuse de la structure périphérique ne se recouvrent pas et se rencontrent bord à bord. Dans ce cas, ces extrémités libres seront également assemblées entre elles par toute technique appropriée. Après une telle mise en forme, on obtient la structure périphérique 16' qui est représentée sur la figure 5C avec les ouvertures 204 situées à des extrémités opposées de la boucle et deux bagues formées par les languettes 208 au niveau des parties de bande 206 qui bordent chaque ouverture 204. Quant à la structure centrale 106' destinée à former l'âme de la pièce, elle est identique à celle représentée sur la figure 4A, à savoir qu'elle est obtenue par tissage tridimensionnel et qu'elle se présente sous la forme d'une poutre à section, par exemple en H (ou autre, par exemple en 0, en S, etc.), avec deux parties longitudinales 108' reliées par une partie transversale 110'. Une fois la structure périphérique 16' et la structure centrale 106' réalisées et mises en forme comme décrit précédemment, celles-ci sont imbriquées les unes dans les autres en positionnant la structure périphérique autour de la structure centrale. En particulier, dans cette position, la structure périphérique 16' ménage avec la structure centrale 106' au niveau des extrémités de celle-ci des espaces cylindriques dans lesquels viennent sont positionnés les bagues formées par les structures annulaires 112" de la structure périphérique. Les structures sont alors assemblées entre elles par couture, collage ou toute autre technique appropriée. On obtient ainsi un renfort fibreux qui, après densification par une matrice, devient la pièce 10 représenté en figure 2. REVENDICATIONS1. Renfort fibreux pour la réalisation d'une pièce mécanique allongée (10) en matériau composite comprenant à une extrémité au moins une chape (14) destinée à recevoir un axe pour réaliser une liaison pivot avec une autre pièce, le renfort fibreux étant réalisé à partir : d'une structure fibreuse centrale (106 ; 106') destinée à former une âme qui est obtenue par tissage tridimensionnel ; d'une structure fibreuse périphérique (16 ; 16') destinée à 10 former une ceinture qui entoure la structure centrale de manière à ménager au niveau de la chape de la pièce d'au moins un espace cylindrique libre ; et d'au moins une structure fibreuse annulaire (112 ; 112' ; 112") destinée à former une bague qui est formée à l'intérieur de l'espace libre 15 ménagé entre la structure centrale et la structure périphérique. 2. Renfort fibreux selon la revendication 1, dans lequel la structure annulaire (112) forme une seule et même structure avec la structure centrale (106). 20 3. Renfort fibreux selon la revendication 1, dans lequel la structure annulaire (112") forme une seule et même structure avec la structure périphérique (16'). 25 4. Renfort fibreux selon la revendication 3, dans lequel la structure périphérique et la structure annulaire est obtenue par tissage tridimensionnel d'une ébauche fibreuse (200) en une seule pièce avec : une partie principale (202) ayant une forme de bande s'étendant selon une direction correspondant à la direction longitudinale 30 de l'âme à fabriquer, et deux parties secondaires (208) chacune liée à la partie principale par une zone de déliaison (210) pour former deux languettes longitudinales destinées à venir se rabattre l'une vers l'autre pour former une bague. 35 301 7 8 1 9 12 5. Renfort fibreux selon la revendication 4, dans lequel les deux languettes de l'ébauche fibreuse présentent chacune une partie tronquée dans le sens longitudinal de façon à permettre un recouvrement entre les languettes lorsqu'elles sont rabattues l'une vers l'autre. 5 6. Renfort fibreux selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel l'ébauche fibreuse de la structure périphérique et de la structure annulaire comprend une pluralité de couches de fils de chaîne s'étendant dans le sens de la longueur de la bande et des languettes et liées entre elles par des fils de trame. 7. Renfort fibreux selon la revendication 1, dans lequel la structure annulaire (112') forme une structure distincte de la structure centrale (106') et de la structure périphérique (16). 8. Renfort fibreux selon la revendication 7, dans lequel la structure annulaire est obtenue par tissage tridimensionnel d'une ébauche fibreuse sous forme d'une bande qui est destinée à être enroulée pour former une bague. 9. Renfort fibreuse selon la revendication 8, dans lequel l'ébauche fibreuse de la structure annulaire comprend une pluralité de couches de fils de chaîne s'étendant dans le sens de la longueur de la bande et liées entre elles par des fils de trame. 10. Renfort fibreux selon la revendication 7, dans lequel la structure annulaire est obtenue par tressage. 11. Pièce mécanique allongée en matériau composite 30 comprenant un renfort fibreux selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 densifié par une matrice. 12. Pièce mécanique selon la revendication 11, caractérisée en ce qu'elle constitue un levier (4a, 4b) d'une contrefiche (2) pour train 35 d'atterrissage. 20 25