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Dispositif anti-choc
La présente invention concerne un dispositif anti-choc, en particulier pour véhicule automobile. Il importe que les véhicules automobiles présentent un niveau de sécurité élevé, et ce tout en évitant un accroissement excessif de volume, de poids et de coût. Il est par ailleurs souhaitable qu'une proportion la plus grande possible des matériaux d'un véhicule soit réutilisable ou recyclable
Des dispositifs réversibles-c'est-à-dire à usages multiples-d'absorption de chocs sont connus dans de nombreux domaines. Il s'agit par exemple de dispositifs comprenant des ressorts ou des amortisseurs pneumatiques ou hydrauliques. Ces derniers dispositifs sont toutefois complexes et posent des problèmes de fiabilité (risque de fuites,...).
En outre, la plupart des absorbeurs réversibles de ce type ne sont efficaces que dans le cas de chocs légers, en raison de leur faible capacité d'absorption d'énergie.
Une plus grande efficacité peut être atteinte en recourant à des dispositifs irréversibles (à usage unique) d'absorption de chocs. De nombreux types en ont déjà été proposés et appliqués dans le domaine des véhicules ; ils sont dans ce cas généralement interposés entre le pare-choc et le châssis du véhicule.
Ainsi, par exemple, le brevet US 5427214 décrit un dispositif comprenant deux tubes métalliques pouvant coulisser l'un dans l'autre. Un choc provoque le coulissement relatif de ces deux tubes, de sorte qu'une section rétrécie du tube extérieur, renforcée par une bague, comprime radialement le tube intérieur qui se déforme plastiquement et absorbe ainsi partiellement l'énergie du choc. Ce dispositif est d'une fabrication complexe, et d'un fonctionnement probablement peu efficace dans la mesure où l'absorption d'énergie est basée sur une déformation radiale en compression du tube intérieur, moins reproductible et exploitant moins la résistance du matériau qu'une sollicitation en traction.
Le brevet US 4601367, quant à lui, décrit un tube composite fabriqué par enroulement hélicoïdal de plusieurs couches de rubans de fibres de renforcement enrobées d'une résine thermodurcissable, qui se croisent selon un angle élevé, approximativement perpendiculairement. En cas de choc, ce tube composite est comprimé axialement, et l'énergie du choc est partiellement absorbée par la délamination des rubans de fibres aux endroits où ils se
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croisent, sous l'effet de forces de torsion. L'absorption d'énergie est donc directement proportionnelle à la superficie totale des intersections des rubans, qui est relativement faible, à moins d'utiliser un nombre élevé de couches de rubans. En outre, les fibres ne sont ainsi sollicitées qu'en cisaillement (torsion), et sont donc sous-exploitées par rapport à une sollicitation en traction.
Enfin, l'utilisation d'une résine thermodurcissable complique la fabrication et le recyclage de ce dispositif
Notons par ailleurs, de manière plus générale, qu'une sollicitation en compression crée généralement un risque de flambement, ce qui conduit à un fonctionnement d'une efficacité aléatoire.
La présente invention vise à fournir un dispositif anti-choc simple, léger, efficace, peu volumineux et peu coûteux, dont l'utilisation permette notamment d'éviter ou de réduire le surdimensionnement d'autres parties du véhicule, ainsi que de préserver leur intégrité en cas de choc modéré. Elle entend atteindre ce but en faisant usage d'un élément principal de géométrie très simple, à base de matière plastique, présentant l'avantage de ne pas se corroder et d'être recyclable. Des pare-chocs en matière plastique sont certes largement utilisés, mais ils ne sont capables que d'absorber des chocs de faible énergie, tels que ceux qui peuvent se produire lors de manoeuvres à faible vitesse, typiquement à moins de 8 km/h dans le cas de voitures moyennes.
La présente invention étend le domaine d'application des matières plastiques à l'absorption de l'énergie de chocs plus violents, tels par exemple que ceux se produisant à des vitesses de l'ordre de 10 à 20 km/h.
Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif pour l'absorption de chocs, comprenant un élément creux de forme allongée à base de matière plastique, ainsi qu'un piston conçu de manière à pouvoir s'enfoncer à l'intérieur dudit élément creux en le déformant au moins radialement.
L'élément creux peut présenter une section quelconque, par exemple polygonale, ovale ou circulaire. De préférence, l'élément creux a une section circulaire. Ses dimensions transversales peuvent être variables ou constantes dans le sens axial. A titre d'exemples, un élément creux de section circulaire peut présenter au choix une forme cylindrique (diamètre constant) ou tronconique (diamètre variant linéairement). On préfère que les dimensions transversales de l'élément creux soient constantes, ce qui simplifie sa fabrication.
L'élément creux comprend une matière plastique. Par matière plastique,
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on entend désigner tout polymère thermodurcissable ou thermoplastique, ou mélange de tels polymères. On peut éventuellement ajouter à ce ou ces polymères un ou plusieurs additifs classiques tels que lubrifiants, plastifiants, stabilisants, anti-oxydants, pigments, charges minérales, fibres de renforcement, etc. De préférence, la matière plastique utilisée pour la réalisation de l'élément creux comprend un ou plusieurs polymères thermoplastiques, qui offrent notamment des avantages sur le plan du recyclage, tels que le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polychlorure de vinyle (PVC), etc. De très bons résultats ont été obtenus en utilisant des polyoléfines.
On préfère utiliser du PP, dont la thermorésistance est supérieure à celle du PE.
Selon une variante avantageuse, l'élément creux est renforcé dans le sens circonférentiel. Ce renforcement circonférentiel peut par exemple être obtenu par des fibres de renforcement orientées de manière majoritairement circonférentielle. Il peut notamment s'agir de fibres courtes dispersées au sein de la paroi de l'élément creux lors de sa fabrication, et/ou de faisceaux de fibres continues enroulés à la surface d'un mandrin creux postérieurement à sa fabrication.
On applique avantageusement la technique de l'enroulement filament aire, selon laquelle l'élément creux est renforcé dans le sens circonférentiel par un ou plusieurs faisceaux de fibres de renforcement continues enroulés à sa surface. Les fibres"continues"utilisées sont dans ce cas d'une grande longueur, par exemple de plusieurs dizaines de mètres. Tout type de fibres peut être utilisé : fibres de carbone, d'aramide, de verre, etc. On préfère utiliser des faisceaux de fibres de verre. Le ou lesdits faisceaux sont de préférence enroulés de manière quasi-circonférentielle autour de l'élément creux, en formant par rapport à l'axe de l'élément creux un angle supérieur à 850. On préfère en outre que les spires qu'il (s) forme (nt) soient jointives.
Lorsque plusieurs faisceaux sont utilisés, il est avantageux de les enrouler alternativement dans le sens lévogyre et dans le sens dextrogyre. Après l'étape de renforcement, les faisceaux de fibres de renforcement peuvent avantageusement être protégés par l'application d'une couche de finition de matière plastique sur la surface extérieure de l'élément creux ainsi renforcé, par exemple par surextrusion De tels faisceaux de fibres de renforcement accroissent considérablement la résistance circonférentielle de l'élément creux, ainsi que par conséquent sa capacité d'absorption d'énergie. Un autre avantage
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de la présence de ces faisceaux de fibres de renforcement est d'empêcher que l'élément creux ne se fissure brutalement sur une grande partie de sa longueur en cas de choc, ou ne flambe.
Il est en particulier avantageux d'utiliser des faisceaux de fibres imprégnés d'une matière thermoplastique (ci-après qualifiés de"Cofits", pour "Continuous fiber impregnated by a thermoplastic"). Une technique avantageuse de fabrication consiste à renforcer un élément creux par un tel Cofit en réchauffant à la fois ce dernier et la surface extérieure de l'élément creux, de manière à améliorer leur adhérence, ainsi que, de préférence, en exerçant une pression radiale sur le Cofit à son point de contact avec l'élément creux, ou en aval de ce point.
De préférence, l'élément creux est exclusivement constitué de matière plastique (au sens susdéfini, incluant d'éventuels additifs) et d'éventuelles fibres de renforcement. En outre, selon une variante avantageuse, l'élément creux est notamment renforcé par des fibres courtes dispersées en son sein, majoritairement orientées parallèlement à son axe.
Le piston, initialement disposé à l'une des extrémités de l'élément creux, est mobile par rapport à celui-ci, à l'intérieur duquel il peut s'enfoncer coaxialement. La section transversale du piston a généralement la même forme que la section transversale intérieure de l'élément creux. En particulier, tous deux peuvent présenter une section transversale circulaire. En outre, au moins une partie du piston doit présenter des dimensions transversales légèrement supérieures aux dimensions transversales intérieures de l'élément creux, de manière à ce que le piston ne puisse pas coulisser librement à l'intérieur de l'élément creux sans le déformer radialement.
Il est préférable que l'extrémité antérieure du piston (définie par rapport à son sens d'enfoncement en cas de choc) soit plus étroite que l'élément creux, de façon à assurer un guidage sans déformation radiale initiale.
Selon une variante avantageuse, l'élément creux et le piston présentent chacun une section transversale circulaire, et le piston est profilé de manière à ce que son extrémité antérieure soit d'un diamètre inférieur au diamètre intérieur de l'élément creux (Dc), et à ce qu'au moins l'une de ses parties présente un diamètre supérieur à Dc. L'écart entre les dimensions transversales de l'extrémité antérieure du piston et les dimensions intérieures de l'élément creux est de préférence de 1 à 10 %.
Il est avantageux que le piston ne présente pas d'arêtes vives, afin d'éviter
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que le piston ne lacère la paroi de l'élément creux et/ou ne se bloque dans l'élément creux, auquel cas l'efficacité du dispositif de l'invention risquerait d'être réduite. On préfère pour cette raison qu'au fil de son axe, les dimensions du piston varient de manière progressive. Dans le cas d'un élément creux de section circulaire, le piston peut par exemple présenter une forme tronconique, son petit diamètre étant inférieur au diamètre intérieur de l'élément creux et son grand diamètre lui étant supérieur.
Le principe de fonctionnement du dispositif de l'invention est qu'en cas de choc, le piston s'enfonce à l'intérieur de l'élément creux, et que sa progression y soit essentiellement contrecarrée par les forces radiales de déformation de l'élément creux. Ces forces radiales exercées par le piston sur l'élément creux engendrent des tensions circonférentielles au sein de la paroi de ce dernier. Le fait que cette dernière soit ainsi sollicitée majoritairement en traction réduit significativement les risques de flambement auxquels conduisent de nombreux dispositifs antérieurement connus.
Selon une variante avantageuse, le piston est conçu de manière à ce que son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux ne provoque pas la rupture complète de celui-ci. En effet, une rupture complète de l'élément creux, même si elle n'intervenait initialement qu'au droit du piston, risquerait de se propager rapidement dans l'élément creux, par effet d'entaille, et de conduire à une rupture du type fragile, ce qui réduirait l'énergie absorbée.
Lorsque l'élément creux n'est pas renforcé par un ou plusieurs faisceaux de fibres de renforcement enroulés quasi-circonférentiellement à sa surface, cette variante revient à imposer que l'élément creux ne subisse qu'une déformation plastique tout au plus. Les dimensions transversales du piston doivent donc être telles que l'allongement circonférentiel de l'élément creux provoqué par l'enfoncement du piston soit inférieur à l'allongement à la rupture du matériau constitutif de l'élément creux.
Lorsque l'élément creux est constitué d'un mandrin creux renforcé par un ou plusieurs tels faisceaux de fibres, cette variante revient à imposer que ce mandrin ne subisse qu'une déformation plastique tout au plus. Dans ce second cas, il est toutefois souhaitable que le piston soit conçu de manière à ce que son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux provoque la rupture des faisceaux de fibres de renforcement. Ceci impose que l'allongement à la rupture des faisceaux de fibres utilisés soit inférieur à celui du matériau constitutif du mandrin de l'élément creux, ce qui est généralement le cas pour
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des fibres telles que des fibres de verre.
L'énergie absorbée par la rupture des faisceaux de fibres accroît considérablement l'énergie absorbée en cas de choc par rapport au cas non-renforcé, toutes autres choses étant égales.
Dans tous les cas, il est par ailleurs souhaitable d'éviter d'utiliser une matière plastique fragile au choc pour la fabrication. de l'élément creux
Un avantage que présente le dispositif de l'invention par rapport aux dispositifs connus est que son efficacité, c'est-à-dire l'énergie absorbée, est liée à la résistance circonférentielle de l'élément creux, c'est-à-dire essentiellement à l'épaisseur de sa paroi et à son éventuel renforcement, et n'est pas liée à ses dimensions transversales globales (à son diamètre extérieur dans le cas d'un élément creux de section circulaire constante). Ceci permet au dispositif de l'invention de combiner une grande compacité à des performances élevées.
Le piston peut être constitué de tout matériau présentant une résistance mécanique suffisante, par exemple de métal ou d'une matière plastique appropriée. Il peut être plein ou creux. La résistance du piston doit être telle qu'il ne subisse que des déformations négligeables, et en tout cas ne se rompe pas avant une éventuelle rupture complète de l'élément creux, lorsque le dispositif de l'invention est soumis à un choc. La recyclabilité du piston est moins critique que celle de l'élément creux dans la mesure où, contrairement à ce dernier, le piston n'est en principe pas endommagé lors d'un choc provoquant le fonctionnement du dispositif de l'invention. Autrement dit, après un tel choc, il suffit en principe de remplacer l'élément creux pour rendre le dispositif de l'invention à nouveau opérationnel.
En vue de rendre le dispositif encore plus efficace dans les cas où le choc est susceptible de survenir selon une orientation oblique par rapport à l'axe du dispositif d'absorption, une variante intéressante de l'invention consiste à ce que le dispositif décrit ci-dessus soit équipé d'un ou plusieurs éléments de guidage contraignant le piston à se déplacer coaxialement à l'élément creux.
De manière concrète, ce but peut notamment être atteint en prévoyant une tige rigide, de résistance mécanique élevée, coaxiale à l'élément creux, et en prévoyant un orifice coaxial traversant le piston de part en part, d'un diamètre légèrement supérieur à celui de ladite tige, de manière à ce que le piston puisse coulisser sur cette tige et soit guidé par elle coaxialement à l'élément creux.
Alternativement, on pourrait fixer le piston à une tige rigide coulissant à travers la pièce à laquelle est fixée l'élément creux.
On peut indifféremment fixer l'élément creux au châssis du véhicule et le
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piston à une pièce susceptible de subir des chocs (par exemple un pare-choc) ou faire l'inverse. Par ailleurs, il peut être souhaitable de combiner un ou plusieurs absorbeurs de chocs réversibles (blocs élastiques, etc) au dispositif de l'invention, de manière à ce que ce dernier ne soit pas endommagé par des chocs légers.
Selon une variante particulièrement simple et économique, mais nonlimitative, l'élément creux a une section constante et le piston une section variable, profilée de manière adéquate. Ceci permet de fabriquer l'élément creux par tronçonnage d'une pièce initiale de grande longueur, obtenue par exemple par extrusion (et renforcement éventuel) selon un procédé continu.
Selon une variante avantageuse de la présente invention, l'élément creux est de plus en plus renforcé à proximité de celle de ses extrémités qui est la plus éloignée de la position initiale du piston. En effet, si l'élément creux oppose une résistance de plus en plus élevée au fur et à mesure de l'enfoncement du piston à l'intérieur de celui-ci, l'énergie absorbée par centimètre d'enfoncement croît progressivement, ce qui peut être utile dans le cas de chocs très violents. Un tel renforcement progressif peut par exemple être obtenu en renforçant toute la longueur de l'élément creux par enroulement d'une couche de filaments de fibres, en renforçant les deux derniers tiers de sa longeur d'une seconde couche de filaments, et en renforçant le dernier tiers de sa longueur d'une troisième couche de filaments.
Un renforcement progressif peut également s'obtenir en faisant varier le pas d'enroulement du ou des faisceaux de fibres au fil de l'axe longitudinal de l'élément creux.
Une autre variante consiste à soumettre l'élément creux non seulement à des tensions circonférentielles, mais également à des forces de flexion radiales.
A cette fin, on peut utiliser un piston dont la section transversale ne présente pas la même forme que la section intérieure de l'élément creux. Par exemple, si ce dernier présente une section intérieure circulaire, l'enfoncement d'un piston de section ovale à l'intérieur de cet élément creux conduira dans un premier temps à une déformation (ovalisation) élastique puis éventuellement plastique n'engendrant que peu de tensions circonférentielles. L'énergie totale absorbée dans un tel cas peut être supérieure à celle absorbée dans le cas de sollicitations purement circonférentielles.
Le dispositif décrit ci-dessus peut servir à absorber des chocs dans tout type d'application, et n'est aucunement limité au domaine des véhicules automobiles. A titre d'exemple, il peut également être utilisé dans des
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hélicoptères, interposé entre leur corps et leurs patins. Il est en outre clair que plusieurs tels dispositifs peuvent être utilisés en parallèle en vue d'augmenter leur capacité totale d'absorption d'énergie.
De manière plus générale, l'invention concerne également un ensemble absorbeur de chocs pour véhicule, comprenant au moins un dispositif selon l'une des revendications précédentes. Elle concerne encore un véhicule comprenant au moins un tel ensemble absorbeur de chocs.
Un autre aspect de l'invention concerne l'utilisation d'un dispositif tel que décrit ci-dessus pour absorber des chocs, de préférence d'une façon telle que le piston ne provoque pas la rupture complète de l'élément creux lors de son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux.
Les figures annexées illustrent, de façon non-limitative, le fonctionnement de l'invention.
La figure 1 représente un dispositif tel que décrit ci-dessus, comprenant un élément creux cylindrique (1) et un piston (2) disposé coaxialement à celui-ci.
L'élément creux (1) est constitué d'un mandrin creux de matière plastique, renforcé par trois faisceaux (3,4, 5) de filaments de fibres de verre enroulés hélicoïdalement à sa surface, le premier (3) s'étendant sur toute sa longueur, le second (4) s'étendant sur ses deux derniers tiers et le troisième (5) s'étendant sur le dernier tiers de l'élément creux. Le piston présente une protubérance antérieure de guidage (6), précédant (dans le sens d'enfoncement du piston en cas de choc) une partie centrale (2) de forme tronconique, elle-même prolongée par un tronçon cylindrique (7) postérieur. Le diamètre de ce tronçon cylindrique (7) est tel que son enfoncement à l'intérieur de l'élément creux (1) provoque la déformation plastique du mandrin et la rupture progressive des fibres de renforcement, sous l'effet des tensions circonférentielles induites.
Dans un souci de simplicité, la coupe du piston (2) est délimitée par des lignes droites ; en pratique, le piston ne présente aucune arête vive.
L'extrémité inférieure de l'élément creux (1) est fixée au châssis d'un véhicule par un dispositif de fixation non-représenté. Le piston (2) est fixé au pare-choc du véhicule par l'intermédiaire d'une pièce de raccordement (8) dont seule une partie est représentée. Globalement, l'axe longitudinal du dispositif est parallèle à l'axe de déplacement du véhicule. On peut toutefois prévoir des dispositifs auxiliaires identiques disposés selon des orientations différentes, afin de mieux absorber des chocs non frontaux.
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Sur la figure 1, le dispositif n'a subi aucun choc.
La figure 2 représente le même dispositif en train de subir un choc (les fibres de renforcement n'ont plus été représentées, par souci de simplicité) : le piston (2) s'enfonce à l'intérieur de l'élément creux, en provoquant progressivement la déformation plastique du mandrin et la rupture des fibres sous l'effet des tensions circonférentielles qu'il y induit.
La figure 3 décrit une variante du dispositif de l'invention, comprenant une tige rigide (9) coaxiale à l'élément creux (1), destinée à guider le piston (2) coaxialement à ce dernier en cas de choc survenant selon un axe qui ne serait pas exactement parallèle à celui de l'élément creux. L'extrémité inférieure de la tige (9) est fixée au châssis du véhicule. Il convient naturellement que l'extrémité supérieure de la tige (9) n'interfère pas avec le pare-choc auquel est raccordée la pièce de raccordement (8), qui peut se déplacer par rapport à celle tige.
L'exemple suivant illustre, de façon non limitative, le fonctionnement de l'invention.
On a fabriqué un mandrin creux constitué de PEHD renforcé de 20 % en poids de fibres de verre courtes orientées axialement, de section circulaire, d'un diamètre intérieur de 93 mm et d'une épaisseur de paroi de 6,7 mm. Ce mandrin, d'une longueur de 15 cm, a été renforcé par l'enroulement hélicoïdal à sa surface de 2 couches de Cofits constituées de fibres de verre continues imprégnées de PEHD (épaisseur de chaque Cofit = 0,3 mm ; largeur : 10 mm), sous un angle voisin de 90 par rapport à l'axe de l'élément creux.
La déformation à la rupture d'un tel Cofit est voisine de 2 %, ce qui correspond à un allongement circonférentiel d'environ 7 mm pour un diamètre extérieur de l'élément creux valant 107,6 mm. On a utilisé un piston de forme approximativement tronconique, dont le plus grand diamètre valait 110 mm, garantissant ainsi la rupture du Cofit sans provoquer celle du mandrin.
Ce dispositif a permis d'absorber des chocs d'une énergie d'environ 4,2 kJ, ce qui représente environ 25 % de l'énergie (10 à 20 kJ) dissipée lors de l'impact frontal d'une voiture moyenne roulant à environ 15 km/h contre un obstacle fixe.
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Anti-shock device
The present invention relates to an anti-shock device, in particular for a motor vehicle. Motor vehicles should have a high level of safety, while avoiding an excessive increase in volume, weight and cost. It is also desirable that the largest possible proportion of the materials of a vehicle is reusable or recyclable
Reversible shock-absorbing devices, that is to say multipurpose devices, are known in many fields. These are for example devices comprising springs or pneumatic or hydraulic shock absorbers. These latter devices are however complex and pose reliability problems (risk of leaks, etc.).
In addition, most reversible absorbers of this type are effective only in the case of light impacts, due to their low energy absorption capacity.
Greater efficiency can be achieved by using irreversible (single use) shock absorption devices. Many types have already been proposed and applied in the field of vehicles; in this case, they are generally interposed between the bumper and the chassis of the vehicle.
Thus, for example, US Pat. No. 5,427,214 describes a device comprising two metal tubes which can slide one inside the other. An impact causes the relative sliding of these two tubes, so that a narrowed section of the outer tube, reinforced by a ring, radially compresses the inner tube which deforms plastically and thus partially absorbs the energy of the impact. This device is of a complex manufacture, and of an operation probably not very efficient insofar as the absorption of energy is based on a radial deformation in compression of the inner tube, less reproducible and exploiting less the resistance of the material than tensile stress.
The patent US Pat. No. 4,601,367 describes a composite tube manufactured by helical winding of several layers of reinforcing fiber ribbons coated with a thermosetting resin, which cross at a high angle, approximately perpendicularly. In the event of an impact, this composite tube is compressed axially, and the energy of the impact is partially absorbed by the delamination of the fiber ribbons in the places where they are
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cross under the effect of torsional forces. The energy absorption is therefore directly proportional to the total area of the ribbon intersections, which is relatively small, unless a large number of layers of ribbon are used. In addition, the fibers are thus stressed only in shear (torsion), and are therefore underused compared to a tensile stress.
Finally, the use of a thermosetting resin complicates the manufacture and recycling of this device
Note moreover, more generally, that a compression stress generally creates a risk of buckling, which leads to an operation of random efficiency.
The present invention aims to provide a simple, light, effective, low-bulk and inexpensive anti-shock device, the use of which makes it possible in particular to avoid or reduce the oversizing of other parts of the vehicle, as well as to preserve their integrity. in the event of a moderate shock. It intends to achieve this goal by making use of a main element of very simple geometry, based on plastic, having the advantage of not corroding and of being recyclable. Plastic bumpers are certainly widely used, but they are only capable of absorbing low energy shocks, such as those which can occur during maneuvers at low speed, typically at less than 8 km / h in the case of medium cars.
The present invention extends the field of application of plastics to the absorption of energy from more violent impacts, such as for example those occurring at speeds of the order of 10 to 20 km / h.
More specifically, the present invention relates to a device for absorbing shocks, comprising a hollow elongate element based on plastic material, as well as a piston designed so as to be able to sink inside said hollow element in deforming it at least radially.
The hollow element may have any cross section, for example polygonal, oval or circular. Preferably, the hollow element has a circular section. Its transverse dimensions can be variable or constant in the axial direction. By way of example, a hollow element of circular section can have a cylindrical (constant diameter) or frustoconical (diameter varying linearly) shape as desired. It is preferred that the transverse dimensions of the hollow element are constant, which simplifies its manufacture.
The hollow member comprises a plastic material. By plastic,
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is intended to denote any thermosetting or thermoplastic polymer, or mixture of such polymers. One or more conventional additives such as lubricants, plasticizers, stabilizers, antioxidants, pigments, mineral fillers, reinforcing fibers, etc. may optionally be added to this or these polymers. Preferably, the plastic material used for the production of the hollow element comprises one or more thermoplastic polymers, which in particular offer advantages in terms of recycling, such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polychloride. vinyl (PVC), etc. Very good results have been obtained using polyolefins.
We prefer to use PP, whose heat resistance is higher than that of PE.
According to an advantageous variant, the hollow element is reinforced in the circumferential direction. This circumferential reinforcement can for example be obtained by reinforcing fibers oriented in a mainly circumferential manner. They may in particular be short fibers dispersed within the wall of the hollow element during its manufacture, and / or bundles of continuous fibers wound on the surface of a hollow mandrel after its manufacture.
The technique of filament winding is advantageously applied, according to which the hollow element is reinforced in the circumferential direction by one or more bundles of continuous reinforcing fibers wound on its surface. The "continuous" fibers used are in this case of great length, for example of several tens of meters. Any type of fiber can be used: carbon, aramid, glass fibers, etc. It is preferred to use bundles of glass fibers. The said beam or beams are preferably wound in a quasi-circumferential manner around the hollow element, forming with respect to the axis of the hollow element an angle greater than 850. It is further preferred that the turns which it ( s) form (s) are contiguous.
When several bundles are used, it is advantageous to wind them alternately in the levorotatory direction and in the dextrorotatory direction. After the reinforcing step, the bundles of reinforcing fibers can advantageously be protected by the application of a finishing layer of plastic material on the external surface of the hollow element thus reinforced, for example by overextrusion. reinforcing fibers considerably increase the circumferential resistance of the hollow element, as well as its energy absorption capacity. Another benefit
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the presence of these bundles of reinforcing fibers is to prevent the hollow element from suddenly cracking over a large part of its length in the event of impact, or from buckling.
It is in particular advantageous to use bundles of fibers impregnated with a thermoplastic material (hereinafter called "Cofits", for "Continuous fiber impregnated by a thermoplastic"). An advantageous manufacturing technique consists in reinforcing a hollow element with such a Cofit by heating both the latter and the external surface of the hollow element, so as to improve their adhesion, as well as, preferably, by exerting radial pressure. on the Cofit at its point of contact with the hollow element, or downstream of this point.
Preferably, the hollow element consists exclusively of plastic (in the above-defined sense, including any additives) and any reinforcing fibers. In addition, according to an advantageous variant, the hollow element is in particular reinforced by short fibers dispersed therein, mainly oriented parallel to its axis.
The piston, initially disposed at one end of the hollow element, is movable relative to the latter, inside which it can sink coaxially. The cross section of the piston generally has the same shape as the inner cross section of the hollow member. In particular, both can have a circular cross section. In addition, at least part of the piston must have transverse dimensions slightly greater than the internal transverse dimensions of the hollow element, so that the piston cannot slide freely inside the hollow element without deforming it. radially.
It is preferable that the anterior end of the piston (defined with respect to its direction of depression in the event of impact) is narrower than the hollow element, so as to ensure guidance without initial radial deformation.
According to an advantageous variant, the hollow element and the piston each have a circular cross section, and the piston is profiled so that its front end is of a diameter less than the inside diameter of the hollow element (Dc), and that at least one of its parts has a diameter greater than Dc. The difference between the transverse dimensions of the front end of the piston and the internal dimensions of the hollow element is preferably from 1 to 10%.
It is advantageous that the piston does not have sharp edges, in order to avoid
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that the piston does not lacerate the wall of the hollow element and / or is blocked in the hollow element, in which case the effectiveness of the device of the invention would risk being reduced. It is therefore preferred that over its axis, the dimensions of the piston vary gradually. In the case of a hollow element of circular section, the piston may for example have a frustoconical shape, its small diameter being less than the inside diameter of the hollow element and its large diameter being greater than it.
The operating principle of the device of the invention is that in the event of an impact, the piston sinks inside the hollow element, and that its progression is essentially thwarted by the radial forces of deformation of the hollow element. These radial forces exerted by the piston on the hollow element generate circumferential tensions within the wall of the latter. The fact that the latter is thus stressed for the most part in traction significantly reduces the risks of buckling to which many previously known devices lead.
According to an advantageous variant, the piston is designed so that its depression inside the hollow element does not cause the complete rupture of the latter. Indeed, a complete rupture of the hollow element, even if it only intervened initially in line with the piston, would risk spreading quickly in the hollow element, by effect of notch, and leading to a rupture of the fragile type, which would reduce the energy absorbed.
When the hollow element is not reinforced by one or more bundles of reinforcing fibers wound almost circumferentially on its surface, this variant amounts to requiring that the hollow element undergoes only plastic deformation at most. The transverse dimensions of the piston must therefore be such that the circumferential elongation of the hollow element caused by the depression of the piston is less than the elongation at break of the material of the hollow element.
When the hollow element consists of a hollow mandrel reinforced by one or more such bundles of fibers, this variant amounts to requiring that this mandrel undergoes only plastic deformation at most. In this second case, however, it is desirable that the piston is designed so that its depression inside the hollow element causes the bundles of reinforcing fibers to break. This requires that the elongation at break of the fiber bundles used is less than that of the material of the mandrel of the hollow element, which is generally the case for
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fibers such as glass fibers.
The energy absorbed by the breaking of the fiber bundles considerably increases the energy absorbed in the event of an impact compared to the unreinforced case, all other things being equal.
In all cases, it is moreover desirable to avoid using a plastic material which is fragile to impact for manufacturing. of the hollow element
An advantage of the device of the invention compared to known devices is that its efficiency, that is to say the energy absorbed, is linked to the circumferential resistance of the hollow element, that is to say say essentially the thickness of its wall and its possible reinforcement, and is not linked to its overall transverse dimensions (to its external diameter in the case of a hollow element of constant circular cross section). This allows the device of the invention to combine great compactness with high performance.
The piston can be made of any material having sufficient mechanical strength, for example metal or a suitable plastic. It can be full or hollow. The resistance of the piston must be such that it undergoes only negligible deformation, and in any case does not break before a possible complete rupture of the hollow element, when the device of the invention is subjected to an impact. The recyclability of the piston is less critical than that of the hollow element insofar as, unlike the latter, the piston is in principle not damaged during an impact causing the operation of the device of the invention. In other words, after such a shock, it suffices in principle to replace the hollow element to make the device of the invention operational again.
In order to make the device even more effective in cases where the shock is likely to occur in an oblique orientation relative to the axis of the absorption device, an advantageous variant of the invention consists in that the device described here above is fitted with one or more guide elements forcing the piston to move coaxially with the hollow element.
Concretely, this object can in particular be achieved by providing a rigid rod, of high mechanical strength, coaxial with the hollow element, and by providing a coaxial orifice passing right through the piston, with a diameter slightly greater than that of said rod, so that the piston can slide on this rod and is guided by it coaxially with the hollow element.
Alternatively, the piston could be fixed to a rigid rod sliding through the part to which the hollow element is fixed.
It is equally possible to fix the hollow element to the chassis of the vehicle and the
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piston to a part likely to undergo shocks (for example a bumper) or do the opposite. Furthermore, it may be desirable to combine one or more reversible shock absorbers (elastic blocks, etc.) with the device of the invention, so that the latter is not damaged by light impacts.
According to a particularly simple and economical, but nonlimiting variant, the hollow element has a constant section and the piston a variable section, suitably shaped. This makes it possible to manufacture the hollow element by cutting off an initial piece of great length, obtained for example by extrusion (and possible reinforcement) according to a continuous process.
According to an advantageous variant of the present invention, the hollow element is increasingly reinforced near that of its ends which is furthest from the initial position of the piston. Indeed, if the hollow element opposes an increasingly high resistance as the piston is pressed inside thereof, the energy absorbed per centimeter of depression increases progressively, which can be useful in the event of very violent shocks. Such a progressive reinforcement can for example be obtained by reinforcing the entire length of the hollow element by winding a layer of fiber filaments, by reinforcing the last two thirds of its length by a second layer of filaments, and by reinforcing the last third of its length with a third layer of filaments.
A progressive reinforcement can also be obtained by varying the winding pitch of the fiber bundle (s) along the longitudinal axis of the hollow element.
Another variant consists in subjecting the hollow element not only to circumferential tensions, but also to radial bending forces.
To this end, a piston can be used, the cross section of which does not have the same shape as the internal section of the hollow element. For example, if the latter has a circular inner section, the depressing of an oval cross-section piston inside this hollow element will firstly lead to elastic deformation (ovalization) then possibly plastic causing little of circumferential tensions. The total energy absorbed in such a case may be greater than that absorbed in the case of purely circumferential stresses.
The device described above can be used to absorb shocks in any type of application, and is in no way limited to the field of motor vehicles. For example, it can also be used in
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helicopters, interposed between their bodies and their skates. It is also clear that several such devices can be used in parallel in order to increase their total energy absorption capacity.
More generally, the invention also relates to a shock absorber assembly for a vehicle, comprising at least one device according to one of the preceding claims. It also relates to a vehicle comprising at least one such shock absorber assembly.
Another aspect of the invention relates to the use of a device as described above for absorbing shocks, preferably in such a way that the piston does not cause the complete rupture of the hollow element during its sinking inside the hollow element.
The appended figures illustrate, without limitation, the operation of the invention.
Figure 1 shows a device as described above, comprising a cylindrical hollow element (1) and a piston (2) arranged coaxially therewith.
The hollow element (1) consists of a hollow plastic mandrel, reinforced by three bundles (3,4, 5) of glass fiber filaments wound helically on its surface, the first (3) extending over its entire length, the second (4) extending over its last two thirds and the third (5) extending over the last third of the hollow element. The piston has an anterior guide protuberance (6), preceding (in the direction of depression of the piston in the event of an impact) a central part (2) of frustoconical shape, itself extended by a posterior cylindrical section (7). The diameter of this cylindrical section (7) is such that its depression inside the hollow element (1) causes the plastic deformation of the mandrel and the progressive rupture of the reinforcing fibers, under the effect of the circumferential tensions induced.
For the sake of simplicity, the cut of the piston (2) is delimited by straight lines; in practice, the piston has no sharp edges.
The lower end of the hollow element (1) is fixed to the chassis of a vehicle by a fixing device, not shown. The piston (2) is fixed to the bumper of the vehicle by means of a connection piece (8) of which only a part is shown. Overall, the longitudinal axis of the device is parallel to the axis of movement of the vehicle. However, it is possible to provide identical auxiliary devices arranged in different orientations, in order to better absorb non-frontal shocks.
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In Figure 1, the device has not suffered any impact.
FIG. 2 represents the same device undergoing an impact (the reinforcing fibers have no longer been shown, for the sake of simplicity): the piston (2) is inserted inside the hollow element, in gradually causing the plastic deformation of the mandrel and the rupture of the fibers under the effect of the circumferential tensions which it induces there.
FIG. 3 describes a variant of the device of the invention, comprising a rigid rod (9) coaxial with the hollow element (1), intended to guide the piston (2) coaxially with the latter in the event of impact occurring along an axis which would not be exactly parallel to that of the hollow element. The lower end of the rod (9) is fixed to the chassis of the vehicle. Naturally, the upper end of the rod (9) should not interfere with the bumper to which the connecting piece (8) is connected, which can move relative to that rod.
The following example illustrates, without limitation, the operation of the invention.
A hollow mandrel made of HDPE reinforced with 20% by weight of axially oriented short glass fibers, of circular section, with an internal diameter of 93 mm and a wall thickness of 6.7 mm, was produced. This 15 cm long mandrel was reinforced by the helical winding on its surface of 2 layers of Cofits made up of continuous glass fibers impregnated with HDPE (thickness of each Cofit = 0.3 mm; width: 10 mm), at an angle close to 90 relative to the axis of the hollow element.
The deformation at break of such a Cofit is close to 2%, which corresponds to a circumferential elongation of approximately 7 mm for an outside diameter of the hollow element worth 107.6 mm. An approximately frustoconical piston was used, the largest diameter of which was 110 mm, thus guaranteeing the rupture of the Cofit without causing that of the mandrel.
This device made it possible to absorb shocks with an energy of approximately 4.2 kJ, which represents approximately 25% of the energy (10 to 20 kJ) dissipated during the frontal impact of an average car traveling at around 15 km / h against a fixed obstacle.