Brevet FR3025565A1 — publié le 20160311

- 1 - Insert monobloc surmoulé avec un système d'étanchéité L'invention concerne les accumulateurs de pression pour véhicule. Certains types de véhicules hybrides comportent un système de pompe/moteur hydraulique pouvant charger des accumulateurs hydrauliques en huile pour y stocker de 5 l'énergie sous la forme de réserve de pression. Une machine hydraulique reliée à des roues motrices du véhicule peut fonctionner en moteur pour délivrer une puissance mécanique aux roues en prélevant l'énergie stockée dans les accumulateurs hydrauliques, ou en pompe pour recharger ces accumulateurs hydrauliques lors des freinages du véhicule, afin de récupérer au moins en partie l'énergie cinétique du 10 véhicule. Un type particulier d'accumulateur hydraulique est un accumulateur à vessie qui comprend généralement une enceinte à l'intérieur de laquelle est disposée une vessie contenant du gaz, de préférence de l'azote. Lors de la récupération d'énergie, on envoie de l'huile dans l'enceinte autour de la vessie. Ainsi, la vessie pleine de gaz est comprimée 15 par l'huile et, réciproquement, la vessie ainsi comprimée tend à repousser l'huile hors de l'enceinte en la soumettant à la pression accrue du gaz enfermé dans la vessie. Lorsqu'on souhaite récupérer l'énergie stockée dans l'accumulateur, on libère l'huile hors de l'enceinte et cette huile, qui transmet la pression du gaz comprimé dans la vessie, fournit de l'énergie à un moteur hydraulique. 20 Historiquement, plusieurs types d'accumulateurs sont connus et distingués en fonction du matériau dont ils sont constitués. Les accumulateurs de type I étaient totalement métalliques. Les accumulateurs de types II et III sont constitués de métal enrobé de fibres, sur une partie en ce qui concerne les enceintes de type II, entièrement sur les enceintes de type III. Aujourd'hui, les enceintes de type IV comprennent une 25 enceinte en matière plastique sur laquelle sont enroulés des filaments de matériaux composites noyés dans une résine. Ce type d'accumulateur de type IV offre une résistance convenable tout en étant plus léger que les enceintes en métal des types I, Il, et III. Afin de permettre une connexion entre l'enceinte et l'extérieur et entre la vessie et 30 l'extérieur, on met en place des inserts métalliques sur l'enceinte, inserts dont la fonction est de permettre de connecter des pièces métalliques avec l'enceinte ou avec la vessie, qui sont deux éléments non métalliques, tout en assurant une étanchéité optimale. On connait à cet effet des inserts montés en plusieurs pièces. Deux types d'inserts sont principalement connus. Des inserts de soupape, pour connecter des conduits 35 permettant de faire entrer et sortir l'huile de l'enceinte, et des inserts de valve pour connecter des conduits de gaz à la vessie. Un insert de soupape comprend plusieurs 3025565 - 2 - constituants, à savoir notamment un corps de soupape, des éléments de support et des éléments de liaison tels que des écrous et des bagues, pour empêcher l'extrusion de la vessie. Un insert de valve comprend également plusieurs constituants, à savoir généralement un corps de valve qui permet de maintenir fermée la vessie une fois qu'elle est remplie de gaz, et le même type d'éléments de liaison qu'un insert de soupape pour fixer l'insert et le corps de valve sur l'enceinte. Les inserts de ces deux types comprennent tous au moins un constituant qui est au moins en partie surmoulé de matière thermoplastique, comme du PEHD, pour faciliter son soudage à l'enceinte en matière plastique, enceinte qui a été préalablement formée par soufflage d'une paraison. Après soudure de ce constituant sur l'enceinte, les autres constituants de l'insert sont agencés les uns par rapport aux autres, puis ils sont fixés par vissage. L'étanchéité est réalisée par interposition d'un joint entre la partie de l'insert surmoulée en PEHD et l'enceinte. Une fois l'insert en place, on enroule des fibres composites autour de l'enceinte, par exemple des fibres de carbone gainées de résine époxy. Ces fibres améliorent la résistance de l'enceinte en même temps qu'elles maintiennent l'insert en place. Cependant, un tel agencement engendre des risques d'endommagement de la partie de l'insert surmoulée, car cette partie se retrouve intercalée entre deux constituants vissés entre eux et elle subit de ce fait une compression qui peut engendrer des 20 perforations et mettre à mal l'étanchéité de l'ensemble. De plus, l'ensemble du montage de l'insert au sein de l'enceinte se fait aujourd'hui manuellement. Le montage est donc relativement long et complexe à cause du nombre de pièces en jeu, et ce d'autant plus que certaines pièces sont uniquement présentes pour maintenir l'ensemble en place. 25 Un but de l'invention est de réaliser un système d'étanchéité qui ne présente pas de risques de fuites. Un autre but de l'invention est de proposer un montage simplifié de l'insert au sein de l'enceinte. A cet effet, on prévoit selon Insert pour accumulateur de pression de véhicule, 30 l'accumulateur comprenant une enceinte en matière thermoplastique, un enroulement de fibres et une vessie, l'insert étant constitué majoritairement par une première matière et au moins en partie par une seconde matière qui est une matière thermoplastique apte à être soudée avec la matière constituant l'enceinte, caractérisé en ce que l'insert est monobloc et est conformé de manière à ne pouvoir être séparé après soudage de 35 l'enceinte que par destruction de cette dernière ou de l'insert, en ce que l'insert comprend en outre des moyens aptes à assurer l'étanchéité entre la première matière et la seconde matière. 3025565 - 3 - Par matière thermoplastique, on désigne tout polymère thermoplastique, y compris les élastomères thermoplastiques, ainsi que leurs mélanges. On désigne par le terme "polymère" aussi bien les homopolymères que les copolymères (binaires ou ternaires notamment). Des exemples de tels copolymères sont, de manière non limitative : les 5 copolymères à distribution aléatoire, les copolymères séquences, les copolymères à blocs et les copolymères greffés. Tout type de polymère ou de copolymère thermoplastique dont la température de fusion est inférieure à la température de décomposition conviennent. Les matières thermoplastiques de synthèse qui présentent une plage de fusion étalée sur au moins 10 10 degrés Celsius conviennent particulièrement bien. Comme exemple de telles matières, on trouve celles qui présentent une polydispersion de leur masse moléculaire. En particulier, on peut utiliser des polyoléfines, des polyesters thermoplastiques, des polycétones, des polyamides et leurs copolymères. Un mélange de polymères ou de copolymères peut aussi être utilisé, de même qu'un mélange de matières polymériques 15 avec des charges inorganiques, organiques et/ou naturelles comme, par exemple, mais non limitativement : le carbone, les argiles, les sels et autres dérivés inorganiques, les fibres naturelles ou polymériques. Il est également possible d'utiliser des structures multicouches constituées de couches empilées et solidaires comprenant au moins un des polymères ou copolymères décrits supra. Un polymère souvent employé est le polyéthylène. D'excellents résultats peuvent être obtenus avec du polyéthylène haute densité (PEHD). La paroi de l'enceinte peut être constituée d'une seule couche de matière thermoplastique ou de deux couches. Une ou plusieurs autres couches supplémentaires possibles peuvent, de manière avantageuse, être constituées de couches en matériau barrière aux liquides et/ou aux gaz. De préférence, la nature et l'épaisseur de la couche barrière sont choisies de manière à limiter au maximum la perméabilité des liquides et des gaz en contact avec la surface intérieure du l'enceinte. Avantageusement, cette couche peut être à base d'une résine barrière, c'est-à-dire d'une résine imperméable au carburant telle que I'EVOH par exemple (copolymère éthylène - acétate de vinyle partiellement hydrolysé). Par « monobloc », on entend une pièce qui ne peut pas être divisée en plusieurs parties, sauf à la détruire. On parlera aussi de pièce qui n'est pas démontable et dont la seule façon de la séparer en différents éléments est de la détruire. Ainsi, l'insert étant monobloc, on peut l'insérer et souder sa partie surmoulée durant 35 le soufflage de la paraison de manière à faciliter et à accélérer le montage de l'ensemble. De préférence, la première matière est du métal. Avantageusement, l'insert comprend au moins un organe de rétention de la vessie 3025565 4 à l'intérieur de l'enceinte. De préférence, l'organe de rétention est un obturateur apte à obturer et à ouvrir une voie de passage entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte. Avantageusement, l'organe de rétention est une grille. 5 Ainsi, les orifices de la grille sont suffisamment grands pour laisser passer le fluide et suffisamment petits pour éviter la sortie de la vessie de l'enceinte. Tout organe apte à réaliser ces fonctions est assimilable à une grille au sens de l'invention. Avantageusement, l'insert comprend une gorge circulaire entre deux épaulements, apte à accueillir l'enceinte. 10 Ainsi, l'insert est maintenu en place sur la gorge et ne peut pas se déplacer par rapport à l'enceinte, en raison des épaulements. De préférence, les moyens assurant l'étanchéité sont un additif à la matière thermoplastique de l'insert permettant son adhésion avec l'enceinte Alternativement, les moyens assurant l'étanchéité peuvent être constitués d'un 15 joint. Ainsi, le système d'étanchéité, qu'il soit réalisé par joint ou par adhésion, ne présente plus de risque de perforation. De préférence, le joint est situé dans un logement circonférentiel de la gorge. Avantageusement, l'organe de rétention est monté mobile par rapport à l'insert. 20 Ainsi, l'organe de rétention peut être une valve, une soupape ou tout autre élément qui se déplace pour obturer ou ouvrir la voie de passage. On prévoit également un accumulateur de pression pour véhicule, comprenant au moins un insert tel que décrit précédemment, une enceinte constituée de matière thermoplastique et un enroulement filamentaire autour de l'enceinte 25 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un ensemble comprenant une enceinte d'un accumulateur de pression et un insert tel que décrit précédemment, dans lequel : - on place une paraison dans un moule ouvert ; - on ferme le moule ; 30 - on souffle la paraison de manière à former l'enceinte; caractérisé en ce qu'on soude une partie surmoulée de l'insert formée par la seconde matière à la paraison lors de la fermeture du moule. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée 35 uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins dans lesquels : - la figure 1 illustre une vue en coupe longitudinale transversale d'un accumulateur de l'art antérieur ; 3025565 - 5 - - la figure 2 illustre une vue en coupe longitudinale d'un insert de l'art antérieur ; - la figure 3 illustre une vue en coupe longitudinale d'un insert selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 illustre une vue en coupe longitudinale d'un insert selon un deuxième 5 mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 illustre une vue en coupe longitudinale d'un accumulateur de pression présentant des inserts selon l'invention ; - la figure 6 illustre une vue en perspective d'une enceinte d'un accumulateur de pression ; 10 - les figures 7 et 8 illustrent des inserts comportant respectivement un joint d'étanchéité conformément aux deux premiers modes de réalisation et un additif adhérant dans la partie surmoulée conformément à un troisième mode de réalisation ; et - les figures 9 à 12 illustrent de façon schématique des étapes d'un procédé de fabrication d'un ensemble comprenant une enceinte et des selon l'invention. 15 La figure 1 illustre un accumulateur de pression 1 pour véhicule selon l'art antérieur, comprenant une enceinte 2 constituée de polyéthylène haute densité (PEHD) autour de laquelle des fibres 3 en matériau composite sont enroulées. L'accumulateur 1 comprend une vessie 4 située à l'intérieur de l'enceinte 2, un insert de soupape 5 auquel est connectée une soupape 6, et un insert de valve 7 auquel est connectée une valve 8. 20 Cette dernière est connectée à la vessie 4. L'enceinte 2 est de forme tubulaire avec des extrémités de forme sphérique. Elle présente deux orifices 11 et 12 au niveau respectivement de chacune de ses extrémités où sont situés les inserts 5 et 7 précités. Le procédé d'utilisation d'un accumulateur de pression à vessie en général et du 25 type de l'invention en particulier est le suivant. Avant de faire fonctionner normalement le véhicule comprenant l'accumulateur, on ouvre la valve au niveau de l'insert de valve de façon à faire entrer du gaz dans la vessie. Une fois la vessie remplie d'une quantité de gaz prédéterminée, on ferme la valve. Au niveau de l'insert de soupape, la soupape sert uniquement à empêcher la vessie 30 de sortir de l'enceinte (on parle d' « extrusion » de la vessie). En amont de la soupape, un élément permet d'ouvrir ou d'obturer, en fonctionnement normal du véhicule, le conduit permettant de faire entrer de l'huile dans l'enceinte depuis un circuit hydraulique (non représenté). Lorsque le conducteur du véhicule freine, on parvient, par un mécanisme qui n'est pas décrit ici, à transformer l'énergie cinétique perdue au freinage en énergie hydraulique, en faisant entrer de l'huile du circuit hydraulique dans l'enceinte, puis on ferme la voie de passage de l'huile. L'huile contenue dans l'enceinte comprime alors la vessie pleine de gaz. L'énergie du freinage est ainsi « stockée » dans 3025565 6 l'accumulateur de pression. Lorsque l'on souhaite utiliser l'énergie ainsi stockée, on ouvre la voie de passage de l'huile et, si la pression exercée par la vessie remplie de gaz sur l'huile est supérieure à celle exercée par l'huile sur la vessie, alors l'huile est évacuée de l'enceinte, pour aller 5 dans le circuit hydraulique qui est relié aux systèmes moteurs du véhicule. L'huile transmet ainsi la pression du gaz de l'enceinte dans le circuit hydraulique. La vessie reprend un volume plus important. Cela correspond au « déstockage » de l'énergie pour son utilisation dans les moteurs. La figure 2 est une vue agrandie d'un insert de soupape 5' de l'art antérieur. 10 Il est constitué de plusieurs pièces qui servent à la fois à son maintien en place et à empêcher la vessie 4' de sortir de l'enceinte 2'. Ainsi, on distingue notamment un corps extérieur 13 permettant le maintien de l'insert au niveau de l'orifice 12' de l'enceinte, un corps intérieur 14 entourant la soupape 6', un corps intermédiaire 15, ainsi qu'une bague anti-extrusion 16, un anneau épaulé interne 17 et un anneau épaulé externe 17'. La 15 plupart des éléments de l'insert 5' sont constitués de métal. Durant le montage, les différents éléments de l'insert 5' ainsi que la soupape, sont montés manuellement dans l'enceinte 2' déjà soufflée. Ainsi, on commence par insérer l'anneau épaulé interne 17 dans l'enceinte. Il peut être nécessaire à cet effet de fendre cet anneau épaulé interne 17 et de le déformer pour le faire passer par l'orifice 19 de l'enceinte. Puis 20 on introduit le corps intérieur 14 et on le positionne dans l'anneau épaulé interne 17. Ensuite, on visse l'anneau épaulé externe 17' sur le corps intérieur 14, puis sur le corps extérieur 13. Toutes ces opérations sont exécutées depuis l'extérieur de l'enceinte et réclament une dextérité et une patience non négligeables. Comme déjà expliqué, ces opérations sont longues, complexes et comportent des 25 risques de blessure pour l'opérateur chargé du montage. De plus, l'agencement des pièces est tel que le corps extérieur 13 de l'insert 5' et l'anneau épaulé interne 17 de l'insert en métal compressent entre eux une partie 18 de l'enceinte 2' en PEHD. Il y a donc des risques de perforation de l'enceinte à cet endroit. Le cas échéant, l'huile contenue dans l'enceinte 2' peut fuir vers l'extérieur. L'étanchéité entre l'insert 5' et 30 l'enceinte 2' n'est donc pas optimale. La figure 3 présente un insert de soupape 20 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Il est monobloc. Par « monobloc », on entend, conformément à ce qui a déjà été expliqué, une pièce qui n'est pas démontable, dont la seule façon de la répartir en divers éléments est de la détruire. Cet insert 20 est situé au niveau d'un orifice 19 du 35 même type que celui prévu pour l'insert de soupape de l'enceinte de la figure 1. Sa forme est symétrique de révolution autour d'un axe 100. Il comprend une gorge 21, sur laquelle est maintenue en place l'enceinte 22 de l'accumulateur, au niveau de l'orifice 19 de celle- 3025565 - 7 - ci. Au fond de cette gorge 21, est ménagé un logement circulaire (ou petite gorge) 23' autour de l'axe 100, apte à recueillir un joint 23. Ce joint 23 permet de réaliser l'étanchéité entre l'enceinte et l'insert. L'enroulement de fibres 24 est situé sur toute la surface extérieure de l'enceinte 22, particulièrement au niveau de l'orifice 19. A ce niveau, les 5 fibres 24 permettent de renforcer le maintien en place de l'insert 20 sur l'enceinte 22. La gorge 23 de l'insert est entourée, en direction de l'axe 100, par deux épaulements 25 et 26. L'épaulement supérieur 25 de l'insert est situé à l'extérieur de l'enceinte 22, tandis que l'épaulement inférieur 26, plus large, est situé à l'intérieur de l'enceinte 22. La surface de l'insert 20 qui va d'un épaulement à un autre en passant par la gorge du joint 23, est 10 surmoulée de PEHD, matière identique à celle constituant l'enceinte. Ainsi, la partie de l'épaulement inférieur 26 de l'insert, surmoulée de PEHD, est soudée à l'enceinte 22 en PEHD. Alternativement, toute matière apte à être soudée avec du PEHD peut être utilisée pour surmouler l'insert en métal. L'insert comporte une soupape 27. Celle-ci est montée mobile en translation selon 15 l'axe 100 dans l'insert de soupape 20. Elle permet de retenir la vessie (non visible) lorsque le volume de cette dernière s'accroît, afin qu'elle ne sorte pas de l'enceinte 22. Enfin l'insert 20 est connecté à une voie de passage 28, qui est représentée mais non détaillée car elle ne fait pas partie de l'invention. Cette voie de passage 28 permet de faire circuler l'huile entre l'enceinte 22 et un circuit hydraulique (non représenté) extérieur 20 à l'enceinte. La figure 4 illustre deuxième mode de réalisation de l'invention. Il s'agit cette fois d'un insert de valve 30. Cet insert 30 présente également une forme symétrique autour de l'axe 100, et est positionné à l'extrémité de l'enceinte opposée à celle de l'insert de soupape 20. L'insert 30 comporte les mêmes caractéristiques générales concernant sa 25 forme que l'insert de soupape 20, à savoir une gorge 31 située au niveau de l'orifice 39 de l'enceinte 22, et deux épaulements 35 et 36, respectivement extérieur et intérieur à l'enceinte 22. Les mêmes parties que l'insert de soupape 20 sont surmoulées de PEHD et soudées à l'enceinte. Sur cette figure, la valve n'est pas visible. L'insert 30 comporte également un joint d'étanchéité 33 logé dans la gorge 31. 30 La figure 5 représente les deux inserts précédents dans un accumulateur de pression 70 pour véhicule. La vessie n'étant pas visible ici. La figure 6 est une vue de l'extérieur d'une enceinte 32 du type de celle utilisée dans les accumulateurs de pressions, où on distingue l'enroulement de fibres sur toute la surface extérieure de l'enceinte. 35 Dans un troisième mode de réalisation, l'insert, que ce soit un insert de soupape ou un insert de valve, ne présente pas de joint pour réaliser l'étanchéité. Ce type d'insert est visible à la figure 8. Cette vue schématique est à comparer à 3025565 - 8 - celle de la figure 7, où on distingue un insert avec un joint d'étanchéité 43. L'insert 50 de la figure 8 comporte un additif dans la partie surmoulée 57 en PEHD de l'insert 50, additif adhérant tel qu'un polymère fonctionnalisé (« grafted polymer » en anglais), en l'espèce du polyéthylène anhydre maléique, qui permet de coller l'insert 50 5 et l'enceinte 52 de manière à ce que l'étanchéité entre l'insert 50 et l'enceinte 22 soit réalisée par adhésion. On va maintenant décrire un procédé de fabrication d'une enceinte d'un accumulateur de pression comprenant des inserts conformes à l'invention, en référence aux figures 9 à 12 qui illustrent de façon schématique le procédé. 10 A l'intérieur d'une installation de soufflage non illustrée, on met en place des inserts de valve 30 et de soupape 20 conformes à l'invention, ainsi qu'une vessie vide 4', dans les positions respectives où ces éléments seront situés une fois l'enceinte réalisée. Ainsi, la vessie 4' est fixée à l'insert de valve 30, l'insert de soupape 20 étant situé à l'extrémité opposée de la vessie 4', sans contact avec elle. 15 On réalise ensuite l'enceinte de l'accumulateur autour de cet assemblage. A cet effet, on extrude une paraison 22' autour des inserts 30 et 20 et de la vessie 4' entre deux parties 61 et 62 d'un moule ouvert. Puis on ferme le moule en dirigeant ses deux parties 61 et 62 l'une vers l'autre. Celles-ci se referment sur la paraison 22', la pincent de telle sorte que la paraison 22' se referme au niveau des gorges 23 et 33 de 20 chaque insert. Simultanément, la paraison 22' est soudée par compression au niveau des épaulements inférieurs 26 et 36 surmoulés de PEHD de chaque insert 20 et 30. Ensuite, on réalise le soufflage de la paraison 22' en injectant de l'air dans la paraison 22' par un procédé connu et non illustré ici. Les parois de la paraison sont alors écrasées contre les parois des deux parties 61 et 62 du moule, et prennent ainsi la forme de 25 l'enceinte 22 de l'accumulateur de pression. A la fin du procédé, on écarte les deux parties du moule de manière à retirer l'enceinte comprenant les deux inserts 20 et 30 et la vessie 4'. Ainsi, contrairement à ce qui se fait dans l'état de la technique, on n'a pas eu à monter en plusieurs pièces les inserts dans une enceinte, après avoir soufflé cette 30 dernière. Le processus de soufflage de l'enceinte et la mise en place des inserts ont lieu en même temps, sans risque de blessure, ce qui permet un important gain de temps. Le matériau constituant l'insert peut comprendre : de l'acier, de l'acier inoxydable, du laiton, de l'aluminium. D'autres types d'alliages sont possibles. Dans un autre mode de réalisation de l'invention non illustré, l'insert n'est pas constitué 35 de métal mais de matériau composite. Ainsi, il peut être composé de matière chargée ou renforcée, de thermoplastique de type polysulfoniques tels que du polysulfure de phénylène (aussi désigné « PPS »). 3025565 - 9 - Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci.