BIELLE A RESSORT A GUIDAGE PLASTIQUE ET MECANISME BISTABLE COMPORTANT UNE

TELLE BIELLE.

DOMAINE TECHNIQUE

L’invention se rapporte à une bielle à ressort dont le système de guidage est réalisé en matériau plastique. Une telle bielle à ressort est utilisée comme pièce de liaison dans des mécanismes d ’ou vertu re/fermeture ou de verrouillage afin de s’assurer que le mécanisme reste en place même en cas de rupture de la chaîne de commande.

L’invention se rapporte également à un mécanisme bistable dont une des pièces de liaison est constituée par une bielle à ressort dont le système de guidage est en plastique. Notamment des ouvrants de véhicules - aéronefs, trains, navires - sont destinés à être actionnés par un tel mécanisme bistable.

Dans le domaine aéronautique en particulier, les portes d’un aéronef sont des ouvrants actionnés par des mécanismes bistables et adaptées à occuper deux positions stables - ouverte ou fermée.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

De manière générale, une bielle est une pièce mécanique dont le corps est de forme allongée et dotée d’une articulation à chacune de ses extrémités. La bielle est classiquement utilisée pour transmettre et transformer un mouvement en un autre mouvement ou d‘en changer l’amplitude. L’ajout d’un ressort au corps de la bielle permet de fournir d’autres transformations du mouvement transmis, le corps de la bielle étant alors constitué de deux tubes emmanchés coaxialement et adaptés à coulisser l’un dans l’autre, formant le système de guidage : une telle bielle à ressort est en particulier adaptée pour assurer une fonction « bistable » dans un mécanisme.

Un mécanisme dit bistable est un mécanisme d’entrainement d’une pièce entre deux positions stables : lorsque la pièce est dans une position intermédiaire entre ces positions stables, elle est alors entraînée vers l’une ou l’autre de ces positions stables. Selon un premier exemple, une porte d’aéronef peut comporter un mécanisme bistable d’actionnement pour lequel les positions stables sont des positions extrêmes de la porte, à savoir en position fermée et en position ouverte. Sous l’action de ce mécanisme bistable, lorsque la porte est en position intermédiaire entrouverte, elle est entraînée soit vers sa position fermée, soit vers sa position ouverte. Selon un autre exemple concernant également les portes d’aéronef, celles-ci peuvent comporter un mécanisme bistable de verrouillage équipé d’un levier se déplaçant entre une position de verrouillage et une position de déverrouillage : lorsque le levier est relâché entre la position de verrouillage et la position de déverrouillage, il bascule vers l’une ou l’autre de ces positions en fonction de la position dans laquelle il se trouve lorsqu’il est relâché.

Des mécanismes bistables sont couramment réalisés par des vérins à gaz. Cependant l’effort produit par un vérin à gaz dépend du comportement de son gaz dont les propriétés physiques et donc le comportement en compression varient avec la température. Or dans les applications aéronautiques, un aéronef est soumis à de grands écarts de températures pendant son utilisation - qui peuvent varier de -40°C à +70°C lors d’un seul vol. De plus un vérin à gaz comporte également un joint d’étanchéité mobile dont il est difficile de garantir l’étanchéité pendant toute la période d’exploitation de l’aéronef.

Pour surmonter les inconvénients des vérins à gaz, des bielles à ressort dont le système de guidage est métallique sont utilisées dans des mécanismes bistables : en effet, les bielles à ressort sont plus fiables car leurs propriétés mécaniques varient très peu dans la plage de température d’utilisation et elles ne présentent pas de problème d’étanchéité. Cependant de telles bielles à ressort avec guidage métallique comportent une articulation à chacune de leurs extrémités pour limiter les risques d’usure avec les autres pièces du mécanisme bistable auxquelles ces rotules sont en liaison. De plus le coulissement des tubes emmanchés du corps de la bielle produit de la friction non désirable et les matériaux métalliques sont susceptibles d’être soumis à des phénomènes de corrosion, ces deux facteurs entraînant l’application de revêtements et/ou l’utilisation de traitements de surface pour garantir un fonctionnement optimal de la bielle à ressort et du mécanisme bistable. Ces inconvénients augmentent la complexité de fabrication et d’installation de la bielle à ressort à système de guidage métallique ainsi que le poids du mécanisme bistable.

EXPOSE DE L’INVENTION

Afin de remédier aux inconvénients de l’état de la technique exposés ci-dessus, l’invention a pour objectif principal d’améliorer la structure d’une bielle à ressort et de réaliser un mécanisme bistable optimisé en masse et plus facile à installer.

Pour ce faire, l’invention prévoit de réaliser une bielle à ressort dont le système de guidage est en matériau plastique : ce choix de matériau permet de simplifier la fabrication de la bielle à ressort, tout en s’affranchissant de l’application de traitements de surface qui allonge la durée de fabrication et restent susceptibles de se dégrader dans le temps.

Plus précisément la présente invention a pour objet une bielle à ressort comportant un ressort de compression et un système de guidage constitué de deux tubes de guidage, un tube mâle et un tube femelle, présentant chacun une surface cylindrique, une extrémité libre et une extrémité de liaison comportant un organe de liaison à un arbre, les tubes étant emmanchés coaxialement le long d’un axe principal par leur extrémité libre et adaptés à coulisser l’un dans l’autre le long de leurs surfaces cylindriques se faisant face. Les tubes sont réalisés au moins partiellement en matériau plastique, leur extrémité de liaison étant obturée par un fond présentant deux faces perpendiculaires à l’axe principal - une face interne à chaque tube et une face externe opposée - ces fonds délimitant un espace intérieur et un espace extérieur au système de guidage. Le ressort de compression, qui est positionné dans l’espace intérieur, vient en appui sur la face interne du fond de chaque tube, alors que les organes de liaison, qui sont positionnés dans l’espace extérieur du système de guidage, sont reliés aux faces externes du fond des tubes. Avantageusement, un système de guidage en matériau plastique présente une densité et donc une masse inférieure à un système équivalent en métal, cet allègement étant particulièrement recherché dans le monde aéronautique : en effet, un gain de masse signifie une consommation d’hydrocarbures moindre ou l’allocation de ce gain de masse à une autre partie de l’aéronef. De plus, la structure du système de guidage est simplifiée - deux tubes - induisant un procédé de fabrication plus rapide et une structure plus fiable dans le temps.

Avantageusement également, le ressort de compression, positionné à l’intérieur du système de guidage, est ainsi protégé des dommages extérieurs tels que des impacts et/ou des risques de corrosion.

Selon des formes de réalisation préférées prises seule ou en combinaison :

- l’organe de liaison comporte un bloc présentant un trou formant des chanfreins, d’un diamètre adapté qui réalise une liaison rotule avec l’arbre ;

- l’organe de liaison comporte une structure en fourche dont des branches s’étendent de part et d’autre de l’arbre ;

- le tube mâle et le tube femelle sont réalisés en épaisseur, à partir de surfaces cylindriques se faisant face, dans des matériaux plastiques différents pour diminuer la friction entre les deux tubes, les matériaux étant choisis en particulier parmi le nylon et le polyéthylène haute densité ;

- le tube femelle présente une lèvre de blocage en translation en regard d’une chemise intercalaire cylindrique introduite entre les surfaces cylindriques des tubes mâle et femelle ;

- la chemise intercalaire est constituée par une feuille de polytétrafluorure d’éthylène dit PTFE d’au moins 1 mm d’épaisseur découpée puis mise en forme de cylindre ;

- les tubes présentent au moins une rainure circonférentielle orientée vers l’autre tube dans laquelle est insérée un segment annulaire de stabilisation, de préférence fendu, afin de faciliter son insertion, et/ou en matériau élastique;

- les rainures circonférentielles sont à proximité de l’extrémité libre des tubes ;

- les segments sont en PTFE ;

- les tubes sont de longueur dimensionnée rendant accessible la rainure circonférentielle du tube femelle lorsque le tube male est complètement emmanché dans le tube femelle , et

- au moins un trou de drainage est percé dans au moins un des tubes de guidage.

L’invention se rapporte également à un mécanisme bistable comportant au moins une bielle à ressort à guidage plastique dans une cinématique d’ouverture d’une porte d’aéronef.

PRESENTATION DES FIGURES

D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront à la lecture qui suit d’un exemple de réalisation détaillé sans en limiter la portée, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement :

- la figure 1a et la figure 1b, une vue en perspective d’un mécanisme bistable dans chacune de ses positions stables ;

- la figure 2a et la figure 2b, une vue frontale respectivement assemblée et éclatée d’un exemple de bielle à ressort à guidage plastique selon l’invention, utilisée dans le mécanisme illustré en figure 1a et figure 1b ;

- la figure 3 et la figure 4, une vue de côté de la bielle à ressort à guidage plastique selon deux orientations perpendiculaires ;

- la figure 5, une vue en coupe de la bielle à ressort à guidage plastique illustrée précédemment et présentée ici selon un premier mode de réalisation ;

- la figure 6a et la figure 6b, une vue en coupe et un agrandissement de la bielle à ressort à guidage plastique illustrée de la figure 1a à la figure 4, et présentée ici selon un deuxième mode de réalisation ;

- la figure 7a et la figure 7b, une vue en coupe et un agrandissement de la bielle à ressort à guidage plastique illustrée de la figure 1a à la figure 4, et présentée ici selon un troisième mode de réalisation ;

- la figure 8, un schéma de la liaison rotule directe entre le trou formant des chanfreins de l’organe de liaison des tubes de la bielle et l’axe principal, et - la figure 9, un schéma en coupe d’une variante de l’organe de liaison en fourche.

DESCRIPTION DETAILLEE

Sur les figures, des signes de référence identiques renvoient à un même élément ainsi qu’aux passages de la description correspondants.

Les figures 1a et 1 b montrent un exemple de mécanisme 7 bistable selon l’invention dans ses deux positions stables. Ce mécanisme bistable comporte une bielle à ressort 1 à guidage plastique dans une cinématique d’ouverture d’une porte d’aéronef (non représentée). Cette bielle à ressort 1 est reliée par une de ses extrémités 1a à un bâti 7c appartenant à la structure de l’aéronef et, par son autre extrémité 1 b, à un levier de commande 7a positionnable dans deux positions stables illustrées respectivement dans la figure 1a et la figure 1 b.

Lorsqu’un opérateur actionne le levier de commande 7a à partir d’une position illustrée en figure 1a ou en figure 1 b, celui-ci tourne autour de son axe de levier L, entraînant une compression du ressort 4 (visible par transparence) de la bielle à ressort 1 ainsi qu’une rotation de la bielle à ressort 1 par rapport au bâti 7c. Dans le cadre d’un mécanisme bistable, l’opérateur va actionner le levier de commande 7a afin de solliciter le ressort en compression.

Lorsque l’opérateur libère le levier de commande 7a, le ressort exerce sa force de rappel et entraine le levier de commande 7a qui revient dans sa position initiale : cette position est donc une position dite stable. Si l’opérateur continue d’actionner le levier de commande 7a, la bielle à ressort 1 va pivoter jusqu’à atteindre une position de bascule dans laquelle ses extrémités 1a, 1b sont alignées avec l’axe de levier L : dans cette position le ressort 4 est comprimé. Cette position de bascule, intermédiaire entre les deux positions stables, est dite instable puisque dès que la bielle à ressort 1 bascule hors de cette position de bascule, le ressort 4 ne ramène pas spontanément la bielle à ressort 1 vers cette position de bascule. Le ressort 4 étant comprimé, il va chercher à se détendre et entrainer la bielle à ressort 1 vers la position stable située du côté où la bielle a basculé. Par ce mécanisme 7 bistable, le levier de commande 7a présente deux positions stables : avantageusement, ce levier de commande 7a est solidaire d’un levier 7b mobile également entre deux positions et actionnant, dans cet exemple, la cinématique d’ouverture d’une porte d’aéronef. Les positions du levier 7b sont ici matérialisées par les butées 7d et 7e.

La figure 2a et la figure 2b exposent une vue en perspective, respectivement assemblée et éclatée, de la bielle à ressort 1 à guidage plastique utilisée dans le mécanisme précédent. Cette bielle à ressort 1 comporte le ressort 4 de compression et un système de guidage constitué de deux tubes de guidage : un tube male 2 et un tube femelle 3. Chacun des tubes 2, 3 présente une surface cylindrique 2m, 3m, une extrémité libre 2a, 3a et une extrémité de liaison 2b, 3b comportant un organe de liaison 2f, 3f à un arbre 6a, 6b.

Les tubes mâle 2 et femelle 3 sont emmanchés coaxialement le long d’un axe principal X par leur extrémité libre 2a, 3a et adaptés à coulisser l’un dans l’autre le long de leurs surfaces cylindriques 2m, 3m se faisant face. Dans ce mode de réalisation, les organes de liaison 2f, 3f comportent un bloc présentant un trou traversant 2g, 3g et formant des chanfreins 2h, 3h. Un trou de drainage 3I est également percé dans le tube femelle 3 : ce trou de drainage 3I permet d’évacuer des fluides qui peuvent pénétrer dans la bielle à ressort 1 et permet également de faciliter l’équilibrage de la pression de l’air entre l’intérieur et l’extérieur de la bielle à ressort 1 .

Des vues latérales de la bielle à ressort 1 sont représentées dans un plan A en figure 3 et en vue perpendiculaire au plan A en figure 4. Dans cet exemple de réalisation, le trou de drainage 3I est dans le plan A comme il apparaît sur la figure 4. Lorsque la bielle à ressort 1 est montée dans le mécanisme, ce trou de drainage 3I est positionné « à la verticale », permettant ainsi un écoulement et une évacuation naturelle des fluides prisonniers dans la bielle à ressort 1 .

La figure 5 illustre une vue en coupe de la bielle à ressort 1 selon un premier mode de réalisation dans lequel les surfaces cylindriques 2m, 3m respectivement du tube mâle 2 et du tube femelle 3 sont en contact direct : ces tubes 2, 3 sont alors réalisés en épaisseur, à partir des surfaces cylindriques 2m, 3m se faisant face, dans des matériaux plastiques différents, du Nylon pour le tube mâle 2 et du polyéthylène haute densité pour le tube femelle 3 dans cet exemple, pour diminuer la friction entre les tubes. En limitant la friction, le coulissement entre les tubes est facilité : en opposant une moindre résistance, l’effort de rappel minimal du ressort 4 est diminué, permettant ainsi de dimensionner un ressort 4 de moindre masse. De plus échauffement de la bielle à ressort 1 est également réduit par la diminution de la friction entre les tubes 2 et 3.

Dans le cadre de cette invention, les extrémités de liaison 2b, 3b sont obturées par un fond 2c, 3c présentant deux faces perpendiculaires à l’axe principal X - une face interne 2d, 3d à chaque tube 2, 3 et une face externe 2e, 3e opposée - ces fonds 2c, 3c délimitant un espace intérieur INT et un espace extérieur EXT du système de guidage. Le ressort 4 de compression est positionné dans l’espace intérieur INT et vient en appui sur la face interne 2d, 3d du fond de chaque tube 2, 3. Les organes de liaison 2b, 3b sont, quant à eux, positionnés dans l’espace extérieur EXT du système de guidage et reliés aux faces externes 2e, 3e du fond des tubes 2, 3.

La vue en coupe de la figure 6a montre la bielle à ressort 1 dans le plan A selon un deuxième mode de réalisation. Dans ce mode de réalisation, une chemise intercalaire 5a cylindrique est introduite entre les surfaces cylindriques 2m, 3m des tubes mâle 2 et femelle 3. Une vue agrandie de la chemise intercalaire 5a est également représentée en figure 6b. Cette chemise intercalaire 5a est constituée par une feuille de polytétrafluorure d’éthylène dit PTFE de 1 mm d’épaisseur qui est découpée puis mise en forme de cylindre avant d’être insérée dans le tube femelle 3. Le tube femelle 3 présente sur son extrémité libre 3a une lèvre 3k de blocage en translation de la chemise intercalaire 5a cylindrique. Cette lèvre 3k de blocage vient obturer l’espace interstitiel entre le tube mâle 2 et le tube femelle 3 dans lequel est localisé la chemise intercalaire 5a cylindrique.

Dans cet exemple de réalisation, le tube mâle 2 et le tube femelle 3 sont séparés par une chemise intercalaire cylindrique 5a : il n’y a donc pas de contact direct ni de friction entre les tubes 2, 3 et ceux-ci peuvent donc être réalisés dans un même matériau plastique. De plus les trous de drainage 3I sont relocalisés sur le fond 3c du tube femelle 3, la surface cylindrique 3m étant totalement recouverte par la chemise intercalaire cylindrique 5a. En référence à la vue en coupe de la figure 7a un troisième mode de réalisation de la bielle à ressort 1 est illustré. Dans ce mode de réalisation, deux segments annulaires 5b d’interposition sont insérés entre les tubes 2, 3 afin de procéder au contact entre les tubes 2, 3 et mettre en œuvre le guidage. Une vue agrandie des segments annulaires 5b est également représentée en figure 7b. Ces segments annulaires 5b d’interposition sont fabriqués en PTFE. Ils ont pour rôle de diminuer la friction entre le tube mâle 2 et le tube femelle 3.

De plus, chaque tube 2, 3 présente une rainure circonférentielle 2j, 3j orientée vers l’autre tube et disposée à proximité de l’extrémité libre 2a, 3a de chaque tube. Dans chaque rainure circonférentielle 2j, 3j est inséré un segment annulaire 5b d’interposition. Ces segments annulaires 5b d’interposition sont dimensionnés pour créer un espace interstitiel 5c entre les tubes 2, 3 qui peuvent être ainsi réalisé dans le même matériau plastique, cet espace interstitiel 5c permettant de s’affranchir de la friction entre les tubes 2, 3. De préférence, ces segments annulaires 5b d’interposition sont fendus afin de pouvoir adapter leur diamètre et faciliter leur insertion dans les rainures circonférentielles 2j, 3j. Avantageusement, ces segments peuvent être constitués en matériau élastique. Ils peuvent alors ne pas être fendus

Les tubes 2, 3 sont de longueur dimensionnée rendant accessible la rainure circonférentielle 3j du tube femelle 3 lorsque le tube male 2 est complètement emmanché dans le tube femelle 3 en comprimant le ressort de compression 4 au-delà de sa compression du point de bascule. La rainure circonférentielle 3j ainsi accessible permet l’installation d’un segment annulaire d’interposition 5b dans la rainure circonférentielle 3j. De préférence, le ressort de compression 4 est comprimé jusqu’à ce que l’extrémité libre 2a du tube male 2 soit au contact du fond 3c du tube femelle 3.

Le schéma de la figure 8 illustre la réalisation de la liaison rotule des trous 2g, 3g formant les chanfreins 2h, 3h des organes de liaison 2f, 3f : chaque trou 2g, 3g traversant présente un diamètre adapté pour réaliser une liaison rotule directe avec l’arbre par le jeu qu’autorise les dimensions du trou et du chanfrein 2h, 3h sans utiliser de pièce de rotule additionnelle. Dans ce schéma, l’arbre 6a du tube mâle 2 est représenté fixe et l’arbre 6b du tube femelle 3 est représenté dans deux orientations permises par la liaison rotule directe. Cette liaison rotule directe permet donc un montage aisé de la bielle à ressort 1 ainsi que le gain d’un degré de liberté en s’affranchissant d’une pièce de rotule.

La figure 9 montre un schéma en coupe d’une variante en fourche 2i ici présentée sur l’organe de liaison 2f du tube mâle 2, mais pouvant également être utilisée sur le tube femelle 3. Cette fourche 2i dispose de deux branches 2n s’étendant de part et d’autre de l’arbre 6a. Cette variante permet d’obtenir un montage aisé de la bielle à ressort 1 : l’opérateur comprime la bielle à ressort 1 pour la positionner puis, en la relâchant, le ressort verrouille la bielle dans le mécanisme. L’organe de liaison en fourche peut être combiné aux modes de réalisations du système de guidage comportant une chemise intercalaire ou des segments annulaires d’interposition.

L’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation et de mise en œuvre décrits et représentés. Ainsi les tubes peuvent également être réalisés en matériaux composites, en particulier dans le cadre des deuxième mode et troisième mode de réalisation avec la chemise intercalaire ou les segments annulaires d’interposition. Une couche lubrifiante peut également être insérée dans les tubes pour diminuer la friction.

Également dans le troisième mode de réalisation, chaque segment annulaire d’interposition peut être composé de plusieurs sections juxtaposées et/ou espacées, ces sections réalisant un anneau partiel ou complet.

De plus le ressort peut être placé dans l’espace extérieur, le fond des tubes étant alors adapté afin d’offrir un support au ressort.