FR3143429A1 - Pneumatique sans air pour véhicule extra-terrestre pouvant rouler à de très basses températures - Google Patents

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Abstract

La présente invention a pour objet un pneumatique sans air (1) pour un véhicule pouvant rouler dans un environnement extra-terrestre, à de très basses températures et sur des sols de diverses natures. Un tel pneumatique sans air (1) comprend, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une structure porteuse (2), destinée à coopérer avec une jante ou un moyeu (3), une bande de cisaillement (4) et une bande de roulement (6). Selon l’invention, l’au moins un matériau constituant la structure porteuse (2), la bande de cisaillement (4) et la bande de roulement (6) a un module de Young en traction E, mesuré à une température égale à 20°C, au moins égal à 1 GPa et au plus égal à 6 GPa, et, mesuré à une température égale à -196°C, au moins égal à 1.2 GPa et au plus égal à 9 GPa, et une contrainte maximale en traction Sm, mesurée à une température égale à 20°C, au moins égale à 25 MPa et au plus égale à 150 MPa, et, mesurée à une température égale à -196°C, au moins égale à 40 MPa et au plus égale à 260 MPa, ces caractéristiques mécaniques étant mesurées selon la norme ASTM D638. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Pneumatique sans air pour véhicule extra-terrestre pouvant rouler à de très basses températures
La présente invention a pour objet un pneumatique sans air, destiné à équiper un véhicule d’exploration extra-terrestre, prévu pour se déplacer, par exemple, sur la lune ou sur la planète Mars, dans une ambiance pouvant atteindre de très basses températures, typiquement comprises dans l’intervalle [-243°C ; +53°C], telles que mesurées au pôle Sud de la lune.
Un pneumatique conventionnel, soumis à la pression interne d’un gaz de gonflage, généralement de l’air, ou un bandage plein classique ne sont pas adaptés à un tel usage, car les matériaux usuels à base de caoutchouc qui les constituent ont des propriétés mécaniques incompatibles avec une utilisation dans une ambiance pouvant atteindre de très basses températures, appelées également températures cryogéniques.
Des roues en métal ont été réalisées pour équiper des véhicules extra-terrestres. Mais de telles roues métalliques présentent les inconvénients d’avoir une rigidité verticale non linéaire, c’est-à-dire constante sur une plage de fonctionnement restreinte et évoluant rapidement jusqu’à une rupture de rigidité lorsque la charge maximum est atteinte, d’avoir une masse élevée et d’avoir une endurance limitée, ce qui est pénalisant pour un usage long.
Par ailleurs il est connu d’avoir, comme solution technique alternative à un pneumatique conventionnel, un pneumatique sans air, ou plus généralement un pneumatique sans gaz de gonflage, qui porte la charge grâce à des composants structurels et qui a des performances comparables à celles d’un pneumatique conventionnel. Un pneumatique sans air, monté sur un moyeu ou une jante, est parfois appelé « roue élastique non pneumatique ». Un tel pneumatique sans air a été décrit, à titre d’exemples, dans les documents WO 2003018332A1, FR 2964597, WO 2012102932A1, WO 2018101937A1, WO 2018102303A1, WO 2018102560A1, WO 2018125186A1.
Dans ce qui suit, la direction circonférentielle ou longitudinale désigne la direction de rotation du pneumatique, la direction axiale ou transversale désigne la direction parallèle à l’axe de rotation du pneumatique et la direction radiale désigne une direction perpendiculaire à l’axe de rotation du pneumatique.
Un pneumatique sans air comprend généralement, radialement de l’intérieur vers l’extérieur :
-une structure porteuse, destinée à porter structurellement au moins en partie la charge et à coopérer avec une jante ou un moyeu,
-une bande de cisaillement, destinée à transmettre par cisaillement les efforts de roulage à la structure porteuse et à contribuer au moins en partie au port de la charge,
-et une bande de roulement, destinée à transmettre à la bande de cisaillement les efforts de roulage, à être usée et à garantir l’adhérence du pneumatique sur un sol.
La structure porteuse comprend, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, des moyens de connexion avec une jante ou un moyeu, des éléments radiaux ou rayons, et des moyens de connexion avec une bande de cisaillement. Toutefois la structure porteuse ne délimite généralement pas une cavité interne étanche destinée à contenir un gaz sous pression, comme dans un pneumatique conventionnel. Par conséquent un pneumatique sans air n’a pas besoin d’avoir une liaison étanche par rapport à une jante ou un moyeu.
La bande de cisaillement comprend, dans un mode de réalisation connu, radialement de l’intérieur vers l’extérieur :
-une première membrane intérieure,
-une couche de cisaillement constituée par un ou plusieurs matériaux polymériques,
-une deuxième membrane extérieure.
Dans le mode de réalisation précédemment décrit, la première et la deuxième membrane ont un module d'élasticité en extension circonférentielle souvent sensiblement supérieur au module d'élasticité en cisaillement de la couche de cisaillement en matériau polymérique, de telle sorte que, sous la charge appliquée, les membranes ne s’allongent pas ou peu lors de la mise à plat du pneumatique en roulage. Le déplacement relatif des membranes l’une par rapport à l’autre se produit par cisaillement dans la couche de cisaillement. Dans un mode de réalisation préféré, les membranes respectivement intérieure et extérieure comprennent des couches superposées de renforts enrobés dans un matériau polymérique.
La couche de cisaillement en matériau polymérique est constituée, à titre d’exemples, d'un matériau polymérique, tel qu’un caoutchouc naturel ou un caoutchouc synthétique, ou d’un polyuréthane. Typiquement, le matériau de la couche de cisaillement a un module de cisaillement au moins égal à 3 MPa et au plus égal à 20 MPa, ce qui permet une mise à plat facilitée de la bande de cisaillement sous charge.
La société Michelin North America a commercialisé, depuis plusieurs années, un ensemble monté, constitué d’un pneumatique sans air, tel que précédemment décrit, et d’une roue, sous l’appellation MICHELIN® TWEEL®. Cette solution technique comprend principalement une bande de roulement, une bande de cisaillement (en anglais, « shear-band »), une structure porteuse, constituée de rayons (en anglais, « spokes ») hautement résistants en poly-résine et un moyeu constitué de deux pièces en acier renforcé.
Toutefois, dans des applications à très basses températures, les matériaux polymériques usuels, constitutifs d’un pneumatique sans air, sont incompatibles avec la plage de températures spécifiée. En outre, les matériaux polymériques usuels, utilisés, en particulier, pour la bande de cisaillement, ont des niveaux de rigidités qui vont générer des pressions de contact élevées, impliquant un risque d’enfoncement du pneumatique dans un sol meuble (comme sur la lune), et générer une résistance au roulement élevée, impliquant une forte consommation en énergie, pénalisante vis-à-vis de l’autonomie énergétique du véhicule extra-terrestre.
Les inventeurs se sont donnés pour objectif de concevoir un pneumatique sans air, tel que précédemment décrit, pouvant rouler dans un environnement extra-terrestre, à de très basses températures, typiquement comprises dans l’intervalle [-243°C ; +53°C], et sur des sols de diverses natures, pouvant être sableux ou caillouteux.
Cet objectif a été atteint par un pneumatique sans air pour un véhicule, comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une structure porteuse , destinée à coopérer avec une jante ou un moyeu, une bande de cisaillement et une bande de roulement,
-la bande de cisaillement comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure, une structure de cisaillement et une membrane radialement extérieure,
-la structure porteuse, la bande de cisaillement et la bande de roulement étant constituées chacune par au moins un matériau,
-l’au moins un matériau constituant la structure porteuse, la bande de cisaillement et la bande de roulement ayant les caractéristiques mécaniques suivantes, mesurées selon la norme ASTM D638 de l’ASTM (« American Society for Testing and Materials » : Société américaine pour les tests et les matériaux) International:
-un module de Young en traction E, mesuré à une température égale à 20°C, au moins égal à 1 GPa et au plus égal à 6 GPa, et, mesuré à une température égale à -196°C, au moins égal à 1.2 GPa et au plus égal à 9 GPa,
-une contrainte maximale en traction Sm, mesurée à une température égale à 20°C, au moins égale à 25 MPa et au plus égale à 150 MPa, et, mesurée à une température égale à -196°C, au moins égale à 40 MPa et au plus égale à 260 MPa.
Pour permettre à un pneumatique sans air de rouler dans un environnement extra-terrestre pouvant atteindre de très basses températures, typiquement dans l’intervalle [-243°C ; +53°C], et sur des sols de diverses natures, pouvant être sableux ou caillouteux, les inventeurs ont été conduits à sélectionner des matériaux ayant, de façon essentielle, un module de Young en traction E et une contrainte maximale en traction Sm compris dans des intervalles spécifiques à la fois à température ambiante, prise égale à 20°C, et à très basse température, prise égale à -196°C.
Le module de Young en traction E et la contrainte maximale en traction Sm sont mesurées sur une courbe de traction « contrainte - allongement », établie à partir d’un essai de traction réalisée sur une éprouvette normalisée, conformément à la norme ASTM D638 (« Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics » : Méthode de test standard pour les propriétés en traction des plastiques), élaborée par l’ASTM (« American Society for Testing and Materials » : Société américaine pour les tests et les matériaux) International. L’éprouvette normalisée a une longueur égale à 84 mm et une épaisseur égale à 2 mm, et comprend une striction ayant une longueur égale à 25 mm et une largeur égale à 4 mm. La vitesse de traction appliquée à l’éprouvette est égale à 500 mm/mn. Le module de Young en traction E est un module tangent mesurée à faible déformation.
Le module de Young en traction E conditionne les rigidités et la capacité de charge du pneumatique sans air, aux températures d’utilisation visées. La contrainte maximale en traction Sm conditionne l’endurance du pneumatique sans air, aux températures d’utilisation visées.
Par conséquent les inventeurs ont choisi des matériaux dont les caractéristiques mécaniques précitées permettent de garantir un compromis satisfaisant entre la capacité de charge et l’endurance requises pour le pneumatique sans air dans les conditions d’usage visées. Le pneumatique sans air doit être capable de porter une charge typiquement comprise entre 16 et 160 daN, et est destiné à être monté sur un véhicule pouvant se déplacer typiquement jusqu’à une vitesse maximale égale à 20 km/h.
Préférentiellement l’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse, de la bande de cisaillement et de la bande de roulement est un matériau polymérique thermoplastique hautes performances. Ce type de matériau, très performant à température ambiante, est connu pour conserver de bonnes propriétés mécaniques, en termes de résistance mécanique et de rigidité, à de hautes températures, typiquement au moins égales à 150°C. Dans le contexte de la présente invention, les inventeurs ont mis en évidence, de façon surprenante, qu’un tel matériau polymérique thermoplastique hautes performances permet également d’atteindre un compromis satisfaisant entre une rigidité de structure élevée, une endurance élevée et une masse faible du pneumatique sans air, à de très basses températures cryogéniques, comme le montrent les mesures réalisées à -196°C.
Selon un premier mode de réalisation avantageux, l’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse, de la bande de cisaillement et de la bande de roulement est un polyaryléthercétone (PAEK). Le terme générique « polyaryléthercétones » (PAEK) désigne une famille de polymères techniques à propriétés thermomécaniques élevées, en particulier à haute température. Un polyaryléthercétone, tel que, par exemple, le matériau Victrex AM200TM, commercialisé par la société Victrex®, est, en particulier, facile à mettre en œuvre et présente de bonnes caractéristiques mécaniques à très basse température, comme le montre le tableau 1 du présent document.
Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, l’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse, de la bande de cisaillement et de la bande de roulement est un polyétheréthercétone (PEEK). Un polyétheréthercétone est un matériau polymérique thermoplastique appartenant à la famille des polyaryléthercétones. Un polyétheréthercétone, tel que, par exemple, les matériaux Victrex CT100TMet Victrex 450GTM, commercialisés par la société Victrex®, ont les caractéristiques mécaniques requises, en particulier aux températures cryogéniques.
Selon un troisième mode de réalisation avantageux, l’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse, de la bande de cisaillement et de la bande de roulement est un polyimide (PI). Un polyimide, tel que, par exemple, le matériau Aurum PL500ATM, a d’excellentes caractéristiques mécaniques aux températures cryogéniques, mais est plus difficile à mettre en œuvre qu’un polyétheréthercétone, tel que le matériau Victrex CT100TM.
Selon un quatrième mode de réalisation avantageux, l’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse, de la bande de cisaillement et de la bande de roulement est un polyetherimide (PEI). Un polyetherimide tel que, par exemple, le matériau Ultem 1010TM, a des propriétés mécaniques comparables à celles d’un polyétheréthercétone, tel que le matériau Victrex CT100TMavec toutefois un plus faible allongement à rupture. Il présente l’avantage d’être plus économique.
Préférentiellement la structure porteuse, la bande de cisaillement et la bande de roulement sont constituées chacune par le même matériau. Un matériau identique pour l’ensemble des constituants d’un pneumatique sans air simplifie la fabrication et permet une adhésion facilitée entre les différents constituants.
Encore préférentiellement la structure de cisaillement est constituée par une pluralité d’éléments de cisaillement répartis circonférentiellement. Une telle structure de cisaillement discrète présente l’avantage d’être plus légère qu’une structure de cisaillement continue. De plus ses rigidités peuvent être plus finement optimisées.
Un deuxième objet de l’invention est une roue comprenant un pneumatique sans air tel que précédemment décrit, monté sur une jante.
L’invention a également pour objet un procédé de fabrication d’un pneumatique sans air tel que précédemment décrit et comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une structure porteuse, une bande de cisaillement et une bande de roulement constituées par au moins un matériau polymérique thermoplastique hautes performances.
Un premier procédé de fabrication d’un pneumatique sans air met en œuvre une technologie par injection. Un tel procédé de fabrication par injection consiste à injecter le ou les matériaux constitutifs du pneumatique sans air dans un moule.
Un deuxième procédé de fabrication d’un pneumatique sans air met en œuvre une technologie de fabrication additive. Un procédé de fabrication additive met en œuvre une machine d’impression tridimensionnelle déposant un matériau d’impression malléable en couches successives, au moyen d’une buse. Une telle machine d’impression tridimensionnelle comprend généralement une chambre qui forme une enceinte délimitée par une paroi, et à l’intérieur de laquelle se trouve un plateau destiné à soutenir une pièce en cours d’impression, ainsi qu’une buse permettant d’amener le matériau constitutif de ladite pièce. Pour pouvoir générer la forme de la pièce, il est prévu des systèmes d’entraînement comprenant un ascenseur pour déplacer ou le plateau ou la buse verticalement, et des tables de translation croisées l’une par rapport à l’autre pour piloter horizontalement, soit le plateau, soit la buse chargée de délivrer le matériau constitutif de la pièce.
Une première variante du procédé de fabrication par mise en œuvre d’une technologie par injection ou d’une technologie par fabrication additive comprend une unique étape de fabrication du pneumatique constitué par une pièce unitaire.
Une deuxième variante du procédé de fabrication par mise en œuvre d’une technologie par injection ou d’une technologie par fabrication additive comprend successivement une étape de fabrication de pièces élémentaires, constitutives du pneumatique sans air, et une étape d’assemblage desdites pièces élémentaires.
Préférentiellement le procédé de fabrication, comprenant une étape de fabrication de pièces élémentaires, comprend une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets.
Selon une première variante de l’étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets, le procédé de fabrication comprend une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets métalliques, de préférence en acier inoxydable ou en aluminium.
Selon une deuxième variante de l’étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets, le procédé de fabrication comprend une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets en matériaux polymériques thermoplastiques.
Selon un premier mode de réalisation de l’étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets en matériaux polymériques thermoplastiques, le procédé de fabrication comprend une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets en matériaux polymériques thermoplastiques unitaires, chauffés par conduction thermique ou électrique ou par chauffage ultra son, et écrasés.
Selon un deuxième mode de réalisation de l’étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets en matériaux polymériques thermoplastiques, le procédé de fabrication comprend une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets en matériaux polymériques thermoplastiques regroupés en plaques, chauffées par conduction thermique ou électrique ou par chauffage ultra son, et écrasées.
Avantageusement le procédé de fabrication, comprenant une étape de fabrication de pièces élémentaires, comprend une étape d’assemblage des pièces élémentaires par collage.
Selon une première variante de l’étape d’assemblage des pièces élémentaires par collage, le procédé de fabrication comprend une étape d’assemblage des pièces élémentaires par collage au moyen d’une colle thermoplastique de même nature que le matériau thermoplastique hautes performances d’une des deux pièces élémentaires destinées à être assemblées entre elles.
Selon une deuxième variante de l’étape d’assemblage des pièces élémentaires par collage, le procédé de fabrication comprend une étape d’assemblage des pièces élémentaires par collage au moyen d’une colle polymérique, de préférence une colle époxy.
Un exemple de pneumatique sans air selon l’invention est illustré par la .
La est une vue d’ensemble en perspective d’un pneumatique sans air 1 pour un véhicule, comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une structure porteuse 2, destinée à coopérer avec une jante ou un moyeu 3, une bande de cisaillement 4 et une bande de roulement 6. La bande de cisaillement 4 comprend, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure 41, une structure de cisaillement 40 et une membrane radialement extérieure 42. Dans le mode de réalisation représenté, la structure de cisaillement 40 est constituée par une pluralité d’éléments de cisaillement 5 répartis circonférentiellement. La structure porteuse 2, la bande de cisaillement 4 et la bande de roulement 6 sont constituées chacune par un matériau polymérique thermoplastique hautes performances unique, identique pour chacun des composants précédemment cités. Dans le cas présent, le pneumatique sans air 1 est obtenu par un procédé de fabrication mettant en œuvre une technologie de fabrication additive.
Les inventeurs ont étudié plusieurs matériaux polymériques thermoplastiques hautes performances, dont les propriétés mécaniques, satisfaisant les critères de l’invention, sont présentées dans le tableau 1 ci-dessous :
Caractéristiques PAEK (Victrex AM200 TM ) PEEK (Victrex CT100 TM ) PEEK (Victrex 450G TM ) PI
(Aurum PL500A TM ) 		PEI (Ultem 1010 TM )
Module de Young en traction E à +20°C 4.5 GPa 4.1 GPa 5.4 GPa 5.9 GPa 4.5 GPa
Module de Young en traction E à -196°C 7.2 GPa 7 GPa 7.9 GPa 8.4 GPa 5.9 GPa
Contrainte maximale en traction Sm à +20°C 95 MPa 114 MPa 107 MPa 132 MPa 95 MPa
Contrainte maximale en traction Sm à -196°C 152 MPa 252 MPa 109 MPa 165 MPa 197 MPa
Allongement Am, mesuré à la contrainte maximale Sm, à +20°C 7% 6% 4.5% 7% 10.8%
Allongement Am, mesuré à la contrainte maximale Sm, à -196°C 5.3% 4.7% 2% 4.4% 6.8%
Le matériau Victrex CT100TM, de type PEEK, est considéré comme particulièrement intéressant pour la réalisation d’un pneumatique sans air, destiné à équiper un véhicule d’exploration extra-terrestre, prévu pour se déplacer, par exemple, sur la lune ou sur la planète Mars, jusqu’à de très basses températures pouvant atteindre, à titre d’exemple, -243°C. Ce matériau a l’avantage d’avoir à la fois un module de Young en traction E élevé (7 GPa), garantissant une rigidité satisfaisante, et une contrainte maximale en traction Sm élevée (252 MPa), garantissant une endurance satisfaisante, à très basse température (-196°C).

Claims (16)

  1. Pneumatique sans air (1) pour un véhicule, comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une structure porteuse (2) , destinée à coopérer avec une jante ou un moyeu (3), une bande de cisaillement (4) et une bande de roulement (6),
    -la bande de cisaillement (4) comprenant, radialement de l’intérieur vers l’extérieur, une membrane radialement intérieure (41), une structure de cisaillement (40) et une membrane radialement extérieure (42),
    -la structure porteuse (2), la bande de cisaillement (4) et la bande de roulement (6) étant constituées chacune par au moins un matériau,
    caractérisé en ce qu el’au moins un matériau constituant la structure porteuse (2), la bande de cisaillement (4) et la bande de roulement (6) a les caractéristiques mécaniques suivantes, mesurées selon la norme ASTM D638 de l’ASTM (« American Society for Testing and Materials » : Société américaine pour les tests et les matériaux) International:
    - module de Young en traction E, mesuré à une température égale à 20°C, au moins égal à 1 GPa et au plus égal à 6 GPa, et, mesuré à une température égale à -196°C, au moins égal à 1.2 GPa et au plus égal à 9 GPa,
    -une contrainte maximale en traction Sm, mesurée à une température égale à 20°C, au moins égale à 25 MPa et au plus égale à 150 MPa, et, mesurée à une température égale à -196°C, au moins égale à 40 MPa et au plus égale à 260 MPa.
  2. Pneumatique sans air (1) selon la revendication 1,dans lequell’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse (2), de la bande de cisaillement (4) et de la bande de roulement (6) est un matériau polymérique thermoplastique hautes performances.
  3. Pneumatique sans air (1) selon la revendication 2,dans lequell’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse (2), de la bande de cisaillement (4) et de la bande de roulement (6) est un polyaryléthercétone (PAEK).
  4. Pneumatique sans air (1) selon la revendication 3,dans lequell’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse (2), de la bande de cisaillement (4) et de la bande de roulement (6) est un polyétheréthercétone (PEEK).
  5. Pneumatique sans air (1) selon la revendication 2,dans lequell’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse (2), de la bande de cisaillement (4) et de la bande de roulement (6) est un polyimide (PI).
  6. Pneumatique sans air (1) selon la revendication 2,dans lequell’au moins un matériau constitutif de la structure porteuse (2), de la bande de cisaillement (4) et de la bande de roulement (6) est un polyetherimide (PEI).
  7. Pneumatique sans air (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6,dans lequella structure porteuse (2), la bande de cisaillement (4) et la bande de roulement (6) sont constituées chacune par le même matériau.
  8. Pneumatique sans air (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7,dans lequella structure de cisaillement (40) est constituée par une pluralité d’éléments de cisaillement (5) répartis circonférentiellement.
  9. Roue comprenant un pneumatique sans air selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 monté sur une jante.
  10. Procédé de fabrication d’un pneumatique sans air (1) selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, mettant en œuvre une technologie de fabrication additive.
  11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, comprenant une unique étape de fabrication du pneumatique constitué par une pièce unitaire.
  12. Procédé de fabrication selon la revendication 10, comprenant successivement une étape de fabrication de pièces élémentaires, constitutives du pneumatique sans air, et une étape d’assemblage desdites pièces élémentaires.
  13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, comprenant une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets.
  14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, comprenant une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets en matériaux polymériques thermoplastiques.
  15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, comprenant une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets en matériaux polymériques thermoplastiques unitaires, chauffés par conduction thermique ou électrique ou par chauffage ultra son, et écrasés.
  16. Procédé de fabrication selon la revendication 14, comprenant une étape d’assemblage des pièces élémentaires par rivets en matériaux polymériques thermoplastiques regroupés en plaques, chauffées par conduction thermique ou électrique ou par chauffage ultra son, et écrasées.
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