FR3133784A1 - Procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, élément mobile obtenu et son utilisation pour la transmission de mouvements et le maintien d’éléments de géométrie dans ledit véhicule. - Google Patents

Procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, élément mobile obtenu et son utilisation pour la transmission de mouvements et le maintien d’éléments de géométrie dans ledit véhicule. Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, l’élément mobile de véhicule en matériau composite obtenu tel que biellette push-pull et triangle de suspension ainsi que l’utilisation dudit élément mobile de véhicule pour la transmission de mouvements et le maintien d’éléments de géométrie dans ledit véhicule. «  Figure pour l’abrégé : Fig. 2  »

Description

Procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, élément mobile obtenu et son utilisation pour la transmission de mouvements et le maintien d’éléments de géométrie dans ledit véhicule.
L’invention se rapporte au domaine des dispositifs d’application de forces des véhicules et concerne un procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau tout composite, l’élément mobile obtenu par ledit procédé et son utilisation pour la transmission de mouvements et maintien d’éléments de géométrie dans ledit véhicule.
Force est de constater que les techniques actuelles produisent des véhicules de plus en plus lourds malgré les efforts de l’industrie. Le poids d’un véhicule représente un réel handicap concernant la consommation, la pollution, les performances, l’agrément et la précision de conduite. Les véhicules de demain devront être beaucoup plus légers, notamment les véhicules électriques pénalisés par leurs batteries, cela sans compromettre la fiabilité et la sécurité. Sur la plupart des véhicules, la transmission de mouvements et le maintien d’éléments de géométrie sont assurés par des biellettes et triangles push-pull. Ils sont souvent réalisés en acier pour des raisons de coût et le couplage est assuré par des silentblocs afin de filtrer les vibrations et les bruits.
Actuellement les constructeurs se tournent majoritairement vers l’aluminium pour alléger les véhicules. Il s’agit d’un métal plus léger que l’acier mais avec un module d’Young nettement inférieur. Le module d’Young, module d’élasticité (longitudinale) ou module de traction est la constante qui relie la contrainte de traction (ou de compression) et le début de la déformation d’un matériau élastique isotrope. Le module d’Young est la contrainte mécanique qui engendrerait un allongement de 100 % de la longueur initiale d’un matériau (il doublerait donc de longueur), si l’on pouvait l’appliquer réellement : dans les faits, le matériau se déforme de façon permanente, ou se rompt, bien avant que cette valeur ne soit atteinte. Le module d’Young est la pente initiale de la courbe de déformation-contrainte. Le Module d’Young des métaux usuels est, acier : 210 GPa, aluminium : 70 GPa. Il est intéressant d’utiliser le rapport entre le module et la densité du métal (valeur spécifique du module) : cet indice de performance tient compte de la déformation élastique et de l’allègement. La densité des métaux usuels est : acier : 7,8 dm3.kg-1, aluminium : 2,7 dm3.kg-1. Ainsi on obtient un rapport module/densité (valeur spécifique du module) : acier : 27 x 106N.m.kg-1et aluminium : 26 x 106N.m.kg-1. L’aluminium est cependant simple à mettre en œuvre en remplacement de l’acier. L’utilisation de biellettes push-pull en aluminium avec liens mécaniques par silentblocs ou rotules métalliques (acier/inox) est relativement courante actuellement. Le gain de poids est toutefois limité par la simple refabrication du corps de la biellette, alors qu’une grande partie du poids se trouve dans les rotules qui provoque l’apparition d’efforts spécifiques (rapport module/densité défavorable) pouvant entrainer des déformations plastiques, implique l’utilisation d’un axe en acier HR, ce qui crée un point dur (concentration des efforts) sur les éléments moteurs et à contrôler, transmet les vibrations et donne un toucher métallique indésirable pour le pilote et pose le problème supplémentaire de la corrosion.
On connait du document CN112744249 dans le domaine des véhicules ferroviaires une barre de torsion anti-roulement latéral et un procédé de formage de la barre de torsion anti-roulement latéral, dans lequel la barre de torsion anti-roulis comprend un arbre de torsion et un bras de torsion. L'arbre de torsion comprend un tube central en matériaux composites fibreux et des connecteurs métalliques. Le procédé de fabrication de la barre de torsion satisfait aux exigences de conception légère, permet d'améliorer la résistance à la fatigue, a en outre une meilleure intégrité et une conception indépendante de la rigidité en torsion et de la résistance aux roulements. La barre de torsion obtenue selon ce document comprend cependant une partie métallique et des cannelures pour emboiter les pièces. De nombreux verrous subsistent pour les assemblages métal/composite qui amènent diverses complications :
Les méthodes d’assemblage (vissage, rivetage, inserts, collage) présentent des difficultés et des inconvénients propres à chacune :
  • Le vissage, le rivetage et la pose d’inserts impliquent soit de percer le composite, ce qui coupe les fibres et donc réduit la résistance du matériau, soit d’inclure à la fabrication les réservations et perçages nécessaires, ce qui implique des changements de directions non optimales des fibres.
  • Le collage peut souffrir de la sensibilité à la chaleur, aux chocs, aux vibrations, aux UV, à l’humidité, aux chocs thermiques, à la déformation (peeling), au cisaillement, ainsi que d’un coût élevé pour des adhésifs performants. La mise en oeuvre est délicate (apprêt, dépollution, granulométrie et porosité des surfaces, contrôle de la température et de l’humidité, maîtrise de l’épaisseur du film de colle).
  • L’association des fibres de carbone et du métal amène un risque de corrosion galvanique (oxydation y compris des éléments en inox, risque d’affaiblissement et de défaillance de la pièce). Dans le domaine maritime de compétition ce problème entraine des remplacements systématiques et périodiques.
  • La miniaturisation des éléments acier entraîne une concentration des efforts (création de « points durs ») préjudiciable à l’allègement de systèmes macro comme un train roulant ou un gouvernail. Le poids des renforts (pour concentrer puis répartir les efforts) annulant le gain de poids sur la rotule conduit à une impasse technique.
Dans la recherche permanente de la performance et de l’allègement telle qu’on le constate à l’heure actuelle, les éléments traditionnels de transmission apparaissent lourds et peuvent manquer de rigidité ou de précision. Leur performance globale est donc très médiocre (augmentation de la consommation et des émissions polluantes), surtout dans le domaine de la compétition où le poids est un ennemi.
L’art antérieur ne résout pas le problème spécifique de la fabrication à échelle industrielle ou de grande série de pièces de transmission de mouvement des véhicules qui permette d’alléger considérablement les pièces de transmission de mouvement des véhicules.
On ne peut que constater qu’il n’existe actuellement aucune solution efficace de procédé de fabrication à échelle industrielle ou de grande série pour alléger considérablement les pièces de transmission de mouvement des véhicules tout en maintenant une rigidité et une résistance aux contraintes mécaniques.
Résumé :
Une idée à la base de l’invention est de concevoir un nouveau procédé de fabrication des éléments mobiles des véhicules. Le but recherché est l’allègement radical des éléments mobiles de véhicule tout en conservant, voire améliorant, les propriétés mécaniques des éléments traditionnels.
Pour la mise en œuvre du nouveau procédé de fabrication, les inventeurs ont pris en compte la cohérence entre d’une part les contraintes mécaniques auxquelles sont soumis ces éléments mobiles de véhicule et les caractéristiques anisotropes des matériaux composites et, d’autre part, l’allègement exigé de ces éléments mobiles de véhicule et les possibilités de conception offertes par le matériau plastique.
Dans la présente invention on entend par :
- « matériau composite » : un assemblage d’au moins deux composants non miscibles dont les propriétés se complètent. Le nouveau matériau ainsi constitué, hétérogène, possède des propriétés que les composants seuls ne possèdent pas. Les composants sont des matériaux organiques et/ou des matériaux inorganiques.
- « matériaux organiques » : les matériaux d'origine naturelle (comme par exemple le bois, le coton, le caoutchouc, la laine, le cuir....) ou d'origine synthétique (comme par exemple les polymères comprenant les matières plastiques, les fibres de carbone, d’aramide, le PTFE (polytétrafluoroéthylène).
- « matériaux inorganiques» : les matériaux à base de matière minérale, qui incluent par exemple les métaux, la céramique, le verre, le cristal, le silicone.
- « polymères naturels ou synthétiques » : les fibres de polyosides tels que le bois, les matières plastiques, les caoutchoucs naturels et synthétiques, le silicone et les résines.
- « fibres » : les fibres organiques ou inorganiques tels que par exemple les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres végétales et les fibres d’aramide. Le terme fibres s’entend pour désigner des fibres unidirectionnelles. Le terme « tissu de fibres » s’entend pour désigner des fibres maintenues ensemble pour former un tissu.
- « strate » : un ensemble de séries de fibres ou tissus de fibres ayant une structure cohérente disposée selon un ou plusieurs angles les unes par rapport aux autres pour aboutir selon ladite disposition à une strate dite de « compression » ou de « tension ». Une strate de compression comprend des fibres et/ou tissus de fibres indifféremment orientées avec un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin. Une strate de tension comprend principalement des fibres orientées parallèlement à l’axe longitudinal du mandrin.
- « Respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin» : le fait que les deux séries de fibres et/ou de tissus de fibres sont orientées dans un sens puis dans l’autre indifféremment.
- « résine » : formulation de différents produits appartenant essentiellement à la chimie organique utilisée pour assurer la cohésion des fibres dans la fabrication d’un matériau composite.
- « élément mobile de véhicule» : tout élément mobile constitutif du châssis d’un véhicule, notamment les éléments de suspension (bras, biellettes, triangles, …). L’élément mobile de véhicule est constitué d’un corps (fabriqué notamment autour d’au moins un mandrin) dont le rôle est de maintenir un entraxe précis entre ses extrémités, et d’au moins un organe d’articulation. On retrouve ces éléments par exemples dans les suspensions de véhicules, les bras de direction de véhicules, les gouvernails des voiliers, les gouvernails, commandes de profondeur, commandes d’ailerons de l’aviation légère et ultralégère, ainsi que les trains d’atterrissage de l’aviation commerciale.
- « mandrin » : forme de section généralement cylindrique servant de support ou de moule à un enroulement de matériau (par exemple des fibres).
- « organe d’articulation» : élément permettant l’assemblage de plusieurs pièces mobiles entre elles (rotule, axe, charnière, …).
- « solidarisé » : le fait d’être maintenu de manière fixe par un moyen quelconque tel que le collage, le vissage ou autre, ledit moyen pouvant être éventuellement rompu ou enlevé après la fabrication de l’élément mobile de véhicule.
- « biellette push-pull» : biellette transmettant les forces de compression et de tension, notamment biellette de suspension arrière.
- « triangle de suspension » : réunion de deux biellettes push-pull ayant en commun un organe d’articulation. Le triangle est utilisé pour maintenir le déplacement de l’organe d’articulation commun aux deux biellettes push-pull dans un plan perpendiculaire à l’axe passant par les deux autres organes d’articulation et simultanément maintenir un entraxe constant entre l’organe d’articulation commun et l’axe passant par les deux autres organes d’articulations.
- « compactage » : étape de fabrication des matériaux composites consistant à chasser les bulles d’air et à resserrer les fibres entres elles afin d’en améliorer la résistance.
- « véhicule » : tout moyen de transport comprenant les véhicules à propulsion humaine (bicyclette, skateboard, sous-marin humide), les véhicules propulsés par le vent (voilier, char à voile), les véhicules à moteur sur route (automobile, autobus, quatre roue), sur les rails (tramway, métro, train..), par câble (ascenseur, funiculaire, télécabine), les véhicules aériens (avion, fusée) et nautiques (navires, submersibles).
- « pièces captives » : des pièces de l’élément mobile de véhicule que l’on ne peut pas séparer après fabrication, à moins de détruire ledit élément mobile.
- « pièces » : le corps de biellette (ou de triangle) et le (ou les) organes d’articulation.
Description des modes de réalisation :
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit un procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, comprenant les étapes suivantes :
1- on fournit au moins un mandrin (1) présentant un axe longitudinal et comprenant deux extrémités (1’) et au moins un organe d’articulation (2) qui est solidarisé à l’une des extrémités du mandrin,
2- on dispose successivement au moins deux strates de fibres et/ou de tissus de fibres avec une résine autour d’au moins un mandrin (1) et d’au moins un organe d’articulation (2), les au moins deux strates comportant une strate de tension comprenant des fibres et/ou tissus de fibres orientées parallèlement à l’axe longitudinal du mandrin, et comportant une portion enroulée perpendiculairement à l’axe longitudinal du mandrin au niveau des extrémités (1’) dudit mandrin et une strate extérieure de compression comprenant deux séries de fibres respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45°par rapport à l’axe longitudinal du mandrin;
3- on effectue un compactage des au moins deux strates de fibres et/ou tissus de fibres et résine par un moyen de compactage autour desdites au moins deux strates de l’élément mobile obtenu, et
4- on démoule l’élément mobile par dépose du moyen de compactage.
Le procédé de fabrication décrit ci-dessus peut être réalisé sur un marbre (3), ledit marbre comprenant deux axes verticaux (4) filetés dont l’écartement est égal à l’entraxe de l’élément mobile de véhicule et un moyen de serrage (5) pour maintenir chaque organe d’articulation (2) sur son axe vertical (4), comme illustré à la .
Le procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule décrit dans la présente invention permet une fabrication à échelle industrielle ou de grande série de pièces de transmission de mouvement des véhicules.
Dans le procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite comprenant au moins deux strates de fibres et/ou de tissus de fibres, on préfèrera utiliser un mandrin constitué en bois, de préférence en balsa, pour apporter une stabilité en compression supplémentaire à celle apportée par la strate extérieure de compression disposée autour du mandrin.
Selon un mode de réalisation préférentiel du procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, on dispose successivement au moins trois strates de fibres et/ou de tissus de fibres en disposant une strate intérieure de compression autour du mandrin avant de disposer la strate de tension et la strate extérieure de compression, la strate intérieure de compression comprenant deux séries de fibres et/ou tissus de fibres respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45°par rapport à l’axe longitudinal du mandrin.
Selon un mode de réalisation du procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, on dispose au moins une strate supplémentaire de protection à l’extérieur des au moins deux strates de fibres et/ou de tissus de fibres.
Cette strate de protection peut être composée de tissus de fibres d’aramide et est par exemple orientées à +45°/-45°. L’utilité technique de cette strate de protection est de plusieurs ordres : frottements répétés contre un flexible hydraulique, chocs avec des corps étrangers comme des gravillons, rayonnements ultra-violets. Elle peut apporter également une amélioration esthétique de finition.
Dans le procédé de fabrication, l’enroulement de la strate de compression de fibres et/ou de tissus de fibres autour d’au moins un mandrin et de au moins un organe d’articulation est effectué comme représenté à la . Chaque strate de compression comprend deux séries de fibres respectivement orientées avec un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin, en s’enroulant autour de l’axe de l’organe d’articulation qui, dans le mode de réalisation selon la , est perpendiculaire à l’axe du mandrin.
Dans le procédé de fabrication, l’enroulement de la strate de tension de fibres et/ou de tissus de fibres autour d’au moins un mandrin et de au moins un organe d’articulation est effectué comme représenté à la . La strate de tension comprenant des fibres orientées parallèlement à l’axe longitudinal du mandrin et de au moins un organe d’articulation comporte une portion enroulée perpendiculairement à l’axe longitudinal du mandrin au niveau des extrémités (1’) dudit mandrin.
Dans le procédé de fabrication, l’élément mobile de véhicule est constitué en matériau composite organique et/ou inorganique, d'origine naturelle (comme le bois et particulièrement le balsa, le coton, le caoutchouc, la laine, le cuir, ...) ou d'origine synthétique (comme par exemple les polymères comprenant les matières plastiques, les fibres de carbone, d’aramide, le PTFE (polytétrafluoroéthylène). Les matériaux inorganiques sont des matériaux à base de matière minérale, qui incluent par exemple les métaux comme les fibres de bore, la céramique, le verre, le cristal, le silicone.
Selon un mode de réalisation, l’élément mobile de véhicule est constitué en matériau composite organique et/ou inorganique non métallique.
Grâce à ces caractéristiques, le procédé de fabrication permet d’obtenir des éléments mobiles de véhicule en matériau composite, légers, rigides et résistants ayant en combinaison pour caractéristiques :
- Un gain de poids considérable par un facteur de 5 à 10, soit de 80% à 90% (biellette acier = 850g, composite = 120g),
- Être constituées de 5 pièces maximum captives, au lieu d’un assemblage de 9 pièces, voire plus,
- Être équipées d’organes d’articulations composites légers de grand diamètre autorisant des axes (tubulaires) de grand diamètre directement compatible avec les éléments composites (il n’y a pas de concentration inutile des efforts),
- L’allègement du corps de la biellette ou du triangle, car ledit corps pouvant être de section évolutive, fine aux extrémités guidées, épaisses au milieu où le moment d’inertie doit être maximum (apporte une stabilité sous compression), le poids étant dépendant entre autres du volume de la pièce dans le respect du cahier des charges,
- Un compromis amortissement des vibrations / précision / toucher très intéressant voire décisif dans certaines applications,
- L’amélioration de la tenue de route des véhicules,
- L’homogénéisation de toute la chaîne cinématique, et
- L’usage forte charge.
Selon des modes de réalisation, un tel procédé peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Selon un mode de réalisation, l’au moins un mandrin (1) et l’au moins un organe d’articulation (2) sont réalisés dans un ou plusieurs matériaux choisis parmi les polymères naturels ou synthétiques.
Selon un mode de réalisation, les strates de fibres et/ou de tissus de fibres comportent des fibres choisies parmi les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres végétales, les fibres d’aramide et les fibres métalliques. De préférence les strates de fibres et/ou de tissus de fibres avec résine sont constituées de fibres de carbone ou de fibres de verre, de préférence de fibres de carbone très résistantes, associées à une résine époxy. Le matériau composite obtenu à l’aide de tissus de fibres de carbone bi axiales associées à 50% de résine époxy possède un module d’Young de 50 GPa et d’un rapport module/densité de 36 x 106N.m.kg-1, bien supérieur à l’aluminium. Le matériau composite obtenu à l’aide de fibres de carbone unidirectionnelles associées à 30% de résine époxy possède un module d’Young de 181 GPa et d’un rapport module/densité de 116 x 106N.m.kg-1, soit +330% par rapport à l’acier et +345% par rapport à l’aluminium. Dans le procédé de fabrication selon l’invention, on utilise de préférence des tissus de fibres de carbone bi axiales associées à 30% de résine époxy haut module (par exemple 3200 MPa, résistance à la traction 85 MPa) et des fibres de carbone unidirectionnelles associées à 30% de résine époxy haut module. L’imprégnation des fibres est faite soit au préalable (fibres pré-imprégnées), soit au moment de l’enroulement par contact, soit après l’enroulement par infusion sous vide.
Ainsi, la façon dont les strates de fibres et/ou de tissus de fibres sont enroulées, comme illustré dans les figures, permettent un gain de poids considérable de l’élément mobile de véhicule obtenu tout en offrant la résistance voulue.
Selon un mode de réalisation, l’au moins un mandrin (1) est réalisé en balsa, l’au moins un organe d’articulation (2) est réalisé dans une matière plastique. On choisira préférentiellement pour le mandrin un matériau comme le balsa et pour l’organe d’articulation une matière plastique produite par Igus® de type Iglidur® W300 qui présente un coefficient de frottement très faible.
Selon un mode de réalisation, la strate intérieure et/ou extérieure de compression autour d’au moins un mandrin et au moins un organe d’articulation est constituée d’un tissu de fibres de carbone orientées en bi-biais à +45°/-45° avec une résine. Ce mode de réalisation permet d’obtenir une fabrication rapide, tout en préservant une grande partie des qualités de résistance mécanique et de légèreté.
Selon un mode de réalisation, l’au moins une strate intérieure et/ou extérieure de compression autour d’au moins un mandrin est constituée de fibres de carbone orientées entre +5° et +45°/ -5° et -45° avec une résine. Ce mode de réalisation permet d’obtenir des éléments mobiles de véhicule à la résistance mécanique optimale associée à un gain de poids supplémentaire du fait de la réduction des recouvrements par rapport aux tissus bi-biais.
Selon un mode de réalisation, la strate de tension autour d’au moins un mandrin et d’au moins un organe d’articulation est constituée de fibres de carbone.
Selon un mode de réalisation, dans le procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, on fournit au moins un mandrin (1) présentant un axe longitudinal et comprenant deux extrémités (1’) ayant une dimension radiale inférieure à celle d’une partie centrale du mandrin, et au moins un organe d’articulation (2) qui est solidarisé à l’une des extrémités du mandrin. Ce mode de réalisation apporte un gain de poids supplémentaire du fait de la réduction du volume sans pénaliser le moment d’inertie de la pièce en son milieu (le point le plus sollicité en stabilité en compression). De préférence, la dimension radiale des extrémités du mandrin par rapport à la partie centrale pourra être compris entre 1:1,5 et 1:5.
Selon un mode de réalisation, l’au moins un mandrin (1) est réalisé en balsa, l’au moins un organe d’articulation (2) est réalisé dans une matière plastique et les fibres ou tissus de fibres sont en fibres de carbone. Dans ce mode de réalisation préférentiel, l’élément mobile de véhicule est constitué en matériau composite organique.
Selon un mode de réalisation, le moyen de compactage (6) est effectué par enroulement sous tension d’une bande en matériau plastique non-adhérente, de préférence de type vinyle ou polyamide. Le compactage est une technique classique qui permet d’éliminer les bulles d’air et d’améliorer considérablement la cohésion des fibres entre elles.
Selon un mode de réalisation, l’élément mobile de véhicule du procédé de fabrication selon l’invention est une biellette push-pull comprenant un mandrin et un ou deux organes d’articulation à ses extrémités.
Selon un mode de réalisation, l’élément mobile de véhicule du procédé de fabrication selon l’invention est une biellette push-pull comprenant un mandrin et un organe d’articulation à une extrémité.
Selon un mode de réalisation, l’élément mobile de véhicule du procédé de fabrication selon l’invention est une biellette push-pull comprenant un mandrin et deux organes d’articulation à ses extrémités.
Selon un mode de réalisation, l’élément mobile de véhicule du procédé de fabrication selon l’invention est un triangle de suspension comprenant deux mandrins et trois organes d’articulation à ses extrémités.
Selon un mode de réalisation, l’organe d’articulation, pouvant être une rotule ou calotte de rotule, un axe ou une charnière peut être constitué en matériau organique ou inorganique.
Selon un mode de réalisation, l‘organe d’articulation est une calotte de rotule en matériau plastique.
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit aussi un élément mobile de véhicule en matériau composite comprenant :
1- au moins un mandrin (1) présentant un axe longitudinal et comprenant deux extrémités et au moins un organe d’articulation,
2- au moins deux strates de fibres et/ou tissus de fibres avec une résine autour du mandrin (1) et au moins un organe d’articulation, les au moins deux strates comportant une strate de tension comprenant des fibres et/ou tissus de fibres orientées parallèlement à l’axe longitudinal du mandrin, et comportant une portion enroulée perpendiculairement à l’axe longitudinal du mandrin au niveau des extrémités (1’) dudit mandrin et une strate extérieure de compression comprenant deux séries de fibres respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45°par rapport à l’axe longitudinal du mandrin.
Selon un mode de réalisation, l’élément mobile de véhicule comprend une strate intérieure de compression autour du mandrin avant la strate de tension et la strate extérieure de compression, la strate intérieure de compression comprenant deux séries de fibres respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45°par rapport à l’axe longitudinal du mandrin.
Selon un mode de réalisation, l’élément mobile de véhicule est une biellette push-pull comprenant un mandrin et un ou deux organes d’articulation à ses extrémités.
Selon un mode de réalisation, l’élément mobile de véhicule est un triangle de suspension comprenant deux mandrins et trois organes d’articulation à ses extrémités.
Selon un mode de réalisation, l’invention fournit aussi l’utilisation de l’élément mobile de véhicules tel que décrit précédemment pour la transmission de mouvements et le maintien d’éléments de géométrie dans ledit véhicule.
L’invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l’invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
La représente un marbre comprenant deux axes verticaux (4) filetés dont l’écartement est égal à l’entraxe de l’élément mobile de véhicule et un moyen de serrage (5) pour maintenir chaque organe d’articulation (2) sur son axe vertical (4).
La est une représentation schématique de l’enroulement de la strate de compression de fibres et/ou de tissus de fibres autour du mandrin et de deux organes d’articulation pour la fabrication d’une biellette push-pull.
La est une représentation schématique de l’enroulement de la strate de tension de fibres et/ou de tissus de fibres autour du mandrin et de deux organes d’articulation pour la fabrication d’une biellette push-pull. Il représente des fibres et ou tissus de fibres orientées parallèlement à l’axe longitudinal du mandrin et comportant une portion enroulée perpendiculaire à l’axe longitudinal du mandrin au niveau des extrémités (1’) dudit mandrin.
La est une représentation schématique de l’enroulement de la strate de compression de tissus de fibres autour du mandrin.
La est une représentation schématique du compactage des strates de fibres et/ou tissus de fibres par un ruban de compactage.
La est une photo de face d’une biellette push-pull selon l’invention et d’une biellette acier de série.
La est une représentation schématique de l’enroulement de la strate de compression de fibres et/ou de tissus de fibres de carbone autour de deux mandrins et de trois organes d’articulation pour la fabrication d’un triangle de suspension.
La est une représentation schématique de l’enroulement de la strate de tension de fibres et/ou de tissus de fibres autour des mandrins et de trois organes d’articulation pour la fabrication d’un triangle de suspension. Il représente des fibres orientées parallèlement à l’axe longitudinal des mandrins et comportant une portion enroulée perpendiculaire à l’axe longitudinal des mandrins au niveau des extrémités (1’) desdits mandrins.
Remarques sur les modes de réalisation :
Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec plusieurs modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
L’usage du verbe « comporter », « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n’exclut pas la présence d’autres éléments ou d’autres étapes que ceux énoncés dans une revendication.
Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.
Exemples :
Exemple 1 : Fabrication d’une biellette de suspension arrière de 3 éléments : 1 mandrin central et 2 calottes de rotules avec trois strates de fibres et de tissus de fibres .
Le mandrin est usiné dans un matériau à la fois léger, rigide et résistant à la compression. Il est utilisé du balsa, un bois répondant à ces critères. Sa forme représente un cylindre à section évolutive : rayon maximal au centre où les contraintes induites seront maximales dans la pièce finale et réduit aux extrémités.
Les calottes en matériaux composites sont des calottes Iglidur® W300.
Les 3 éléments sont disposés sur un marbre sur lequel on installe 2 axes verticaux filetés dont l’écartement est égal à l’entraxe de la pièce finie. Chaque calotte prend place sur un axe à l’aide d’écrous et de rondelles dont le diamètre est supérieur à l’alésage interne des calottes. Le mandrin en balsa est collé aux calottes par ses extrémités. L’adhésif utilisé (type cyanoacrylate) permet un collage faible dont le but est la solidarisation des 3 éléments pendant la fabrication, il devra être rompu facilement pour libérer les calottes à la fin du processus de fabrication.
- Une strate intérieure de compression de tissu de fibres de carbone orienté à +45°/-45° est drapée autour du mandrin. On enroule ensuite une strate de tension de fibre de carbone unidirectionnelle longitudinalement entre les 2 calottes et on termine par une mise en tension par enroulement à 90° au niveau des extrémités affinées du mandrin (brides). Une strate extérieure de compression de tissu de fibres de carbone orientées à +45°/-45° est drapée autour de la strate de tension.
- La résine utilisée est de type époxy haut module (3200 MPa, résistance à la traction 85 MPa) dans une proportion de 43% de la masse des fibres (soit 30% de la masse totale). L’imprégnation des fibres est faite au moment de l’enroulement par contact.
- Les caractéristiques du tissu de fibres de carbone en bi-biais (angle de croisement, rapport d’épaisseur aux fibres 0°) sont choisies en fonction du cahier des charges de la pièce finale. Dans ce mode de réalisation, le bi-biais est de +45°/-45°.
- On effectue un compactage complémentaire des fibres et tissus de fibres par l’enroulement sous tension d’une bande non-adhérente, par exemple vinyle ou polyamide.
- La pièce polymérise sur son marbre. Le démoulage consiste à déposer les écrous, les rondelles et les axes, et à dérouler le cas échéant la bande de compactage.
- Les calottes seront libérées lors de la mise en service par une simple rotation manuelle ou mécanique des calottes.
Exemple 2 : Fabrication d’une biellette de suspension arrière de 3 éléments : 1 mandrin central et 2 calottes de rotules avec trois strates de fibres
On procède de la même façon que dans l’exemple 1 avec l’utilisation de strates de fibres unidirectionnelles. Plutôt que d’utiliser un tissu de fibres pour les strates de compression, la totalité des strates de compression et de tension est constituée de fibres unidirectionnelles déposées en enroulement filamentaire avec orientations entre +5° et +45° dans un sens puis de -5° à -45° dans l’autre pour la strate intérieure de compression, suivi de l’enroulement longitudinal 0° comme dans l’exemple 1 pour la strate de tension et à nouveau enroulement filamentaire avec orientations inverses pour la strate extérieure de compression. On procède de la même manière que dans l’exemple 1 pour l’application de la résine et pour finaliser la fabrication de la biellette de suspension.
Exemple 3 : Fabrication d’un triangle de suspension comprenant deux mandrins et trois calottes de rotules
Pour la fabrication d'un triangle, le principe est le même que celui décrit dans l’exemple 1 ou 2 pour une biellette de suspension :
- on utilise deux mandrins et trois calottes de rotules,
- les axes des rotules peuvent être dans le même plan ou pas (comme présenté dans les figures 7 et 8, l'axe d'une rotule est à 90° par rapport aux autres rotules),
- l'enroulement des fibres ou tissus de fibres suit le même principe : on part d'une calotte, on passe autour de la seconde puis de la troisième.
Exemple 4 : Ajout d’une strate de protection
Après la strate extérieure de compression, on enroule un tissu bi axial +45°/-45° composé à 50% de fibres d’aramide et à 50% de fibres de carbone. On procède au compactage selon le même principe que les exemples précédents.
Exemple 5 : Tests et comparaison d’une biellette selon l’invention avec une biellette de série
La biellette de série étudiée provient d’une suspension de train arrière dite « multi-bras ». Elle est constituée d’un tube acier muni de cylindres mécano-soudés aux extrémités pour recevoir les silentblocs de couplage au reste du véhicule. Son poids complet est de 850 grammes (hors visserie) pour une longueur de 450 mm.
Résultat des tests de la biellette de série sur le banc d’épreuve :
- Traction : déformation très rapide des logements de silentblocs dès que ceux-ci sont comprimés au maximum, la mesure est stoppée à 10 000 N.
- Compression : flambage du corps de biellette à partir de 25 000 N.
Allègement obtenu pour la biellette selon l’invention, obtenu selon l’exemple 2, comparée à la biellette de série (pesée hors visserie) :
- Biellette de série montée d’origine sur le véhicule : 850g
- Biellette selon invention (exemple 2) : 120g
- Soit 86% d’allègement (facteur 7).
Résultat des tests de la biellette selon l’invention sur le banc d’épreuve :
- Traction : la mesure est stoppée à 10 000 N alors qu’aucune déformation n’est constatée (performance au moins égale à la biellette de série acier).
- Compression : la mesure est stoppée à 25 000 N alors qu’aucune déformation n’est constatée (performance au moins égale à la biellette de série acier).
L’objectif est de déterminer si le processus de fabrication selon l’invention est capable de produire des éléments de suspensions utilisables en conditions réelles, de manière fiable (risque de rupture des matériaux) et sans effets indésirables (bruits, vibrations).
Pour ces tests in-situ, il a été choisi un véhicule de test Subaru Forester. Les tests sont orientés sur la suspension arrière :
- Un côté reste d’origine, en acier, comme témoin.
- L’autre côté est équipé des biellettes composites selon l’invention.
- Réglage de la géométrie des trains roulants avant les tests.
- Essai dans diverses conditions de conduite sur circuit fermé.
- Contrôle de la géométrie des trains roulants après les essais.
Résultats
Après une série de tests composée de 7 sessions de 5 à 8 tours chacune sur circuit fermé, il n’est noté aucun comportement anormal des nouvelles pièces de suspension selon l’invention.
Les bruits et vibrations sont bien absorbés par le montage élastique d’origine du berceau de suspension.
Le contrôle de la géométrie après les essais démontre qu’il n’y a pas eu de déformation réellement mesurable, les écarts avant/après restant dans les tolérances habituelles pour le matériel de mesure utilisé (Provac 3D). On remarque un léger décalage global qui est attribué au berceau de suspension arrière monté sur silentblocs donc légèrement mobile.
Mesure Valeur avant tests Valeur après tests Valeur constructeur
Carrossage ARG* -0° 52’ -0° 56’ -0°55’ ± 0°45’
Carrossage ARD* -1° 12’ -1° 09’ -0°55’ ± 0°45’
Ecart de carrossage* 0°20’ 0°13’
Parallélisme ARG 0°07’ 0°08’ 0°05’ ± 0°07’30’’
Parallélisme ARD 0°07’ 0°04’ 0°05’ ± 0°07’30’’
Parallélisme total 0°14’ 0°12’
Angle de poussée 0°00’ 0°01’ 0° ± 0°30’
* Non réglable
Une nouvelle série de tests a été effectuée avec l’ensemble des biellettes de suspension arrière remplacées par les biellettes selon l’invention (exemple 2), les résultats sont les suivant :
- Il n’est pas noté d’augmentation sensible des bruits et vibrations, grâce au filtrage dû aux silentblocs du berceau arrière.
- La précision de conduite se trouve nettement améliorée, notamment lors des appuis en virages. La stabilité du train arrière au freinage est également améliorée.
- Les sensations ressenties par le pilote sont très positives, le train arrière ayant une bien meilleure réponse dynamique aux sollicitations du pilote.
- En comparaison avec des biellettes acier équipées de rotules type « Unibal » (beaucoup plus lourdes), il est noté une sensation et une précision de conduite similaires. Les bruits et vibrations sont nettement mieux filtrées avec les biellettes selon l’invention.

Claims (14)

  1. Procédé de fabrication d’un élément mobile de véhicule en matériau composite, comprenant les étapes suivantes :
    1- on fournit au moins un mandrin (1) présentant un axe longitudinal et comprenant deux extrémités (1’) et au moins un organe d’articulation (2) qui est solidarisé à l’une des extrémités du mandrin,
    2- on dispose successivement au moins deux strates de fibres et/ou de tissus de fibres avec une résine autour d’au moins un mandrin (1) et d’au moins un organe d’articulation (2), les au moins deux strates comportant une strate de tension comprenant des fibres et/ou tissus de fibres orientées parallèlement à l’axe longitudinal du mandrin, et comportant une portion enroulée perpendiculairement à l’axe longitudinal du mandrin au niveau des extrémités (1’) dudit mandrin et une strate extérieure de compression comprenant deux séries de fibres et/ou de tissus de fibres respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45°par rapport à l’axe longitudinal du mandrin;
    3- on effectue un compactage des au moins deux strates de fibres et/ou tissus de fibres et résine par un moyen de compactage autour desdites au moins deux strates de l’élément mobile obtenu, et
    4- on démoule l’élément mobile par dépose du moyen de compactage.
  2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on dispose successivement au moins trois strates de fibres et/ou de tissus de fibres en disposant une strate intérieure de compression autour du mandrin avant de disposer la strate de tension et la strate extérieure de compression, la strate intérieure de compression comprenant deux séries de fibres et/ou tissus de fibres respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45°par rapport à l’axe longitudinal du mandrin.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que on dispose une strate supplémentaire de protection à l’extérieur des au moins deux strates de fibres et/ou de tissus de fibres.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’au moins un mandrin (1) et l’au moins un organe d’articulation (2) sont réalisés dans un ou plusieurs matériaux choisis parmi les polymères naturels ou synthétiques.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les strates de fibres et/ou de tissus de fibres comportent des fibres choisies parmi les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres végétales, les fibres d’aramide et les fibres métalliques.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l’au moins un mandrin (1) est réalisé en balsa et l’au moins un organe d’articulation (2) est réalisé dans une matière plastique.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la strate intérieure et/ou extérieure de compression autour d’au moins un mandrin et au moins un organe d’articulation est constituée d’un tissu de fibres de carbone orientées en bi-biais à +45°/-45° avec une résine.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l’au moins une strate intérieure et/ou extérieure de compression autour d’au moins un mandrin est constituée de fibres de carbone orientées entre +5° et +45°/ -5° et -45° avec une résine.
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que on fournit au moins un mandrin (1) présentant un axe longitudinal et comprenant deux extrémités (1’) ayant une dimension radiale inférieure à celle d’une partie centrale du mandrin.
  10. Élément mobile de véhicule en matériau composite comprenant :
    1 - au moins un mandrin (1) présentant un axe longitudinal et comprenant deux extrémités et au moins un organe d’articulation,
    2 - au moins deux strates de fibres et/ou tissus de fibres avec une résine autour du mandrin (1) et au moins un organe d’articulation, les au moins deux strates comportant une strate de tension comprenant des fibres et/ou tissus de fibres orientées parallèlement à l’axe longitudinal du mandrin, et comportant une portion enroulée perpendiculairement à l’axe longitudinal du mandrin au niveau des extrémités (1’) dudit mandrin et une strate extérieure de compression comprenant deux séries de fibres respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45°par rapport à l’axe longitudinal du mandrin.
  11. Élément mobile de véhicule en matériau composite selon la revendication 10 comprenant une strate intérieure de compression autour du mandrin avant la strate de tension et la strate extérieure de compression, la strate intérieure de compression comprenant deux séries de fibres respectivement orientées d’un angle compris entre +5° et +45° par rapport à l’axe longitudinal du mandrin et d’un angle compris entre -5° et -45°par rapport à l’axe longitudinal du mandrin.
  12. Élément mobile selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu’il est une biellette push-pull comprenant un mandrin et un ou deux organes d’articulation.
  13. Élément mobile selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce qu’il est un triangle de suspension comprenant deux mandrins et trois organes d’articulation.
  14. Utilisation de l’élément mobile de véhicule selon les revendications 10 à 13 pour la transmission de mouvements et le maintien d’éléments de géométrie dans ledit véhicule.
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