FR2661628A1 - Piece mecanique elancee, notamment destinee a travailler en compression selon sa direction longitudinale. - Google Patents

Abstract

Pièce mécanique élancée, destinée à travailler en compression selon sa direction longitudinale, caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison: - un empilage, selon la direction longitudinale, d'éléments (1) solides de faible épaisseur en matériau résistant à la compression; - des intercalaires (2) situés entre lesdits élements solides, moins épais que ceux-ci, en matériau ductile présentant une faible compressibilité hydrostatique; - et un ou des moyens de frettage (31,32) entourant sans jeu lesdits éléments et lesdits intercalaires. L'invention s'applique à des pièces telles que bielles, tiges de poussées, mâts, etc...

Description

PIECE MECANIQUE ELANCEE, NOTAMMENT DESTINEE
A TRAVAILLER EN COMPRESSION SELON SA DIRECTION LONGITUDINALE
La présente invention concerne un nouveau type de pièces mécaniques élancées notamment destinées à travailler en compression selon leur direction longitudinale telles que bielles, tiges de poussée, et plus généralement tout élément de forme allongée d'une structure dans laquelle ledit élément est essentiellement soumis à des contraintes de compression longitudinales.

De telles pièces sont couramment métalliques, par exemple en alliage ferreux tel que l'acier. En effet bien que les contraintes longitudinales auxquelles ces pièces sont soumises soient essentiellement des contraintes de compression, il est quasiment impossible d'éviter qu'elles ne soient soumises, au moins localement, à des contraintes de traction, qui résultent généralement de contraintes de flexion pratiquement inévitables dans des pièces allongées. I1 en résulte la nécessité de rechercher pour de telles pièces un compromis entre leurs résistances à la compression d'une part et à la traction d'autre part, ce qui conduit à l'utilisation courante d'alliages métalliques, notamment d'alliages ferreux.

Un inconvénient des pièces réalisées en ces matériaux est leur masse relativement importante due à la forte masse volumique des métaux.

Pour supprimer ou réduire ces inconvénients, il est bien connu de réaliser des pièces ou structures composées de plusieurs éléments combinés en une architecture appropriée, chaque élément étant prévu pour ntêtre soumis qu'à un type de contrainte, traction ou compression, et étant réalisée en un matériau présentant une grande résistance au mode de contrainte spécifique auquel il est soumis.

Une illustration de ce concept est par exemple un mât de bateau haubané dont l'architecture a peu évolué bien que les matériaux qui le constituent en aient été constamment améliorés : passage du bois au métal et aux alliages légers pour le mât proprement dit, ou même aux composites fibreux, malgré leur susceptibilité aux microflambages, haubanage de cordages divers puis de câbles à monobrins métalliques et plus récemment en fibres de synthèse.

Une autre possibilité bien connue pour réaliser de telles pièces ou ensemble consiste à envisager dès la conception de la pièce une précontrainte structurelle qui, au risque d'accroître encore en intensité les contraintes selon un mode de travail des matériaux sélectionnés pour leur résistance spécifique selon ce mode, en préserve toutefois la nature quasi pure. Ainsi, dans les ouvrages d'art en béton précontraint, la mise sous tension de câbles, préalable à toute charge, vient surcomprimer les éléments en béton, au point d'éviter ensuite toute apparition de zones de traction dans le béton, dussent-elles résulter de flexions.

I1 apparaît clairement que dans de telles pièces ou structures, certains éléments sont soumis essentiellement à des contraintes de compression, et doivent être réalisés en des matériaux particulièrement résistants à ce type de contraintes.

Dans ce type de matériaux on trouve en particulier les céramiques, qui sont parmi les plus anciens matériaux connus pour leur dureté. Cependant, si l'on s'est récemment avisé de nouvelles compositions et applications mettant en oeuvre certaines de leurs caractéristiques physico-chimiques spécifiques, il semble bien qu au point de vue mécanique la fragilité résultant de leur faible résistance en traction, et donc aussi en flexion, ait occulté leur exceptionnelle résistance en compression pure.

Cependant l'utilisation des céramiques est expressément conditionnée par la nécessité de réduire sinon d'éviter complètement toutes contraintes de traction locales, fussent-elles dues à des flexions.

La présente invention vise à tirer parti de la résistance en compression élevée de certains matériaux n'ayant que relativement peu de résistance à la traction et notamment des céramiques en général, ceci aussi bien dans l'absolu que relativement à leur masse et/ou à leur prix, pour réaliser des pièces mécaniques élancées travaillant principalement en compression. Dans ce genre de pièces se trouvent, non exhaustivement, les mâts et mâts de charge ; les pylônes, piles et colonnes porteuses, fiches et contrefiches ; les bielles de poussée structurales et mobiles ; diverses tiges de poussée utilisées dans des machines, matériels de travaux publics et même pour la distribution des moteurs à explosion ; etc...

Les applications visées de l'invention sont de deux ordres, selon qu'on cherche la performance pure, par exemple dans les domaines aérospatial, de la compétition nautique ou automobile, l'armement etc..., ou bien le meilleur rapport efficacité/coût en mécanique des solides plus courante, par exemple travaux publics et bâtiment, transports et manutention, industries mécaniques en général.

Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet une pièce mécanique élancée, destinée à travailler en compression selon sa direction longitudinale, caractérisée en ce qu elle comprend en combinaison
- un empilage, selon la direction longitudinale, d'éléments solides de faible épaisseur relative en matériau résistant à la compression
- des intercalaires situés entre lesdits élements solides, moins épais que ceux-ci, en matériau ductile présentant une faible compressibilité hydrostatique
- et un ou des moyens de frettage entourant sans jeu lesdits éléments et lesdits intercalaires.

Grâce à l'invention, on peut réaliser des pièces élancées en utilisant au mieux la forte résistance à la compression desdits éléments solides, préférentiellement réalisés en matériau céramique.

L'utilisation de céramiques, qui présentent une résistance à la compression élevée par rapport à leur masse volumique, permet à résistance à la compression équivalente, un gain de masse important par rapport à l'utilisation de métaux.

Afin que chacun de ces éléments solides ne soit soumis essentiellement qu'à des contraintes de compression, les éléments sont de faible épaisseur relatives, ou "aplatis", c'est-à-dire que leur épaisseur e est inférieure à leur dimension transversale la plus grande D perpendiculairement à la direction longitudinale de la pièce dans un rapport e/D nettement inférieur à 0,8, de préférence de l'ordre de 0,1.

Les intercalaires en matériau ductile permettent de répartir au mieux les contraintes de compression sur toute la surface des éléments solides, en évitant d'éventuelles concentrations localisées des contraintes qui seraient dues soit à des défauts de surface des élements solides, soit surtout à des contraintes de flexion de la pièce. Autrement dit les intercalaires ont pour fonction première de transmettre les contraintes principales de compression entre éléments solides, tout en protégeant ceux-ci de toutes tractions locales ou flexions, et accessoirement de combattre toute déviation angulaire de l'empilage.

Cette définition fonctionnelle des intercalaires permet de mieux se faire une idée de leur morphologie. En supposant que la pièce tra vaille en compression pure, il suffit que l'épaisseur des intercalaires soit un petit multiple de celle des aspérités caractérisant l'état des surfaces des éléments céramiques d'empilage (respectivement, quelques dixièmes et centièmes de millimètre, par exemple).

En supposant qu'il y ait aussi déformation de la pièce par flexion, et que le matériau des intercalaires soit assez ductile et élastique pour se remettre en place lorsque cette flexion cesse, c'est la valeur du rapprochement par flexion qui détermine l'épaisseur minimale des intercalaires (de l'ordre de quelques % de D, par exemple).

De toutes façons, l'épaisseur des intercalaires reste une petite fraction de celle des éléments de compression "aplatis" et les moins épais en céramique.

Préférentiellement les intercalaires sont en matériau élastomère à faible compressibilité hydrostatique. Ils peuvent notamment être en caoutchouc. Ils peuvent également être réalisés en un métal très ductile, par exemple du cuivre, si la fréquence des mises sous charge de la pièce est faible.

Les moyens de frettage permettent d'éviter le fluage sous charge des intercalaires, qui conduirait ceux-ci à s'écraser en débordant au-delà du périmètre des éléments solides, et ils permettent aussi de solidariser l'empilage.

Les moyens de frettage peuvent être discontinus selon la direction longitudinale de la pièce, tel que par exemple sous forme de couronnes ajustées sans jeu sur les éléments solides mais positionnées au niveau des intervalles entre éléments par les intercalaires eux-mêmes.

Préférentiellement les moyens de frettage sont cependant réalisés sous forme d'une enveloppe continue selon la direction longitudinale, telle que par exemple un tube entourant l'empilage d'éléments et d'intercalaires, sans jeu radial notable ou même avec un léger serrage au montage. S'il est souhaitable que le module de compression axiale de ce tube soit au plus égal à celui de l'empilage, sa résistance à l'éclatement (et respectivement à la flexion) peut être accrue par mise en oeuvre de tubes en matériau composite à fibrage circonférentiel (et axial). Cette disposition préférentielle facilite la solidarisation de l'empilage.

La section transversale de la pièce, et donc de la forme des éléments solides aplatis n'a que peu d'importance sur les caractéristiques mécaniques de la pièce, et peut dépendre des fonctions propres de celle-ci. Avantageusement toutefois, et pour en simplifier la réalisation, la pièce aura une section circulaire ou rectangulaire ou carrée.

Le rapport d'aplatissement e/D des éléments solides, c'est-à-dire le rapport de leur épaisseur e sur leur surface ou leur plus grande dimension transversale D, peut varier selon la position longitudinale des éléments solides dans la pièce, afin par exemple de satisfaire à la variation naturelle de courbure que prendrait la pièce au flambage.

Bien entendu et comme c'est d'usage courant en mécanique, la pièce élancée macro-composite ainsi constituée peut encore comprendre deux chapes d'extrémité, à rotules ou tous équivalents réduisant ses efforts en flexion, ainsi d'ailleurs que des moyens de haubanage externe. Elle peut également comporter des moyens de précontrainte axiale en compression de l'empilage et se trouver précontrainte, soit de manière passive et sans contrainte prédéterminée, en raison d'une mise en flexion du haubanage ou de la présence d'un câble traversant axialement l'empilage et pré-tendu au droit des chapes par tout moyen classique, soit de manière active et asservie à la charge ou à l'obliquité de la pièce par rapport à tout champ de forces agissant sur celle-ci, auquel cas l'un au moins des intercalaires peut être constitué de deux feuilles soudées à leur périphérie, pour former un vérin plat où est injecté un fluide à pression réglée par tous moyens connus.

Enfin, dans le cas de pièces très élancés, comme le sont par exemple les mâts des voiliers de compétition, l'empilage d'éléments de compression peut être centré dans un tube externe au moyen d'entretoises portées par certaines au moins des couronnes de frettage. En ce cas, ce tube constituant la peau du mât pourra être déchargé de tout effort de compression sinon être précontraint en traction, ce qui est une indication pour l'emploi de composites fibrés à haut module, le risque de micro-flambages locaux étant ainsi différé.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va être faite d'une pièce conforme à l'invention.

On se reportera aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est un schéma de la combinaison de moyens caractérisant l'invention, en coupe radiale d'une section courante de pièce élancée
- la figure 2 représente similairement une variante à frettage discontinu, câble axial de précontrainte et peau de mât externe.

- la figure 3 montre en élévation à plus petite échelle l'application de l'invention à une bielle, avec sa chape à rotule et son haubanage extérieur à précontrainte passive.

La pièce 10 représentée partiellement à la figure 1 comporte un empilage d'éléments solides aplatis 1 en céramique ici sous forme de disques ou de cylindres. Les éléments représentés ont des épaisseurs différentes. La répartition longitudinale dans la pièce d'éléments d'épaisseur différentes peut différer de celle représentée, de manière à être adaptée en fonction de contraintes de flexion ou de flambage, par exemple, auxquelles peut être soumise la pièce 10.

Des intercalaires 2, de forme sensiblement identiques à celle des éléments 1 mais d'épaisseur moindre, sont disposés entre lesdits éléments 1. Ces intercalaires sont destinés à transmettre les contraintes de compression d'un élément à son voisin sous forme de pression hydrostatique ce qui réduit l'effet d'éventuelles inégalités de surface des faces d'empilage 11,11'. Les tolérances de surface de ces faces peuvent donc ainsi être peu sévères.

Pour assurer la transmission des contraintes sous forme de pression hydrostatique, les intercalaires 2 sont réalisés en un matériau essentiellement ductile. Si de plus ce matériau possède également une certaine élasticité, les intercalaires 2 contribuent à la raideur en flexion de l'empilage ; c'est pourquoi tous élastomères, mais aussi d'autres plastomères et même des métaux non écrouis, conviennent. On notera que le choix du matériau de calage lors de la conception de la pièce 10 permet aussi de régler le taux d'amortissement interne de la pièce et d'éviter certaines résonances néfastes.

L'empilage d'éléments 1 et d'intercalaires 2 est entouré sans jeu par une frette continue constituée ici par un tube 31 qui assure la solidarisation de l'empilage. Le tube 31 a pour fonction primordiale de prévenir tout fluage des intercalaires 2 sous la charge, d'où l'importance d'un jeu radial faible ou nul entre éléments et tube, sinon même d'un léger serrage au montage. Le tube 31 est métallique, de préférence sans soudure et par exemple filé ; le tube 32 représenté en variante sur la partie droite de la figure 1 est en matériau composite fibré. Dans ce cas, certaines fibres peuvent être disposées circonférentiellement pour mieux résister à la surpression interne due à la mise en charge et/ou précontrainte de la pièce 10, d'autres longitudinalement en vue d'améliorer la résistance à la flexion de la pièce macro-composite ainsi constituée.

Les éléments 1 sont de préférence obtenus par moulage sous pression ou frittage, car il importe surtout qu'ils ne présentent aucune amorce de crique et que leur dimension radiale soit constante à une faible tolérance près. On notera toutefois que leurs faces d'empilage 11, 11' représentées planes sur la figure par raison de simplicité, peuvent être munies de reliefs respectivement mâles et femelles qui coopèrent pour en faciliter le centrage et décharger en effort tranchant leur moyen de frettage 31, 32.

La figure 2 montre une variante de réalisation de la pièce 10', à frettage discontinu. Dans cette variante, les moyens de frettage évitant le fluage des intercalaires 2 sont constitués par des couronnes 33, par exemple métalliques, maintenues axialement en place 7 par simple clipsage de chaque intercalaire 2 dans une gorge 34 prévue à cette fin dans la paroi interne des couronnes. Les couronnes 33 entourent sans jeu les éléments 1' adjacents sur une partie seulement de leur hauteur afin de les laisser libres de pivoter légèrement en flexion.

Ces éléments 1' ainsi que les intercalaires 2' sont ici pourvus d'un perçage axial 21. Dans celui-ci passe un câble 5 qui peut être entouré d'un fourreau rigide 4 emmanché sans jeu dans les perçages 21, et mis en pré-traction par tous moyens usuels (vis et écrou, clavetage conique, etc...). La notion de macro-composite est alors illustrée par le fait que la pièce 10' met en oeuvre des parties différentes pour transmettre des efforts respectifs de compression et de traction.

Etant donné la résistance en compression élevée des céramiques, le diamètre ou la dimension maximale transverse, de l'empilage peut être très nettement inférieur à la dimension longitudinale de la pièce. Dans le cas d'un mât de voilier de compétition, par exemple, l'allongement peut atteindre un rapport de l'ordre de mille. Il est alors possible que l'empilage 1, 2, 33 soit positionné radialement, au moyen d'entretoises radiales 6 prolongeant certaines au moins des couronnes de frettage 33, dans la région axiale de la paroi tubulaire externe du mât proprement dit. On peut alors exercer une précontrainte en compression de l'empilage 1, 2 par traction de ladite paroi 7 (plutôt que par le câble axial 5) ; on y gagne en simplification du haubanage extérieur du mât et en recul du risque lié à l'éventualité de microflambages locaux en flexion/compression.Un gain en poids peut aussi être obtenu si la paroi 7 est réalisée en composite à fibres de haut module d'élasticité.

La figure 3, à plus petite échelle, montre une extrémité d'une bielle illustrant une application d'une pièce macro-composite conforme à l'invention.

La bielle 40 comporte à chacune de ses extrémité une chape d'extrémité 41 pourvue d'un oeil dans lequel se trouve classiquement une rotule 42, et d'une queue cylindrique 43 coaxiale à l'empilage 1, 2. La queue cylindrique 43 s'appuie sur le dernier intercalaire 2" situé à l'extrémité de l'empilage et se trouve centrée par l'extrémité de la frette tubulaire 3.

Un haubanage 8 en matériau composite filamentaire vient entourer les deux chapes 41 et peut être contraint, par simple agrafage 9 à mi-longueur par exemple. Le rapport des contraintes maximales d'écrasement des matériaux respectifs des chapes et de l'empilage peut donner à ce dernier une allure grêle, caractéristique de l'invention mais intéressante au point de vue encombrement. Le haubanage 8, s'il assure ici une précontrainte passive prédéterminée, accroit par ailleurs la résistance à la flexion ou au flambage de la pièce.

On notera à ce sujet qu'il a déjà été proposé, notamment dans la
Demande de brevet français publiée sous le nO 2607203, et pour l'application à des bielles de moteurs à explosions de combiner des corps de bielle en matériau composite monobloc, avec des chapes métalliques et un haubanage en composites filamentaires. Toutefois, l'endurance en fatigue des corps composites monobloc s'est avérée insuffisante, ce qui résulte probablement des contraintes transversales élevées dans cette application.

C'est précisément ce genre de défaut que permet de pallier le mode de travail en compression quasi pure des céramiques conformément à l'invention, où elles sont mises en oeuvre non sous forme monobloc, mais sous forme d'empilage d'éléments aplatis et protégés par les intercalaires.

Si l'on vise des applications de pointe de l'invention où prime la performance pure, comme dans les domaines aérospatiaux, de la haute compétition et de l'armement, le concept de précontrainte peut même être combiné à celui de "contrôle automatique généralisé" d'origine aéronautique, pour laisser envisager une précontrainte active asservie. Si par exemple l'un au moins des intercalaires 2, dont il a été dit qu'ils peuvent être réalisés en élastomère, prend la forme d'un vérin plat dans lequel la pression d'un fluide peut être réglée par tous moyens d'asservissement classiques, il devient alors possible de proportionner en temps réel la précontrainte axiale de la pièce à tous efforts parasites de flexion, qu'ils soient dûs à la charge même ou à tout champ gravitaire ou inertiel, etc...

Pour des applications plus courantes, une précontrainte passive obtenue au montage ou même une absence totale de pré contrainte peuvent suffire. A cet effet, le tube 31, 32 constituant la frette continue ainsi qu'un guide et une armature de flexion pour l'empilage de compression (1 et 2), peut être simplement choisi en un matériau homogène de plus faible module d'élasticité axial que cet empilage, en alliage d'aluminium par exemple, et éventuellement assemblé sur les chapes 41, de façon à engendrer le taux de précontrainte visé, par vissage, sertissage ou tout autre procédé de montage classique en mécanique.

Selon une variante de l'invention, la frette continue peut être réalisée en matériau composite à fibrage circonférentiel et éventuellement axial. La frette peut par exemple être réalisée par bobinage d'un ruban comportant des fibres (tel que kevlar, fibres de carbone, etc...) autour de l'empilage d'éléments et d'intercalaires.

Cette variante permet de réaliser aisément un frettage continu et très serré. Ainsi tout jeu radial entre frette et éléments peut être supprimé, même si les dimensions de ces derniers varient légèrement de l'un à l'autre, ce qui permet d'utiliser des éléments solides ayant des tolérances dimensionnelles moins serrées. Pour éviter que l'empilage ne se déforme lors du bobinage de la frette, on utilisera avantageusement un empilage réalisé selon la variante décrite précédemment selon laquelle les éléments solides et les intercalaires sont percés, et maintenus assemblés par une tige (ou tube) axiale introduite dans les perçages. Une précontrainte de compression s'exer çant sur l'empilage, réalisée au moyen de ce tube ou de cette tige, ou d'un câble mis en prétraction, permet d'accroître encore, lors de la réalisation de la frette, la résistance de l'empilage aux déformations, notamment à la flexion.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1) Pièce mécanique élancée, destinée à travailler en compression selon sa direction longitudinale, caractérisée en ce qu'elle comprend en combinaison

- un empilage, selon la direction longitudinale, d'éléments (1) solides de faible épaisseur en matériau résistant à la compression

- des intercalaires (2) situés entre lesdits élements solides, moins épais que ceux-ci, en matériau ductile présentant une faible compressibilité hydrostatique

- et un ou des moyens de frettage (3) entourant sans jeu lesdits éléments (1) et lesdits intercalaires (2).

2) Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments (1) sont en céramique.

3) Pièce selon la revendication 1, caractérisé en ce que les intercalaires (2) sont en matériau élastomère ou en métal très ductile tel que du cuivre.

4) Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport d'applatissement e/D de l'épaisseur e des éléments (1) à leur dimension transversale la plus grande D est inférieure à 8/10.

5) Pièce selon la revendication 4, caractérisée en ce que le rapport e/D est sensiblement égal à 1/10.

6) Pièce selon la revendiction 4 ou 5, caractérisée en ce que le rapport d'applatissement e/D de chaque élément (1) varie selon la position longitudinale de cet élément dans l'empilage.

7) Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de haubanage externe (7,8,9).

8) Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (5) de précontrainte axiale en compression de 1 'empilage.

9) Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de frettage sont longitudinalement continus et constitués d'un tube (31,32) entourant l'empilage.

10) Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de frettage sont longitudinalement discontinus et positionnés au niveau des intervalles entre les éléments (1).

11) Pièce selon la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens de frettage sont constitués par des couronnes (33) entourant sans jeu les éléments adjacents (1') sur une partie seulement de leur hauteur, les couronnes (33) comportant une gorge (34) interne dans laquelle s'engage le bord de l'intercalaire (2') correspondant.

12) Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments (1') et les intercalaires (2') comportent un perçage axial (21) dans lequel passe un câble (5) de précontrainte.

13) Pièce selon la revendication 12, caractérisée en ce que le câble (5) est entouré d'un fourreau rigide (4) emmanché sans jeu dans le perçage (21).

14) Pièce selon la revendication 11 caractérisée en ce qu'elle comporte une paroi tubulaire externe (7) centrée sur l'empilage par des entretoises radiales (6) interposées entre certaines au moins des couronnes (33) et ladite paroi tubulaire.

15) Pièce selon la revendication 8, caractérisée en ce que l'un au moins des intercalaires (2) est constitué de deux feuilles soudées à leur périphérie formant un vérin plat et des moyens sont prévus pour y injecter un fluide sous pression régulée.

16) Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de frettage sont en matériau composite à fibrage circonférentiel réalisé par bobinage d'un ruban comportant des fibres, autour de l'empilage d'éléments solides et d'intercalaires.