Brevet FR2596125A1 — publié le 19870925

L'invention est relative au domaine des isolations antivibratoires de machnies files et de véhicules lourds automobiles, ferroviaires ou maritimes ou de leurs groupes motopropoulseurs, lesdites isolations étant réalisées par des ressorts à base d'élastomètres adhérisés à des armatures rigides. On connaît, comme types de suspension permettant une flexibilité sous charge importante vis à vis des dimensions des pièces, des ressorts coniques formés d'une enceinte épaisse d'élastomètre tel que le caoutchouc adhérisé a des armatures rigides le plus sou- vent de révolution. De tels ressorts sont décrits dans le brevet FR2544822 relatif à un support élastique à asservissement pneumati qua et dans 1 brevet FR2544820 concernant un support de moteur asservi par dépression modulée.Ces suspensions sont utilisables sols des taux de cisaillement relatif dépassant 50 % de l'épaisseur initiale de la matière et sous des contraintes de compression dépassent le module d'Young du matériau, grâce à un frettage par des armatures coniques intermédiaires. Le brevet FR2041578 en décrit une application comme suspension pneumatique de véhicules ferroviaires, dont le nivellement est également assuré par la régulation de la oression d'air sous charge variable.Ce type de ressorts peut, également. etre utilisé de façon passive pour l'isolation antivibratoire, mais leur grande flexibilité vis à vis d leurs dimensions a pour inconvénient une perte de contrainte, au cours du tepms, appelés relaxation, qui est corrigés, dans les dispositifs précédents, par la variation de la pression d'équili bre dans 1 enceinte à pression d'air régulée, Si ces pièces sont utilisées en absence de pression, il s produit une perte d'alti- tude, $appelée fluage. La demande do brevet français 8304709 propose un remède a ce phé- nomtne, par mise en opposition d'un ressort antagoniste en matériau à fort taux de fluage. Les solutions de 1 art antérieur nécessaitent donc une source acti- ve ou présentent l'inconvénient de nécessiter un ressort antagoniste, doublant approximativement la rigidité de l'installation. L'analyse de l'art antérieur montre qu'un dispositif de suspension antivibratoire, permettant l'usage des grandes flexibilités rencontrées dans es suspensions pneumatiques actives, sans être as s@@@etti, en permanence, a un circuit pneumatique, et adaptable au cours du temps, pour comecer, au cours de contrôles périodiques, la déflexion élastique axiale, due au fluage des élastomeres, n'est pas connu. L'invention a pour objectif de proposer une solution originale pour compenser la relaxation de contrainte des élastomères, tout en permettant l'usage de flexibilité élevées, en utilisant des ressorts coniques en élastomère adhérisé, à for taux de déformation, employés, habituellement, dans les suspensions pneumatiques actives. L'invention consiste un un disj-Gsitif de suspension anti vibratoire d structures mécaniques telles que des machines fis es et des véhicules lourds, automobiles, ferroviaires ou maritimes ou leurs groupes motopropulseurs. Ce dispositif est consituté d'un ou deux ressorts, de forme générale conique, à paroi épaisse, en élastomètre adhérisé à des armatures de fixation et (ou) de renfor.Dans le dispositif objet de l'invention la (ou les) paroi(s) déformable(s) supportant la charte en+erme(nt) un volume de aaz, de façon indépendante de tout circuit pneumatique, dans une enceinte, formée par des parois rigides appropriées, dans la- quelle règne une pression de valeur faible par rapport au contraintes dans l' lastomètre.Cette pression étant quasi nulle à l'état initial mais ajustable, au cours du temps, le contrôle périodique de ladite pression interna ou de l'assiette de l'été- ment suspendu permettant la correction de la déflex ion élastique axiale. dont la variation est due au fluage du matériau, Le fonctionnement du dispositif, ses applications et ses variantes seront mieux compri à la lecture de la description ci-apres et des schémas, dans lesquels, - la fiuure l représenta une conception particulière du dispositif de suspension vibratoire, objet de l'invention, utilisé par exem- ple comme suspension secondaire de véhicule ferroviaire, entre boqie et chassis de voiture. - la ficiure 2 montre le comportement d'un dispositif analogue qui peut assurer, par exemple, l'isolation antivibratoire du groupe motopropulseur d'un navire, sous l'effet de contraintes latérales. -la figure 3 illustre une variante du dispositif dans laquelle les seuls ressorts coniques combinent les propriétés élastiques des sandwiches d'appui et des ressorts coniques du dispositif précedent. - la figure 4 décrit une autre variante du dispositif qui n'utilise qu'un ressort conique fermant une enceinte rigide de très faible encombrement dans le sens de la charge. - la figure 5 représente une adaptation du dispositif précédent o: la réglage se fait par réduction du volume de oa confiné. La figure 1 illustre un exemple de réalisation du dispositif de suspension antivibratoire capable de suporter une charge élevée. par exemple de 8 å 15 tonnes. Deux ressorts 1 et 2, de forme ciénêrale conique, sont associ és en série pour porter la charge exercée à travers les appuis auxiliaires 4 et 5 qui apportent l'élasticité horizontale nécessaire, en enfermant un volume variable 3, soit le plus réduit possible, soit accru des volumes enfermés par les appuis creux 4 et 5, selon la rigidité requise. Dans cette conception, deux armatures intérmediaires 6 assurent un frettane du matériau élastomérique 7, permettant d'atteindre des contraintes de Co,m,sreEsi on trts supérieures dans un rapport de deux a dix) à ce que pourrait supporter, en simple cisaillement, le matériau elastomérique 7. Lesdites armatures intermédiaires 6, comme les armatures de fixation 8 et 9, présentent une forme conique de révolution autour de l'axe AA' de la pièce. Pour viser la répartition la plus homoqéne possible des contrain- tes de compression, la forme à l'état libre est conque de façon tel la que, lorsque les ressorts coniques portent la charge nomina- le, les armatures intermédiaires 6 et les armatures de fixation 8 et 9 viennent en regard, de manière symétrique vis à vis d'un axe moyen perpendiculaire à l'angle de cône. Une valeur faible, de l'ordre de 7 à 16 , et préférentiellement 120 dudit anale de cône permet un taux de compression élevé au soin d la matière, pouvant dépasser son module d'Young. Des pièces soumises à de telles contraintes présentent, généralement, des variations importantes de déflexion au cours du temps en rai son du phénomène de fluage du caoutchouc. Une étanchéité approprice entre le boitier 10 et les armatures de fixation 8 permet de maintenir, pour de très longues durées, une pression faible de gaz -et plus particulièrement d'air- à l'intérieur du volume 3. Cette pression du gaz, à l'intérieur du volume 3, peut être périodiquement contrôlée grâce à l'adjonction au dispositif d'une valve 11 de type connu ou d'un robinet approprié. 11 est souhaitable que la pression relative du gaz ainsi confine, que rien n'empêche, à l'état neuf, de prendre une valeur négative par rapport à la pression atmosphérique-. soit voisine de zéro, de façon a permettre que s-on cin accroissement au cours de la via de la piece vienne compenser l'effet defluage sous charge de l'élastomère. Le suivi périodique de la pression du gaz dans le volume 3 permet, en outre de prévoir la durée de vie du dispositif de suspension objet de l'invention. A titra d'exemple, un niveau de pression relative de 4 a s bars. dans un dispositif dont le matériau élas tomêri que 7 aurait un module de cisaillement de 5 å 6 6 daN/cm2, pourrait être choisi comme valeur indicatrice de fin de vie utile de la pièce pour prévoir son remplacement avant défaillance; par conséquent, les butées 12 pourront être conçues comme de simples limitateurs de course et n'auront jamais à supporter de charge permanente. il devient donc légitime de réaliser lesdites butées 12 en un mélange à base de choutchouc très amortissant. Le matériau élastique 7 peut, également, être réalisé dans un matériau aussi amortissant que désiré pour l'efficacité du dispositif de suspension antivibratoire, puisque le fluage, inconvénient majeur des mélanges très amortissants, est combattu par le princi- pe même de l'invention. A titre d'exemple, un matériau est considéré comme amortissant, lorsque la tangente de l'angle de perte est supérieure à 0,30. La températLire de fonctionnement d dispositif objet de l'inven- tion, avant des effets opposés, en cas d'échauffement, sur l'accroissement de flexibilité du matériau élastique 7, d'une part, et sur la dilatation du gaz provoquant un accroissement de pression dans le volume 3. d'autre part. on constate une compensation ap- proximative des efets, ce qui limite à un niveau faible l'influence de ce facteur température, contrirement à ce que l'on peut observer dans les dispositifs classiques de suspension antivibratoire classiques. La figure 2 représente un même type de dispositif lorsqu'une sol licitation perpendiculaire a la direction de ï charge est exercée sur l'élément suspendu. La déformation e, en cisaillement, combinée à une légére inclinaison des appuis auxiliaires 4 et 5 assure une partie de la flexibilité transversale qui va se trouver cumules avec l'inclinaison B du boitier 10, solidaire des armatures extérieures de fixation B, avant pour consequence un décalage @ des axes.Les caractéristiques de géometrie et de rigidité desdits appuis auxiliaires 4 et 5 permettant à l'inclinaison des armatures internes de fixation 9 de participer plus in moins å la réparti- tion des effets cumulés e + f + e suivant l'assiette choisie à la charge nominale. Belon 1 rapport requis entre la rigidité verticale, selon l"a > :e de révolution, et la rigidité transversale, perpendiculaire a ct a;.'a la participation des appuis auxiliaires 4 et 5 à cette der- ni ère peut être plus ou moins importante. On a représenté dans la figure 1 un feuilletage important de caoutchouc fretté par des armatures parallèles plus ou moins nombreuses, avant Four effet que leur cisaillement soit supérieur à l'effet dû à l'inclinaison de l'ensemble du boitier 10 solidaire des armatures extérieures 8, lors de sollicitation latérales. Sur la figure 2, la rigidité transversale apparente des appuis auxiliaires 4 et 5 est accrue notablement par une disposition conique de faible angle par rapport à une Ferme plana, ayant se- condairement pour effet de rapprocher le point d'intersection des axes de leur base de fixation avec l'axe des armatures internes 9 légèrement inclinées par la sollicitation latérale. La figure 3 représente une autre variante du dispositif de suspen sien antivibratoire, objet de l'invention, dans laquelle les seuls ressorts coniques combinant les propriétés élastiques des sandwiches d'appui et des ressorts coniques du dispositif précedént. Elle représente un dispositif dans lequel les appuis auxiliaires 4 et 5 ont été supprimée, les armatures internes 9 des deux ressorts coniques intégrant la fonction fixation, d'une part au bati fixe et, d'autre part, à l'ensemble suspendu. Dans ce cas, la flexibilité latérale est due exclusivement à l'inclinaison du boitier 10 qui se cumule avec l'excentrage élastique entre les bagues intérieures 9 et extérieures 8 de chaque ressort conique. Le rapport entre les rigidités a::iale et transversale du dispositif peut être modulé par le nombre des armatures coniques intermédiaires 6 au nombre de deux sur la figure 1, de trois sur la figure 2 et d'une seule sur la figure 3 où la flexibilité transversale est dont relativement plus importante. La figure 4 représente une application analogue aux précédentes mais à un seul ressort conique 1 dont l'armature extérieure 8 est solidaire d'un boitier 13 assurant la fermeture de l'enceinte 3 et fixé dans la cds représenté au bati fi-e. La flexibilité transversale est assurée à la fois par le cisaillement, horizontal de l'appui auxiliaire 4 et li'inclinaison que Ce- lui-ci permet a l'armature intérieure 9 du ressort conique fretté par trois armatures intermédiaires 6, centrées autant que possible a la charge nominale sur un axe perpendiculaire aux faces d'adhé- irisation entre l'élastomère et lesdites armatures. L'avantage parfois recherché est une Faible hauteur totale du dispositif très inférieure à l'encombrement diamétral nécessaire au dimensionnement dû aux charoes.Comme conséquence, l'effet de la pression interne corrective dans l'enceinte 3 sera important, nécessitant -une faible correction au cours du temps. La figure 5 est une .'ue partielle du dispositif représente sur la figure 4, où la compensation du fluage peut être assurée, à masse de gaz constante, dans l'enceinte 3, par introduction d'un liquide 14. Un tel liouide pEut, a titre d'exemple non limitatif entre soit de l'eau. de l'eau additionnée d'antigel, ou tout autre liquide sans effet nocif Lir l'élastomère. Par ailleurs, un cal cul précis des effets de température sur le module de l'élastomère composant la paroi déformable 1 et, en sens opposé, sur la dilatation de la masse de gaz confiné dans l'enceinte 3, permet d'optimiser leur compensation exactes a assiette constante, par injection de liquide ou de gaz pour les correc- tions. Dans certains cas, le liquide et le gaz peuvent constituer les de phases d'un méme produit chimique, an Fonction de la pression de vapeur qui règne dans l'enceinte, selon la température de fonctionnement. On pourrait, également. pour certaines applications, introduire dans l'enceinte 3, au lieu du liquide 14, un produit chimique solide susceptible par sublimation d'assurer la variation de pres sien dans l'enceinte T d'une manière plus efficace qut- la simple dilatation du gaz. De tels produits chimiques capables de se sublimer aux temperatures de fonctionnement peuvent être, a titre d'exemples non limitatifs, de l'iode ou du camphre. Ce produit devra être choisi pour ne pas exercer d'effet nocif sur le caoutchouc. En conclusion, le dispositif de suspension antivibratoire objet de l'invention présente les caractéristiques suivantes: - il allia à Lino grande flexibilité. un Faible encombrement axial - il permet. au cours de contrôles périodiques, par un ajustement de la pression du gaz, la compensation du fluage des élastoméres et la maïtrise de l'assiette de l'élément suspendu; les applicatiens dans lesquelles la cote de l'élément suspendu doit être maintenue constante au cours du temps permettent alors des aligne- ment d'arbres et le maintien de jeux Fonctionnels que n'autori- sait pas, jusqu'alors, l'emploi de ressorts en élastomère, si en outre. Lin amortissement interne était requis - il p permet la correction des effets dûs a la variation de tempit- rature au cours du fonctionement. - il permat. par le suivi de l'évolution de la pression du gaz confiné, de prévoir la déchéance de la pièce et, par conséquent, de procéder a on remplacement préventif avant défaillance. L'homme de l'art peut, bien entendu, apporter au dispositif de suspension antivibratoire, objet de l'invention, et à ses varian- tes différentes modifications sans sortir d cadre de l'invention. RVENDICATIONS 1 ) Dispositif de suspension antivibratoire de structures mecaniques constitué d'au moins un ressort en élastomère à paroi épaisse adhérisé à des armatures de renfort, caractérisé en ce que la (ou les paroi 2 ) Dispositif de suspension antivibratoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz confiné dan le volume (3) est d l'air, à pression supérieure, égale ou inférieure à la pression atmosphérique. 3 ) Dispositif de suspension antivibratoire selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte à volume fermé est formée de deux ressorts coniques identiques 1 et 2, juxtaposés an série par leurs bagues extérieures solidaires d'un boiter flottant 10 sensiblement dans le plan médian entre les deux plans de fixation du dispositiF, l'inclinaison B du boiter 10 étant libre de ce produire pour assurer les Flexibilités transversales du dispositif. 4 ) Dispositif de suspension antivibratoire selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la paroi épaisse adhérisée aux armatures coniques est renforcée par au moins une bague coni qLie servant d'armature intermédiaire 6. 5 ) Dispositif de suspension antivibratoire selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'angle du cône des armatu ras coni qLies 6, 8 ou 9, a Lin valeur comprise entre 7 et 160 et préférentiellement 120, par rapport à l'axe vertical du disposi tif 6 ) Dispositif de suspension antivibratoire selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau élastique (7) présente un amortissement interne caractérisé par un angle de perte dont la tangente est supérieure à 0,30. 7 ) Dispositif de suspension antivibratoire selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enceinte 3 est partiellement remplie d'un produit chimique liquide à température ambiante avant pour effet de corriger la pression de la massa de gaz confi- n. ) Dispositif de suspension antivibratoire selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé an ce que l'enceinte 3 content un produit chimique solide susceptible de se sublimer, à des températures voisinas de l'ambiante.