Brevet FR2538896A1 — publié le 19840706

L'invention concerne un dispositif destiné à amortir des vibrations L'invention concerne plus par- ticulièrement un dispositif destiné à atténuer l'effet de vibrations résonnantes sur un gyroscope accordé. Des gyroscopes accordés secs (c'est-à-dire non montés dans une suspension fluide ou pneumatique, mais au moyen d'une articulation flexible ou d'un ressort) sont sujets à des erreurs et des détériorations résultant de transmissibilités importantes caractéristiques (à la fois radiales et axiales) à la résonance propre de la structure De nombreux essais ont visé à résoudre ce problème parfois critique Des systèmes d'isolation à plate-forme, des axes décolletés et un amortissement des axes par élastomère ressortent de ces efforts Les dispositifs utilisant l'isolation à plate-forme sont très coûteux et exigent une instrumentation et un espace supplémentaires Les axes décolletés et l'amortissement par élastomère des axes se sont révélés diminuer la constante de temps du système sans apporter une solution efficace au problème Par conséquent, à l'heure actuelle, il n'existe pas de dispositifs suffisamment simples et efficaces pour modérer les vibrations résonnantes d'un gyroscope accordé sec. L'invention élimine les inconvénients de l'art antérieur au moyen d'un amortisseur destiné à réduire la transmissibilité de vibrations résonnantes dans un gyroscope du type comprenant au moins un élément tournant. Un tel amortisseur comprend une masse de réaction qui est symétrique par rapport à l'élément, et des moyens par lesquels la masse est montée sur l'élément, ces moyens comprenant au moins un corps en élastomère. L'invention concerne également un qyroscope accordé présentant de meilleures caractéristiques de vibrations à la fréquence de résonance Un tel gyroscope comporte au moins un élément tournant Une masse de réaction, symétrique par rapport à cet élément, est équipgs de moyens par lesquels elle est montée sur l'élément, ces moyens comprenant au moins un corps en élastomère. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels, les mêmes références numé- riques désignant les mêmes éléments: la figure 1 est une coupe axiale d'un gyros- cope accordé comportant l'amortisseur dynamique selon l'invention; les figures 2 a et 2 b sont respectivement une coupe suivant la ligne 2 a-2 a de la figure 2 b et une vue de dessus d'une butée de rotor comportant un dis- positif d'amortissement; la figure 3 est une coupe axiale d'une variante de l'invention dans laquelle l'amortisseur est monté sur le rotor du gyroscope; la figure 4 est une coupe axiale d'une autre forme de réalisation dans laquelle l'amortisseur est monté sur l'axe du gyroscope; et la figure 5 est une vue schématique d'un modèle élastique dynamique d'un gyroscope accordé compor- tant l'amortisseur dynamique selon l'invention. La figure 1 est une coupe axiale d'un gyros- cope accordé 10 comportant un amortisseur dynamique selon l'invention Le gyroscope 10 et ses éléments sont généralement cylindriques et/ou circulaires et sensi- blement symétriques autour de l'axe de rotation d'un arbre central 20, comme décrit ci-après Comme mentionné précédemment, l'invention apporte un avantage de fonction- nement important par rapport à des systèmes gyroscopiques similaires (ne comportant pas d'amortisseur) en amé- liorant la précision et en diminuant la vulnérabilité aux détériorations lors d'une mise en oeuvre dans des milieux présentant des vibrations résonnantes à la fois dans la direction axiale (comme indiqué par la double flèche 12) et dans la direction radiale (comme indiqué par la double flèche 14). Un bottier étanche 16 renferme le gyroscope En cours de fonctionnement, un vide est établi à l'intérieur de ce bottier et un bouchon 18 est prévu pour faciliter l'évacuation des gaz avant l'usage L'axe ou-arbre 20 s'étend sur une partie importante de la hauteur du bottier 16 La moitié inférieure du gyroscope est formée d'un bâti solide 22 Un moteur électrique 24, logé dans une cavité formée dans le bâti 22, et, un anneau 26 d'hystérésis sont disposés dans la moitié inférieure du gyroscope pour entraîner l'arbre 20 Des paliers 28 et 30, séparés par une entretoise cylindrique 32, facilitent la rotation de l'arbre 20 en réponse à la mise sous tension du moteur 24. L'arbre 20 comporte des tronçons réduits 34, 36 et 38 et un collet élargi 40,et un écrou 42 est vissé sur son extrémité supérieure L'écrou 42 fixe rigidement l'arbre 20 à une butée sensiblement cylindrique 44 de rotor qui présente plusieurs ouvertures 46 permettant d'accéder à des vis 48 de réglage Les vis 48 permettent à l'opérateur de régler le balourd du rotor Un ensemble flexible classique 50 de suspension à 20 de liberté comprend des "articulations" (non représentées) reliant l'arbre ou axe tournant 20 au rotor 52. Un évidement ménagé' dans le rotor 52 assume la fonction d'un logement pour quatre jeux de bobines de couple dont l'une est représentée en 54 Les quatres bibines interagissent avec des aimants permanents 56 pour appliquer un couple de correction au rotor 52 lorsqu'un changement de position de l'ensemble à plate- forme/rotor est décelé par la détection d'un signal d'erreur de tension aux bornes de transformateurs capteurs 58 et 60 Un tel signal indique que le rotor 52, relié de manière flexible aux autres mécanismes du gyroscope , n'est plus en alignement avec la partie restante du système formé par le gyroscope et la plate-forme. Les transducteurs capteurs sont posés sur une embase 62 qui est indépendante de l'orientation du rotor. Une bague intérieure 64 en élastomère, partant d'un bord périphérique incliné de la butée 44 de rotor, est inclinée par rapport au bord de la butée 44 du rotor et est reliée à une bague extérieure 66 d'amortissement réalisée dans une matière dense L'ensemble formé par la bague intérieure 64 en élastomère et la bague métalli- que extérieure 66 représentée constitue une forme préfé- rée de réalisation de l'amortisseur dynamique et elle constitue, en combinaison avec les autres éléments montrés sur la figure 1, un gyroscope perfectionné 10 dont la précision et la longévité sont accrues même dans le cas o il est soumis à des milieux présentant des vibrations résonnantes. Les figures 2 a et 2 b représentent plus en détail la butée 44 du rotor et l'amortisseur dynamique de la figure 1 La bague intérieure 64 en élastomère est orientée d'un certain angle par rapport au dessus de la butée 44 du rotor afin de répartir les résistances au cisaillement et à la compression de l'amortisseur en produisant des forces de réaction qui agissent à la fois dans les directions radiale 12 et axiale 14 en cours de fonctionnement En orientant la bague intérieure 64 en élastomère de façon à obtenir un ensemble de propriétés élastiques dans des directions orthogonales, on accroit la gamme d'élastomères utilisables Par consé- quent, des différences importantes entre les caracté- ristiques de cisaillement et de compression d'un type de matière n'entraînent pas nécessairement son élimina- tion en tant qu'élément élastique de l'amortisseur Ainsi qu'on peut le noter sur la figure 2 b, la bague inté- rieure 64 de la configuration représentée n'est pas constituée d'une seule pièce en élastomère, mais il est apparu possible de disposer plusieurs pièces en élastomère symétriquement par rapport à l'axe de rota- tion de la butée 44 de rotor, en association avec une masse symétrique d'amortissement, afin d'obtenir un amortissement choisi à l'avance à la fréquence de réso- nance. La bague extérieure 66 assume la fonction d'un amortisseur à masse de réaction En raison de la différence entre les masses du gyroscope et de la bague extérieure 66 qui doit s'ajuster dans un gyroscope 10 par ailleurs classique, il est souvent souhaitable de réaliser la bague extérieure 66 en un métal relativement dense Le tungstène, dont la densité est presque égale à deux fois et demi celle du fer ou de l'acier consti- tuant la plus grande partie d'un gyroscope, constitue une telle matière Ainsi qu'il ressort de l'analyse du système donnée ci-après, l'angle du bord périphérique incliné de la butée 44 de rotor, à la jonction avec la bague intérieure 64 en élastomère, et l'angle du bord in:térieur de la bague extérieure métallique 66 consti- tuent des parametres critiques de conception Bien que le choix particulier à la conception varie en fonction de la dimension du gyroscope 10, de sa vitesse de tram vail et des fréquences de résonance, un amortisseur tel que représenté sur les figures 2 a et 2 b a été mis en pratique avec succès avec des angles de 80 et 90 , respectivement Les bagues intérieures de la construction géométrique précitée ont été réalisées en un certain nombre d'élastomères aux silicones différents, y compris ceux disponibles auprès de la firme Barry Controls, Burbank, Californie, sous les appellations de produits " 35, 50 et 65-70 DURO'" (amortissement à la fois élevé et faible). Comme mentionné précédemment, diverses formes de réalisation peuvent être dérivées de la présente invention pour obtenir un amortissement choisi à l'avance de vibrations résonnantes autrement visibles (Z la fois dans les directions axiale et radiaie) d'un gyroscope accordé sec Les formes de réalisation particulières varlent e cependant, dans chacune d'elles, il est essen- tiel que la masse de réaction soit sensiblement circu- laire ou cylindrique, que son axe ou centre coincide avec l'axe de rotation de l'élément du gyroscope avec lequel il est enclenché, et que la géométrie complexe de l'élastomère entre l'élément et la masse soit symétrique par rapport à cet axe Les figures 3 et 4 représentent des variantes de réalisation de l'invention dans lesquelles un amortisseur, comprenant l'élastomère 68 et une masse 70 de réaction configurés comme précé- demment, est monté sur le rotor 52 et sur le corps de l'arbre 20 respectivement, d'un gyroscope Dans les limites indiquées ci-dessus, de nombreuses formes de réalisation peuvent être obtenues, la masse de réaction étant reliée à un élément tournant du gyroscope au moyen d'un élastomère Il faut tenir compte de facteurs tels que la masse, l'inertiet la géométrie, la densité, etco 0, dans le choix de la masse de réaction et, en ce qui concerne le choix du corps en élastomère (pièce unique ou pièces multiples), il faut également tenir compte des divers modules d 8 élasticite qui affluent sur lie fonctionnement du système globalo La figure 5 représente un modèle élastique dynamique d'un système gyroscopique sensiblement conforme à la configuration de la figure 1 et comportant i'amor= tisseur selon l'invention o Les équations de mouvement d'un tel système dans le mode radial sont regroupées dans la matrice suivante 0 -KX _XSS' MDS +K X _KX 9 'ID FORCES "PLIQUEES AU ROMR FORCES APPLIQUEFS A VME lM Rs 2 + 9 Hl Z),' _%R -_ 1 __ 2 (MSS + 9 B P. -KHR + XHR+ 1 Y KBR Xc (Ag HR-DK BR + 9 SS) (I 52 + X S B'q +A 2 Klîe K os + D 2 XBR) KXO XS COUPLES APPLIQUES A L'AXE -AN BR (AK BR-""BR + KSS) - FORCES 1 5 APPLIQUEES A L'PMR- TISSEUR COUPLES APPLIQUES A L'AMOR- TISSEUR -K SD ID 52 +K 9 -X X O façon similaire, les équations du suivantes De axial sont les mouvement î B Az C CM 52 K R + HA -K HA O -K HA + NZ) Dans les groupes précédents d'équations, les divers termes ont les définitions suivantes: MR'MS'MD = masses du rotor, de l'axe" de l'amor- tisseur; ISID = moment d'inertie de l'axe, de l'amor- tisseur; XR XSIXD = mouvement radial de translation du rotor, de l'axe, de l'amortisseur; ZR'ZS'ZD = mouvement axial de translation du rotor, de l'axe et de l'amortisseur; 0 S,'0 D = mouvement de rotation de l'axe, de l'amortisseur; KHR,KBR = raideur radiale totale des articulations, des paliers; KBRL 2 KB à 4 à = raideur totale en torsion des paliers; KHA,KBA = raideur axiale totale des articulations, des paliers; KS = raideur en cisaillement d'un tampon amortisseur unique; KC = raideur en tension- compression d'un tampon amortisseur K C y _= i = rapport du module de compression au module de cissaillement; Kx = 2 Ks ( 1 + cos 2 e + Y sin 2 e) KSS = EKX h KS (y 1) sin 2 8; Kx O = g KX + h KS (y 1) sin 2 e; Kz = 4 Ks (y cos 2 + sin e); K = E hssS (y 1) sin 2 e 7 + 2 Z oós ZK z h 2 ' KSD = -Exó + gh Ks (y-1) sin 2 + h _; SD x s* 2 h 2 Z K = g-/x + h Ks (y-1sin 2 e 7 + h 2 K Le mode radial met en jeu beaucoup plus de paramètres que le mode axial Ceci traduit le fait que la fréquence de résonance d'un amortisseur radial dépend non seulement de la masse de l'amortisseur et de la raideur de l'élastomère, mais également de la position du centre de gravité de l'amortisseur par rapport à celle de l'axe et du point de fixation de l'élastomère De plus, le moment d'inertie de la bague de l'amortisseur peut être utilisé pour influer sur la fréquence de résonan- ce radiale (fréquence axiale fixe) La position en porte- à-faux de l'amortisseur amplifie l'absorption de l'éner- gie transmise par la rotation de l'axe autour au centre de gravité qui est naturellement en vibration-radiale. Les groupes précédents d'équations constituent des moyens permettant d'optimiser un amortisseur conforme à l'invention, ayant la configuration générale montrée sur la figure 1 Par des moyens bien connus dans la technique, on peut utiliser d'autres modèles dynamiques et d'autres jeux d'équations de mouvement reflètatit* d'autres modes sans sortir du cadre de l'invention, tels que le montage d'un amortisseur dynamique comprenant une masse d'amortissement et un élément en élastomère (constituant des corps) sur le rotor ou l'axe du gyroscope De même, les configurations du gyroscope accordé peuvent varier par rapport à celles de la figure 1; cependant, tant que le gyroscope comprend un élément tournant, l'adaptation des éléments de la présente inven- tion à ce gyroscope est évidente à l'homme dé l'art. L'analyse de tous les modèles de systèmes appropriés, tels que ceux définis dans les matrices précédentes, est de la compétence de l'homme de l'art Cette analyse des équations appropriées est entreprise en vue de choisir des paramètres optimaux pour l'amortisseur afin de mini- miser la transmissibilité de vibrations harmoniques à 38 l'intérieur du gyroscope Des méthodes itératives assis- tées par ordinateur constituent un outil utile à une telle analyse et elles peuvent être employées pour par- venir à un amortissement maximal aux fréquences de réso- nance Par conséquent, on peut concevoir un amortisseur qui diminue sensiblement la transmissibilité des vibra- tions de résonance et qui améliore donc la précision et la longévité d'un gyroscope, conformément à l'invention. REVENDICATIONS 1 Amortisseur destiné à réduire la trans- missibilité de vibrations résonnantes dans un gyroscope ( 10) comprenant au moins un élément tournant, l'amortis- seur étant caractérisé en ce qu'il comporte une masse ( 66) de réaction qui est symétrique par rapport à l'élé- ment, et des moyens de montage de la masse sur l'élément, ces moyens comprenant au moins un corps ( 64) en élastomère. 2 Amortisseur selon -la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de montage sont placés entre ladite masse et ledit élément. 3 Amortisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément est le rotor ( 52) du gyroscope. 4 Amortisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément est l'axe ( 20) du gyroscope. Amortisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément est la butée ( 44) du rotor du gyroscope. 6 Amortisseur selon la revendication 5, caractérisé en outre en ce que la butée du rotor présente un bord périphérique incliné, en ce que lesdits moyens sont inclinés radialement à partir de la butée du rotor, et en ce que ladite masse de réaction est de forme annulaire. 7 Gyroscope accordé présentant des caracté- ristiques améliorées à la fréquence de résonance, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément tournant, une masse ( 66) de réaction qui est symétrique par rapport audit élément, et des moyens de montage de la masse sur l'élément, ces moyens comprenant au moins un corps ( 64) en élastomère. 8 Gyroscope accordé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de montage sont placés entre ladite masse et ledit élément. 9 Gyroscope accordé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément est le rotor ( 52) 7 53889 d -du gyroscope. Gyroscope accordé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément est l'axe ( 20) du gyroscope. 11 Gyroscope accordé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément est la butée ( 64) du rotor du gyroscope. 12 Gyroscope accordé selon la revendication 11, caractérisé en outre en ce que la butée du rotor présente un bord périphérique incliné, en ce que lesdits moyens sont inclinés radialement à partir de la butée du rotor, et en ce que ladite masse de réaction est de forme annulaire.