WO2011161370A1 - Dispositif et procédé d'assemblage de deux éléments coques en matériau composite - Google Patents

Dispositif et procédé d'assemblage de deux éléments coques en matériau composite Download PDF

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WO2011161370A1
WO2011161370A1 PCT/FR2011/051422 FR2011051422W WO2011161370A1 WO 2011161370 A1 WO2011161370 A1 WO 2011161370A1 FR 2011051422 W FR2011051422 W FR 2011051422W WO 2011161370 A1 WO2011161370 A1 WO 2011161370A1
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axis
assembly
shell
elements
receptacles
Prior art date
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PCT/FR2011/051422
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Inventor
Guy Mauran
Frédéric Vinches
Jean-Pierre Couffignal
Original Assignee
Airbus Operations (S.A.S)
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    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B7/00—Connections of rods or tubes, e.g. of non-circular section, mutually, including resilient connections
    • F16B7/04—Clamping or clipping connections
    • F16B7/0433—Clamping or clipping connections for rods or tubes being in parallel relationship
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/0004—Joining sheets, plates or panels in abutting relationship
    • F16B5/0084—Joining sheets, plates or panels in abutting relationship characterised by particular locking means
    • F16B5/0092—Joining sheets, plates or panels in abutting relationship characterised by particular locking means with locking means rotating about an axis parallel to the main plane and perpendicular to the abutting edge, e.g. screw, bayonet
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    • F16B19/00—Bolts without screw-thread; Pins, including deformable elements; Rivets
    • F16B19/02—Bolts or sleeves for positioning of machine parts, e.g. notched taper pins, fitting pins, sleeves, eccentric positioning rings
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    • F16B5/0004—Joining sheets, plates or panels in abutting relationship
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    • Y10T403/55—Member ends joined by inserted section
    • Y10T403/556—Section threaded to member

Definitions

  • the invention belongs to the field of devices and methods of assembly. More particularly, the invention relates to the assembly of two shell elements juxtaposed according to an assembly interface substantially perpendicular to said shell. It finds its application whenever such structures are subjected to a large load perpendicular and / or tangential to the assembly interface and more particularly when the two hull elements to be assembled are made of a composite material.
  • shell element means a relatively thin structural part with respect to its other dimensions, extended in two curvilinear directions whose shape may vary from the flat panel to the ellipsoid portion or even to more complex shapes with double evolutionary curvature.
  • they may be aircraft fuselage or wing elements, hulls of ships or tanks.
  • the assembly concerned by the invention can notably lead to the creation of a structure delimiting a completely closed volume, one of the objectives of the invention being in particular the possibility of assembling such structures having access only to one side of said volume during the joining operation.
  • the invention is more particularly adapted to the assembly of large structures.
  • FIG. 1 the assembly of two shell elements
  • the assembly (1 1, 12) juxtaposed is formed by an intermediate piece such as a shell (13) or a splice.
  • the said ferrule extends perpendicularly and on either side of the assembly plane (10).
  • the two shell elements are supported on the shell perpendicularly to the assembly plane and are fixed thereto by means of fasteners (21, 22) extending perpendicularly to the contact surfaces between the ferrule and said shell elements. If the assembly is subjected to a tensile stress or compression whose direction is perpendicular to the assembly plane, the effort flow corresponding to this solicitation flows from one element to another through the ferrule.
  • the parts are pre-assembled and the holes for receiving the fasteners are drilled simultaneously through the pre-assembled parts.
  • This mode of operation essential to the maintenance of the assembly, however is very penalizing in terms of time. It requires most of the time to have access on both sides of the shell elements to perform the holes and put the fixings.
  • the thickness of the elements must be greatly increased in the vicinity of the assembly plane. Indeed this type of material has a poor resistance to matting.
  • this type of material has a poor resistance to matting.
  • the assembly of elements thus reinforced spreads the passage of the force flow from the neutral axis of the shell elements, so that the combination of this effect with the end stiffness of the assembled elements gives rise to bending stresses in the structure resulting from the assembly.
  • the invention aims to solve the disadvantages of this prior art by proposing a device and an assembly method adapted to the assembly of two composite hull elements capable of transmitting a force flow without generating unwanted stresses in the structure.
  • FIG. 2 in particular the European patent, is known from the prior art.
  • the short centering length of the axis in the metal part makes this arrangement insensitive to slight misalignment between the bores of the two shell elements facing each other.
  • the shape of the metal-side interface allows the pre-assembled elements to be pierced by the metal side.
  • the fallen edge of the prior art can not be reproduced without a very significant drop in the mechanical characteristics of this end which would then work in unfolding with respect to stresses perpendicular to the assembly plane.
  • This mode of solicitation is indeed particularly unfavorable for composite materials. Even if such a shape was made of composite, the design constraints on the mechanical strength of the latter would separate the traction axes of the neutral axis of the shell element and give rise to parasitic moments.
  • the invention proposes a device for assembling two structural elements made of a composite material comprising:
  • At least one of the cylindrical receptacles comprises means able to install and maintain an axial tension therein when it is mounted in a bore.
  • the shell element is locally compressed according to its thickness. This compression limits the risk of delamination of said element both under the effect of the force flow through the interface when the assembled part is in use, but also during the assembly operation, at the time of the docking and clamping of the assembled elements, particularly if the traction shafts are interfered with in their bore.
  • the traction axis comprises two threaded ends separated by a smooth part of greater diameter, able to fit into the bore.
  • the threaded portion, of smaller diameter is not likely to create scratches in the bores.
  • Interference assembly consists in introducing into a bore a male piece of diameter greater than this one. This produces a tight fitting without play.
  • an adjustment tolerance between a male part and a female part can be materialized by a greater or lesser value of interference and allow the compensation of misalignments within this tolerance of interference rather than through a game.
  • the device of the invention comprises a sleeve centered on the smooth part of the traction axis.
  • the sleeve in question consists of a deformable material according to its thickness, advantageously it consists of a metal material. It acts as a martyr piece between the drive shaft and the bore and thus compensates for misalignment and adjustment deviations through its deformation, providing a wider tolerance range for interference mounting.
  • the compressive plastic flow stress before mounting the material constituting the sleeve is significantly lower than the static limit of resistance to the matting of the composite material constituting the structural element.
  • the device which is the subject of the invention thus provides an enlarged adjustment tolerance range, while ensuring a play-free assembly, thus making it possible to mount a mechano type without assembly play, ie a mounting where the all bores are drilled in the unassembled elements.
  • the invention also relates to a method for the structural assembly of two composite shell elements juxtaposed according to an assembly interface perpendicular to the shell, comprising the steps of: - Drill individually each shell element of a bore perpendicular to the shell and adapted to receive the receptacle of a device according to the invention;
  • the method which is the subject of the invention further comprises a step of introducing a sheath into the receiving shell element before the docking step, which makes it possible, on the one hand, to avoid damaging said receiving member during docking, but also allows for mechanical mounting, the small alignment and adjustment deviations being absorbed by the interference tolerance of the axis in the sheath.
  • FIGS. 1 to 5 The invention will now be more specifically described in the context of preferred embodiments, in no way limiting, represented in FIGS. 1 to 5 in which:
  • FIG. 1 relating to the prior art shows a schematic sectional view of two hull elements juxtaposed, assembled by through a ferrule
  • FIG. 2 is a sectional view of an assembly by traction axes of a composite shell element and a metal shell element according to the prior art
  • FIG. 3 shows in perspective and in top view of the device object of the invention
  • FIG. 4 is an exploded view of the parts constituting an exemplary device according to the invention.
  • FIG. 5 shows two receptacles seen from the front
  • FIG. 6 illustrates in the form of a block diagram in plan view of the method of assembling two composite shell elements according to an example embodiment of the invention.
  • the inventive device comprises two cylindrical receptacles (31, 32) shouldered each pierced with a light (310, 320) along an axis perpendicular to the axis of the cylinder.
  • An axis (40) is housed in these lights.
  • Said axis comprises two ends (41, 42) of smaller diameter and at least partially threaded. Between the two threaded ends, a smooth portion (43) of greater diameter and machined accurately is able to be centered in the bores of the receiving element.
  • the axis (40) is made of a metal material adapted to the intended use: steel, preferably stainless type F16PH, titanium alloy or INCONEL® type nickel-based alloy. It can advantageously be the subject of heat treatments in order to increase the surface hardness.
  • the two threaded ends receive nuts (51 and 52).
  • said nuts are supported on the inner faces of the receptacles (31, 32) via a cylindrical face washer (510, 520).
  • the nut placed on the receiving side (51) comprises a spherical bearing face (51 1) bearing on a complementary shaped face (512) of the support washer.
  • the nut (52) is supported on the washer (520) by means of a washer of charge (521).
  • the axis comprises a form of maneuver (410, 420) adapted to receive a key so as to immobilize the axis in rotation when screwing the nuts on the ends.
  • the nuts (51, 52) are used to energize the pin (40) and thereby clamp the assembly interface.
  • the nut (51) on the side opposite the receiver may be a barrel nut
  • the means for tensioning the pin may be constituted by an eccentric intermediate support piece pivoting along the axis of the barrel. one of the receptacles and guided on the inner face of said receptacle.
  • a flat (44) is formed on the opposite side on the smooth part of the axis.
  • the light (320) of the receptacle (32) corresponding comprises a plate (324) so that the passage diameter of said light remains greater than the diameter of the corresponding threaded end (42) of the axis.
  • a sleeve (60), comprising a shoulder (61), is adapted to be centered on the smooth portion (43) of the axis.
  • This sheath is made, according to the technical field of application of the device, bronze, a titanium alloy or a stainless steel. Alternatively, it may consist of a polymer chosen from the family of polyamides or fluorocarbon polymers.
  • the adjustment of the sleeve on the smooth part will also be chosen according to the application, depending on whether the function of said sleeve is essentially the protection of the bore with respect to the friction during the introduction of the axes into the receiver, the ability to absorb misalignments in tolerance interference or both.
  • the sleeve is centered in the bore and enters the light (310) of the receptacle (31) on the receiver side.
  • the receptacles comprise a threaded portion at the opposite end of their shoulder (325, 315).
  • This threaded portion receives nuts (71, 72) preferably locknuts braked by a foldable tongue washer (not shown).
  • the tightening of these nuts makes it possible to install a compressive stress along the axis of the receptacle in the material receiving it and thus to reduce the risk of delamination of the latter.
  • the bottom of the receptacles on the shoulder side (325, 315) is closed.
  • These consist of a metallic material, preferably resistant to corrosion because they are likely to retain the fluids.
  • they may be made of a titanium alloy or a stainless steel.
  • the invention also relates to an assembly method implementing one or more devices according to the invention.
  • This method is particularly suitable for assembling two shell elements (14, 15) made of a composite material with fiber reinforcement in the form of continuous fibers, juxtaposed according to an interface plane (10).
  • each of the two elements is bored individually to the final diameter, parallel perpendicularly to the interface plane, bores adapted to receive the traction axes (40) and / or the sleeves (60).
  • This drilling can be achieved by portable means referenced by means of drilling grids or on a machining center, according to the dimensions and shapes of the structural element. Depending on the desired precision and the dimensions of said element, this drilling may be performed after a precise measurement of the interface of each shell element and the registration of the position of the bores as a function of this measurement, or at the stage of the elementary part.
  • transverse holes parallel to the assembly plane (10) and accommodating the receptacles (31, 32) are drilled at the same stage. They can, however, be drilled at the stage of the elementary play if this is easier.
  • the receptacles (31, 32) are then screwed onto each of the two shell elements (14, 15), a false axis, passed into the receptacle light (320, 3 10) being used to immobilize it in rotation during this tightening.
  • the mounting of the receptacles in their respective bores is said to be wet, that is to say that a layer of interposing mastic is placed between the bore and the receptacle.
  • the traction axes (40) are then installed on one of the hull elements.
  • the axis is slid into the bore of this element (14) until it passes through the receptacle lumen (32), the cylindrical bearing washer (520) and the pre-load washer (521). .
  • the nut (52) is then screwed onto the end (42) of the axis by immobilizing it in rotation by means of a key inserted in the form of maneuver (420) made on the other end .
  • the sleeves (60) are introduced into the bores of the receiving element (15).
  • the traction axes are pushed to the bottom of the receptacles (32) of the first element.
  • the cylindrical bearing washer (510) and the spherical bearing nut (51) are installed on the end (41) of the traction axle (40) on the receiving member side, the axis being always pushed to the bottom of the receptacle (32) on the opposite side.
  • the contact between the flat (44) and the plate (324) of the light of the receptacle (32) immobilizes the axis (40) in rotation which allows the screwing of the nut (51) on the receiver side.
  • the receiver side nut is tightened, which causes the smooth portion (43) of the traction axis to penetrate into the sleeve (60).
  • the spherical bearing (51 1) of the nut (51) on the receiving side makes it possible to achieve this tightening without damaging the inner face of the receptacle (31) even if the axis is not perfectly oriented along a radius of the cylindrical receptacle (31). Clamping is thus achieved step by step and alternately starting preferentially from the center of the junction to the outside.
  • the receptacles can then, if necessary, be closed by caps (not shown).
  • the assembly is waterproof but can also be inspected easily by opening said caps and accessing only one side of the assembly.

Abstract

L'invention appartient au domaine des dispositifs et procédés d'assemblage. Plus particulièrement, l'invention concerne l'assemblage de deux éléments coques juxtaposés selon une interface d'assemblage sensiblement perpendiculaire à la coque lorsque les deux éléments coques à assembler sont constitués d'un matériau composite. A cette fin l'invention propose un dispositif pour l'assemblage de deux éléments structuraux constitués d'un matériau composite comprenant: - deux réceptacles cylindriques épaulés (31, 32) percés chacun d'une lumière (310, 320) perpendiculairement à l'axe du cylindre; - un axe (40) apte à être introduit dans lesdites lumières; - des moyens d'appui (51, 52, 510, 520) sur les surfaces internes des réceptacles cylindriques aptes à maintenir une tension dans l'axe (40) lorsque celui-ci traverse les lumières des deux réceptacles; - des moyens (51, 52, 521 ) de mise en tension de l'axe.

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ D'ASSEMBLAGE DE DEUX ÉLÉMENTS COQUES EN MATÉRIAU COMPOSITE
L'invention appartient au domaine des dispositifs et procédés d'assemblage. Plus particulièrement, l'invention concerne l'assemblage de deux éléments coques juxtaposés selon une interface d'assemblage sensiblement perpendiculaire à ladite coque. Elle trouve son application chaque fois que de telles structures sont soumises à un chargement important perpendiculairement et/ou tangentiellennent à l'interface d'assemblage et plus particulièrement lorsque les deux éléments coques à assembler sont constitués d'un matériau composite.
On entend par élément coque une pièce structurale relativement mince en regard de ses autres dimensions, étendue selon deux directions curvilignes dont la forme peut varier du panneau plan à la portion d'ellipsoïde ou encore à des formes plus complexes à double courbure évolutive. A titre d'exemple, il peut s'agir d'éléments de fuselage ou de voilure d'aéronef, de coques de navires ou de citernes. L'assemblage concerné par l'invention peut notamment conduire à la création d'une structure délimitant un volume entièrement fermé, un des objectifs de l'invention étant notamment la possibilité d'assemblage de telles structures ne disposant d'un accès que d'un côté dudit volume lors de l'opération de jonction. L'invention est plus particulièrement adaptée à l'assemblage de structures de grandes dimensions.
Selon l'art antérieur, figure 1 , l'assemblage de deux éléments coques
(1 1 ,12) juxtaposés est réalisé par une pièce intermédiaire telle qu'une virole (13) ou une éclisse. La dite virole s'étend perpendiculairement et de part et d'autre du plan d'assemblage (10). Les deux éléments coques prennent appui sur la virole perpendiculairement au plan d'assemblage et sont fixés à celle-ci par l'intermédiaire de fixations (21 , 22) s'étendant perpendiculairement aux surfaces de contact entre la virole et lesdits éléments coques. Si l'assemblage est soumis à une sollicitation de traction ou de compression dont la direction est perpendiculaire au plan d'assemblage, le flux d'effort correspondant à cette sollicitation s'écoule d'un élément à l'autre en passant par la virole. Ainsi ce flux d'effort s'écoule d'un premier élément coque (1 1 ) vers les fixations (21 ), sollicitant celles-ci en cisaillement et en matage, puis des fixations (21 ) à la virole (13) et de la virole vers le second élément coque (12) en passant à nouveau par les fixations (22). Pour que ce flux d'effort puisse s'écouler sans risque d'endommagement des structures d'interface, particulièrement si les sollicitations sont cycliques, les surfaces de contact (101 , 102) entre la virole et les éléments coques doivent être parfaitement ajustées à la fois en forme et en périmètre, les fixations doivent être montées sans jeu dans leurs logements. Ces conditions sont complexes à respecter dans le cas de pièces de grandes dimensions. Elles impliquent notamment des tolérances de forme très serrées sur les pièces en présence et le montage contre-percé des fixations. C'est à dire que les pièces sont pré-assemblées et que le perçage des trous destinés à recevoir les fixations est réalisé simultanément à travers les pièces maintenues pré-assemblées. Ce mode opératoire, indispensable à la tenue de l'assemblage, est cependant très pénalisant en termes de temps. Il nécessite le plus souvent d'avoir accès de part et d'autre des éléments coque pour effectuer les perçages et poser les fixations.
Dans le cas où les éléments à assembler sont constitués de matériaux composites, tel qu'un stratifié de couches de fibres continues dans une résine, l'épaisseur des éléments doit être largement augmentée au voisinage du plan d'assemblage. En effet ce type de matériau ne présente qu'une résistance médiocre au matage. Par suite, lorsque le flux d'effort passant par l'assemblage est élevé, ils nécessite l'utilisation de fixations de plus gros diamètre, donc plus espacées et prises sur une plus grande longueur ainsi que la pose de plus nombreuses fixations en comparaison de l'assemblage de deux éléments coques métalliques. Ce renforcement local des éléments coques les rigidifient considérablement de sorte qu'ils sont d'autant plus difficiles à adapter en forme et en périmètre. Par ailleurs, l'assemblage d'éléments ainsi renforcés écarte le passage du flux d'effort de l'axe neutre des éléments coques, de sorte que la combinaison de cet effet avec la rigidité d'extrémité des éléments assemblés donne naissance à des sollicitations parasites en flexion dans la structure résultant de l'assemblage.
Le même raisonnement peut être réalisé en ce qui concerne les flux de cisaillement, c'est à dire des sollicitations qui agissement parallèlement au plan d'assemblage.
L'invention vise à résoudre les inconvénients de cet art antérieur en proposant un dispositif et un procédé d'assemblage adaptés à l'assemblage de deux éléments coques composites aptes à transmettre un flux d'effort sans générer de sollicitations parasites dans la structure.
On connaît de l'art antérieur, Figure 2, notamment du brevet européen
EP1234984 et de la demande US200320501 1 tous deux au nom de la demanderesse, un dispositif d'assemblage entre un élément coque composite (13) et un élément coque métallique (14) assemblés par des surfaces parallèles au plan d'assemblage au moyen d'axes de traction (23) disposés perpendiculairement à ce plan d'assemblage. Un tel assemblage permet de connecter deux éléments coques sans l'intermédiaire d'une virole. Toutefois ce dispositif n'est pas transposable au cas de l'assemblage de deux éléments coques composites. En effet, dans ce cas, les axes de traction doivent être parfaitement ajustés dans leurs logements et sur une grande longueur, de manière à transmettre les flux de cisaillement d'un élément à l'autre sans risque de dégradation de leur logement par matage. On considère qu'un tel axe est ajusté sur une grande longueur lorsque sa longueur de centrage dans la pièce est supérieure à son diamètre, en général égale à 2 fois son diamètre. Dans le cas de cet art antérieur, cette grande longueur d'implantation de l'axe n'est présente que du côté composite. Côté métallique, la résistance au matage du matériau constituant l'élément coque est très supérieure de sorte que l'axe n'est centré que sur une distance réduite, inférieure ou égale à son diamètre. Ainsi les axes peuvent être pré-positionnés du côté de l'élément constitué d'un matériau composite avant l'accostage des deux éléments, puis introduits dans l'élément métallique (14) et tirés à travers celui-ci de sorte à rapprocher les deux éléments coques, jusqu'au contact de leurs faces d'assemblage (1 13, 1 14).
La faible longueur de centrage de l'axe dans la partie métallique rend ce montage peu sensible aux légers défauts d'alignement entre les alésages des deux éléments coques en vis à vis.
Si une précision d'alignement supérieure est requise, la forme de l'interface côté métallique, avec son bord tombé (141 ), permet de contre-percer les éléments pré-assemblés par le côté métallique. Or, dans le cas d'un élément coque constitué d'un matériau composite, le bord tombé de l'art antérieur ne peut pas être reproduit sans une chute très importante des caractéristiques mécaniques de cette extrémité qui travaillerait alors en dépliage vis à vis des sollicitations perpendiculaires au plan d'assemblage. Ce mode de sollicitation est en effet particulièrement défavorable pour les matériaux composites. Même si une telle forme était réalisée en composite, les contraintes de conception sur la tenue mécanique de celle-ci écarteraient les axes de traction de l'axe neutre de l'élément coque et donneraient naissance à des moments parasites. Si les flux d'effort à passer à travers l'interface sont tels que les conditions de résistance au matage imposent une longueur de contact entre l'axe de traction et l'alésage importante, il est nécessaire de disposer d'une tolérance d'ajustement entre le diamètre de l'axe et le diamètre de l'alésage, apte à absorber les légers défauts d'alignement entre les alésages en vis à vis des deux éléments coques. Or, ce type de montage, apte à transmettre des efforts cycliques élevés, doit être réalisé sans jeu, et ne dispose donc pas de cette tolérance d'ajustement apte à absorber lesdits défauts d'alignement. Le montage ne peut alors être réalisé compte tenu de l'impossibilité de contre perçage.
Pour résoudre ces insuffisances de l'art antérieur l'invention propose un dispositif pour l'assemblage de deux éléments structuraux constitués d'un matériau composite comprenant:
- deux réceptacles cylindriques épaulés percés chacun d'une lumière perpendiculairement à l'axe du cylindre;
- un axe apte à être introduit dans lesdites lumières ; - des moyens d'appui sur les surfaces internes des réceptacles cylindriques aptes à maintenir une tension dans l'axe lorsque celui-ci traverse les lumières des deux réceptacles ;
- des moyens de mise en tension de l'axe.
Ainsi il est possible d'assembler deux éléments coques composites sans réaliser une forme à bords tombés à l'extrémité d'un de ces éléments, les axes de traction venant se loger de chaque côté dans des réceptacles placés dans les alésages. Cette configuration permet de rapprocher les axes de traction de l'axe neutre de l'élément coque, sensiblement au centre de l'épaisseur de celui-ci, de sorte à éviter la création de moments parasites lors de la sollicitation de l'interface.
Avantageusement, au moins un des réceptacles cylindriques comprend des moyens aptes à installer et maintenir une tension axiale dans celui-ci lorsqu'il est monté dans un alésage. En installant une tension dans le réceptacle on comprime localement l'élément coque selon son épaisseur. Cette compression limite les risques de délaminage dudit élément à la fois sous l'effet du flux d'effort traversant l'interface lorsque la pièce ainsi assemblée est en service, mais aussi lors de l'opération d'assemblage, au moment de l'accostage et du serrage des éléments assemblés, particulièrement si les axes de traction sont ajustés en interférence dans leur alésage.
Afin d'éviter de détériorer les alésages recevant les axes de traction lors de l'introduction desdits axes dans ceux-ci, l'axe de traction comprend deux extrémités filetées séparées par une partie lisse de diamètre supérieur, apte à s'ajuster dans l'alésage. Ainsi la partie filetée, de diamètre inférieur, n'est pas susceptible de créer des rayures dans les alésages.
Lorsque l'assemblage est réalisé par une pluralité de dispositifs selon l'invention, il est avantageux d'absorber l'hyperstatisme et les légers écarts de positionnement et d'orientation des alésages entre les deux éléments par un montage en interférence. Les légers défauts d'alignement ou d'orientation entre les axes de traction est les alésages dans les éléments structuraux sont absorbés dans la tolérance d'interférence de montage. L'interférence de montage consiste à introduire dans un alésage une pièce mâle de diamètre supérieur à celui-ci. Cela produit un montage serré sans jeu. Ainsi, une tolérance d'ajustement entre une pièce mâle et une pièce femelle peut se matérialiser par une valeur plus ou moins forte d'interférence et permettre la compensation des défauts d'alignements dans cette tolérance d'interférence plutôt qu'au travers d'un jeu.
Toutefois, les matériaux composites, particulièrement lorsqu'ils sont renforcés par des fibres continues ne présentent qu'une faible aptitude au montage en interférence car ils présentent une limite élastique très élevée et une aptitude à la déformation plastique quasi inexistante. Pour résoudre ce problème technique, le dispositif objet de l'invention comprend un fourreau centré sur la partie lisse de l'axe de traction. Le fourreau en question est constitué d'une matière déformable selon son épaisseur, avantageusement il est constitué d'un matériau métallique. Il agit comme une pièce martyre entre l'axe de traction et l'alésage et permet ainsi de compenser les écarts d'alignement et d'ajustement à travers sa déformation, en procurant une plage de tolérance plus large pour un montage en interférence. La contrainte d'écoulement plastique en compression avant montage du matériau constituant le fourreau est nettement inférieure à la pression limite statique de résistance au matage du matériau composite constituant l'élément structural.
Ainsi, il est possible de réaliser des montages en interférence sans dégrader le matériau composite autour du fourreau, la pression de contact du fourreau dans son alésage étant limitée par la contrainte d'écoulement plastique dudit fourreau. Le dispositif objet de l'invention procure ainsi une plage de tolérance d'ajustement élargie, tout en assurant un montage sans jeu, rendant ainsi possible un montage de type mécano sans jeu d'assemblage, c'est à dire un montage où l'ensemble des alésages sont percés dans les éléments non assemblés.
L'invention concerne également un procédé pour l'assemblage structural de deux éléments coques composites juxtaposés selon une interface d'assemblage perpendiculaire à la coque comprenant des étapes consistant à: - percer individuellement chaque élément coque d'un alésage perpendiculaire à la coque et apte à recevoir le réceptacle d'un dispositif selon l'invention ;
- percer individuellement et au diamètre final la face d'assemblage de chaque élément coque d'un alésage apte à recevoir un axe de traction dudit dispositif ;
- installer les réceptacles dans chacun des éléments coques ;
- introduire un axe de traction dans chaque alésage de l'interface d'assemblage d'un des éléments coque ;
- accoster l'autre élément coque, dit récepteur, en faisant pénétrer les axes de traction dans les alésages en vis-à-vis ;
- mettre en appui une extrémité de chaque axe de traction sur la face interne du réceptacle ;
- serrer l'assemblage par les moyens de mise sous tension de chaque axe de traction du dispositif selon l'invention.
Ainsi, si l'ouverture des réceptacles se trouve du même côté sur les deux éléments coques lors de l'assemblage, il n'est pas nécessaire d'avoir accès des deux côtés des éléments coques pour réaliser cet assemblage, ce qui est particulièrement avantageux si lesdits éléments coques, une fois assemblés, délimitent un volume complètement fermé. Avantageusement, le procédé objet de l'invention, comprend en outre une étape d'introduction d'un fourreau dans l'élément coque récepteur avant l'étape d'accostage ce qui permet, d'une part, d'éviter d'endommager ledit élément récepteur lors de l'accostage, mais permet également de réaliser un montage mécano, les petits écarts d'alignement et d'ajustement étant absorbés par la tolérance d'interférence de l'axe dans le fourreau.
L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de modes de réalisation préférés, nullement limitatifs, représentés sur les figures 1 à 5 dans lesquelles :
- la figure 1 relative à l'art antérieur représente une vue schématique en coupe de deux éléments coques juxtaposés, assemblés par l'intermédiaire d'une virole ;
- la figure 2 est une vue en coupe d'un assemblage par des axes de tractions d'un élément coque composite et d'un élément coque métallique selon l'art antérieur ;
- la figure 3 représente en perspective et en vue de dessus du dispositif objet de l'invention ;
- la figure 4 est une vue en éclaté des pièces constituant un exemple de dispositif selon l'invention ;
- la figure 5 représente deux réceptacles vus de face ;
- et la figure 6 illustre sous forme d'un synoptique en vue de dessus le procédé d'assemblage de deux éléments coques composites selon un exemple de réalisation de l'invention.
Figures 3 et 4 selon une mode de réalisation de l'invention, le dispositif inventif comprend deux réceptacles cylindriques (31 , 32) épaulés percés chacun d'une lumière (310, 320) selon un axe perpendiculaire à l'axe du cylindre. Un axe (40) vient se loger dans ces lumières. Ledit axe comprend deux extrémités (41 , 42) de diamètre inférieur et au moins partiellement filetées. Entre les deux extrémités filetées, une partie lisse (43) de diamètre supérieur et usinée avec précision est apte à se centrer dans les alésages de l'élément récepteur. L'axe (40) est constitué d'un matériau métallique adapté à l'usage visé: acier, préférentiellement inoxydable de type F16PH, alliage de titane ou alliage à base de nickel de type INCONEL®. Il peut avantageusement faire l'objet de traitements thermiques dans le but d'en augmenter la dureté superficielle.
Selon ce mode de réalisation, les deux extrémités filetées reçoivent des écrous (51 et 52). Le dispositif installé, lesdits écrous prennent appui sur les faces internes des réceptacles (31 ,32) par l'intermédiaire d'une rondelle à face cylindrique (510, 520). Préférentiellement l'écrou placé côté récepteur (51 ) comprend une face d'appui sphérique (51 1 ) venant en appui sur une face de forme complémentaire (512) de la rondelle d'appui. A l'autre extrémité, l'écrou (52) prend appui sur la rondelle (520) par l'intermédiaire d'une rondelle de pré- charge (521 ). En chacune de ses extrémités (41 , 42) l'axe comprend une forme de manœuvre (410, 420) apte à recevoir une clé de sorte à immobiliser l'axe en rotation lors du vissage des écrous sur les extrémités. Dans cet exemple préféré de réalisation, les écrous (51 , 52) sont utilisés pour mettre l'axe (40) sous tension et ainsi serrer l'interface d'assemblage. L'homme du métier adaptera d'autres moyens d'appui et de serrage en fonction du domaine technique visé par le dispositif objet de l'invention. A titre d'exemple, l'écrou (51 ) du côté opposé au récepteur peut être un écrou à barillet, les moyens destinés à mettre l'axe en tension peuvent être constitués par une pièce d'appui intermédiaire excentrique pivotant selon axe d'un des réceptacles et guidée sur la face interne dudit réceptacle.
Afin de faciliter le vissage de l'écrou (51 ) côté récepteur, un méplat (44) est pratiqué du côté opposé sur la partie lisse de l'axe. Figure 5, la lumière (320) du réceptacle (32) correspondant, comprend un plat (324) de sorte que le diamètre de passage de la dite lumière reste supérieur au diamètre l'extrémité filetée (42) correspondante de l'axe. Ainsi, lorsque le méplat (44) de la partie lisse de l'axe est en contact avec le plat (324) de la lumière du réceptacle (32), l'axe (40) est immobilisé en rotation et l'écrou (51 ), côté récepteur, peut être vissé à son extrémité et au moins partiellement serré. Au cours du serrage final, qui nécessite un couple de serrage plus élevé, l'axe est immobilisé par une clé placé dans la forme de manœuvre (410) pratiquée à cet effet dans l'extrémité (41 ) de l'axe de sorte à ne pas dégrader la lumière (320).
Un fourreau (60), comprenant un épaulement (61 ), est apte à se centrer sur la partie lisse (43) de l'axe. Ce fourreau est constitué, selon le domaine technique d'application du dispositif, de bronze, d'un alliage de titane ou d'un acier inoxydable. Alternativement il peut être constitué d'un polymère choisi dans la famille des polyamides ou des polymères fluorocarbonés. L'ajustement du fourreau sur la partie lisse sera également choisi en fonction de l'application, selon que la fonction dudit fourreau est essentiellement la protection de l'alésage vis à vis du frottement lors de l'introduction des axes dans le récepteur, la capacité d'absorption des défauts d'alignement dans la tolérance d'interférence ou les deux. Lors du montage, le fourreau est centré dans l'alésage et pénètre dans la lumière (310) du réceptacle (31 ) côté récepteur.
Les réceptacles comprennent une partie filetée à l'extrémité opposée de leur épaulement (325, 315). Cette partie filetée reçoit des écrous (71 , 72) de préférence des écrous à encoche freinés par une rondelle à languette rabattable (non représentée). Le serrage de ces écrous permet d'installer une contrainte de compression selon l'axe du réceptacle dans le matériau le recevant et ainsi de réduire les risques de délaminage de celui-ci. Avantageusement, le fond des réceptacles côté épaulement (325, 315) est fermé. Ceux-ci sont constitués d'un matériau métallique, de préférence résistant à la corrosion, car ils sont susceptible de retenir les fluides. A titre d'exemple ils peuvent être constitués d'un alliage de titane ou d'un acier inoxydable.
Figure 6, l'invention concerne également un procédé d'assemblage mettant en œuvre un ou plusieurs dispositifs selon l'invention. Ce procédé est particulièrement adapté à l'assemblage de deux éléments coques (14, 15) constitués d'un matériau composite à renfort fibreux sous forme de fibres continues, juxtaposés selon un plan d'interface (10). Selon une première étape, chacun des deux éléments est percé individuellement au diamètre final, parallèlement perpendiculairement au plan d'interface, d'alésages aptes à recevoir les axes de traction (40) et /ou les fourreaux (60). Ce perçage peut être réalisé par des moyens portatifs mis en référence au moyen de grilles de perçage ou sur un centre d'usinage, selon les dimensions et les formes de l'élément structural . Selon la précision recherchée et les dimensions dudit élément, ce perçage peut être réalisé après une mesure précise de l'interface de chaque élément coque et le recalage de la position des alésages en fonction de cette mesure, ou au stade de la pièce élémentaire.
Les perçages transverses, parallèlement au plan d'assemblage (10) et accueillant les réceptacles (31 , 32) sont percés au même stade. Ils peuvent cependant être percés au stade de la pièce élémentaire si cela est plus facile.
Les réceptacles (31 , 32) sont alors vissés sur chacun des deux éléments coques (14, 15), un faux axe, passé dans la lumière du réceptacle (320, 3 10) étant utilisé pour l'immobiliser en rotation lors de ce serrage. Avantageusement, le montage des réceptacles dans leurs alésages respectifs est dit humide, c'est à dire qu'une couche de mastic d'interposition est placée entre l'alésage et le réceptacle.
Les axes de traction (40) sont alors installés sur l'un des éléments coques. A cette fin l'axe est glissé dans l'alésage de cet élément (14) jusqu'à traverser la lumière du réceptacle (32), la rondelle d'appui cylindrique (520) ainsi que la rondelle de pré-charge (521 ). L'écrou (52) est alors vissé sur l'extrémité (42) de l'axe en immobilisant celui-ci en rotation par l'intermédiaire d'une clé insérée dans la forme de manœuvre (420) pratiquée sur l'autre extrémité. Parallèlement, les fourreaux (60) sont introduits dans les alésages de l'élément récepteur (15). Les axes de traction sont poussés au fond des réceptacles (32) du premier élément. Dans cette situation le méplat (44) est en contact avec le plat (324) de la lumière du réceptacle et immobilise l'axe (40) en rotation. Figure 6A, l'élément récepteur est accosté jusqu'à ce que les faces d'assemblage des deux éléments entrent contact. A ce stade, seule l'extrémité filetée (42) de l'axe pénètre dans le fourreau (60) et le réceptacle (32) côté récepteur. Celle-ci étant d'un diamètre inférieur de 2 à 3mm au diamètre de la partie lisse (43) de l'axe, elle présente un jeu radial suffisant avec le fourreau pour qu'aucun coincement n'intervienne au niveau des axes (40) au cours de cet accostage.
Figure 6B, la rondelle d'appui cylindrique (510) et l'écrou à portée sphérique (51 ) sont installés sur l'extrémité (41 ) de l'axe de traction (40) du côté de l'élément récepteur, l'axe étant toujours poussé au fond du réceptacle (32) du côté opposé. Le contact entre le méplat (44) et le plat (324) de la lumière du réceptacle (32) immobilise l'axe (40) en rotation ce qui permet le vissage de l'écrou (51 ) côté récepteur.
Figure 6C, l'écrou côté récepteur est serré, ce qui entraîne la pénétration de la partie lisse (43) de l'axe de traction dans le fourreau (60). La portée sphérique (51 1 ) de l'écrou (51 ) côté récepteur permet de réaliser ce serrage sans endommager la face interne du réceptacle (31 ) même si l'axe n'est pas parfaitement orienté selon un rayon du réceptacle cylindrique (31 ). Le serrage est ainsi réalisé de proche en proche et en alternance en partant préférentiellement du centre de la jonction vers l'extérieur. Les réceptacles peuvent alors au besoin être fermés par des capuchons (non représentés). Ainsi, l'ensemble est étanche mais peut en outre être inspecté facilement en ouvrant lesdits capuchons et en n'accédant que d'un côté de l'assemblage.
La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle s'était fixés. En particulier:
- en proposant un dispositif et un procédé d'assemblage adaptés à l'assemblage de deux éléments coques composites aptes à transmettre un flux d'effort sans générer de sollicitations parasites dans la structure par la localisation des axes de traction à mi épaisseur des éléments coques à assembler ;
- de réaliser l'assemblage de deux éléments coques juxtaposés délimitant, après assemblage, un volume fermé, en n'accédant que d'un côte de ce volume ;
- de réaliser l'assemblage de deux éléments coques juxtaposés selon un mode d'assemblage mécano ne nécessitant pas de contre perçage ; - de réaliser l'assemblage de deux éléments coques juxtaposés constitués d'un matériau composite.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif pour l'assemblage de deux éléments structuraux (14, 15) constitués d'un matériau composite caractérisé en ce qu'il comprend:
- deux réceptacles cylindriques épaulés (31 , 32) percés chacun d'une lumière (310,320) perpendiculairement à l'axe du cylindre ;
- un axe (40) apte à être introduit dans lesdites lumières ;
- des moyens d'appui (51 , 52, 510, 520) sur les surfaces internes des réceptacles cylindriques aptes à maintenir une tension dans l'axe (40) lorsque celui-ci traverse les lumières des deux réceptacles ;
- des moyens (51 , 52, 521 ) de mise en tension de l'axe.
2- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au moins un des réceptacles cylindriques (31 , 32) comprend des moyens (325, 315, 71 , 72) aptes à installer et maintenir une tension axiale dans celui-ci lorsqu'il est monté dans un alésage.
3- Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'axe (40) comprend deux extrémités filetées (41 , 42) séparées par une partie lisse (43) de diamètre supérieur apte à s'ajuster dans un alésage. 4- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comprend un fourreau (60) centré sur la partie lisse (43) de l'axe et de longueur inférieure à celle-ci.
5- Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la contrainte d'écoulement plastique du matériau constituant le fourreau (60) est inférieure à la pression limite de résistance statique au matage du matériau constituant l'élément structural composite (14, 15) assemblé recevant ledit fourreau (60).
6- Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que le fourreau (60) est constitué d'un matériau métallique.
7- Procédé d'assemblage structural de deux éléments coques composites (14, 15) juxtaposés selon une interface d'assemblage perpendiculaire à la coque caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à:
- percer individuellement chaque élément coque d'un alésage perpendiculaire à la coque et apte à recevoir le réceptacle (31 , 32) d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
- percer individuellement et au diamètre final la face d'assemblage de chaque élément coque d'un alésage apte à recevoir un axe de traction (40) du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes ;
- installer les réceptacles (31 , 32) dans chacun des éléments coques ;
- introduire un axe de traction (40) dans chaque alésage de l'interface d'assemblage d'un des éléments coque (14) ;
- accoster l'autre élément coque (15), dit récepteur, en faisant pénétrer les axes de traction dans les alésages en vis-à-vis ;
- mettre en appui une extrémité de chaque axe sur la face interne d'un réceptacle ;
- serrer l'assemblage par les moyens de mise sous tension (51 , 52) de chaque axe de traction du dispositif selon les revendications précédentes. 8- Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'introduction d'un fourreau (60) du dispositif selon les revendications 4 ou 5 dans l'élément coque récepteur (15) avant l'étape d'accostage. 9- Aéronef comprenant un assemblage réalisé selon le procédé des revendications 7 ou 8.
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