Brevet FR2451511A1 — publié le 19801010

DISPOSITIF DE SUSPENSION La présente invention a pour objet un dispositif de suspension permettant d'amortir les sollicitations vibratoires, auquel il est soumis, dans un large spectre de fréquence qui inclut une zone de fréquence voisine de la fréquence de résonnance dudit dispos tif et dans une large gamme de température. I1 est connu d'utiliser des dispositifs de suspension lorsqu'il est nécessaire d'isoler un objet des sources vibratoires auquel il serait normalement soumis. I1 en est ainsi, par exemple, lorsque l'on veut isoler le moteur d'une automobile du reste de la structure. Pour cela, il est nécessaire d'utiliser un ou plusieurs dispositifs de suspens ion afin que ces derniers filtrent au maximum les vibrations en provenance du moteur de façon à diminuer le plus possible le bruit transmis par voie mécanique et éviter la sollicitation des résonnateurs toujours présents au niveau du chassis ou de la carrosserie. Dans le cas général d'un dispositif soumis aux sollicitations vxbratoires provenant d'un moteur, les vibrations varient dans un large spectre de fréquence selon que le moteur tourne à bas ou à haut régime. Ainsi, une suspension doit pouvoir amortir les vibrations dans une large gamme de fréquence tout en conservant une raideur suffisante pour assurer le maintien du dispositif. I1 est nécessaire, à ce propos, de rappeler certaines notions théoriques afin de mieux souligner les problèmes résolus par la présente invention. Le spectre d'excitation d'un matériau non amorti soumis à des vibrations de fréquence pouvant varier de 0,1 à plusieurs centaines de herz peut être divisé en deux zones bien distinctes séparées par un point que l'on appelle fréquence de coupure. Dune part une zone dite de surtension, voisine de la fréquence de résonnance, où l'amplitude de la vibration à laquelle le matériau est soumis est multipliée. L'augmentation de l'amplitude sera d'autant plus importante que l'on sera proche de la fréquence de rés onnance à laquelle l'amplitude tend vers l'infini. Cette zone de surtension concerne, en général les basses fréquences puisqu' elle débute à fréquence nulle et finit à la fréquence de coupure. D'autre part, une zone d'atténuation où le matériau ne transmet que partiellement les vibrations auxquelles il est soumis et où il joue effectivement son rôle d'isolation entre le milieu excitateur et le milieu récepteur. Dans le cas du matériau non amorti, l'atténuation décroit de 12 dB/octave à partir de la fréquence de coupure et constitue ainsi la courbe idéale d'amortissement dont tout dispositif de suspension doit se rapprocher. Cette zone concerne en général les fréquences supérieures aux précédentes. La réalisation d'un dipositif de suspension pose donc deux problemes contradictoires. Un dispositif de suspension doit présenter l'amortissement maximum dans la zone de surtension tout en conservant l'atténuation maximum dans la zone d'atténuation. Par ailleurs, un dispositif de suspension doit présenter les qualités énoncées ci-dessus dans une gamme de température la plus large possible. C'est le cas, notamment, des suspensions pour moteur automobile qui doivent garder les mêmes propriétés selon que la température soit de 80"C sous le capot, lorsque le moteur tourne, ou de - 20"C par temps très froid. Afin de satisfaire les conditions décrites ci-dessus il a été proposé plusieurs dispositifs. I1 est bien connu d'utiliser un ressort que l'on insère entre le système vibratoire et l'objet à isoler. Ce système présente d'excellentes performances d'atténuation mais a toutefois l'inconvénient de présenter une grande amplification à la fréquence de résonnance et donc d'être inutilisable aux basses fréquences. L'amplification atteint couramment des valeurs de l'ordre de 15. Afin de remédier à cet inconvénient, il a été proposé d'associer aux ressorts des frottements secs (paille de fer, frotteurs, etc...) qui permettent d'atténuer, par frottement, l'amplitude de la vibration dans la zone de surtension et notamment au niveau de la fréquence de résonnance. Ce système présente, toutefois, plusieurs inconvénients. En effet, l'isolation antivibratoire dans la zone d'atténuation est beaucoup moins satisfaisante. C'est-à-dire que l'on s'éloigne considérablement de lratténuation idéale, présentée dans cette zone par le matériau non amorti. En outre, l'amortissement dans la zone de surtension est encore assez faible : la surtension présente couramment des valeurs comprises entre 4 et 10. Un autre moyen d'apporter un amortissement appréciable est d'utiliser un fluide très visqueux (huile silicone, par exemple) enfermé dans une enceinte liée pour une part à la base du plot, pour une autre part à son sommet, limitée soit par des pièces métalliques qui s'emboîtent, soit par une paroi déformable en élastomère (caoutchouc ou silicone),laquelle peut suffir à créer la raideur suffisante, rendant inutile éventuellement la présence du ressort métallique. Le déplacement relatif entre la base et le sommet du plot oblige le fluide visqueux à un déplacement, ce qui provoque l'amortissement recherché. Ce dernier peut être augmenté par l'effet du déplacement des spires du ressort dans le fluide, et plus encore par l'ajout d'un piston plan perpendiculaire à l'axe du déplacement, constitué par une rondelle en saillie à l'intérieur du plot ou tout autre dispositif analogue. Ces dispositifs sont bien connus et sont notamment décrits dans le brevet français 2 212 012. Mais ils ont l'inconvénient majeur de présenter une pente d'atténuation d'autant plus éloignée de l'atténuation idéale de 12 dB/octave que l'amortissement obtenu est élevé. Cette atténuation varie en général de 4 à 8 dB/octave. Les performances d'isolation à moyenne et haute fréquence sont donc encore limitées. On a également proposé d'utiliser un dispositif de suspension à base de blocs d'élastomère, afin de profiter des propriétés amortissantes intrinsèques de l'élastomère, liées à ses caractéristiques viscoélastiques. II s'agit d'un dispositif de suspension de type "silent block", la forme du bloc d'élastomère pouvant être très variée, pour mettre à profit les propriétés -du matériau, tant en traction - compression qu'en cisaillement, avec des raideurs globales verti cales et transversales adaptées au problème. L'amortissement obtenu est très proche de la loi théorique connue sous le nom d"'amortissement hystérétique" qui offre une courbe d'atténuation aussi favo rable que celle d'une raideur pure (soit 12 dB/octave). Ce type de suspension ofrre donc des performances d'isolation à haute fréquence sensiblement meilleures que les réalisations précédemment décrites. Ce dispositif est toutefois limité par la tenue mécanique nécessaire à toute réalisation de ce genre. En effet, ce genre de dispositif est sensible à la tem pérature et pose des problèmes de tenue et de fluage importants sous l'effet de la charge statique continue et ce sautant plus qu'il présente un amortissement élevé. Afin de remédier à cet inconvénient, il a été proposé d'associer un ressort -à la masse de l'élastomère amortissant. La réalisation d'un tel dispositif pose toutefois de délicats problèmes d'adhésion caoutchouc-métal qui augmentent son coût. Les qualités amortissantes de ce dispositif, en outre, varient selon la température d'utilisation. Pour les memes raison que ci-dessus, il est difficile d'employer, dans une telle réalisa tion, des élastomères très amortissants, d'où, en général, une surtension au moins égale à 8. Enfin, ces dispositifs sont sujets à des pertes d'adhérences caoutchouc-métal, par fatigue, sous des vibrations intenses. Une réalisation particulierement intéressante a été proposée dans la demande de brevet français 78.28394 Il s'agit d'un dispositif de suspension cons titué par une enveloppe en forme de coupole,rendue étanche, en matériau viscoélastique, enfermant un volume de fluide (compressible ou non) Les efforts et vibrations auxquels le plot est soumis sont transmis radialement par le fluide à l'ensemble de la paroi, laquelle apporte sa raideur et surtout son amortisse ment élevé. Une raideur classique en parallèle, par exemple un ressort, peut apporter, par ailleurs, une contribution à la tenue de la charge statique. Nais cette réalisation n'est utilisable qu'entre 0 C et 40CC. L'objet de la présente invention est précisément de remédier à tous les inconvénients ou insuffisances précédentes. C'est-à-dire, de réaliser un disposi tif de suspension présentant de meilleures qualités amortissantes et une atténuation très voisine de l'atténuation idéale dans une gamme de température et de frequence très étendue, applicable à tout probleme mécanique, pour des fréquences propres de suspension pouvant être aussi basses que 3 ou 4 herz. Selon la présente invention, le dispositif de suspension d'objets, et notamment de moteur pour automobile, interposé entre le système vibratoire et la partie à isoler des vibrations est caractérisé en ce qu'il comprend (i) un moyen élastique, métallique ou élastomérique, disposé selon l'axe de la charge et présentant une raideur convenable permettant d'assurer en position statique le maintien du dispositif, (ii) des moyens pour fixer ledit moyen elastique au système vibratoire et à la partie à isoler des vibrations, (iii) un matériau visco-élastique, associé en parallèle au moyen élastique, ledit matériau visco-élastique étant compact et présentant un coefficient d'amortissement tg compris entre 0,4 et 3, et un module d'élasticité compris entre 105 et 5.108 N/m2 et une dureté inférieure à 15 shore A, dans une large gamme de température et dans tout le domaine de fréquence des vibrations mécaniques, ledit matériau visco-élastique étant lui-même enveloppé dans une membrane élastique reliée, par les mêmes moyens de fixation que ceux utilisés pour le moyen élastique ou par des moyens de fixation différents, au système vibratoire et à l'objet à isoler des vibrations Les moyens élastiques utilisés pour assurer la bonne tenue mécanique de l'objet sont très divers.On peut citer à titre indicatif et non limitatif, les moyens suivants : un ou plusieurs ressorts tous disposés dans l'axe de la charge ou symétriquement par rapport à cet axe, des lames métalliques disposées en cerceau et fixées à leurs extrémités à la source de vibration et à l'objet à amortir, par un moyen de fixation, une coque en caoutchouc naturel ou en matière plastique, un bloc d'élastomère peu amorti de forme quelconque adaptée au problème. Dans le cas d'un ressort, afin d'éviter les mouvements de rotation autour de la spire, il est avantageux d'en utiliser plusieurs, tous disposés symétriquement par rapport à l'axe de la suspension. On pourra aussi, dans ce cas, avantageusement insérer une rondelle d'isolation, par exemple en caoutchouc cannelé, ou sous tout autre forme entre le ressort et les embases. La raideur statique d'un tel moyen sera déterminée par l'homme de métier selon le poids de la charge à supporter. La raideur du produit amortissant est très faible, donc négligeable, mais il peut être tenu compte. dans le calcul de la raideur complémentaire de la membrane élastique. Les moyens de fixation seront adaptés en fonction de l'utilisation envisagée par l'homme de métier. Sur le plan économique, il est avantageux de fixer le moyen élastique par un système de sertissage et d'emboutissage, au moyen d'embases métalliques. On appelle matériau visco-élastique les élastomères qui présentent les caractéristiques suivantes - une élasticité multidirectionnelle, qui permet à un bloc de matériau de se déformer suivant ses divers degrés de liberté, le rappel élastique étant variable suivant la direction, selon le facteur de forme de ce matériau. Cette propriété est définie quantitativement par le module d'élasticité ou module dVYoung ; - un amortissement, lié à la nature même du matériau, qui se traduit par une dissipation de l'énergie sous forme calorique au sein de l & matière. La grandeur caractéristique de l'amortissement est le facteur de perte tg Comme il est écrit précédemment, les matériaux visco-élastiques utilisables pour la présente invention sont nécessairement des matériaux présentant un facteur de perte compris entre 0,4 et 3, un module d'élasticité E (N/m2) compris entre 105 et 108 et une dureté inférieure à 15 shore A. La faible dureté peut être soit une propriété intrinsèque du matériau, soit le résultat d'une mise en oeuvre adaptée (mousse en particulier). On peut citer à titre indicatif et non limitatif, les résines polyuréthannes à base de copolymères glycol-diisocyanates. On peut utiliser avantageusement les résines polyuréthannes Népurane PUAD ou les Népurane PI sous forme de mousse, commercialisées par la demanderesse. Le matériau visco-élastique, ou la mousse de matériau visco-élastique, remplit complètement le volume prévu à cet effet, toute poche d'air localisée étant, en particulier, exclue lors du montage Ledit matériau visco-élastique est enveloppé dans une membrane élastique qui assure la protection et, éventuellement, l'étanchéité du dispositif. Ladite membrane est elle-même en contact avec le système vibratoire et avec la partie à isoler, par l'intermédiaire de moyens de fixation dans lesquels les extrémités supérieures et inférieures de la membrane sont insérées. On peut fixer les membranes par exemple par vulcanisation. Ces moyens de fixation peuvent être avantageusement les mêmes que ceux utilisés pour fixer les moyens élastiques. Cette particularité sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation décrits ci-après. La demanderesse a observé de façon surprenante que la présente invention permettait d'obtenir un amortissement très élevé aux basses frequenees et une atténuation très proche de celle que permet un matériau non amorti dans ledonaine des hautes fréquences, avec un plot de dimension très faible relativement à la charge qu'il est amené à supporter. I1 doit être souligné que, outre les propriétés amortissantes meilleures que celles de l'art antérieur dans une gamme de température très étendu, entre - 60"C et 1500C, la présente invention permet d'obtenir des dispositifs extrêmement compacts, ce qui le rend très avantageux pour des utilisations telles que, par exemple, la suspension de moteur automobile, ou d'appareillages électroniques et de guidage qu'il faut protéger, ou tout autre équipement. On donne ci-après une description détaillée de quatre dispositifs préférés selon l'invention en se reportant aux figures 1 à 4. Ces derniers représentent seulement un mode particulier d'exécution de l'invention. - La figure 1 représente une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention - la figure 2 représente une vue en perspective d'un autre dispositif selon l'invention - la figure 3 représente une vue en perspective d'une variante du disposi tif selon la figure 2 - la figure 4 représente une vue en coupe d'un autre dispositif selon 1' invention. - La figure 5 représente les courbes de transmission de fréquence de différents isolateurs en fonction de la fréquence de vibration à laquelle il sont soumis, la courbe A représente la courbe de transmission d'un ressort la courbe B représente la courbe de transmission d'un dispositif selon la présente invention la courbe C représente la courbe de transmission d'un isolateur à frottement visqueux la courbe D représente la courbe de transmission d'un isolateur à frottement sec. Le dispositif selon la figure 1 comprend deux lames en acier (1) disposées en cerceau et fixées à leurs extrémités à deux embases disposées dans l'axe de la charge (2) permettant la fixation du dispositif. A l'intérieur de l'enveloppe virtuelle formée par les lames est logée la masse compacte de matériau viscoélastique précédemment défini (3) enveloppée dans une membrane élastique (4) dont les extrémités supérieures et inférieures sont reliées aux embases (2). La figure 2 représente un dispositif dans lequel le moyen élastique est noyé dans le matériau visco-élastique. Ce dispositif est particulièrement avantageux étant donné sa compacité améliorée par rapport au dispositif précédent. Le dispositif de la figure 2 est constitué d'un ressort (1) disposé selon l'axe de la charge, fixé par emboutissage et sertissage sur des embases (2) per mettant la fixation du dispositif, noyé dans un matériau visco-élastique (3) enveloppé dans une membrane élastique (4) qui est fixée à ses extrémités supérieures et inférieures aux embases (2), assurant ainsi l'étanchéité du dispositif. Ledit ressort (1) étant isolé des embases (2) par des rondelles d'isolation (6) en caoutchouc cannelé. Une variante particulièrement intéressante de ce dispositif est représentée à la figure 3 et consiste à utiliser un ressort de forme conique (I), disposé selon l'axe de la charge, dont le sommet est fixé ou posé sur une embase (2) et dont la base est fixée ou posée sur un support (5), ledit ressort étant noyé dans le matériau visco-élastique (3) enveloppé dans une membrane élastique (4) qui a la forme d'une cloche et dont les extrémités supérieures et inférieures sont respectivement fixées à l'embase (2) et au support (5). Ledit ressort (1) étant en outre isolé de l'embase (2) et du support (5) par des rondelles d'isolation (-6) en caoutchouc cannelé. La figure 4 représente un dispositif où le moyen élastique (1) est un bloc de matériau élastique, ayant -la forme indiquée dans la figure, disposé selon les raideurs axiales et transverses recherchées, incluant des vides à sa partie supérieure et à sa partie inférieure, ledit matériau est noyé à sa périphérie, comme dans les dispositifs 2 et 3 dans le matériau visco-élastique (3). Exemple de réalisation On a réalisé dans cet exemple le dispositif de suspens ion représenté à la figure 3. On reconnait sur cette figure le moyen élastique (1) constitué par un ressort conique dont l'axe de révolution est dans le prolongement de l'axe de la charge. La base et le sommet de ce ressort prennent appui sur l'embase (2) et sur le support (5). Le ressort est noyé dans un matériau visco-élastique (3) qui est enveloppé par la membrane élastique (4) en forme de cloche. Deux rondelles (6) sont insérées comme précédemment. Le ressort, les embases, sont en acier, le matériau visco-élastique est une résine polyuréthanne connue sous le nom de la marque Népurane 1140 PUAD, commercialisé par la demanderesse. Les dimensions générales sont données par les dimensions particulières ci-dessous --hauteur du ressort 65 mm à vide, - largeur à la base 50 mm x 168 mm (cette dernière cote peut être réduite selon les moyens de fixation) - largeur au sommet qui = 37 mm - hauteur sous charge de 80 Kg :52 imn - fréquence propre : 7 Uz. L'isolateur selon cette réalisation préférée présente les performances suivantes - surtension à la résonnance : Q = 2,5 - atténuation de 10 dB/octave. Ces performances ont été mesurées à 200C mais sont pratiquement identiques dans un domaine de température compris entre - 200C et + 800C. Cette atténuation est donc très proche de celle que l'on mesure pour un matériau non amorti (12 dB/octave). Comme on peut le constater sur la figure 5 I'atténuation à 100 Hz du présent dispositif est dix fois plus importante que l'isolateur fonctionnant par frottement et 4 fois plus importante que l'isolateur fonctionnant par viscosité. REVENDICATIONS 1. Dispositif de suspension d'objet, notamment utile pour la suspension de moteur d'automobile, interposé entre le système vibratoire et la partie à isoler des vibrations, caractérisé en ce qu'il comprend (i) un moyen élastique, métallique ou élastomérique, disposé selon l'axe de la charge et présentant une raideur convenable permettant d'assurer en position statique le maintien du dispositif, (ii) des moyens pour fixer ledit moyen élastique au système vibratoire et à la partie à isoler des vibrations, (iii) un matériau visco-élastique, associé en parallèle au moyen élastique, le dit matériau visco-élastique étant compact et présentant un coefficient d'amortissement tg g compris entre 0,4 et 3, et un module d'élasticité com pris entre 105 et 5.108 N/m2, et une dureté inférieure à 15 shore A, dans une large gamme de température et dans tout le domaine de fréquence des vi brations mécaniques, ledit matériau visco-élastique étant lui-même envelop pé dans une membrane élastique reliée, par les mêmes moyens de fixation que ceux utilisés pour le moyen élastique ou par des moyens de fixation diffé rents, au système vibratoire et à l'objet à isoler des vibrations. 2. Dispositif de suspension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par un ressort, fixé par des moyens au système vibratoire et à la partie à isoler des vibrations, noyé dans la masse du matériau visco-élastique, ledit matériau visco-élastique étant enveloppé dans une membrane élastique dont les extrémités supérieures et inférieures sont fixées aux mêmes moyens de fixation que ceux utilisés pour fixer le ressort. 3. Dispositif de suspension selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué par des lames d'acier disposées en cerceau et fixées à leurs extrémités à deux moyens de fixation, le matériau visco-élastique étant logé à l'intérieur de l'enveloppe virtuelle formée par les lames d'acier, enveloppé par une membrane élastique fixée à ses extrémités supérieures et inférieures aux mêmes moyens de fixation que ceux utilisés pour fixer les lames d'acier. 4. Dispositif de suspension selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen élastique est un matériau élastique disposé selon les raideurs axiales et transversales recherchées, incluant des vides à sa partie supérieure et inférieure et noyé dans un matériau visco-élastique lui-même enveloppé dans une membrane élastique, ledit moyen élastique étant en outre relié auimoyens de fixations.