WO2013136018A1 - Boite-tampon d'absorption d'energie - Google Patents

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WO2013136018A1
WO2013136018A1 PCT/FR2013/050534 FR2013050534W WO2013136018A1 WO 2013136018 A1 WO2013136018 A1 WO 2013136018A1 FR 2013050534 W FR2013050534 W FR 2013050534W WO 2013136018 A1 WO2013136018 A1 WO 2013136018A1
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WO
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fibers
strands
layers
buffer box
box according
Prior art date
Application number
PCT/FR2013/050534
Other languages
English (en)
Inventor
Damien GUILLON
Original Assignee
Centre Technique Des Industries Mecaniques
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre Technique Des Industries Mecaniques filed Critical Centre Technique Des Industries Mecaniques
Publication of WO2013136018A1 publication Critical patent/WO2013136018A1/fr

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Classifications

    • 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
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/12—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members
    • F16F7/124—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members characterised by their special construction from fibre-reinforced plastics

Definitions

  • the present invention relates to a buffer box for absorbing energy intended to irreversibly deform during an impact
  • a field of application envisaged is in particular, but not exclusively, that of automobile safety.
  • EP 0 361 343 which describes such a buffer box. It comprises two circular section tubes of composite material coaxially engaged one inside the other. These tubes comprise, for example, a matrix made of a thermoplastic material and they have glass or carbon fibers as reinforcing material. The two opposite ends of the tubes are integral, on one side, of the chassis of the vehicle, on the other side, its bumper.
  • the fibers are embedded in the thickness of the tubes and they extend in a longitudinal direction of the tube.
  • the tubes undergo axial stress leading to the destruction of their end. Also, this destruction allows to dissipate energy and to damp, at least partially, the shock.
  • the deformation of the tube continues, either by folding the tube when the thermoplastic material is not rigid enough, or by a frank break when it is too much, so that the energy dissipation is relatively low.
  • a problem that arises and that aims to solve the present invention is to provide a buffer box including a composite element, which not only the matrix is thermoplastic material, but also allows greater energy dissipation.
  • the present invention proposes an energy absorption buffer box comprising a hollow part made of a composite material and extending in a longitudinal direction, said composite material comprising a matrix of thermoplastic material and a reinforcing material fibrous material embedded within said thermoplastic matrix, said hollow part being able to irreversibly compress in said longitudinal direction to absorb shock energy.
  • the fibrous reinforcement material is a textile material having strands of fibers extended along the three directions of space.
  • a feature of the invention lies in the implementation of a three-dimensional textile material, as a reinforcing material and a thermoplastic material as a matrix.
  • a three-dimensional textile material is a textile in which the strands of fibers extend in the three directions of space, that is to say not only following the weft and following the warp of the textile material but also, in a perpendicular direction to the weft and the warp. With this type of material, textile preforms are produced and after the matrix is used, a composite is obtained whose out-of-plane mechanical characteristics and crushing behavior is greater than that of the composites obtained using the usual textile materials. two dimensions, which provides benefits that will be described in more detail in the following description.
  • thermosetting materials are easily reversibly shaped by heating and cooling, while thermosetting polymers are more complex to implement and they crosslink and harden irreversibly. The costs of manufacturing hollow parts using a thermoplastic material are therefore lower.
  • said textile material has at least two layers of superposed fiber strands and strands of bonding fibers extending between said at least two layers.
  • the two layers of superposed fiber strands respectively extend in two perpendicular directions and substantially parallel to each other, while the strands of connecting fibers together connect the two layers and they then extend in a component perpendicular to said two directions perpendicular layers of strands of superimposed fibers.
  • the fibers of the strands of bonding fibers extend according to the thickness of the textile material, and therefore when the latter is embedded in the thermoplastic matrix, a multiplicity of reinforcement is obtained allowing a progressive rupture of the composite thanks to the multiplication of local breaks. This, of course compared to a conventional textile extending in two dimensions.
  • the multiplicity of relatively homogeneously oriented fibers in the three directions of the space makes it possible to obtain a composite part having a homogeneous mechanical strength, including out of plane, which is of a nature to avoid unwanted breaks such as delamination out of the area of progressive crushing.
  • the buffer box is compressed according to a strong acceleration due to a shock, the hollow part of composite material, collapses gradually on itself, and the fiber breaks accompanied by dislocation of the thermoplastic multiply by absorbing large amounts of 'energy.
  • said textile material comprises, on the one hand, a first plurality of first superimposed layers extending in a transverse direction and in an orthogonal longitudinal direction, said first layers comprising first strands of fibers extended in said transverse direction. and on the other hand a second plurality of second layers of second strands of fibers, the second strands of fibers extending in a direction substantially perpendicular to said transverse direction and in a direction inclined with respect to said longitudinal direction.
  • first layers of first fibers extending transversely in the direction of the weft are connected between it ⁇ by means of second layers of second wicks of intersecting fibers and extending in an inclined manner by report to the management longitudinal, that is to say the direction of the chain.
  • These second strands of fibers extend substantially perpendicular to the first strands of fibers.
  • said second strands of fibers of the second layers extend crosswise.
  • the different layers of fiber locks are interconnected without it being necessary to provide complementary binding fibers, the second strands of fibers of the second layers themselves forming these connecting fibers.
  • said strands of bonding fibers form meshes.
  • at least two layers of strands of stacked fibers are extended while the strands of fibers of the two layers are connected by means of a mesh.
  • a mesh is formed enclosing at least three strands of fibers respectively of three different layers.
  • said at least two layers are respectively formed of meshes of said fiber tows.
  • knitted sandwich textile materials are formed, or the two layers are simultaneously knitted and connected together by a mesh.
  • said at least two layers are respectively formed of intersecting fiber strands.
  • Such textile materials are obtained using looms.
  • layers of strands of fibers extended parallel, are superimposed and connected together with strands of son of chains that pass through them.
  • interlock woven fabrics having a plurality of layers of fiber locks, the wicks of which are alternately oriented according to the direction of the warp and the direction of the weft, the fiber wick layers being interconnected by strands of fibers passing through them in the direction of the warp.
  • the two layers are respectively formed of wicks of fibers intercrossed by braiding. Reinforcements by sewing, stitching or nailing are also provided.
  • the matrix of thermoplastic material is made of polyamide. This material is relatively inexpensive and is easy to implement. In addition, there are many types with different properties. According to other modes of implementation, the matrix is made of polypropylene or other thermoplastics.
  • the buffer box further comprises two opposite flanges, while said hollow part has two opposite ends respectively engaging in said flanges.
  • the two flanges are for example metallic or even made of a thermoplastic material.
  • the buffer box is installed on a motor vehicle having spars and at the end a bumper, the two flanges are respectively secured to a spar and the bumper.
  • two buffer boxes are respectively installed between the side members and the bumper.
  • said hollow part is of tabular shape, and for example of elliptical, square or any other cross section. This makes it possible to obtain a relatively rigid piece.
  • the buffer box further comprises another hollow part made of a composite material located inside said hollow part.
  • the two hollow parts are mounted one in the other concentrically so as to offer greater mechanical strength.
  • said hollow parts are advantageously of circular symmetry, which makes them easier to produce.
  • FIG. 1 is a partial schematic perspective view of an element of the buffer box object of the invention, according to a first variant
  • FIG. 2 is a partial schematic perspective view of the element of the buffer box according to a second embodiment
  • FIG. 3 is a schematic axial sectional view of a buffer box according to the invention.
  • FIG. 4 is a partial schematic sectional view of the element of the buffer box according to another embodiment.
  • FIG. 5 is a partial schematic sectional view of the buffer box according to yet another embodiment.
  • Figure 1 illustrates in three dimensions and partially a textile material
  • Interlock 10 which extends over three dimensions.
  • This type of material is obtained by means of a suitable loom. It has three layers 12, 14, 16 of strands of fibers 18 oriented in the direction of the chain F and four layers 20, 22, 24, 26 interspersed with strands of fibers 28 crossed and oriented in the direction of the frame T.
  • strands of bonding fibers 300 pass in a vertical component, relative to the weft direction and in the warp direction, the seven layers of strands of fibers 12, 14, 16, 20, 22, 24, 26 forming corrugations in the direction of chain.
  • the bonding fibers 30 hold the fiber wick layers together.
  • thermoplastic material fills all the contiguous free spaces 32 of the textile material.
  • FIGS. Another embodiment of this type of textile material that is particularly advantageous.
  • the textile material 34 has two superimposed layers 36, 38 of diagonal weft fibers 40, 42 and meshes 44 of strands of warp fibers 46, for connecting together the weft fibers diagonally 40, 42.
  • a three-dimensional textile material having a smaller thickness than the textile material 10 illustrated in FIG. 1 is obtained.
  • it has contiguous spaces 48 in which the thermoplastic matrix is able to be housed. .
  • the fibers of the fiber locks may be carbon, fiberglass, aramid or other technical fibers.
  • the fiber locks may be totally or partially twisted
  • thermoplastic material for example polyamide of a suitable grade, then drowns the textile preform and is introduced into its free spaces.
  • the nature of the thermoplastic material will be chosen, according to the conditions of implementation but also according to the mechanical properties of the part to be made and its behavior over time. For example, with regard to these conditions of implementation, it is chosen as a function of the temperature of its melting point and its viscosity at this same melting point.
  • thermoplastic fibers or wicks of comelated materials that is to say containing reinforcing fibers intimately bound with the adequate amount of thermoplastic.
  • the composite is consolidated by wearing the preform at a temperature above the melting point of the thermoplastic yarns and applying pressure, which allows the thermoplastic to fill the free spaces of the textile preform.
  • It comprises two hollow tubular pieces 52, 54 of circular section, an inner tubular hollow part 54 engaged inside an outer tubular hollow part 52. Also, they are made in a suitable cylindrical mold having a core, and from of two preforms in the form of three-dimensional textile material sleeves of the aforementioned type, which sleeves have been placed inside the mold around the core. Then the thermoplastic material was injected so as to obtain, after cooling, a cylindrical hollow piece of circular symmetry.
  • the sleeves of textile material are obtained by braiding.
  • the fiber locks are oriented partly in the axis of the hollow tubular pieces 52, 54.
  • the other fiber locks are oriented at an angle of between 0 ° and 90 ° relative to the axis of the hollow tubular pieces 52 54. At least a portion of the locks allow the different wick layers to be bonded through the thickness of the composite.
  • the inside diameter of the outer tubular hollow part 52 is equal to the functional clearance close to the outside diameter of the inner tubular hollow part 50.
  • the outer tubular hollow part 52 has a first outer end 56 having a first edge 58 and opposite a second outer end 60 having a first mechanical weakening 62 to initiate crushing or collapse.
  • This first mechanical weakening 62 may be achieved by singularizing the shape of the second outer end 60, by removal of material or from the shaping of the tube, to give it a shape having sharp edges or salient points, such as a chamfer , saw teeth, a variation of the section of the tube or a combination of its patterns.
  • this mechanical weakening 62 can be achieved by modifying the constitution of the composite at the first edge 58, by modifying the quantity or the orientation of the reinforcing fibers or by the deliberate introduction of manufacturing defects such as only foreign bodies or porosities in the plastic.
  • the inner tubular hollow part 54 has, opposite to the first outer end 56, an inner first end 64 having a second edge 66 and, on the opposite side, a second inner end 68 having a second mechanical weakening 70 which also makes it possible to initiate crushing or collapse.
  • This second mechanical weakening 70 is also achieved by singularizing the shape of the second inner end 68.
  • the two tubular hollow parts 52, 54 are offset substantially axially so that the outer 60 and inner 60 outer ends 68 respectively protrude at each end.
  • the buffer box 50 comprises two opposed flanges, a male flange 72 inside which are fitted the first outer end 56 and the second inner end 68 and a female flange 74 which are themselves fitted inside the second outer end 60 and the first inner end 64.
  • the male flange 72 has a bottom 76 and, spaced radially, an inner shoulder 78.
  • the second inner end 68 is then pressed against the bottom 76 while the first edge 58 bears flat against the inner shoulder 78.
  • the female flange 74 has a first outer shoulder 80 and spaced radially, a second outer shoulder 82.
  • the second edge 66 then bears flat against the first outer shoulder 80, while the second outer end 60 bears against the second outer shoulder 82.
  • the second ends 62, 70 constitute rupture initiation zones which allow their axial collapse, when the buffer box 50 is subjected to compression, axial or substantially off-axis, exceeding a predefined threshold value.
  • the flanges 72, 74 can promote a progressive crushing tubular hollow parts 52, 54, managing the evacuation of dust produced.
  • the three-dimensional structure of the textile materials of the tubular hollow parts 52, 54 makes it possible to prevent the propagation of a delamination which would bring about a rupture of the structure with a low energy dissipation.
  • the structure of the textile material is chosen in such a way as to be able to multiply the fiber breaks in this crushing zone, which makes it possible to dissipate a maximum of energy.
  • the thermoplastic matrix is chosen to absorb energy during crushing, and to ensure the integrity of the structure until crushing.
  • the flanges 72, 74 are designed to allow, by plastic deformation, a deflection between the axis of the hollow tubular pieces 52, 54 and that of the flanges 72, 74.
  • the three-dimensional structure of the textile materials of the hollow tubular pieces 52, 54 makes it possible to preserve the behavior sought at deformation, when the impact is no longer frontal but occurs with some incidence.
  • Such a buffer box makes it possible to manufacture, from simple and therefore potentially inexpensive elements, an energy absorber capable of dissipating the energy of a severe automobile shock, of the frontal impact type at 65km / h, in a small space and reliably.
  • tubular hollow parts 52, 54 are conical, or replaced by a single axially open profile capable of coming collapse on a single flange.
  • FIGS. 4 and 5 describe another embodiment of the type of textile material illustrated in FIG.
  • the basic principle of this textile material obtained according to weaving processes consists in crossing orthogonally only the first strands of fibers 30 ', or threads, of warp chains with second strands of fibers. 28 ', or son, weft.
  • the references of the fiber locks carried here have the same number as those of the fiber locks playing a similar role in the textile material illustrated in FIG. 1, but assigned a sign "".
  • the textile material thus obtained is based on a principle similar to that illustrated in FIG. 1 and to which the layers of fiber strands 18 oriented in the direction of the F chain have been removed.
  • the first fiber locks 30 play the role of the fiber bundles and here they pass, in two components, a vertical component in the vertical direction V, and a chain component, in the direction of the chain.
  • F the entire thickness of the textile material, which has five layers of fiber locks 28 'in the direction of the frame T.
  • the first fiber strands 30 "also play the role of the fiber bundles, which traverse, in a vertical component and a chain component, the layers of adjacent fiber strands 28", extending in the direction of the frame T.
  • a compression of the composite material obtained with this type of textile material, according to the direction of the chain F allows a folding of the first strands of fibers 30 ', 30 ", with a relatively large compression modulus. allows a better shock absorption rate of the parts then made with this composite material.

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Abstract

L'invention concerne une boîte-tampon d'absorption d'énergie comprenant une pièce creuse (52, 54) réalisée dans un matériau composite et s'étendant selon une direction longitudinale, ledit matériau composite comprenant une matrice en matière thermoplastique et un matériau de renfort fibreux noyé à l'intérieur de ladite matrice en matière thermoplastique, ladite pièce creuse (52, 54) étant apte à se comprimer de façon irréversible selon ladite direction longitudinale pour absorber de l'énergie de choc. Ledit matériau de renfort fibreux est un matériau textile présentant des mèches de fibres étendues selon les trois directions de l'espace.

Description

Boîte-tampon d'absorption d'énergie
La présente invention se rapporte à une boîte-tampon d'absorption d'énergie destinée à se déformer de façon irréversible lors d'un choc,
Un domaine d'application envisagé est notamment, mais non exclusivement, celui de la sécurité automobile.
Des boîtes-tampons d'absorption d'énergie, communément appelées « crashbox » sous leur dénomination anglaise, sont bien connues. Elles sont usuellement installées à l'avant des véhicules automobiles entre les longerons et le pare-chocs, et lorsque le véhicule rencontre un obstacle, le pare-chocs tend à s'enfoncer tandis que la boîte-tampon se déforme et se comprime de façon irréversible en absorbant l'énergie du choc.
On pourra se référer au document EP 0 361 343, lequel décrit une telle boîte-tampon. Elle comporte deux tubes de section circulaire en matériau composite engagés coaxialement l'un dans l'autre. Ces tubes comportent par exemple, une matrice faite dans une matière thermoplastique et ils présentent des fibres de verre ou de carbone comme matériau de renfort. Les deux extrémités opposées des tubes sont solidaires, d'un côté, du châssis du véhicule, de l'autre côté, de son pare-chocs.
Aussi, les fibres sont noyées dans l'épaisseur des tubes et elles s'étendent selon une direction longitudinale du tube. Lors d'un choc frontal du véhicule, les tubes subissent une contrainte axiale conduisant à la destruction de leur extrémité. Aussi, cette destruction permet de dissiper de l'énergie et d'amortir, à tout le moins partiellement, le choc.
Toutefois, dès les premiers instants du choc, la déformation du tube se poursuit, soit par un pliage du tube lorsque le matériau thermoplastique n'est pas suffisamment rigide, soit par une rupture franche lorsqu'il l'est trop, de sorte que la dissipation énergétique est relativement faible.
Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est de fournir une boîte-tampon incluant un élément composite, dont non seulement la matrice soit en matière thermoplastique, mais aussi qui permette une plus grande dissipation d'énergie. Dans ce but, la présente invention propose une boîte-tampon d'absorption d'énergie comprenant une pièce creuse réalisée dans un matériau composite et s'étendant selon une direction longitudinale, ledit matériau composite comprenant une matrice en matière thermoplastique et un matériau de renfort fibreux noyé à l'intérieur de ladite matrice en matière thermoplastique, ladite pièce creuse étant apte à se comprimer de façon irréversible selon ladite direction longitudinale pour absorber de l'énergie de choc. Selon l'invention, le matériau de renfort fibreux est un matériau textile présentant des mèches de fibres étendues selon les trois directions de l'espace.
Ainsi une caractéristique de l'invention réside dans la mise en oeuvre d'un matériau textile tridimensionnel, comme matériau de renfort et d'une matière thermoplastique comme matrice. Un matériau textile tridimensionnel est un textile où les mèches de fibres s'étendent dans les trois directions de l'espace, c'est-à-dire non seulement suivant la trame et suivant la chaîne du matériau textile mais aussi, suivant une direction perpendiculaire à la trame et à la chaîne. Grâce à ce type de matériau, on réalise des préformes textiles et on obtient ensuite après mise en œuvre de la matrice, un composite dont les caractéristiques mécaniques hors plan et le comportement en écrasement est supérieur à celui des composites obtenus au moyen des textiles usuels à deux dimensions, ce qui procure des avantages que l'on décrira plus en détail dans la suite de la description.
En outre, la mise en oeuvre d'une matière thermoplastique est bien plus aisée que les polymères thermodurcissables de type époxy par exemple, usuellement mis en oeuvre dans les composites, et au surplus, elle présente des possibilités avantageuses par rapport à ces polymères thermodurcissables. En effet, les matières thermodurcissables se façonnent aisément de manière réversible par chauffage et refroidissement, tandis que les polymères thermodurcissables sont plus complexes à mettre en oeuvre et ils réticulent et durcissent de manière irréversible. Les coûts de fabrication de pièces creuses mettant en œuvre une matière thermoplastique sont par conséquent moindres.
Selon un mode de mise en œuvre de l'invention particulièrement avantageux ledit matériau textile présente au moins deux couches de mèches de fibres superposées et des mèches de fibres de liaison s'étendant entre lesdites au moins deux couches. Ainsi, les deux couches de mèches de fibres superposées s'étendent respectivement selon deux directions perpendiculaires et sensiblement parallèlement entre elles, tandis que les mèches de fibres de liaison relient ensemble les deux couches et elles s'étendent alors selon une composante perpendiculaire auxdites deux directions perpendiculaires de couches de mèches de fibres superposées. De la sorte, les fibres des mèches de fibres de liaison s'étendent selon l'épaisseur du matériau textile, et partant, lorsque ce dernier est noyé dans la matrice thermoplastique, on obtient une multiplicité de renfort permettant une rupture progressive du composite grâce à la multiplication des ruptures locales. Cela, bien évidemment en comparaison d'un textile classique s'étendant selon deux dimensions.
En outre, la multiplicité des fibres orientées de manière relativement homogène dans les trois directions de l'espace permettent d'obtenir une pièce composite présentant une résistance mécanique homogène, y compris hors plan, laquelle est de nature à éviter les ruptures non souhaitées telles que le délaminage hors de la zone d'écrasement progressif. Lorsque la boîte-tampon est comprimée suivant une forte accélération due à un choc, la pièce creuse en matériau composite, s'effondre progressivement sur elle-même, et les ruptures de fibres accompagnées de dislocation du thermoplastique se multiplient en absorbant de grandes quantités d'énergie.
Selon un premier mode de réalisation ledit matériau textile comprend, d'une part une première pluralité de premières couches superposées s'étendant selon une direction transversale et selon une direction longitudinale orthogonale, lesdites premières couches comprenant des premières mèches de fibres étendues selon ladite direction transversale, et d'autre part une seconde pluralité de secondes couches de secondes mèches de fibres, les secondes mèches de fibres s'étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire à ladite direction transversale et selon une direction inclinée par rapport à ladite direction longitudinale. Ainsi, selon cette caractéristique de l'invention particulièrement avantageuse, des premières couches de premières fibres étendues transversalement selon le sens de la trame sont reliées entre elle§ au moyen de secondes couches de secondes mèches de fibres entrecroisées et s'étendant de manière inclinée par rapport à la direction longitudinale, c'est-à-dire le sens de la chaîne. Ces secondes mèches de fibres s'étendent sensiblement perpendiculairement aux premières mèches de fibres. Avantageusement, lesdites secondes mèches de fibres des secondes couches s'étendent de manière croisée.
Ainsi, les différentes couches de mèches de fibres sont reliées entre elles sans qu'il soit nécessaire de prévoir des fibres complémentaires de liaison, les secondes mèches de fibres des secondes couches formant elles-mêmes ces fibres de liaison.
De la sorte, on obtient un matériau textile résistant avec une bonne productivité en conservant les propriétés mécaniques des mèches de fibres. En outre, ses capacités de déformation en compression sont relativement importantes.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention avantageux, lesdites mèches de fibres de liaison forment des mailles. Ainsi, à l'aide de métiers à tricoter particuliers, on étend au moins deux couches de mèches de fibres superposées tandis qu'on relie les mèches de fibres des deux couches au moyen d'une maille. Par exemple, on étend d'une part une première couche de mèches de fibres selon la direction de la chaîne et une couche de mèche de fibres perpendiculaires selon la direction de la trame l'une sur l'autre, et d'autre part deux autre couches de mèche de fibres croisées en diagonale. Et on forme une maille enserrant au moins trois mèches de fibres respectivement de trois couches différentes.
Dans une variante de réalisation selon ce premier mode, lesdites au moins deux couches sont respectivement formées de mailles desdites mèches de fibres. On forme ainsi des matériaux textiles sandwich tricoté, ou les deux couches sont simultanément tricotées et reliées ensemble par une maille.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, lesdites au moins deux couches sont respectivement formées de mèches de fibres entrecroisées. De tels matériaux textiles sont obtenus à l'aide de métiers à tisser. Ainsi, des couches de mèches de fibres étendues parallèlement, sont superposées et reliées ensemble avec des mèches de fils de chaînes qui les traversent. On citera par exemple les textiles tissés « Interlock », présentant une pluralité de couches de mèches de fibres, dont les mèches sont orientées alternativement selon le sens de la chaîne et le sens de la trame, les couches de mèche de fibre étant reliées entre elles par des mèches de fibres les traversant selon le sens de la chaîne. On obtient de la sorte, un matériau textile présentant des espaces qui se répètent à la fois longitudinalement et transversalement, et également selon l'épaisseur du matériau. Selon une variante de réalisation, les deux couches sont respectivement formées de mèches de fibres entrecroisées par tressage. Les renforcements par couture, par piquage ou bien par cloutage sont également prévus.
Avantageusement, la matrice en matière thermoplastique est réalisée en polyamide. Ce matériau est relativement bon marché et est aisé à mettre en uvre. En outre, il en existe de nombreux types aux propriétés différentes. Selon d'autres modes de mises en uvre, la matrice est réalisée en polypropylène ou en d'autres thermoplastiques.
Selon un mode de mise en œuvre préféré de l'invention, la boîte-tampon comprend én outre deux flasques opposés, tandis que ladite pièce creuse présente deux extrémités opposées venant en prise respectivement dans lesdits flasques. Les deux flasques sont par exemple métalliques, ou bien encore, réalisés dans un matériau thermoplastique. Lorsque la boîte-tampon est installée sur un véhicule automobile présentant des longerons et à l'extrémité un pare-chocs, les deux flasques sont respectivement solidaires d'un longeron et du pare-chocs. Préférentiellement, deux boîtes-tampons sont respectivement installées entre les longerons et le pare-chocs.
Avantageusement, ladite pièce creuse est de forme tabulaire, et par exemple, de section droite elliptique, carrée ou bien quelconque. Cela permet d'obtenir une pièce relativement rigide.
Selon une variante d'exécution, la boîte-tampon comprend en outre une autre pièce creuse réalisée dans un matériau composite située à l'intérieur de ladite une pièce creuse. Préférentiellement, les deux pièces creuses sont montées l'une dans l'autre de manière concentrique de façon à offrir une plus grande résistance mécanique. De plus, lesdites pièces creuses sont avantageusement de symétrie circulaire, ce qui les rend plus aisé à produire.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de ['invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 est une vue schématique partielle en perspective d'un élément de la boîte-tampon objet de l'invention, selon une première variante
5 d'exécution ;
- la Figure 2 est une vue schématique partielle en perspective de l'élément de la boîte-tampon selon une seconde variante d'exécution ;
- la Figure 3 est une vue schématique en coupe axiale d'une boîte-tampon conforme à l'invention ;
î o - la figure 4 est une vue schématique partiel en coupe de l'élément de la boîte-tampon selon une autre variante d'exécution ; et,
- la figure 5 est une vue schématique partielle en coupe de la boîte- tampon selon encore une autre variante d'exécution.
La Figure 1 illustre en trois dimensions et partiellement un matériau textile
15 de type «Interlock » 10 qui s'étend sur trois dimensions. Ce type de matériau est obtenu au moyen d'un métier à tisser adapté. Il présente trois couches 12, 14, 16 de mèches de fibres 18 orientées dans le sens de la chaîne F et quatre couches 20, 22, 24, 26 intercalées de mèches de fibres 28 croisées et orientées dans le sens de la trame T. Des mèches de fibres de liaison 300 traversent selon une composante verticale, par rapport au sens trame et au sens chaîne, les sept couches de mèches de fibres 12, 14, 16, 20, 22, 24, 26 en formant des ondulations selon la direction de la chaîne. Les fibres de liaison 30 permettent de maintenir ensemble les couches de mèche de fibres.
De la sorte, on obtient un matériau textile présentant des espaces libres5 contigus 32 entre les mèches de fibres et qui se succèdent à la fois selon la direction de la chaîne F et selon la direction de la trame T, mais aussi selon une direction verticale V perpendiculaire aux deux premières.
Grâce à un tel matériau textile 10, on réalise une préforme que l'on décrira plus en détail dans la suite de la description et on noie cette préforme0 dans une matrice thermoplastique. Aussi, la matière thermoplastique vient remplir tous les espaces libres contigus 32 du matériau textile. On décrira également dans la suite de la description, en référence aux figures 4 et 5, un autre mode de réalisation de ce type de matériau textile particulièrement avantageux.
Selon une autre variante d'exécution, illustrée sur la figure 2, on réalise ici au moyen d'un métier à tricoter, un matériau textile à mailles 34 présentant des trames en diagonales.
Aussi, le matériau textile 34 présente deux couches superposées 36, 38 de mèches de fibres de trame en diagonale 40, 42 et des mailles 44 de mèches de fibres de chaînes 46, permettant de relier ensemble les mèches de fibres de trame en diagonale 40, 42. De la même façon, on obtient un matériau textile à trois dimensions présentant une plus faible épaisseur que le matériau textile 10 illustré sur la figure 1. Toutefois, il présente des espaces contigus 48 dans lequel est apte à venir se loger la matrice thermoplastique.
Les fibres des mèches de fibres peuvent être en carbone, en fibre de verre, d'aramides ou d'autres fibres techniques. Les mèches de fibres peuvent être totalement ou partiellement torsadées
D'autres types de matériaux textiles présentent des mèches de fibres étendues dans les trois directions de l'espace. On citera par exemple les matériaux cousus, où des nappes de fibres constitués de mèches de fibres entrecroisées sont appariés et cousus ensemble. Les mèches de fibres de couture s'étendent alors selon une composante perpendiculaire aux deux nappes.
On pourra également citer les matériaux textiles obtenus par tressage de mèches de fibres, lequel tressage peut présenter une pluralité de couches de mèches de fibres, les couches de mèche de fibre étant reliées entre elles par des mèches de fibres passant d'une couche à l'autre, suivant l'exemple des tresses « interlock ».
Grâce à ces matériaux textiles en trois dimensions, on réalise des préformes destinées à être insérées à l'intérieur de moules correspondant à la pièce à réaliser. Puis ensuite, on vient injecter une matière thermoplastique à l'intérieur du moule. Cette matière thermoplastique, par exemple du polyamide d'un grade adapté, vient alors noyer la préforme textile et s'introduit dans ses espaces libres. La nature de la matière thermoplastique sera choisie, en fonction des conditions de mise en œuvre mais aussi en fonction des propriétés mécaniques de la pièce à réaliser et de sa tenue dans le temps. Par exemple, s'agissant de ces conditions de mise en oeuvre, elle est choisie en fonction de la température de son point de fusion et de sa viscosité à ce même point de fusion.
S'agissant des procédés de mise en œuvre, on pourra citer par exemple le procédé RTM, acronyme de l'expression anglaise : « Resin Transfert Molding ».
On pourra également utiliser d'autres moyens de noyer la préforme textile avec le thermoplastique, par exemple en introduisant dans la préforme textile des fibres de thermoplastiques ou des mèches de matériaux cômélés, c'est-à- dire contenant des fibres renforts intimement liées avec la quantité adéquate de thermoplastique. Le composite est consolidé en portant la préforme à une température supérieure au point de fusion des fils thermoplastiques et en appliquant une pression, ce qui permet au thermoplastique de combler les espaces libres de la préforme textile.
On décrira à présent en référence à la figure 3, une boîte-tampon 50 conforme à l'invention.
Elle comporte deux pièces creuses tubulaires 52, 54 de section circulaire, une pièce creuse tubulaire intérieure 54 engagée à l'intérieur d'une pièce creuse tubulaire extérieur 52. Aussi, elles sont réalisées dans un moule cylindrique adapté présentant un noyau, et à partir de deux préformes sous forme de manches en matériau textile à trois dimensions du type précité, lesquels manches ont été placées à l'intérieur du moule autour du noyau. Ensuite la matière thermoplastique a été injectée de manière à obtenir, après refroidissement, une pièce creuse cylindrique de symétrie circulaire.
En l'espèce, les manches en matériau textile sont obtenues par tressage. Les mèches de fibres sont orientées pour partie dans l'axe des pièces creuses tubulaires 52, 54. Les autres mèches de fibres sont orientées d'un angle compris entre 0° et 90° par rapport, à l'axe des pièces creuses tubulaires 52, 54. Une partie des mèches au moins permettent de lier les différentes couches de mèches à travers l'épaisseur du composite. Le diamètre intérieur de la pièce creuse tubulaire extérieure 52 est égal au jeu fonctionnel près, au diamètre extérieur de la pièce creuse tubulaire intérieure 50. La pièce creuse tubulaire extérieure 52 présente une première extrémité extérieure 56 présentant un premier bord 58 et à l'opposé une seconde extrémité extérieure 60 présentant un premier affaiblissement mécanique 62 permettant d'initier l'écrasement ou l'effondrement. Ce premier affaiblissement mécanique 62 peut être réalisé en singularisant la forme de la seconde extrémité extérieur 60, par enlèvement de matière ou dès la mise en forme du tube, pour lui donner une forme présentant des arêtes vives ou des points saillants, tel que un chanfrein, des dents de scie, une variation de la section du tube ou une combinaison de ses motifs. Alternativement ou en complément, cette affaiblissement mécanique 62 peut être réalisé en modifiant la constitution du composite au niveau du premier bord 58, par modification de la quantité ou de l'orientation des fibres de renforts ou par l'introduction volontaire de défauts de fabrication tels que des corps étrangers ou des porosités dans le plastique. La pièce creuse tubulaire intérieure 54 présente à l'opposé de la première extrémité extérieure 56, une première extrémité intérieure 64 présentant un second bord 66 et à l'opposé une seconde extrémité intérieure 68 présentant un second affaiblissement mécanique 70 permettant également d'initier l'écrasement ou l'effondrement. Ce second affaiblissement mécanique 70 est également réalisé en singularisant la forme de la seconde extrémité intérieure 68. Les deux pièces creuses tubulaires 52, 54 sont décalées sensiblement axialement de façon que les secondes extrémités extérieure 60 et intérieure 68 s'étendent respectivement en saillie à chaque extrémité.
En outre, la boîte-tampon 50 comprend deux flasques opposés, un flasque mâle 72 à l'intérieur duquel sont emmanchées la première extrémité extérieure 56 et la seconde extrémité intérieure 68 et un flasque femelle 74 lui- même emmanchées à l'intérieur de la seconde extrémité extérieure 60 et de la première extrémité intérieure 64.
Le flasque mâle 72 présente un fond 76 et, écarté radialement, un épaulement intérieur 78. La seconde extrémité intérieure 68 est alors en appui contre le fond 76 tandis que le premier bord 58 prend appui à plat contre l'épaulement intérieur 78. À l'opposé, le flasque femelle 74 présente un premier épaulement extérieur 80 et écarté radialement, un second épaulement extérieur 82. Le second bord 66 prend alors appui à plat contre le premier épaulement extérieur 80, tandis que la seconde extrémité extérieure 60 est en appui contre le second épaulement extérieur 82.
De la sorte, les secondes extrémités 62, 70 constituent des zones d'amorçage de rupture qui permettent leur effondrement axial, lorsque la boîte- tampon 50 est soumise à une compression, axiale ou sensiblement désaxée, dépassant une valeur seuil prédéfinie.
Les flasques 72, 74, réalisés en métal ou bien en matière plastique, permettent de favoriser un écrasement progressif des pièces creuses tubulaires 52, 54, en gérant l'évacuation des poussières produites. La structure tridimensionnelle des matériaux textiles des pièces creuses tubulaires 52, 54 permet d'éviter la propagation d'un délaminage qui amènerait une rupture de la structure avec une faible dissipation d'énergie. La structure du matériau textile est choisie de manière à pouvoir multiplier les ruptures de fibre dans cette zone d'écrasement, ce qui permet de dissiper un maximum d'énergie. La matrice en matière thermoplastique est choisie pour absorber de l'énergie lors de l'écrasement, et pour garantir l'intégrité de la structure jusqu'à son écrasement.
Les flasques 72, 74 sont conçus pour permettre par déformation plastique une déviation entre l'axe des pièces creuses tubulaires 52, 54 et celui des flasques 72, 74. La structure tridimensionnelle des matériaux textiles des pièces creuses tubulaires 52, 54 permet de conserver le comportement recherché à la déformation, lorsque l'impact n'est plus frontal mais se produit avec une certaine incidence.
Une telle boite-tampon permet la fabrication, à partir d'éléments simples donc potentiellement peu coûteux, d'un absorbeur d'énergie capable de dissiper l'énergie d'un choc automobile sévère, de type choc frontal à 65km/h, dans un espace réduit et de manière fiable.
On prévoit d'autres conceptions dans lesquelles les pièces creuses tubulaires 52, 54 sont coniques, ou encore remplacées par un seul profilé ouvert axialement apte à venir s'effondrer sur un seul flasque.
Par ailleurs, des dispositifs de boîtes-tampons similaires sont utilisés dans le domaine de l'aéronautique, par exemple pour les plancher d'hélicoptère, ou bien dans le domaine ferroviaire. La fabrication d'un absorbeur d'énergie peu coûteux et efficace par rapport à son poids pourra donc y trouver application. D'une manière générale, toutes applications mécaniques où l'on a besoin d'un système de sécurité type butée pouvant absorber de l'énergie en cas de nécessité peut être un champ d'application de la boîte-tampon objet de l'invention.
On se reportera à présent aux figures 4 et 5, afin de décrire un autre mode de réalisation du type de matériau textile illustré sur la figure 1.
Le principe de base de ce matériau textile obtenu selon des procédés de tissage, tel qu'illustré sur la figure 4, consiste à croiser orthogonalement des seules premières mèches de fibres 30', ou fils, de chaîne en nappes avec des secondes mèches de fibres 28', ou fils, de trame. Les références des mèches de fibres ici portées, comporte le même numéro que celles des mèches de fibres jouant un rôle analogue dans le matériau textile illustré sur la figure 1 , mais affectées d'un signe « ' ». Le matériau textile ainsi obtenu est basé sur un principe analogue à celui illustré sur la figure 1 et auquel on aurait retiré les couches de mèches de fibres 18 orientées dans le sens de la chaîne F.
Sur cette figure 4, les premières mèches de fibres 30' jouent le rôle des mèches de fibre de liaison et elles traversent ici, selon deux composantes, une composante verticale selon la direction verticale V, et une composante chaîne, selon la direction de la chaîne F, toute l'épaisseur du matériau textile, lequel présente cinq couches de mèches de fibres 28' selon la direction de la trame T.
Sur la figure 5, les premières mèches de fibres 30" jouent également le rôle des mèches de fibre de liaison. Elles traversent, selon une composante verticale et une composante chaîne, les couches de mèches de fibres 28" adjacentes, étendues selon la direction de la trame T.
L'avantage de tels matériaux textiles réside tout d'abord dans leur mode de construction qui permet de les réaliser sur un métier à tisser avec une bonne productivité. En outre, en comparaison des matériaux textiles où des mèches de fibres de liaison sont rapportées par couture, au moyen d'aiguilles traversantes, les propriétés mécaniques des premières mèches de fibre en chaîne 30', 30", et des secondes mèches de fibre en trame 28', 28", ne sont pas altérées. Car en effet, les aiguilles traversantes sont susceptibles de venir endommager ces mèches de fibres. En outre, de par leur construction, ces matériaux textiles présentent des interstices 32', 32" entre les mèches de fibre 28', 30' ; 28", 30", permettant de recevoir aisément la matière thermoplastique lorsqu'elle y est injectée.
De plus, une compression du matériau composite obtenu avec ce type de matériau textile, selon la direction de la chaîne F autorise un pliage des premières mèches de fibres 30', 30", avec un module de compression relativement important. De la sorte, ceja permet un meilleur taux d'amortissement au choc des pièces alors réalisées avec ce matériau composite.

Claims

REVENDICATIONS
1. Boîte-tampon d'absorption d'énergie comprenant une pièce creuse (52, 54) réalisée dans un matériau composite et s'étendant selon une direction longitudinale, ledit matériau composite comprenant une matrice en matière thermoplastique et un matériau de renfort fibreux (10 ; 34) noyé à l'intérieur de ladite matrice en matière thermoplastique, ladite pièce creuse (52, 54) étant apte à se comprimer de façon irréversible selon ladite direction longitudinale pour absorber de l'énergie de choc ;
caractérisée en ce que ledit matériau de renfort fibreux (10 ; 34) est un matériau textile présentant des mèches de fibres (18, 28, 30 ; 40, 42, 46) étendues selon les trois directions de l'espace.
2. Boîte-tampon selon la revendication 1 , caractérisée en ce que ledit matériau textile (10 ; 34) présente au moins deux couches (12, 14, 16, 20, 22, 24, 26 ; 40, 42) de mèches de fibres superposées et des mèches de fibres de liaison (30 ; 46) s'étendant entre lesdites au moins deux couches.
3. Boîte-tampon selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ledit matériau textile comprend :
- une première pluralité de premières couches superposées s'étendant selon une direction transversale et selon une direction longitudinale orthogonale, lesdites premières couches comprenant des premières mèches de fibres étendues selon ladite direction transversale,
- une seconde pluralité de secondes couches de secondes mèches de fibres, les secondes mèches de fibres s'étendant selon une direction sensiblement perpendiculaire à ladite direction transversale et selon une direction inclinée par rapport à ladite direction longitudinale.
4. Boîte-tampon selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdites secondes mèches de fibres des secondes couches s'étendent de manière croisée.
5. Boîte-tampon selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites mèches de fibres de liaison (46) forment des mailles.
6. Boîte-tampon selon la revendication 2 ou 5, caractérisée en ce que lesdites au moins deux couches sont respectivement formées de mailles desdites mèches de fibres.
7. Boîte-tampon selon la revendication 2 ou 5, caractérisée en ce que lesdites au moins deux couches sont respectivement formées de mèches de fibres entrecroisées.
8. Boîte-tampon selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que matrice en matière thermoplastique est réalisée en polyamide.
9. Boîte-tampon selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre deux flasques opposés (72, 74), tandis que ladite pièce creuse (52, 54) présente deux extrémités opposées (56, 60 ; 64, 68) venant en prise respectivement dans lesdits flasques.
10. Boîte-tampon selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ladite pièce creuse (52, 54) est de forme tubulaire.
11. Boîte-tampon selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une autre pièce creuse (54) réalisée dans un matériau composite située à l'intérieur de ladite une pièce creuse (52).
12. Boîte-tampon selon la revendication 10 ou 11 , caractérisée en ce que lesdites pièces creuses (52, 54) sont de symétrie circulaire.
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