Brevet FR3087508A1 — publié le 20200424

Description Titre de l'invention : PALIER EN ELASTOMERE PRESENTANT DES LAMELLES RENFORCEES PAR DES FIBRES DE CARBONE Domaine technique de l'invention 100011 La présente invention concerne un palier en élastomère présentant des lamelles alternées élastomères et des lamelles renforcées par des fibres de carbone et, plus précisément, un palier en élastomère présentant, en alternance, des lamelles alternées élastomères et des lamelles formées à partir d'un thermoplastique renforcé par des fibres de carbone tel que du polyétheréthercétone. Etat de la technique antérieure [0002] Les paliers en élastomère comportent traditionnellement une première bague reliée à une deuxième bague par un corps de palier, et le corps de palier est formé à partir de couches alternées d'un métal, tel que de l'acier inoxydable ou du titane, et d'un élastomère. La première bague peut être une bague interne disposée de manière coaxiale à l'intérieur de la deuxième bague ou bague externe de telle sorte que les couches alternées du corps de palier comprennent des cylindres coaxiaux de rayons qui augmentent de la bague interne vers la bague externe. En variante, la première bague peut être alignée de manière coaxiale à la deuxième bague et espacée axialement de celle-ci. Dans ce cas, les couches alternées du corps de palier comprennent un empilement de disque coaxiaux présentant des rayons sensiblement identiques qui s'étendent à partir des première et deuxième bagues et relient celles-ci. Lorsqu'une bague est fixe, la présence des couches élastomères entre les couches métalliques permet à la deuxième bague de tourner autour de l'axe commun du palier sur quelques degrés ou jusqu'à, dans certains cas, 10 degrés, tout en empêchant sensiblement la première bague et la deuxième bague de se déplacer axialement ou radialement l'une par rapport à l'autre. [0003] Les paliers en élastomère ont de multiples applications, l'une d'entre elles étant un ensemble rotor d'un aéronef à voilure tournante. Dans cet environnement, le palier en élastomère peut relier unc pale de rotor à un support de manière à permettre à la pale de rotor de pivoter vers le haut et vers le bas tout en limitant le déplacement de la pale de rotor dans d'autres directions. Ces paliers peuvent être soumis à des charges axiales (axiales par rapport au palier mais dans la direction radiale du rotor d'aéronef) de plus de 20 000 livres lorsque le rotor tourne et doivent donc être construits à partir de matériaux qui peuvent supporter ces forces. Des informations supplémentaires concernant les paliers en élastomère et leur utilisation dans un aéronef à voilure 2 tournante peuvent être trouvées, par exemple, dans le brevet américain n° 7,097,169 assigné à Mueller, dont le contenu est inclus ici pour référence. [0004] Dans de nombreux domaines, y compris dans le domaine des aéronefs à voilure tournante, il est souhaitable de réduire le poids afin d'obtenir une performance améliorée et/ou un rendement énergétique amélioré. Cependant, au vu des contraintes subies par les paliers en élastomère qui supportent des rotors d'aéronef, la réduction de poids ne peut pas s'effectuer au détriment de la résistance ou de la durabilité. Ainsi, par exemple, des efforts ont été déployés pour réduire le poids d'un palier en élastomère pour un aéronef à voilure tournante 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 doté de lamelles d'aluminium ne présente pas la résistance suffisante pour pouvoir être utilisé dans un palier pour un aéronef à voilure tournante. C'est-à-dire que si l'aluminium était utilisé, le palier ne serait pas à même de résister aux 20 000 livres ou plus de force axiale produite par la pale en rotation. Il est également connu d'utiliser du titane au lieu de l'acier inoxydable, lequel est environ 40% plus léger que l'acier inoxydable. Cet agencement fournit un palier robuste mais à un coût qui est trop élevé pour de nombreuses applications. [0005] 11 serait donc souhaitable de fournir un palier en élastomère léger amélioré qui est suffisamment résistant pour pouvoir être utilisé pour supporter un rotor dans un aéronef à voilure tournante. Résumé de l'invention [0006] Cc problème et d'autres sont abordés par les modes de réalisation de la présente invention, dont un aspect comprend un palier en élastomère qui comporte une première bague présentant un axe de rotation, une deuxième bague agencée de manière coaxiale par rapport à la première bague et espacée de la première bague par un espace, et un corps de palier dans l'espace reliant la première bague à la deuxième bague. Le corps de palier comprend une première pluralité de lamelles élastomères coaxiales à la première bague et une deuxième pluralité de lamelles en fibres de carbone coaxiales à la première bague, et les lamelles élastomères et les lamelles en fibres de carbone sont alternées dans une direction allant de la première bague à la deuxième bague. [0007] Selon un autre aspect de l'invention, les lamelles en fibres de carbone comprennent les fibres de carbone incorporées dans une matrice. [0008] Selon un mode de réalisation particulier, la matrice comprend un thermoplastique. [0009] En outre, les lamelles en fibres de carbone peuvent comporter, par exemple, des fibres de carbone incorporées dans un thermoplastique tel que du polyétheréthercétone (PEEK), et en particulier chaque lamelle en fibres de carbone peut comprendre de multiples feuilles de préimprégné de fibres de carbone et de PEEK. 3 100101 Selon un autre aspect de l'invention, les fibres de carbone dans chaque feuille de la pluralité de feuilles empilées sont unidirectionnelles. [0011] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, la pluralité de feuilles empilées comprend une première feuille contenant des fibres de carbone unidirectionnelles s'étendant dans une première direction et une deuxième feuille contenant des fibres de carbone unidirectionnelles s'étendant dans une deuxième direction, et dans lequel la première direction est différente de la deuxième direction. [0012] Selon un mode particulier, la deuxième direction est décalée de 45 degrés par rapport à la première direction et la troisième direction est perpendiculaire à la première direction et le nombre de feuilles empilées dans la pluralité de feuilles empilées est d'exactement 7 feuilles. [0013] Un autre mode de réalisation de l'invention est selon que les lamelles en fibres de carbone comprennent chacune une pluralité consolidée de préimprégnés empilés contenant des fibres de carbone et du PEEK. [0014] Selon un autre aspect de l'invention, le capuchon d'extrémité métallique (18) comporte un treillis interne (50) présentant une pluralité de vides. [0015] L'invention concerne également un aéronef à voilure tournante comprenant un rotor ; un support de rotor ; et le palier en élastomère selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents reliant le rotor au support de rotor. Brève description des figures [0016] Ces aspects et d'autres aspects de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée ci-après conjointement avec les dessins annexés dans lesquels : [0017] [fig.1] est une vue en élévation latérale d'un palier en élastomère présentant des lamelles élastomères et des lamelles en fibres de carbone alternées selon un premier mode de réalisation de la présente invention, [0018] W8.21 est une vue en plan de dessus de l'une des lamelles en fibres de carbone de la figure 1, [0019] [fig.3] est une vue en coupe selon la ligne dans la figure 2, [0020] [fig.4] est une vue en coupe à travers l'une des lamelles élastomères de la figure 1, [0021] [fig.5] est une vue détaillée de la région V de la figure 3 illustrant les couches indi- viduelles qui constituent l'une des lamelles en fibres de carbone, [0022] [fig.6] est une vue en perspective d'une plaque d'extrémité destinée à être utilisée dans un palier en élastomère du type illustré à la figure 1, [0023] [fig.7] est une vue en plan de dessus d'un palier en élastomère présentant des couches élastomères et en fibres de carbone alternées selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention, 100241 Ifig.81 est une vue en perspective en coupe du palier en élastomère de la figure 7 selon la ligne V11-V11 de la figure 7 et [0025] [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 [0026] Si l'on se réfère à présent aux dessins, dans lesquels les représentations sont à des seules fins d'illustration de modes de réalisation de l'invention et ne visent pas à la limiter, la figure 1 illustre un palier en élastomère 10 comprenant une plaque de base 12, une pluralité de lamelles élastomères 14 et une pluralité de lamelles en fibres de carbone 16. Les lamelles en fibres de carbone 16 comprennent des libres de carbone incorporées dans un matériau de matrice thermoplastique qui, dans le présent mode de réalisation, est ou comporte du polyétheréthercétone (PEEK). Un matériau approprié peut être obtenu auprès de Cytec-Solvay sous l'appellation commerciale APC-2 PEEK. Les lamelles élastomères 14 et les lamelles en fibres de carbone 16 présentent des diamètres généralement similaires et sont disposées suivant un agencement alterné (ou imbriqué) pour former un empilement de telle sorte que, mis à part à chaque extrémité du palier en élastomère 10, une lamelle élastomère 14 est située entre des paires de lamelles en fibres de carbone 16 et une lamelle en fibres de carbone 16 est située entre des paires de lamelles élastomères 14. Un capuchon d'extrémité 18 est monté à l'extrémité du palier en élastomère 10 à l'opposé de la plaque de base 18, et le palier en élastomère 10 présente un axe central ou un axe de rotation 20 autour duquel le capuchon d'extrémité 18 peut tourner sur quelques degrés ou jusqu'à environ 10 degrés lorsque la plaque de base 12 est montée fixement sur une autre structure. [0027] L'une des lamelles en fibres de carbone 16 est illustrée isolément dans les figures 2 et 3 et comporte une partie périphérique externe 20 et une partie périphérique interne 22 qui sont situées sensiblement dans le même plan. La lamelle en fibres de carbone 16 présente 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 externe 20 et la partie périphérique interne 24. L'une des lamelles élastomères 14 est illustrée isolément à la figure 4 et comporte une partie périphérique externe 28 et une partie périphérique interne 30 qui sont situées sensiblement dans le même plan. La lamelle élastomère 14 comporte 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 externe 28 et la partie périphérique interne 30 de la lamelle élastomère 14. [0028] Lorsque les lamelles élastomères 14 et les lamelles en fibres de carbone 16 sont empilées, les convexités 32 des lamelles élastomères 14 font saillie dans les concavités 26 des lamelles en fibres de carbone 16, et les convexités 24 des lamelles en fibres de carbone 16 font saillie dans les concavités 34 des lamelles élastomères 14 adjacentes. Bien qu'à la fois les lamelles élastomères 14 et les lamelles en fibres de carbone 16 pourraient être planes, la présence des concavités et des convexités (ou d'une autre forme d'emboîtement) augmente la surface sur laquelle les lamelles 14, 16 sont mutuellement en contact et facilite aussi l'alignement des lamelles 14, 16 et permet aux lamelles 14, 16 de résister à un déplacement radial relatif. Dans de nombreux modes de réalisation, approximativement 50 des lamelles élastomères 14 sont imbriquées dans un nombre similaire de lamelles en fibres de carbone 16 pour former le palier en élastomère 10. [0029] Dans les paliers en élastomère traditionnels, les lamelles qui sont situées entre des paires adjacentes de lamelles élastomères sont formées à partir d'acier inoxydable ou de titane. D'autres matériaux ne présentent généralement pas la résistance requise pour résister aux contraintes auxquelles de tels paliers en élastomère sont soumis lorsqu'ils sont utilisés, par exemple, pour supporter les pales de rotor d'un aéronef à voilure tournante. Précisément, il a été suggéré que des matériaux autres que l'acier inoxydable et le titane ne pourraient pas supporter les 20 000 livres ou plus 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 des fibres de carbone imprégnés de thermoplastiques tels que le PEEK, en particulier, de multiples feuilles 36 (figure 5) de fibres de carbone incorporées dans du PEEK, lesquelles feuilles peuvent comprendre des préimprégnés, fournissent la résistance à la compression et la résistance au déplacement radial et axial nécessaires à l'utilisation dans des paliers en élastomère pour supporter des pales de rotor d'un aéronef à voilure tournante tout en permettant aux couches élastomères de fonctionner sensiblement de la même manière que dans des paliers en élastomère traditionnels qui utilisent de l'acier inoxydable. Il a été découvert qu'un équilibre optimal de résistance et de faible poids peut être obtenu en utilisant de 5 à 9 et, de préférence, de 6 à 8 et, de manière particulièrement préférée, exactement 7 des feuilles 36 illustrées à la figure 5 pour former chacune des lamelles en fibres de carbone 16. L'agencement décrit assure également des économies de poids considérables. De telles lamelles en fibres de carbone 16 peuvent être utilisées pour remplacer les lamelles en acier inoxydable de sensiblement n'importe quel palier en élastomère traditionnel pour former un palier en élastomère selon la présente invention. [0030] Les feuilles individuelles 36 qui constituent chaque lamelle en fibres de carbone 16 peuvent comprendre des rubans ou des bandes de fibres de carbone imprégnés de PEEK où les fibres de carbone dans chaque feuille 36 sont alignées dans une seule direction (unidirectionnelles). De préférence les cinq à neuf feuilles 36 qui constituent une lamelle en fibres de carbone 16 sont agencées de telle sorte que les fibres de 6 chaque feuille 36 sont orientées suivant un angle différent. Par exemple, les feuilles 36 peuvent être empilées de telle sorte que les fibres de carbone dans une feuille s'étendent suivant un angle de 90 degrés par rapport aux fibres dans chaque feuille 36 adjacente. En variante, les fibres dans chaque feuille 36 peuvent s'étendre suivant un angle de 45 degrés par rapport aux fibres dans chaque feuille 36 adjacente. Cc décalage des fibres dans les feuilles 36 adjacentes augmente la résistance globale du palier en élastomère 10. [0031] On se référera à présent à la figure 6, illustrant le capuchon d'extrémité 18 et à la figure 9, illustrant la structure 50 qui est située à l'intérieur du capuchon d'extrémité 18 et partiellement visible à la figure 6. La structure 50 comporte un élément de support supérieur annulaire 52, un élément de support inférieur annulaire 54 et une pluralité d'entretoises 56 reliant l'élément de support supérieur 52 à l'élément de support inférieur 54, lesquelles entretoises 56 s'étendent suivant un angle non perpendiculaire à l'élément de support supérieur annulaire 52 et à l'élément de support inférieur annulaire 54. La forme et les dimensions des entretoises 56 et des éléments de support supérieur et inférieur annulaires 52, 54 peuvent être modifiées sur la base de l'application dans laquelle un palier comportant le treillis 50 doit être utilisé. Par exemple, au lieu d'entretoises, l'intérieur du capuchon d'extrémité pourrait être formé à partir d'un treillis de supports et de vides, de sensiblement n'importe quelle dimension ou forme, à cellules soit ouvertes soit fermées, ou présenter une structure en nid d'abeilles. [0032] Le façonnage du capuchon d'extrémité 18 de manière à présenter un intérieur par- tiellement creux au lieu du coulage ou d'un autre façonnage du capuchon d'extrémité 18 à partir d'un bloc plein de métal réduit de manière significative le poids du capuchon d'extrémité 18 et celui du palier 10 lui-même. La structure 50 et, éventuellement, toutes les structures externes du capuchon d'extrémité 18 peuvent être formées par un processus de fabrication additive tel que le frittage par laser. Bien que la fabrication du capuchon d'extrémité 18 à partir de corps pleins de matériaux plus légers que l'acier inoxydable a été considérée, l'utilisation d'un frittage par laser ou d'un autre processus de fabrication additive permet au capuchon d'extrémité 18 d'être formé de manière à présenter des espaces intérieurs qui occupent plus de 5% du volume intérieur ou plus de 50% du volume intérieur ou même jusqu'à 90% du volume intérieur du capuchon d'extrémité 18, ce qui réduit de manière significative le poids du capuchon d'extrémité 18. [0033] Des matériaux appropriés pour le façonnage du capuchon d'extrémité comportent l'acier inoxydable et le titane ; cependant, l'acier inoxydable est généralement préféré pour des raisons de coût. Ainsi, selon cet aspect de l'invention, le poids du capuchon d'extrémité 18 peut être réduit de manière significative sans porter atteinte à la ré- 7 sistance requise pour réaliser la fonction d'un capuchon d'extrémité de palier en élastomère dans un support pour la pale de rotor d'un aéronef à voilure tournante. Lorsqu'un tel capuchon d'extrémité est utilisé avec les nouvelles lamelles 16 renforcées par des fibres de carbone décrites ci-dessus, une réduction de poids de 30-40% par rapport aux paliers en élastomère traditionnels est possible. [0034] Un deuxième mode de réalisation de l'invention est représenté dans les figures 7 et 8 qui illustrent un deuxième palier en élastomère 40 qui comporte une bague interne 42, une bague externe 44 et une pluralité de couches élastomères cylindriques 46 et de couches en fibres de carbone cylindriques 48 qui sont alternées (c'est-à-dire qui sont imbriquées) entre la bague interne 42 et la bague externe 44. Les couches peuvent également être vues dans la vue en coupe de la figure 8. Au lieu de l'empilement de stratifications de tailles similaires décrites dans le premier mode de réalisation, les stratifications du palier en élastomère 40 du présent mode de réalisation comprennent des cylindres emboîtés dont les diamètres augmentent à partir de la bague interne 42 jusqu'à la bague externe 44. Chaque couche en fibres de carbone 48 du deuxième palier en élastomère 40 peut également être formée à partir de 5 à 9 ou de 6 à 8 ou d'exactement 7 feuilles individuelles ou préimprégnés formés à partir d'une combinaison de fibres de carbone et de PEEK, et le palier en élastomère 40 peut comporter approximativement 50 des couches élastomères 46 imbriquées avec un nombre similaire des couches en fibres de carbone 48. [0035] La présente invention a été décrite ici en termes de modes de réalisation préférés. Cependant, des modifications de ces modes de réalisation et des ajouts à ceux-ci apparaîtront de manière évidente à l'homme de l'art après examen de la description ci-dessus. Il est donc prévu que toutes les modifications de ces modes de réalisation et ajouts à ceux-ci font partie de la présente invention dans la mesure où ils relèvent du champ d'application des multiples revendications annexées à celle-ci. 8