Brevet FR3087509A1 — publié le 20200424

Description Titre de l'invention : Palier en élastomère ayant un embout d'extrémité de poids réduit Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne un palier en élastomère ayant un embout d'extrémité de poids réduit et, de façon plus spécifique, un palier en élastomère ayant un embout d'extrémité formé avec un intérieur au moins en partie creux et/ou par le biais d'un procédé de fabrication additif. Etat de la technique antérieur [0002] Les paliers en élastomère comprennent traditionnellement un premier chemin de roulement connecté à un second chemin de roulement par un corps de palier et le corps de palier est formé à partir de couches alternées d'un métal, tel que l'acier inoxydable ou le titane, et d'un élastomère. Le premier chemin de roulement peut être un chemin de roulement intérieur disposé coaxialement à l'intérieur du second chemin de roulement ou chemin de roulement extérieur de telle sorte que les couches alternées du corps de palier comprennent des cylindres coaxiaux avec des rayons augmentant depuis la bague intérieure vers la bague extérieure. En variante, le premier chemin de roulement peut être aligné coaxialement avec et espacé dans le plan axial par rapport au second chemin de roulement. Dans ce cas, les couches alternées du corps de palier comprennent un empilement de disques coaxiaux ayant des rayons sensiblement identiques qui s'étendent hors des premier et second chemins de roulement et les relient. Lorsqu'un chemin de roulement est fixe, la présence des couches en élastomère entre les couches métalliques permettent au second chemin de roulement de pivoter autour de l'axe commun du palier de quelques degrés pouvant atteindre, dans certains cas, 10 degrés maximum, tout en empêchant sensiblement le premier chemin de roulement et le second chemin de roulement de se déplacer dans le plan axial ou dans le plan radial l'un par rapport à l'autre. [0003] Les paliers en élastomère ont de nombreux usages, dont un est dans un ensemble rotor d'aéronef à ailes rotatives. Dans cet environnement, le palier en élastomère peut connecter une pale de rotor à un support d'une façon qui permette à la pale de rotor de pivoter vers le haut et vers le bas tout en limitant le mouvement de la pale de rotor dans les autres directions. Ces paliers peuvent être soumis à des charges axiales (axiales par rapport au palier mais dans la direction radiale du rotor cl' aéronef) de plus de 20 000 livres (9,072 tonnes) lorsque le rotor pivote et c'est pourquoi il doit être construit à partir de matériaux pouvant résister à ces forces. Des informations supplémentaires concernant les paliers en élastomère et leur utilisation dans les aéronefs à ailes rotatives 2 peuvent être trouvées, par exemple, dans le document américain n° 7 097 169 de Mueller, dont le contenu est intégré ici à titre de référence. [0004] TI est souhaitable dans de nombreux domaines, comprenant le domaine des aéronefs à ailes rotatives, de réduire le poids afin d'obtenir une performance améliorée et/ou une meilleure efficacité de carburant. Cependant, au regard des contraintes auxquelles les paliers en élastomère supportant les rotors d'aéronef sont exposés, la réduction de poids ne peut pas se faire au détriment de la résistance ou de la durée de vie. Des tentatives ont donc par exemple été réalisées pour réduire le poids d'un palier en élastomère pour aéronef à ailes rotatives en remplaçant les couches d'acier inoxydable dans un palier en élastomère par des couches d'aluminium. Bien que ce changement réduise le poids, un palier avec des lamines d'aluminium manque de résistance pour pouvoir être utilisé dans un palier d'aéronef à ailes rotatives. C'est-à-dire que l'utilisation d'aluminium rendrait le palier incapable de résister aux 20 000 livres (9,072 tonnes) ou plus de force axiale produite par la pale en rotation. L'utilisation du titane à la place de l'acier inoxydable, environ 40 % plus léger que l'acier inoxydable, est également connue. Cet agencement fournit un palier robuste mais à un coût indésirablement élevé pour de nombreuses applications. [0005] Il serait donc souhaitable de fournir un palier en élastomère léger amélioré qui soit suffisamment résistant pour pouvoir servir de support de rotor dans un aéronef à ailes rotatives. Résumé de l'invention [0006] Cc problème ainsi que d'autres sont résolus grâce aux modes de réalisation de la présente invention, dont un aspect comprend un palier en élastomère ayant un premier chemin de roulement ayant un axe de rotation, un second chemin de roulement agencé coaxialcmcnt par rapport au premier chemin de roulement et séparé du premier chemin de roulement par un interstice et un corps de palier dans l'interstice reliant le premier chemin de roulement au second chemin de roulement. Le corps de palier comprend une pluralité de premières lamines coaxiales par rapport au premier chemin de roulement et une pluralité de seconde lamines coaxiales par rapport au premier chemin de roulement et les premières lamines sont formées à partir d'un matériau différent des secondes lamines. Le palier en élastomère comprend également un embout d'extrémité en métal connecté au premier chemin de roulement ou au second chemin de roulement et l'embout d'extrémité en métal comprend un intérieur au moins en partie creux. [0007] Un autre aspect de la présente invention comprend un palier en élastomère qui comprend un premier chemin de roulement ayant un axe de rotation, un second chemin de roulement agencé coaxialement par rapport au premier chemin de roulement et séparé du premier chemin de roulement par un interstice et un corps de palier dans 3 l'interstice reliant le premier chemin de roulement au second chemin de roulement. Le corps de palier comprend une pluralité de premières lamines coaxiales par rapport au premier chemin de roulement et une pluralité de secondes lamines coaxiales par rapport au premier chemin de roulement et les premières lamines sont formées à partir d'un matériau différent des secondes lamines. Le palier en élastomère comprend également un embout d'extrémité en métal connecté au premier chemin de roulement ou au second chemin de roulement et l'embout d'extrémité en métal est formé par un procédé de fabrication additif. [0008] Un aspect supplémentaire de la présente invention comprend un palier en élastomère qui comprend un premier chemin de roulement ayant un axe de rotation, un second chemin de roulement agencé coaxialement par rapport au premier chemin de roulement et séparé du premier chemin de roulement par un interstice et un corps de palier dans l'interstice reliant le premier chemin de roulement au second chemin de roulement. Le corps de palier comprend une pluralité de lamines en élastomère coaxiales par rapport au premier chemin de roulement et une pluralité de lamines en polyétheréthercétone renforcées de fibres de carbone coaxiales par rapport au premier chemin de roulement. Le palier en élastomère comprend également un embout d'extrémité en métal relié au premier chemin de roulement ou au second chemin de roulement et l'embout d'extrémité en métal est formé par frittage par laser. L'embout d'extrémité comprend un élément de support supérieur annulaire, un élément de support inférieur annulaire et une pluralité de jambes d'appui s'étendant de l'élément de support supérieur vers l'élément de support inférieur et la pluralité de jambes d'appui ne sont pas perpendiculaires au support supérieur annulaire et ne sont pas perpendiculaires au support inférieur annulaire. L'élément de support supérieur annulaire a un diamètre externe inférieur au diamètre externe de l'élément de support inférieur annulaire. L'élément de support inférieur annulaire est également positionné entre l'élément de support supérieur annulaire et la pluralité de premières lamines. Brève description des figures [0009] Ces aspects de la présente invention ainsi que d'autres seront mieux compris après lecture de la description détaillée suivante conjointement avec les dessins joints, dans lesquels : [0010] [fig.l] est une vue en élévation de côté d'un palier en élastomère ayant des lamines en élastomère et des lamines en fibres de carbone alternées selon un premier mode de réalisation de la présente invention. [0011] [fig.2] est une vue en plan en élévation d'une des lamines en fibres de carbone de la figure 1. [0012] [fig.3] est une vue en coupe prise à travers la ligne de la figure 2. 100131 Ifig.41 est une vue en coupe prise à travers une des lamines en élastomère de la figure 1. [0014] [fig.5] est une vue détaillée de la région V de la figure 3 représentant les couches in- dividuelles constituant une des lamines en fibres de carbone. [0015] [fig.6] est une vue en perspective d'une plaque d'extrémité utilisée dans un palier en élastomère du type illustré sur la figure 1. [0016] [fig.7] est une vue en plan en élévation d'un palier en élastomère ayant des couches en élastomère et en fibres de carbone alternées selon un second mode de réalisation de la présente invention. [0017] [fig.8] est une vue en coupe en perspective du palier en élastomère de la figure 7 prise à travers la ligne VII-VII de la figure 7. [0018] [fig.9] est une vue en perspective d'une structure interne de la plaque d'extrémité de la figure 6. Description détaillée de l'invention [0019] En référence maintenant aux dessins, les illustrations sont exposées à des fins d'illustration uniquement des modes de réalisation de la présente invention et n'ont pas pour finalité de limiter celle-ci. La figure 1 illustre un palier en élastomère 10 comprenant une plaque de base 12, une pluralité de lamines en élastomère 14 et une pluralité de lamines en fibres de carbone 16. Lcs lamines en fibres de carbone 16 comprennent des fibres de carbone encastrées dans un matériau de matrice thermoplastique, qui, dans le présent mode de réalisation, est ou comprend du polyétheréthercétone (PEEK). Un matériau adapté peut être acheté à Cytec-Solvay sous le nom commercial APC-2 PEEK. Lcs lamines en élastomère 14 et les lamines en fibres de carbone 16 ont généralement des diamètres similaires et sont disposées selon un agencement alterné (ou entrelacé) pour former un empilement de sorte que, sauf au niveau de chaque extrémité du palier en élastomère 10, une lamine en élastomère 14 est positionnée entre des paires de lamines en fibres de carbone 16 et qu'une lamine en fibres de carbone 16 est positionnée entre des paires de lamines en élastomère 14. Un embout d'extrémité 18 est fixé à l'extrémité du palier en élastomère 10 opposé à la plaque de base 18 et le palier en élastomère 10 a un axe central ou un axe de rotation 20 autour duquel l'embout d'extrémité 18 peut pivoter de quelques degrés pouvant atteindre 10 degrés lorsque la plaque de base 12 est fixée fixement à une autre structure. [0020] Une des lamines en fibres de carbone 16 est illustrée sur les figures 2 et 3 et comprend une partie périphérique extérieure 20 et une partie intérieure périphérique 22 reposant sensiblement dans le même plan. La lamine en fibres de carbone 16 comprend également une convexité annulaire 24 sur un premier côté qui forme une concavité annulaire 26 sur le côté opposé et la convexité 24 et la concavité 26 sont disposées entre la partie périphérique extérieure 20 et la partie intérieure périphérique 24. Une des lamines en élastomère 14 est illustrée sur la figure 4 et comprend une partie périphérique extérieure 28 et une partie intérieure périphérique 30 reposant sensiblement dans le même plan. La lamine en élastomère 14 comprend une convexité annulaire 32 sur un premier côté qui forme une concavité annulaire 34 sur le côté opposé et la convexité 32 et la concavité 34 sont disposées entre la partie périphérique extérieure 28 et la partie intérieure périphérique 30 de la lamine en élastomère 14. [0021] Lorsque les lamines en élastomère 14 et les lamines en fibres de carbone 16 sont empilées, les convexités 32 des lamines en élastomère 14 saillent dans les concavités 26 des lamines en fibres de carbone 16 et les convexités 24 des lamines en fibres de carbone 16 saillent dans les concavités 34 des lamines en élastomère 14 adjacentes. Même si tant les lamines en élastomère 14 que les lamines en fibres de carbone 16 peuvent être planes, la présence des concavités et convexités (ou de toute autre forme réalisant un interverrouillage) augmente la superficie sur laquelle les lamines 14, 16 entrent mutuellement en contact les unes avec les autres et contribue également à aligner les lamines 14, 16 et permet aux lamines 14, 16 de résister au mouvement radial relatif. Dans de nombreux modes de réalisation, approximativement 50 lamines en élastomère 14 sont entrelacées avec un nombre similaire de lamines en fibres de carbone 16 pour former le palier en élastomère 10. [0022] Dans des paliers en élastomère traditionnels, les lamines qui sont positionnées entre des paires adjacentes de lamines en élastomère sont formées à partir d'acier inoxydable ou de titane. D'autres matériaux manquent généralement de résistance nécessaire pour résister aux contraintes auxquelles de tels paliers en élastomère sont soumis lorsqu'utilisés, par exemple, pour supporter les pales de rotor de l'aéronef à ailes rotatives. De façon spécifique, il a été pensé que des matériaux autres que l'acier inoxydable et le titane ne peuvent pas résister aux 20 000 livres (9,072 tonnes) ou davantage de force centrifuge produite par les pales en rotation (une force dirigée le long de l'axe du palier). Cependant, les présents inventeurs ont découvert que les thermoplastiques imprégnés de fibre de carbone tels que le PEEK, notamment les feuilles multiples 36 (Figure 5) de la fibre de carbone encastrée dans le PEEK, lesdites feuilles pouvant comprendre des éléments pré-imprégnés, fournissent la force de compression et la résistance au mouvement radial et axial nécessaires pour être utilisées dans des paliers en élastomère prévus pour supporter les pales de rotor de l'aéronef à ailes rotatives tout en permettant aux couches en élastomère de fonctionner de sensiblement la même manière que des paliers en élastomère traditionnels utilisant de l'acier inoxydable. On a trouvé qu'un équilibre optimal de résistance et de faible poids peut être obtenu en utilisant de 5 à 9, et de façon plus spécifique de 6 à 8 et de façon préférée 6 entre toutes exactement 7 feuilles 36 illustrées sur la figure 5 pour former chacune des lamines en fibres de carbone 16. L'agencement exposé permet également de réaliser des économies substantielles de poids. De telles lamines en fibres de carbone 16 peuvent être utilisées pour remplacer les lamines en acier inoxydable dc sensiblement n'importe quel palier en élastomère traditionnel pour former un palier en élastomère selon la présente description. [0023] Les feuilles 36 individuelles constituant chaque lamine en fibres de carbone 16 peuvent comprendre des bandes ou des tissus de PEEK imprégné dc fibres de carbone où les fibres de carbone de chaque feuille 36 sont alignées dans une seule direction (unidirectionnelle). De préférence dc cinq à neuf feuilles 36 constituant une lamine en fibres de carbone 16 sont agencées avec les fibres de chaque feuille 36 formant un angle différent. Par exemple, les feuilles 36 peuvent être empilées de sorte que les fibres de carbone contenues dans une feuille s'étendent selon un angle de 90 degrés par rapport aux fibres dans chaque feuille 36 adjacente. En variante, les fibres contenues dans chaque feuille 36 peuvent s'étendre selon un angle de 45 degrés par rapport aux fibres dans chaque feuille 36 adjacente. Ce décalage des fibres dans les feuilles 36 adjacentes augmente la résistance générale du palier en élastomère 10. [0024] TI est maintenant fait référence à la figure 6 représentant l'embout d'extrémité 18 et à la figure 9 représentant la structure 50 qui est positionnée à l'intérieur de l'embout d'extrémité 18 et en partie visible sur la figure 6. La structure 50 comprend un élément de support supérieur annulaire 52, un élément de support inférieur annulaire 54 et une pluralité de jambes d'appui 56 reliant l'élément de support supérieur 52 à l'élément de support inférieur 54, lesdites jambes d'appui 56 s'étendant selon un angle non perpendiculaire pal- rapport à l'élément de support supérieur annulaire 52 et à l'élément de support inférieur annulaire 54. La forme et les dimensions des jambes d'appui 56 et des éléments de support 52, 54 annulaires supérieurs et inférieurs peuvent varier sur la base de la présente invention utilisant un palier comprenant le treillis 50 Par exemple, au lieu des jambes d'appui, l'intérieur de l'embout d'extrémité peut être formé à partir d'un treillis de support et de vides, de sensiblement n'importe quelle taille ou forme, à cellule soit ouverte soit fermée, ou avec une structure alvéolaire. [0025] Le moulage de l'embout d'extrémité 18 avec un intérieur en partie creux au lieu de fondre ou sinon de mouler l'embout d'extrémité 18 à partir d'un bloc de métal solide réduit significativement le poids de l'embout d'extrémité 18 et celui du palier 10 lui-même. La structure 50 et, en option, toutes les structures externes de l'embout d'extrémité 18, peuvent être formées par un procédé de fabrication additif tel que, par exemple, par frittage par laser. Même si la fabrication de l'embout d'extrémité 18 à partir de corps solides de matériaux plus légers que l'acier inoxydable a été envisagée, l'utilisation d'un frittage par laser ou de tout autre procédé de fabrication additif 7 permet de mouler l'embout d'extrémité 18 avec des espaces intérieurs constituant plus de 5 % du volume intérieur ou plus de 50 % du volume intérieur ou même plus de 90 % du volume intérieur de l'embout d'extrémité 18, réduisant significativement le poids de l'embout d'extrémité 18. [0026] Des matériaux adaptés pour former l'embout d'extrémité comprennent l'acier in- oxydable et le titane ; cependant, ce premier est généralement préféré pour des raisons de coût. Donc selon cet aspect de la présente invention, le poids de l'embout d'extrémité 18 peut être réduit significativement sans sacrifier la résistance nécessaire au bon fonctionnement d'un embout d'extrémité de palier en élastomère dans un support pour pale de rotor d'aéronef à ailes rotatives. Lorsqu'un tel embout d'extrémité est utilisé avec les lamines 16 renforcées de fibres de carbone décrites ci-dessus, une réduction de poids de 30-40 % est possible par rapport aux paliers en élastomère traditionnels. [0027] Un second mode de réalisation de la présente invention est illustré sur les figures 7 et 8 qui illustrent un second palier en élastomère 40 qui comprend un chemin de roulement intérieur 42, un chemin de roulement extérieur 44 et une pluralité de couches en élastomère cylindriques 46 et de couches en fibres de carbone cylindriques 48 alternées (c'est-à-dire entrelacées) entre le chemin de roulement intérieur 42 et le chemin de roulement extérieur 44. Les couches peuvent également être vues dans la vue en coupe de la figure 8. Plutôt que l'empilement de laminages dimensionnés de façon similaire exposés dans le premier mode de réalisation, les laminages du palier en élastomère 40 du présent mode de réalisation comprennent des cylindres imbriqués dont les diamètres augmentent depuis le chemin de roulement intérieur 42 vers le chemin de roulement extérieur 44. Chaque couche en fibres de carbone 48 du second palier en élastomère 40 peut également être formée de 5 à 9 ou de 6 à 8 ou exactement de 7 feuilles individuelles ou d'éléments pré-imprégnés formés à partir d'une combinaison de fibres de carbone et de PEEK et le palier en élastomère 40 peut comprendre approximativement 50 des couches en élastomère 46 entrelacées avec un nombre similaire de couches en fibre de carbone 48. [0028] La présente invention a été décrite ici en termes de modes de réalisation préférés. Cependant, des modifications et des ajouts à ces modes de réalisation apparaîtront à l'homme du métier à la lecture de la description précédente. C'est pourquoi toutes les modifications et tous les ajouts à ces modes de réalisation sont inclus dans la présente invention dans la mesure où ils sont dans la portée des revendications jointes. 8