COMPOSITES ET ENSEMBLES MECANIQUES

INTRODUCTION

MATERIAUX COMPOSITES ET ENSEMBLES MECANIQUES

L’introduction de matériaux composites dans les ensembles mécaniques de RARTRIKE-France vient

• d’une part de la nécessité, à propriétés mécaniques équivalentes, de rendre l’assemblage plus léger,
• et d’autre part de la possibilité de réaliser ces pièces mécaniques rapidement et à moindre coût sur le site de RARTRIKE-France.

Trois remarques importantes au sujet des matériaux composites pour les assemblages mécaniques:

• Il n’est pas adapté d’usiner des matériaux composites en contact avec des pièces mécaniques en rotation. La poussière issue de l’usinage rend en effet très rapidement inopérants les engrenages et roulements qui y sont exposés.
• on ne peut réaliser un engrenage ou un  couple conique en composite époxy-carbone, car celui ci est par nature abrasif. Si l’on doit tout de même usiner ponctuellement les composites pour ajuster une dimension ou réaliser un perçage, les surfaces sont stabilisées par une couche de vernis protectrice pour eviter la contamination des éléments roulants par les poussières de carbone.
• Le composite n’est pas un « black métal » : on ne peut transposer directement modules caractéristiques de traction, pression ou cisaillement du métal au compoite epoxy-carbone.

Dès lors, pour les ensembles mécaniques, on peut envisager d’utiliser des composites structurels :

• pour les boîtiers d’assemblages
• comme cage des roulements de centrage,
• comme arbres de transmission de puissance.
• comme supports des pivots de type IGUS*  ( pivots de direction et d’inclinaison )

Nous avons volontairement passé ici sous silence l’utilisation des composites comme Châssis / Cadre ou Carrosserie/Coque des reservoirs pneumatiques, car il ne s’agit pas là ni d’ensembles mécaniques à proprement parler, ni du coeur d’activité innovant de RARTRIKE-France. Pour calculer le dimensionnement d’un composite structurel, il faut tenir compte du fait que ces matériaux ne sont pas isotropes, et que leurs propriétés mécaniques dépendent en grande partie de l’orientation des fibres qui les composent, et donc du procédé de fabrication. Il ne s’agit donc pas de remplacer purement et simplement l’acier ou l’aluminium par du carbone. Nous utilisons les données proposées par les fabricants de composites standards pour les tubes, les joncs et les plaques, en tenant compte du procédé de fabrication, et bien sûr nous évaluons physiquement la résistance des matériaux en les soumettant aux contraintes mécaniques prévisibles avant de les utiliser dans nos ensembles mécaniques. La tolérance des matériaux composites au poinçonnement et aux chocs directs est médiocre, il faut donc protéger les éléments du tricycle qui y sont exposés. Nous faisons aussi une place particulière des composites dans le secteur hydraulique (pompes, moteurs), là encore essentiellement comme boîtiers d’assemblage et de centrage.

COMPOSANTS MECANIQUES STANDARDS ISOTROPES

Les propriétés des matériaux isotropes sont parfois irremplaçables, c’est le cas de l’acier ou de l’aluminium pour les pignons coniques, les roulements et certains arbres. Le chemin de roulement est le plus souvent constitué par de l’acier, ou de l’aluminium (après écrouissage). Les pignons à chaîne peuvent bénéficier de la légèreté de l’aluminium à condition d’utiliser certains alliages traités thermiquement. Les engrenages standards bénéficient avant utilisation d’un usinage (alésage) pour y placer quand cela est possible les éléments roulants, les arbres composites et diminuer le poids de l’ensemble. Les « nouveaux » plastiques, eux aussi isotropes peuvent, dans certains cas prendre la place de ces derniers avec un atout pondéral évident, une bonne résistance à la saleté et une absence de lubrification.  Il s’agit alors de pivot ou de guidage linéaire par exemple. Dans ce cas, le système doit accepter des exigences moins élevées en terme de tolérance mécanique. L’apparition des céramiques dans certains éléments de roulement est intéressante mais son impact est très limité sur la réduction du poids.

MISE EN OEUVRE DES MATERIAUX COMPOSITES

la mise en oeuvre des composites epoxy-carbone répond à un certain nombre d’exigences. En dehors de la « cohabitation » avec les éléments roulants des ensembles mécaniques, que nous avons évoqué ci-dessus, le procédé de fabrication des composites structurels doit prendre en compte :

• les contraintes mécaniques proposées (épaisseur des structures, composition et orientation des fibres par exemple)
• le procédé d’assemblage des ensembles mécaniques (forme du boitier assemblé)
• les règles de fabrication des composites structurels ( épaisseur constante des éléments de structure par exemple)
• le coût de mise en oeuvre : fabrication des moules, technique (pré-impregnés découpés, injection…)
• la complexité de certaines mise en oeuvre (injection)
• la phase de développement (prototypage, production)
• et bien sûr ce qui est possible de faire : il est impossible d’obtenir par exemple certaines pieces d’un seul tenant par moulage.

Au stade de prototypage, par exemple, l’utilisation de tissus découpés, impregnés secondairement, puis pressés et polymérisés en étuve nous est apparu le plus adapté, tant sur le plan de la résistance des matériaux que sur un plan économique. Les composites sont mis en place dans des moules. Pour les boitiers, ces moules ont deux parties distinctes :

• Une partie centrale, qui reproduit la forme des éléments roulants, à tolérance étroite pour les éléments d’appui comme les roulements à bille ou avec un espace laissé libre pour les engrenages,
• un moule externe, facilement démontable ou qui prévoit une dépouille suffisante pour le démoulage.

Lors de l’élaboration des prototypes, nous avons décidé de réaliser en premier les parties centrales des ensembles mécanique à partir de composants standard et d’une séquence d’usinage classique pour les arbres de transmission. Le coeur de l’ensemble mécanique ainsi obtenu  valide la pré-conception en CAO. Dans un second temps, pour la fabrication des moules, nous avons combiné l’utilisation des imprimantes 3D avec des techniques d’assemblage simples. Pour les pièces mécaniques d’un seul tenant (comme les étriers de direction), nous avons utilisé une technique classique combinant drappage de tissus carbonés, et injection sous vide de résine epoxy.

REALISATION DES ETRIERS DE DIRECTION COMPOSITES

Les étriers de direction étaient constitués originellement (RARTRIKE PJE) d’une pièce de tôlerie  pliée en aluminium. Pour réaliser ces étriers de direction en tôle pliée, nous partions de la mise à plat, d’un dessin de découpe et d’un pliage secondaire précis. En réalité,  pour le RARTRIKE PJE, les contraintes de positionnement du pivot de direction, de l’étrier de frein et de la fusée nous avaient fait réaliser le pliage avant d’aléser les pièces, ce qui est une procédure très complexe en soi, peu reproductible de surcroit. Nous avons décidé d’évoluer franchement vers des matériaux plus légers et un processus de fabrication simple, reproductible. La forme de cet étrier, qui est l’élément mobile du pivot de direction et le support de centrage de la fusée de roue, dépend de l’angle de chasse et du déport au sol du pivot de direction. La position des points de fixation de l’étrier de frein est très différente à droite et à gauche, car directement liée à la morphologie des freins à dique utilisés  (BB7 cables d’AVID, dans le cas du tricycle oscillant alpin.), Les freins à disques que nous utilisons sont destinés à des vélos, où le frein est conçu pour fonctionner d’un seul côté de la roue. Au total donc, les deux étriers de direction ne sont pas simplement « symétriques » mais très différents l’un de l’autre. Lorsqu’on décide d’utiliser un composite pour remplir la fonction d’un élément structurel fabriqué à l’origine en métal, il est classique de dire que l’on ne doit pas faire du « Black Métal » mais ré-étudier les contraintes mécaniques précisément pour réaliser une structure performante. A côté de calculs réalisés à priori, basés sur les concepts 3D et ce que nous savons de la résistance des composites carbones, nous réalisons bien sûr des tests réels. Les moules qui serviront à la réalisation de l’étrier droit et gauche sont  totalement différents. Pour réaliser le moule de l’étrier du PJH, nous partons d’une pièce en aluminium massive, dont les faces externes constituent avant usinage les plans de référence externes de l’étrier. Dans cette pièce d’aluminum, par fraisage, nous creusons la forme du futur étrier de direction. Les emplacements précis qui logent les éléments de centrage du pivot de direction (Bagues IGUS) et de centrage de la fusée de roue (Roulement 4PC SKF) sont matérialisés par des ergots amovibles ( démontés lors du démoulage ) Les étriers de directions, modélisés sur la base de tôles pliées, sont  modifiés en CAO par l’ajout de coins de dimensionnement sur la convexité des plis. Ceci permet d’avoir des dimensions précises pour fraiser l’empreinte de l’étrier sur la pièce d’aluminium massive qui constituera le moule. Voici les dimensions finales des  fantômes servant au fraisage du moule de l’étrier gauche et droit du PJH. La position respective du pivot de direction et de la fusée résulte de l’angle de compensation du déport au sol du pivot de direction et de l’angle de chasse.