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TECHNOLOGIE D’UN AVION LEGER EN BOIS ______________________ Autopsie d’une structure

1 Présentation Aucun concepteur ne s’amuse à inclure dans un avion des éléments non fonctionnels. Chacun « bout de bois »Chaque pièce répond à un cahier des charges fixé soit par l’aérodynamique , soit par l’ergonomie, soit par des considérations mécaniques ou structurales. Le but de cet exposé est de découvrir le rôle de chaque composant dans le cheminement desla technologie utilisée pour chaque composant charges en essayant de le replacreplaçanter dans un contexte « structure ».

2 - Principes génerauxgénéraux Chaque dessin d’un élément est conditionné par son cahier des charges pour résister à : des efforts dans son plan ou perpendiculaires qui se traduisent par un cisaillement et une flexion des efforts excentrés qui se traduisent par des torsions En fonction de ces critères, les pièces sont dimensionnées soit en résistance, soit en déformation. Moyens de tenir les efforts. Efforts verticaux ou horizontaux provoquantprovocant un cisaillement. Ces efforts passent par : une âme ou revêtement travaillant (cas des longerons et fuselages coques) : L’âme, pour travailler correctement sans plissement, est maillée par des raidisseurs placés souvent en face des nervures pour un longeron d’aile.

une structure triangulée(cas des fuselages dits treillis) : Le principe est identique à celui des fuselages tubulaires métalliques.

Flexion Le moment de flexion est repris par : un ensemble de 2 éléments (semelles ou revêtement travaillant) soumis l’un à une compression l’autre à une traction :


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Dans le cas d’une peau mince de revêtement ,revêtement, celle-ci est raidie par des profilés, ou plus généralement ,généralement, en construction bois ou plastique par une construction en sandwich. Torsion La torsion (aile, fuselage, gouverne, etc..) est reprise par : - un caisson fermé à revêtement travaillant, notamment caisson avant de voilure. - une structure triangulée, souvent utilisée pour les gouvernes

- éventuellement par une flexion différentielle de deux éléments solution souvent rencontrée pour les flancs de fuselage au niveau de la cabine

3 – Longeron Deux principes sont couramment utilisés : longeron encaissant uniquement la flexion longeron encaissant la flexion et la torsion 3.1 Uniquement la flexion : La largeur est souvent conservée constante pour faciliter la fabrication et montage des nervures .nervures.

Semelle

Ames

Vue de profil

Par usinage Épaisseur variable des semelles Par collage

La semelle supérieureinférieure a une section plus importante que la semelle inférieuresupérieure car le bois n’aime pas la compression. 3.2 Flexion et Torsion : L’épaisseur des semelles est constante. Les âmes et revêtement forment le caisson de torsion.


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Vue en plan

Epaisseur constante des semelles

4 – Nervures Plusieurs principes sont en concurrence :

Baguette

1°Ce procédé donne sensiblement une égale résistance en vol normal et inversé. Gousset contre-plaqué

2°Fabrication plus rapide, mais le sens des diagonales est privilégié pour travailler en traction.

3°Solution simple sans diagonale, mais plus lourde. Valable pour les petites nervures Flanc en contre-plaqué

5 – Assemblage nervures/longeron Deux principes : 1° nervures enfilées sur le longeron Cette solution n’est réalisée que sur des ailes entoilées.

Tasseau de liaison

Semelle de nervure

Variante peu utilisée : les tasseaux sont remplacés par des cales ajustées entre semelles de nervure et longeron. La transmission des efforts se fait par les deux montants de nervure collés sur les âmes du longeron et par la reprise des semelles de nervures par les tasseaux sur les faces inférieures et supérieures du longeron.


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2° demi-nervures de part et d’autre du longeron. Cette solution impose une mise en forme du longeron en accord avec le profil. Le revêtement de voilure assure le rôle de gousset et transmet les charges sur les faces inférieure et supérieure du longeron.

Demi-nervure

Longeron en forme

Revêtement de bord d’attaque en feston

Dans le cas d’une aile entoilée en arrière du longeron le revêtement de bord d’attaque est prolongé en feston pour reprendre les demi-nervures arrière.

6 - Ensemble voilure Surface arrière entoilée

Deux principes : - ailes d’une seule pièce :

Attaches voilure/fuselage

- demi-voilure :

Attaches voilure/fuselage


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7 – Liaison Voilure – Fuselage Les principes sont totalement différents selon le type de voilure : 7.1 Aile d’une seule pièce L’attache principale ne transmet que les efforts verticaux ety la trainéetraînée. L’attache Arrière équilibre la torsion. Les flexions s’équilibrent directement dans le longeron.

Cadre principal longeron

Attache principale : La solution la plus classique est celle du boulon traversant le longeron et un cadre du fuselage Attache Arrière : Elle dépend essentiellement de la technologie de l’aile et Axe d’attache du fuselage .fuselage. En général, elle n’introduit dans le fuselage qu’une charge verticale due à la torsion de la voilure, notamment à l’atterrissage pour les avions à train classique.

7-2 Demi-voilure La flexion des ailes passentpasse par des éléments du fuselage : Solution classique Rencontrée surtout sur des fuselages à caisson central ou fuselage métallique en treillis.

Axes d’attache

Cadre de fuselage

Les ferrures sont longues pour repartir les efforts dans les semelles. Elles sont souvent d’épaisseur décroissantesdécroissante.

AutreAutre solutions plus rare Sur des fuselages métalliques ou plastiqueplastiques, en général biplace cote à cote. Axes d’attache

Cadre de fuselage


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L’écartement entre les axes diminue les charges locales à introduire dans le fuselage

Les attaches arrière sont identiques à celle d’une aile en une seule partie, mais transmettent un effort horizontal vers l’axe avion du fait de l’interruption du longeron arrière.

8 – Articulations des gouvernes (Ailerons et Volets) De très nombreuses conceptions sont rencontrées : 8-1 Articulations ponctuelles : Avec nervures enfilées sur le longeron arrière :

Avec longeron arrière en bout des nervures :

8-2 Charnières continues : du type : « piano » surtout pour des petites gouvernes ou tabs

8-3 Paliers d’extrémités : solution peu utilisée

Quel que soit le type utilisé, les ferrures ont une certaine rigidité latérale et l’ensemble des fixations doit autoriser le débattement même avec une flexion voilure importante ; d’où simplement 2 fixations par élément de gouverne et des rotules de préférence aux paliers lisses. Il existe cependant des paliers « Rilsan ».

9 - Articulation des gouvernes (Profondeur et direction)


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Comme pour les ailerons ,ailerons, de nombreuses solutions sont rencontrées qui diffèrent principalement sur la technologie de leur fabrication : tôle pliée, ferrure coulée ou matricée, usinée…

tôle pliée

tôle pliée

coulée ou matricée

coulée ou matricée

usinée

usinée

Le poids propre de la gouverne de direction conduit souvent à une ,une, au moins, des ferrures avec extension dans le plan vertical.

10 – Equilibrage des gouvernes La technologie varie suivant la position de l’axe d’articulation. Deux solutions indifféremment :

10 – 1 Masse répartie Le long du bord d’attaque de la gouverne Masse d’équilibrage

10- 2 Masse concentrée masse Quelques fois plusieurs masses par gouverne Dans bec de compensation

Solutions rencontrées pour des gouvernes profondeur ou direction :

Gouverne à axe déporté


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Masse d’équilibrage

11 - Fuselage Les fuselages de la plupart des avions légers en bois sont réalisés à partir de la même conception : des flancs construits à plat et assemblés sur des cadres qui leur donne forme et rigidité. Les structures inférieures et supérieures sont réalisées sur le fuselage assemblé.

Cadre attache arrière Cadre principal

Etambot

Les cadres n’existent qu’à l’endroit d’introduction d’efforts : cloison pare-feu ; cadre principal d’attache voilure ; niveau de l’attache arrière ; support de roulette et étambot.

Flanc de fuselage

La partie Avant du fuselage et notamment des flancs est toujours revêtue de contre-plaqué pour prendre les cisaillements importants dus aux efforts d’inertie du moteur dans les ressources ou atterrissages. Les flans travaillent en flexion différentielle dans la zone habitacle. La partie Arrière est soit en treillis, soit traitée en coque. Dans les 2 cas, elle supporte les efforts des empennages et torsion due aux charges de la direction et charges dissymétriques de l’empennage horizontal.

14 12 – Bielles de commandes de vol Les bielles de commandes de vol paraissent souvent sur dimensionnées car elles sont définies par la rigidité de la chaîne cinématique et non par les efforts (forfaitaires ou aérodynamiques) appliqués. Les bielles sont terminées par des embouts, l’un fixe, l’autre réglable. 12 4-1 Embout fixe Bielle en acier

:

ou

soudure


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Bielle en alliage léger : rivet

12 -2 Embout réglable :

Embout réglable La plupart des bielles Ecrou réglables possèdent un moyen de contrôle de la garde de filetage restant en prise : soit par une gorge circulaire sur l’embout réglable, soit par un trou de contrôle sur l’embout coté bielle.

13 – Commande de tab La technologie des commandes de tab a pour particularité de rendre celui-ci irréversible. Cette commande est très démultipliée pour éviter un facteur de charge élevé en cas de manœuvre brutale ou accidentelle. Elle est manuelle ou électrique et passe souvent par une vis sans fin et des câbles semirigides sous gaine. Câble sous gaine

Volant de commande

Cardan Vis sans fin Poulie fixée sur plan fixe

Lorsque la commande de tab n’est pas irréversible, il est équilibré à 100 % :

Masse d’équilibrage


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14 – Bati-moteur Les points d’attache sur la cloison sont situés au droit des longerons de fuselage. Les moteurs sont fixés par 4 points munis de « silentblocs » à axe parallèle ou convergent. Le moteur déposé, chaque bâti possède au moins un point fixe dans l’espace ( c’est à dire parfaitement triangulé vis à vis de la cloison pare-feu). Les autres points sont, soit rendus fixes par le bâti lui-même, soit par le carter moteur qui fait office de triangulation. Un anneau circulaire existe souvent pour solidariser les 4 points.

Décalage axe moteur : 2 à 3 °

Pour un avion de voyage un décalage de l’axe moteur de 3° environ par rapport à l’axe avion permet de contrer la dissymétrie du souffle hélicoïdal. Des renforts de la cloison pare-feu servent parfois de triangulation du bati-moteur.

15 - Attaches moteur sur bati et bati sur cloison Les solutions dépendent essentiellement du type de moteur et des silentblocs utilisés. Coté bâti, dans beaucoup de conceptions une grosse pièce tournée est utilisée et reçoit les différentes barres du bâti.

Coté cloison, la conception des attaches est liée à la réalisation du fuselage. L’axe des barres passe au plus près des boulons de fixation.

Ferrure sur cloison Modèle 1

Ferrure sur cloison Modèle 2

Ces deux solutions sont utilisées. Le modèle 1 est de moindre coût, tandis que le modèle 2 est plus élaboré pour la tenue en fatigue.


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16 – Fixation train d’atterrissage sur longeron Les semelles du longeron sont très rarement percées. Le principe de fixation du train principal est similaire aussi bien pour un train classique que tricycle. Deux solutions existent selon le montage voilure : - nervures enfilées - demi-nervures de part et d’autre du longeron

16 - 1 Nervures enfilées Des cales existent de part et d’autre du longeron et sont percées par les boulons de fixation. Le train comporte 2 platines qui enserre le longeron. Les efforts verticaux passent directement en appui. Les cales assurent la transmission de la torsion. Cette solution est surtout rencontrée pour des longerons de faible profondeur. cales

16 – 2 Demi-nervures Le train prend appui sur la face avant du longeron et est lié à une contre-plaque arrière par l’intermédiaire de boulons passant entre les semelles du longeron. La plaque avant et arrière prennent appui sur les faces des semelles pour les efforts de torsion et traînée. Ce principe plaque et contre-plaque est également utilisé pour tenir l’axe de pivotement d’un train rentrant.

boulons

17 – Conclusion L’examen des détails de fabrication d’un avion léger en bois permet de réfléchir au travail demandé au concepteur ou au bureau d’études. L’analyse ci-dessus, qui pourrait encore être étendue aux avions métalliques ou composites, montre que, sur un cahier des charges donné, plusieurs conceptions peuvent en découler. C’est ce qui fait la diversité et la richesse de l’aviation légère . r:

boulons

Technologie d'un avion leger en bois  

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