FR2577640A1

FR2577640A1 - Ressort helicoidal en matiere plastique renforcee de fibres et procede de fabrication de ce ressort

Info

Publication number: FR2577640A1
Application number: FR8602443A
Authority: FR
Inventors: Bernhard Hinz; Walter Steigleder
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1985-02-21
Filing date: 1986-02-21
Publication date: 1986-08-22
Anticipated expiration: 2006-02-21
Also published as: JPS61211540A; JPH0220862B2; FR2577640B1; IT1204448B; US4773633A; IT8619370A0; DE3506037C1

Abstract

POUR AMELIORER LA RESISTANCE MECANIQUE D'UN RESSORT HELICOIDAL COMPOSE D'UN FIL A RESSORTS 1 FAIT D'UNE MATIERE PLASTIQUE DURCISSABLE DANS LAQUELLE SONT NOYEES DES FIBRES DE RENFORCEMENT INCLINEES D'UN ANGLE D'ENVIRON 45 SUR L'AXE LONGITUDINAL DU FIL A RESSORT, ON UTILISE DES FIBRES PRESENTEES SOUS LA FORME D'UN TISSU 4, 13 QUI EST ENROULE EN SPIRALE AUTOUR DE L'AXE LONGITUDINAL DU FIL A RESSORTS 1, LES FILS DE TRAME ET DE CHAINE FORMANT UN ANGLE D'ENVIRON 45 AVEC L'AXE D'ENROULEMENT. L'INVENTION CONCERNE EN OUTRE UN PROCEDE DE FABRICATION DE RESSORTS HELICOIDAUX DE CE GENRE.

Description

La présente invention se rapporte à un ressort

hélicoidal comprenant un fil à ressorts fait d'une ma-

tière plastique durcissable dans laquelle sont noyées

des fibres de renforcement qui s'étendent dans une direc-

tion inclinée d'un angle d'environ 45 sur l'axe longitu-

dinal du fil à ressorts.

L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un tel ressort hélicoidal dans lequel on enroule en un ressort hélicoïdal un fil à ressorts fait, d'une résine durcissable et de fibres de renforcement

noyées dans cette résine et, ensuite, on durcit la ré-

sine. Les ressorts hélicoïdaux sont des éléments de

machines fréquemment utilisés qui maintiennent la liai-

son par action de force entre deux éléments lorsque l'un des éléments se déplace ou s'use. Le déplacement d'un élément conduit à un déplacement de même sens du ressort de sorte que, en particulier, en présence de vibrations de haute fréquence ou de vibrations de grande amplitude,

il se développe de grandes forces d'inertie. Pour limi-

ter ces forces d'inertie à une faible valeur, on doit li-

miter la masse du ressort hélicoïdal à une valeur aussi

faible que possible.

On a donc entrepris des recherches pour fabri-

quer des ressorts hélicoidaux en matériaux composites renforcés de fibres, en particulier en matière plastique

renforcée de fibres de carbone parce que, avec ce maté-

riau, il est possible de réduire la masse dans une pro-

portion allant jusqu'à 70 %. Les ressorts de ce genre

sont formés à partir de mèches de fibres de carbone en-

roulées en couches successives dans une direction incli-

née de 45 sur l'axe longitudinal du fil à ressorts.

Dans le cas de cette construction, on observe de hautes

contraintes mécaniques et thermiques sous l'effet des-

quelles il peut se produire une rupture ou un fluage du

ressort (brevet des E.U.A. 4 260 143).

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Le but de l'invention est de fabriquer un res-

sort hélicoidal du genre en question en un matériau com-

posite renforcé de-fibres, en particulier en une matière plastique renforcée de fibres de carbone qui présente des propriétés de résistance mécanique améliorées compa- rativement aux ressorts hélicoidaux de ce genre qui sont

connus jusqu'à présent.

Selon l'invention, ce problème est résolu dans un ressort hélicoidal du genre décrit au début par le fait que les fibres sont présentées sous la forme d'un

tissu qui est enroulé en spirale autour de l'axe longitu-

dinal du fil à ressorts, les fils de trame et de chaîne

formant un angle d'environ + 450 avec l'axe d'enroule-

ment. On a constaté que, lorsqu'un tel fil à ressorts subit une contrainte de torsion, comme cela se produit lors de la compression et de la dilatation des ressorts

hélicoidaux, la couche de tissu enroulée en spirale ré-

siste aux forces radiales qui se manifestent.

Dans une forme préférée de réalisation, le tissu est découpé en rectangle, les bords coupés formant un angle d'environ + 45 avec les fils de trame et de chaîne. En outre, le tissu s'étend sur toute la longueur

du fil à ressorts.

Dans une autre forme de réalisation, le tissu

est coupé en bande, les bords coupés s'étendant parallè-

lement ou perpendiculairement aux fils de trame et de chalne. Ces bandes sont enroulées en formant un angle

d'environ 45 avec l'axe longitudinal du fil à res-

sorts.

Il est avantageux que l'extrémité intérieure du

tissu soit serrée entre deux éléments de retenue consti-

tués par des fils ou des barres qui s'étendent sur toute

la longueur du fil à ressorts, et autour desquels la cou-

ches suivantes du tissu sont enroulées.

L'invention se donne également pour but de

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réaliser un procédé simple de fabrication d'un tel res-

sort hélicoïdal.

Selon l'invention, ce problème est résolu dans un procédé du genre décrit au début par le fait que, pour la fabrication du fil à ressorts, avant l'enroule- ment du ressort hélicoidal, on serre un tissu composé

des fibres de renforcement imprégnées de la résine dur-

cissable entre deux éléments de retenue constitués par des fils ou des barres de telle manière que les éléments de retenue forment un angle d'environ + 450 avec les

fils de chaîne et de trame, et on fait tourner les élé-

ments de retenue ensemble autour d'un axe d'enroulement

qui passe entre les éléments de retenue et s'étend paral-

lèlement à ces derniers, de sorte que le tissu est ainsi enroulé sur les éléments de retenue comme sur un noyau

d'enroulement. On peut de préférence utiliser comme élé-

ments de retenue des fibres de renforcement qui restent

dans le fil à ressorts.

Dans une autre forme de réalisation, après la

fabrication du fil à ressorts, on peut extraire les élé-

ments de retenue de ce fil, dans une direction parallèle

à son axe longitudinal.

Avant la mise en forme du ressort, il est avan-

tageux d'enfiler une gaine sur le fil à ressorts; ceci fixe la forme du fil à ressorts pendant qu'il n'est pas

encore durci.

Dans ce procédé, il est avantageux d'enfiler

une gaine rétractable sur le fil à ressorts et de provo-

quer la contraction de cette gaine par chauffage dans l'opération de la gélification de la matière plastique durcissable. La gaine rétractable, qui est en contact avec le fil de tous côtés, expulse la résine en excès du fil à ressorts et évite qu'au cours de la gélification, il ne se forme des fissures sous l'effet du retrait de

la matière.

Pour pouvoir chasser efficacement les inclu-

sions d'air du fil à ressorts non encore durci, il est

avantageux de chauffer la gaine rétractable progressive-

ment le long du fil à ressorts pour la rétracter.

Le ressort hélicoidal est de préférence trempé après le durcissement. Après le durcissement du ressort hélicoïdal, on peut éliminer la gaine par décomposition thermique ou

chimique ou par dissolution et, pour cela, il est parti-

culièrement avantageux d'utiliser une gaine rétractable qui se décompose thermiquement à la température de la

trempe du ressort hélicoiïdal.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention seront mieux compris à la lecture de la descrip-

tion qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels, la figure 1 représente un ressort hélicoïdal en matière plastique renforcée de fibres et comprenant une

insertion en tissu; -

la figure 2 est une vue en coupe du fil à res-

sorts entouré d'une gaine; la figure 3 représente un premier dispositif pour l'enroulement d'une insertion de tissu en forme de bande; la figure 4 est une vue analogue à la figure 3

d'un dispositif pour enrouler une insertion de tissu dé-

coupée en rectangle, qui s'étend sur toute la longueur

du fil à ressorts.

Le ressort hélicoïdal représenté sur la figure 1- qui peut être utilisé, par exemple, comme ressort de

soupape pour un moteur Diesel, comprend un fil à res-

sorts 1 enroulé en hélice, qui forme un tour mort 2 ou 3

à chacune des deux extrémités du ressort. Le fil à res-

sorts 1 est composé d'une matière plastique durcissable

renforcée de fibres et il est fabriqué de la façon décri-

te en regard des figures 3 et 4.

Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 3, on serre une extrémité 5 d'une bande de tissu

4 formée de fibres de renforcement, par exemple de fi-

bres de carbone, entre deux éléments de retenue 6, 7 constitués par des fils. Ces éléments de retenue 6, 7 sont formés d'une boucle 8 de fibres sans fin, qui est passée sur deux doigts de retenue 9 et 10 disposés à un certain écartement mutuel, de sorte que les deux moitiés de la boucle s'étendent parallèlement entre elles et avec un -faible écartement mutuel entre les deux doigts

de retenue 9 et 10.

Les doigts de retenue sont fixés respectivement

sur deux arbres 11 et 12 qui s'étendent dans le prolonge-

ment de la ligne de jonction des deux doigts de retenue 9 et 10 et que l'on peut faire tourner en synchronisme dans le sens de la flèche A, de sorte que les doigts de retenue 9 et 10 et, avec eux,la boucle 8 tendue sur ces doigts peuvent tourner autour d'un axe d'enroulement qui passe entre les deux éléments de retenue 6 et 7 et

s'étend parallèlement à ceux-ci.

La bande de tissu 4 est découpée de manière que les directions des fils de trame et de chaîne s'étendent respectivement parallèlement et perpendiculairement au contour extérieur de la bande. On engage l'extrémité 5

de la bande de tissu 4 entre les deux éléments de rete-

nue 6 et 7 et on l'incline de 45 sur l'axe d'enroule-

ment en la laissant dans son plan, de sorte que, lors-

qu'on fait tourner les arbres 11 et 12 et, avec eux, les doigts de retenue 9 et 10 fixés à ces arbres, la bande de tissu 4 s'enroule selon un angle de 45 sur les deux

éléments de retenue 6 et 7, qui se comportent alors com-

me un noyau d'enroulement.

Dans l'exemple de réalisation de la figure 4,

on engage entre les éléments de retenue 6 et 7 une extré-

mité d'un morceau de tissu 13 découpé en rectangle, dont les fils de chatne et de trame sont inclinés de + 45

par rapport aux bords coupés, les bords coupés du mor-

ceau de tissu s'étendant, les uns parallèlement et les

autres perpendiculairement à l'axe d'enroulement. Le mor-

ceau de tissu s'étend alors sur toute la longueur du fil à ressorts à fabriquer. Dans ce cas, sous l'effet de la rotation des arbres 11 et 12, le morceau de tissu rectan- gulaire 13 s'enroule sur les éléments de retenue 6 et 7

qui se comportent comme un mandrin d'enroulement.

Dans les deux cas, le morceau de tissu a été imprégné d'une résine durcissable avant l'enroulement,

de sorte que, après l'enroulement, les couches adjacen-

tes du tissu sont liées les unes aux autres par la rési-

ne durcissable qui sort du tissu.

Après l'enroulement de la bande de tissu 4 ou

du morceau de tissu 3, on enfile le fil à ressorts 1 ob-

tenu de cette façon dans une gaine rétractable 14. Pour

cela, on peut, par exemple, enfiler dans la gaine rétrac-

table 14, un cordon de tirage que l'on fait passer à tra-

vers la boucle 8. De cette façon, on peut tirer la bou-

cle 8, avec le tissu imprégné de résine enroulé sur cet-

te boucle, pour l'enfiler dans la gaine rétractable 14.

Grace à cette gaine rétractable, il est possible de mani-

puler l'unité composée d'un tissu imprégné de résine et

enroulé bien que la résine ne soit pas encore durcie.

Avant l'opération de durcissement proprement dite, on provoque la contraction de la gaine rétractable 14 par chauffage, en agissant de préférence progressivement sur la longueur du tube ou encore progressivement du milieu

de la longueur du tube vers les deux extrémités, de sor-

te que le fil à ressorts disposé à l'intérieur de la gai-

ne rétractable et'qui n'est pas encore durci est ainsi comprimé. Dans cette opération, les inclusions d'air et

la résine en excès sont chassées, ce processus étant fa-

vorisé par l'échauffement progressif de la gaine rétrac-

table.

Le fil à ressorts enfermé dans la gaine rétrac-

table non encore durcie est ensuite enroulé sur une for-

me ou un noyau pour former le ressort hélicoïdal voulu.

La forme présente de préférence des gorges circonféren-

tielles à section semi-circulaire qui correspondent à la forme du ressort hélicoidal, de sorte que, même dans la région d'appui sur le noyau d'enroulement, le fil à res- sorts n'est pas aplati mais conserve au contraire une

section arrondie en arc de cercle. Toutefois, il est éga-

lement possible d'enrouler le fil à ressorts sur un

noyau d'enroulement cylindrique lorsqu'un léger aplatis-

sement de ce fil sur sa face interne n'est pas gênant.

Après l'enroulement sur le noyau d'enroulement, on durcit le ressort hélicoidal à chaud et, dans cette opération, la présence de la gaine rétractable dans la

phase de gélification évite qu'il ne se produise des fis-

sures de durcissement sous l'effet des retraits de la ma-

tière. Après le durcissement du ressort hélicoïdal, on retire le noyau. Par exemple, le noyau peut être fait de plusieurs pièces, et on le démonte en rapprochant ces

pièces à l'intérieur du ressort hélicoidal.

Le ressort hélicoïdal durci et séparé du noyau

est ensuite soumis à un traitement de trempe, pour amé-

liorer la dureté du ressort hélicoidal et renforcer sa

résistance mécanique à chaud.

Ce traitement thermique final peut également être mis à profit pour éliminer la gaine rétractable par

décomposition thermique ou par fusion.

On a constaté que, grace à la construction en

spirale et à l'utilisation de fibres de renforcement pré-

sentées sous la forme d'un tissu, les forces de poussée peuvent également être transmises par des liaisons par obstacle, dans la direction radiale des fibres. Grace à

l'orientation uniforme du tissu, la matrice n'a à trans-

mettre que de faibles contraintes thermiques entre les

couches de tissu adjacentes.

Pour la matière plastique durcissable, on peut utiliser, par exemple une résine époxyde, mais il

est avantageux d'utiliser un mélange d'isocyanurate de tri-

glycidyle (TGIC) et d'anhydride de l'acide méthylnadique

(MNSA).

Pour la matière fibreuse, on peut utiliser les

fibres qui sont habituellement adoptées pour les maté-

riaux composites matière plastique-fibres, en particu-

lier, les fibres de carbone ou les fibres de verre. Tou-

tefois, le ressort hélicoidal peut également être fabri-

qué en graphite renforcé de fibres de carbone.

La gaine rétractable peut être composée, par

exemple, d'une polyoléfine.

Normalement, on imprègne avec un excédent de ré-

sine. Cet excédent de résine peut être chassé par la gai-

ne rétractable, de sorte que, de cette façon, on obtient un accroissement de la teneur en fibres, et atteindre ainsi une proportion de fibres allant jusqu'à environ % en volume. La gaine rétractable peut avoir, par exemple, un diamètre intérieur initial de 9,5 mm, qui se réduit à une valeur d'environ 5,5 mm lorsqu'elle est

chauffée à 110 C. Ceci a également pour résultat de con-

server une section circulaire au fil à ressorts. Lors-

qu'on chauffe la gaine rétractable, le fil à ressorts composite renforcé de fibres est en même temps chauffé,

ce qui entratne une diminution de la viscosité de la ré-

sine. Grâce à cet effet, la résine excédentaire, avec les inclusions d'air qu'elle contient éventuellement,

peut s'écouler de la gaine rétractable de façon particu-

lièrement efficace.

Le durcissement de la résine peut s'effectuer, par exemple, en chauffant le fil à ressorts tout d'abord à 150 C pendant deux heures, puis à 220 C pendant 16 heures. Pour la trempe consécutive, on peut chauffer le

ressort hélicoidal, par exemple à 260 C pendant six heu-

res. La boucle 8 peut être fabriquée, par exemple, en fibres d'aramide. Dans ce cas, il est avantageux de

laisser la boucle dans le fil à ressorts.

En principe, il serait également possible d'uti-

liser des éléments de retenue différents, par exemple,

des éléments de retenue composés de deux fils métalli-

ques parallèles qui, dans ce cas, peuvent émerger du fil à ressorts de préférence avant l'enroulement du fil à ressorts en forme de ressort hélicoidal. L'utilisation de la gaine rétractable, confère au fil à ressorts une

constitution compacte qui subsiste même après l'extrac-

tion des éléments de retenue.

Bien entendu, diverses modifications pourront être apportées par l'homme de l'art au dispositif et au procédé qui viennent d'être décrits uniquement à titre

d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'in-

vention.

R E V E N D I C T I O0 N S

1 - Ressort hélicoïdal comprenant un fil à res-

sorts fait d'une matière plastique durcissable dans la-

quelle sont noyées des fibres de renforcement qui s'éten-

dent dans une direction inclinée d'un angle d'environ + 45 sur l'axe longitudinal du fil à ressorts, caractéri- sé en ce que les fibres sont présentes sous la forme d'un tissu (4, 13) qui est enroulé en spirale autour de l'axe longitudinal du fil à ressorts (1), les fils de trame et de chaine formant un angle d'environ 45 avec

l'axe d'enroulement.

2 - Ressort hélicoïdal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tissu (13) est découpé en rectangle, les bords coupés formant un angle d'environ + avec les fils de trame et de chaîne, et en ce que le

tissu (13) s'étend sur toute la longueur du fil à res-

sorts. 3 - Ressort hélicoidal selon la revendication

1, caractérisé en ce que le tissu (4) est découpé en ban-

de, les bords coupés s'étendant respectivement parallèle-

ment et perpendiculairement aux fils de trame et de chai-

ne et en ce que la bande (4) est enroulée en formant un

angle d'environ 45 avec l'axe longitudinal du fil à res-

sorts (1).

4 - Ressort hélicoïdal selon l'une quelconque

des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extré-

mité intérieure (5) du tissu (4, 13) est serrée entre deux éléments de retenue (6, 7) constitués par des fils ou des barres, qui s'étendent sur toute la longueur du

fil à ressorts (1), autour desquels les couches suivan-

tes du tissu (4, 13) sont enroulées.

- Procédé pour fabriquer le ressort hélicot-

dal selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,

dans lequel on enroule en un ressort hélicoidal un fil à ressorts fait d'une résine durcissable et de fibres de renforcement noyées dans cette résine et, ensuite, on

durcit la résine, caractérisé en ce que, pour la fabrica-

tion du fil à ressorts; avant l'enroulement du ressort

hélicoidal, on serre un tissu composé des fibres de ren-

forcement imprégnées de la résine durcissable entre deux

éléments de retenue constitués par des fils ou des bar-

res de telle manière que les éléments de retenue forment

un angle d'environ 45 avec les fils de chatne et de tra-

me du tissu et en ce qu'on fait tourner les éléments de retenue ensemble autour d'un axe d'enroulement qui passe entre les éléments de retenue et s'étend parallèlement à ces derniers, de sorte que le tissu est ainsi enroulé

sur les éléments de retenue comme sur un noyau d'enroule-

ment.

6 - Procédé selon la revendication 5, caractéri-

sé en ce qu'on utilise comme éléments de retenue des fi-

bres de renforcement qui restent dans le fil à res-

sorts.

7 - Procédé selon la revendication 5, caractéri-

sé en ce qu'après la fabrication du fil à ressorts, on

extrait les éléments de retenue de ce fil, dans une di-

* rection parallèle à l'axe longitudinal du fil.

8 - Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 5 à 7, caractérisé en ce qu'avant l'enroulement

du ressort, on enfile une gaine sur le fil à ressorts.

9 - Procédé selon la revendication 8, caractéri-

sé en ce qu'on enfile une gaine rétractable sur le fil à ressorts et qu'on provoque la contraction de cette gaine

rétractable par chauffage dans l'opération de gélifica-

tion de la matière plastique durcissable.

- Procédé selon la revendication 9, caracté-

risé en ce que, pour provoquer la contraction, on chauf-

fe la gaine rétractable progressivement le long du fil à ressorts.

11 - Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 5 à 9, caractérisé en ce qu'on trempe le ressort

hélicoïdal après le durcissement.

12 - Procédé selon l'une quelconque des revendi-

cations 8 - 11, caractérisé en ce qu'on élimine la gaine rétractable par décomposition thermique ou chimique ou par dissolution après le durcissement du ressort hélicoï- dal.