FR3133837A1 - Roue freinée d’aéronef - Google Patents

Abstract

Roue (1) d’aéronef comportant une jante (2) équipée de disques rotors (11b) entraînés en rotation avec la jante au moyen de premiers tenons (7) solidaires de la jante et engagées dans des encoches des disques rotors, des disques stators (11a) étant intercalés entre les disques rotors et pourvus d’encoches engagées sur des deuxièmes tenons (15) solidaires d’un tube de torsion (12) de frein fixe en rotation par rapport à un essieu (4) portant la roue, caractérisé en ce que la roue comporte au moins un échangeur thermique (20, 21) agencé pour capter la chaleur transmise par les disques à au moins l’un des premiers tenons ou des deuxièmes tenons, et au moins une unité d’alimentation (30) configurée pour alimenter électriquement un système électrique équipant la roue, l’unité d’alimentation comprenant au moins un module thermoélectrique (31) dont une première face est en contact avec l’échangeur thermique pour transformer la chaleur captée par ledit échangeur thermique en un courant électrique. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 3

Description

Roue freinée d’aéronef

La présente invention concerne le domaine de l’aéronautique et plus particulièrement l’alimentation des systèmes électriques équipant les roues freinées d’aéronef.

ARRIERE PLAN DE L’INVENTION

Un atterrisseur d’aéronef comprend généralement une jambe ayant une première extrémité reliée à une structure de l’aéronef et une deuxième extrémité pourvue d’un essieu sur lequel une roue est montée pour pivoter. La roue comprend une jante reliée par un voile à un moyeu qui reçoit l’essieu et définit avec la jante un espace dans lequel une pile de disques de frein est disposée. La pile de disques comporte en alternance des disques stators liés en rotation à l’essieu et des disques rotors liés en rotation à la jante. Un ou plusieurs actionneurs, par exemple un ou des vérins hydrauliques, sont agencés pour exercer un effort de presse sur la pile de disques via une couronne hydraulique. Chaque freinage effectué par le pilote de l’aéronef provoque une augmentation de température des disques de frein et de l’environnement immédiat de ceux-ci.

La roue est classiquement équipée de capteurs embarqués utilisés à des fins de surveillance et de maintenance de l’atterrisseur. De tels capteurs doivent être alimentés électriquement afin de fonctionner malgré les sollicitations thermiques et mécaniques imposées par leur environnement.

En fonction des contraintes d’installation de ces capteurs, par exemple dans des zones confinées ou fortement sollicitées thermiquement, il n’est pas toujours possible de tirer des câbles d’alimentation de manière à connecter les capteurs à une source de puissance centralisée, ni d’y accoler un système de batteries, bien souvent trop volumineux et onéreux à certifier du fait des contraintes de confinement (en particulier pour les solutions techniques intégrant du Lithium).

OBJET DE L’INVENTION

L’invention a donc pour but un agencement améliorant l’alimentation de systèmes électriques équipant les roues d’aéronef.

A cet effet, l’invention propose une roue d’aéronef comportant une jante équipée de disques rotors entraînés en rotation avec la jante au moyen de premiers tenons solidaires de la jante et engagées dans des encoches des disques rotors, des disques stators étant intercalés entre les disques rotors et pourvus d’encoches engagées sur des deuxièmes tenons solidaires d’un tube de torsion de frein fixe en rotation par rapport à un essieu portant la roue.

Selon l’invention, la roue comporte au moins un échangeur thermique agencé pour capter la chaleur transmise par les disques à au moins l’un des premiers tenons ou des deuxièmes tenons, et au moins une unité d’alimentation configurée pour alimenter électriquement un système électrique équipant la roue, l’unité d’alimentation comprenant au moins un module thermoélectrique dont une première face est en contact avec l’échangeur thermique pour transformer la chaleur captée par ledit échangeur thermique en un courant électrique.

Un tel agencement permet ainsi de transformer localement la chaleur émise par les disques de frein en un courant électrique, et donc de faciliter l’alimentation du système électrique situé sur l’atterrisseur, en particulier lorsque ledit système électrique est dans un environnement proche du frein de la roue.

Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, l’échangeur thermique comprend au moins un caloduc fritté s’étendant dans au moins l’un des premiers et deuxièmes tenons sensiblement parallèlement à un plan passant par un axe de rotation de la roue, le caloduc ayant une extrémité en saillie à l’extérieur de la jante, et au moins un premier dissipateur thermique solidaire de l’extrémité du caloduc, le module thermoélectrique étant en contact avec le dissipateur thermique.

De manière particulière, le premier dissipateur thermique comprend des ailettes conférant à l’extrémité du caloduc une surface libre augmentée, le module thermoélectrique étant en contact avec l’une des ailettes.

Avantageusement, le module thermoélectrique est agencé entre deux ailettes.

Selon une caractéristique particulière, le module thermoélectrique comprend une deuxième face opposée à la première face et sur laquelle est disposé un deuxième dissipateur thermique conférant audit module thermoélectrique une surface libre augmentée.

De manière particulière, le système électrique est un capteur de mesure.

De manière particulière, les premiers tenons sont venus de matière avec la jante.

De manière particulière, les premiers tenons sont des barrettes rapportées sur la jante.

L’invention concerne aussi un atterrisseur d’aéronef comprenant au moins une telle roue.

L’invention concerne également un aéronef comprenant au moins un tel atterrisseur.

L’invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des dessins annexés, parmi lesquels :

la est une représentation simplifiée d’un aéronef comprenant des atterrisseurs principaux ayant des roues selon l’invention ;

la est une vue éclatée de l’un des atterrisseurs principaux de l’aéronef illustré à la (sans son pneumatique pour plus de clarté) ;

la est une vue en coupe axiale de la roue équipant l’atterrisseur principal illustré à la ;

la est une vue schématique d’un module thermoélectrique équipant la roue illustrée à la .

DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION

En référence à la , l’invention s’applique à un aéronef A comprenant des atterrisseurs principaux P comportant chacun une jambe J ayant une première extrémité articulée à une structure de l’aéronef A et une deuxième extrémité pourvue d’un essieu E.

Conformément aux figures 2 et 3, chaque essieu E est pourvu d’une roue 1 comprenant une jante 2 reliée par un voile à un moyeu 3 monté pour tourner sur l’essieu E autour d’un axe X. La jante 2 comporte ici deux demi-jantes 2a, 2b qui sont assemblées par des boulons 5 et qui comportent chacune un talon 6 de telle manière qu’un pneumatique peut être emprisonné entre les talons 6.

La roue 1 est équipée d’un frein 10 comportant une pile de disques 11 reçue dans un espace annulaire délimité par la demi-jante 2a et le moyeu 3. La pile de disques 11 est enfilée sur un tube de torsion 12 fixé à l’essieu E par des boulons. Le frein 10 comporte un support 13 d’actionneurs de freinage 14 adaptés à appliquer sélectivement un effort de freinage sur la pile de disques 11. Les actionneurs de freinage 14 sont ici des pistons hydrauliques.

La pile de disques 11 comprend des disques stators 11a et des disques rotor 11b. Les disques rotor 11b ont un pourtour externe pourvu d’encoches dans chacune desquelles est engagée un premier tenon 7 venu de matière avec la demi-jante 2a, de sorte que les disques rotors 11b sont liés en rotation à ladite demi-jante 2a. Les disques stators 11a ont un pourtour interne pourvu d’encoches recevant chacune un deuxième tenon 15 solidaire du tube de torsion 12 de sorte que les disques stators 11a sont liés en rotation au tube de torsion 12. Tout ceci est bien connu et n’est rappelé que pour situer l’invention.

Chacun des premiers tenons 7 de la jante 2 comprend un perçage 7.1, ici non traversant, ménagé pour s’étendre dans la longueur de chaque premier tenon 7. Dans chacun des perçages 7.1 est implanté un caloduc 20 fritté de forme tubulaire. Le caloduc 20 s’étend sensiblement parallèlement à l’axe X de rotation de la roue 1 à l’extérieur des disques 11 mais au voisinage immédiat du bord périphérique de ceux-ci, et seule une extrémité 20.1 du caloduc 20 est en saillie à l’extérieur du perçage 7.1 et de la demi-jante 2a.

Le caloduc 20 est ici maintenu en position dans le premier tenon 7 par hydroformage (à chaud ou à froid). Ainsi, après avoir été inséré dans le premier tenon 7, le caloduc 20 est déformé plastiquement et la forme du caloduc 20 est localement déterminée par le perçage 7.1 qui fait office de matrice. Un contact étroit est ainsi assuré entre la surface externe du caloduc 20 et la paroi du perçage 7.1.

Afin d’abaisser fortement la résistance de contact entre le caloduc 20 et le perçage 7.1 du premier tenon 7, un matériau conducteur de chaleur tel qu’une colle thermique, une patte thermique ou un métal expansible à basse température peut être déposé entre le caloduc 20 et les parois du premier tenon 7 définissant le perçage 7.1. On comprend qu’ainsi le contact est renforcé entre la surface externe du caloduc 20 et la paroi du perçage 7.1 favorisant un transfert thermique de l’un à l’autre par conduction.

A l’extrémité 20.1 des caloducs 20 sont disposées une pluralité d’ailettes 21, de forme annulaire, qui s’étendent chacune dans un plan orthogonal à l’axe X de rotation de la roue 1 et qui sont centrées sur l’axe X de rotation de la roue 1. Les ailettes 21 sont ici espacées les unes des autres à intervalles réguliers et constituent un dissipateur thermique conférant à l’extrémité 20.1 du caloduc 20 une surface libre augmentée.

Les ailettes 21 sont ici pourvues d’une pluralité de trous recevant chacun la portion d’extrémité 20.1 de chacun des caloducs 20. Les ailettes 21 sont ici fixées aux caloducs 20 par hydroformage après avoir été enfilées sur la portion d’extrémité 20.1 de chaque caloduc 20. Ainsi, la portion d’extrémité 20.1 de chaque caloduc 20 est déformée plastiquement et son diamètre est localement déterminé par celui des trous des ailettes 21 dans lesquels la portion d’extrémité 20.1 est reçue. Le contact est ainsi renforcé entre la surface externe du caloduc 20 et les ailettes 21 favorisant un transfert thermique de l’un aux autres par conduction.

Il importe que les ailettes 21 ne gênent pas la rotation de la roue 1 ni le fonctionnement du frein 10 et de ses actionneurs de freinage 14. Dès lors, les ailettes 21 s’étendent de manière à dégager un espace suffisant vis-à-vis du frein 10 et de la jante 2. Les ailettes 21, par leur forme annulaire, sont agencées pour s’étendre autour du support 13.

Les caloducs 20 munis des ailettes 21 permettent de capter la chaleur transmise par les disques 11 à la demi-jante 2a et de la transporter vers les ailettes 21 pour la dissiper par convection dans l’air ambiant. Les caloducs 20 et les ailettes 21 forment ainsi un échangeur thermique dont l’implantation a pour avantage de capter la chaleur au plus près des disques 11 et donc d’en limiter la diffusion dans la jante 2.

Comme illustré à la , la roue 1 est en outre équipée d’une unité d’alimentation 30 configurée pour alimenter en énergie électrique au moins un système électrique (non représenté) situé sur l’atterrisseur P dans un environnement proche du frein 10 de la roue 1. Le système électrique comprend par exemple un capteur et/ou un appareil de communication. Le capteur peut être un capteur de température (par exemple pour mesurer la température régnant à l’intérieur du pneumatique), un capteur de contrainte (par exemple pour mesurer le choc subi par l’atterrisseur P lors d’un atterrissage), un capteur de pression (par exemple pour mesurer la pression à laquelle est assujetti le pneumatique), un capteur de position (par exemple pour mesurer une usure des disques 11)… L’appareil de communication peut être un modem de type « IoT » (Internet of Things) configuré pour transmettre, par ondes radioélectriques, les signaux délivrés par le capteur à une unité de contrôle ménagée dans le cockpit de l’aéronef A ou directement au sol sur un réseau dédié, via une antenne déportée agencée dans la trappe dans laquelle l’atterrisseur P est amené à se loger en vol.

L’unité d’alimentation 30 comprend une pluralité de modules thermoélectriques 31 basés sur l’exploitation de l’effet Seebeck, c’est-à-dire sur l’apparition d’une différence de potentiel à la jonction de deux matériaux conducteurs soumis à une différence de température. En référence à la , chacun des modules thermoélectriques 31 est agencé entre deux ailettes 21 et comprend classiquement :

• une première plaque 32.1 support et une deuxième plaque 32.2 support s’étendant sensiblement parallèlement en regard l’une de l’autre ;
• une pluralité de premières jambes 33.1 en un matériau semi-conducteur de typenet de deuxièmes jambes 33.2 en un matériau semi-conducteur de typeps’étendant de manière alternée entre les première et deuxième plaques 32.1, 32.2 ;
• une pluralité d’éléments d’interconnexion 34 disposés au contact de faces intérieures des première et deuxième plaques 32.1, 32.2 et connectés d’une part à une première jambe 33.1 et d’autre part à une deuxième jambe 33.2.

La face intérieure de la première plaque 32.1 est au contact des éléments d’interconnexion 34 faisant liaison d’une première jambe 33.1 à une deuxième jambe 33.2 dans un sens de circulation d’un courant. La face intérieure de deuxième plaque 33.2 est au contact des éléments d’interconnexion 34 faisant liaison d’une deuxième jambe 33.2 à une première jambe 33.1 dans le sens de circulation du courant. Ainsi, les premières et deuxièmes jambes 33.1, 33.2 sont connectées de manière à former un circuit en série afin de cumuler la différence de potentiel générée par chaque couple de première et deuxième jambes 33.1, 33.2.

Une face extérieure de la première plaque 32.1 est disposée au contact d’un flanc latéral d’une ailette 21 afin de capter la chaleur transmise par les disques 11 à la demi-jante 2a via les caloducs 20 de manière à former une zone dite « chaude ». Sur une face extérieure de la deuxième plaque 32.2 est disposé un dissipateur thermique 35 conférant à ladite deuxième plaque 32.2 une surface libre augmentée en contact avec l’air ambiant de manière à former une zone dite « froide ».

Afin d’assurer un contact optimal et d’éviter la présence d’air entre le module thermoélectrique 31 et l’ailette 21 d’une part, et entre le module thermoélectrique 31 et le dissipateur thermique 35 d’autre part, une pâte thermique est appliquée entre la face extérieure de la première plaque 32.1 et le flanc latéral de l’ailette 21 et entre la face extérieure de la deuxième plaque 32.2 et le dissipateur thermique 35. Un système de fixation (par exemple de type pince ou assemblage boulonné) permet de maintenir en position l’ensemble module thermoélectrique 31 / dissipateur thermique 35 sur l’ailette 21, notamment au regard de la force centrifuge à laquelle est soumis ledit ensemble lorsque la roue 1 tourne.

Les première et deuxième plaques 32.1, 32.2 sont réalisées dans un matériau conducteur thermiquement et isolant électriquement de manière à homogénéiser le gradient de température auquel est soumis chaque jambe 33.1, 33.2 tout en évitant d’uniformiser le potentiel électrique des différents éléments d’interconnexion 34 en contact avec la même plaque 32.1, 32.2.

On comprend qu’une différence de potentiel apparaît aux bornes du circuit ainsi formé lorsque, lors d’un freinage, la première plaque 32.1 capte la chaleur transmise par les disques 11 à la demi-jante 2a via les caloducs 20 équipés des ailettes 21, de sorte que chaque module thermoélectrique 31 convertit la chaleur dégagée par le frein 10 en un courant électrique.

L’unité d’alimentation 30 comprend ici un premier groupe de trois modules thermoélectriques 31 montés en série et un deuxième groupe de trois modules thermoélectriques 31 montés également en série, le premier groupe et le deuxième groupe étant montés en parallèle. Les bornes 36.1, 36.2 du circuit formé par les six modules thermoélectriques 31 sont reliés au système électrique pour l’alimenter électriquement (si nécessaire via un collecteur tournant).

De façon connue, le montage en série des modules thermoélectriques 31 permet d’augmenter la tension du courant électrique fourni par l’unité d’alimentation 30 et d’en faciliter l’exploitation dans l’appareil de communication, et le montage en parallèle des premier et deuxième groupes de modules thermoélectriques 31 permet d’augmenter l’intensité dudit courant électrique et d’en fiabiliser la source en cas de panne ou de casse de l’un ou plusieurs des modules thermoélectriques 31.

On notera que l’agencement des modules thermoélectriques 31 entre les ailettes 21 permet de les protéger des agressions extérieures.

Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.

Bien que les tenons 7 soient ici venus de matière avec la demi-jante 2a, les tenons 7 peuvent aussi être des barrettes rapportées sur la demi-jante 2a et dans lesquelles sont implantés les caloducs 20.

Bien que les caloducs 20 soient ici implantés dans des tenons solidaires de la demi-jante 2a, ils peuvent aussi être implantés dans les tenons 15 solidaires du tube de torsion 12 (ou dans des barrettes rapportées sur le tube de torsion 12) pour capter la chaleur des disques 11 et en limiter la diffusion dans ledit tube de torsion 12.

Bien qu’ici l’ensemble des tenons 7 soit pourvu d’un caloduc 20, seule une partie des tenons 7 peuvent accueillir un caloduc 20.

Bien qu’ici des caloducs 20 soient utilisés pour capter la chaleur transmise par les disques 11 à la demi-jante 2a et de la transporter vers la première plaque 32.1 des modules thermoélectriques 31 via les ailettes 21, d’autres types d’échangeurs peuvent être utilisés, notamment ceux utilisant un matériau à changement de phase, pour extraire la chaleur du frein 10 et assurer un gradient thermique le plus élevé possible entre les première et deuxième plaques 32.1, 32.2 des modules thermoélectriques 31.

Bien que l’extrémité 20.1 des caloducs 20 soit ici pourvue d’ailettes 21, d’autres types de dissipateur thermique peuvent être utilisés pour transporter la chaleur captée par le caloduc 20 vers la première plaque 32.1 des modules thermoélectriques 31.

Le nombre et la forme des ailettes 21 peuvent différer de celles illustrées à la .

Le nombre de modules thermoélectriques 31 peut différer de celui illustré à la .

Bien que les caloducs 20 soient ici implantés à l’horizontal, ils peuvent également être légèrement inclinés et former un angle non nul avec l’axe X de rotation de la jante 2 afin de faciliter leur fonctionnement vis-à-vis de la gravité.

Les matériaux utilisés pour les modules thermoélectriques 31 sont bien connus de l’Homme du métier et dépendent de la gamme de température de fonctionnement.

Bien que l’extrémité 20.1 du caloduc 20 soit ici en saillie de la demi-jante 2a, le perçage 7.1 peut aussi être ménagé de sorte que l’extrémité du caloduc portant les ailettes soit en saillie de la demi-jante 2b, en particulier dans le cas d’une jante monobloc. Les ailettes 21 et les modules thermoélectriques 31 sont alors agencés à l’intérieur de la demi-jante 2b.

Bien qu’ici le caloduc 20 soit maintenu en position dans le tenon 7 par hydroformage, d’autres modes de fixation peuvent être utilisés (collage, boulonnage, fabrication additive…).

Les modules thermoélectriques 31 peuvent être rigides ou souples.

Bien que les modules thermoélectriques 31 soient ici montés en série et parallèle, ils peuvent être reliés directement au système électrique.

Plusieurs modules thermoélectriques 31 peuvent être au contact d’une même ailette 21. Par exemple, deux modules thermoélectriques 31 peuvent être disposés sur un même flanc latéral d’une ailette 21. Par exemple encore, deux modules thermoélectriques 31 peuvent être disposés de part et d’autre d’une même ailette 21.

Bien que le système électrique comprenne ici un capteur et/ou un appareil de communication, tout type de système électrique peut être alimenté par l’unité d’alimentation 30 : ventilateur de refroidissement du frein 10, dispositif d’entrainement en rotation de la roue 1, batterie…

Claims (10)

1. Roue (1) d’aéronef comportant une jante (2) équipée de disques rotors (11b) entraînés en rotation avec la jante au moyen de premiers tenons (7) solidaires de la jante et engagées dans des encoches des disques rotors, des disques stators (11a) étant intercalés entre les disques rotors et pourvus d’encoches engagées sur des deuxièmes tenons (15) solidaires d’un tube de torsion (12) de frein fixe en rotation par rapport à un essieu (4) portant la roue, caractérisé en ce que la roue comporte au moins un échangeur thermique (20, 21) agencé pour capter la chaleur transmise par les disques à au moins l’un des premiers tenons ou des deuxièmes tenons, et au moins une unité d’alimentation (30) configurée pour alimenter électriquement un système électrique équipant la roue, l’unité d’alimentation comprenant au moins un module thermoélectrique (31) dont une première face est en contact avec l’échangeur thermique pour transformer la chaleur captée par ledit échangeur thermique en un courant électrique.
2. Roue (1) d’aéronef selon la revendication 1, dans laquelle l’échangeur thermique comprend au moins un caloduc (20) fritté s’étendant dans au moins l’un des premiers et deuxièmes tenons sensiblement parallèlement à un plan passant par un axe (X) de rotation de la roue, le caloduc ayant une extrémité (20.1) en saillie à l’extérieur de la jante (2), et au moins un premier dissipateur thermique (21) solidaire de l’extrémité du caloduc, le module thermoélectrique (31) étant en contact avec le dissipateur thermique.
3. Roue (1) d’aéronef selon la revendication 2, dans laquelle le premier dissipateur thermique comprend des ailettes (21) conférant à l’extrémité (20.1) du caloduc (20) une surface libre augmentée, le module thermoélectrique (31) étant en contact avec l’une des ailettes.
4. Roue (1) d’aéronef selon la revendication 3, dans laquelle le module thermoélectrique (31) est agencé entre deux ailettes (21).
5. Roue (1) d’aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le module thermoélectrique (31) comprend une deuxième face opposée à la première face et sur laquelle est disposé un deuxième dissipateur thermique (35) conférant audit module thermoélectrique une surface libre augmentée.
6. Roue (1) d’aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le système électrique est un capteur de mesure.
7. Roue (1) d’aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les premiers tenons (7) sont venus de matière avec la jante (2).
8. Roue (1) d’aéronef selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les premiers tenons (7) sont des barrettes rapportées sur la jante (2).
9. Atterrisseur (P) d’aéronef comprenant au moins une roue (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
10. Aéronef (A) comprenant au moins un atterrisseur selon la revendication 9.