Brevet FR2643431A1 — publié le 19900824

"Dispositif amortisseur comprenant des matériaux visco-élastiques" La présente invention a pour objet un dispositif amortisseur. Il est connu d'utiliser des matériaux visco-élastiques associés à une structure soumise à des vibrations, afin de réduire l'amplitude des vibrations par dégradation d'une partie de l'énergie de déformation sous forme de chaleur. Des amortisseurs visco-élastiques sont utilisés dans différents secteurs d'activité : aéronautique, automobile, construction navale, équipement sportif. Dans le cas des skis, les amortisseurs peuvent être soit inclus à l'intérieur de la structure comme décrit dans les documents FR 80 04128 et FR 81 G7519, soit fixés sur la surface du ski, avec recouvrement par une plaque de contrainte à haut module d'élasticité, comme décrit dans les documents FR 84 201S9, FR 79 2329S, US 3 537 717, US 4 627 635, US 3 844 576 et US 3 951 522. Les caractéristiques élastiques d'un matériau étant évaluées par son module d'\^oung E, il faut noter que les matériaux visco-élastiques ont des modules dtyoung faibles et des coefficients d'amortissement élevés, comme cela ressort du tableau suivant Matériaux Nlodule d'Young Coefficient d'amortis- E (N/m2) sement intrisèque ss Acier 2 x 1011 i 4 à 2 -2 Aluminium 7 x IG15 10 à à 10-2 Fibre de verre 5 x 109 à 1010 I x 10-2 a à 3 x 10-2 Visco-elastiques 1r5 155 à109 G,1 a' 10 Il existe différents types de matériaux visco-élastiques: polymères, élastomères ou bitumeux.Pour répondre à un besoin précis, il est nécessaire d'identifier le matériau le mieux adapté en tenant compte des paramètres suivants : - Température d'utilisation, - Fréquences de sollicitation, - Dimensions (surface, épaisseur), - Contraintes ou déformation statiques, - Aptitude au vieillissement, - Tenue dans le milieu d'utilisation. Si, pour l'acier, le module d'\ oung E reste sensiblement le même en dynamique et en statique, tel n'est pas le cas pour les matériaux visco-élastiques ou, pour une excitation harmonique, contrainte et déformation ne sont pas en phase. Il convient donc de considérer la notion de module d'tì oung complexe que l'on peut écrire E' = E (1 + i tg 5) où , est l'angle de perte du matériau, représentant le retard angulaire entr.e contrainte et déformation, la déformation étant en retard sur la contrainte, lorsque le matériau est soumis à une sollicitation purement harmonique. La tangente de l'angle g est le coefficient d'amortissement intrinsèque ss du matériau visco-élastique considéré. Parmi les principaux paramètres influençant les caractéristiques dynamiques des matériaux visco-élastiques, la température et la fréquence ne sont pas indépendants. C'est ainsi que, comme montré à la figure 1, qui représente trois courbes représentatives de l'amortissement (3 d'un même matériau en fonction de la température 6;, , pour trois fréquences données Fl, F2. et F3, I'amortissement maximum se situe à des températures & différentes. C'est ainsi également que, comme montré à la figure 2 qui représente l'amortissement ss de trois matériaux ml, m2 et m3 en fonction de la température # à une fréquence donnée F, l'amortissement maximum se situe aussi à des températures différentes. En conséquence, pour un matériau donné, il est possible de suivre les variations du coefficient d'amortissement (3 en fonction de la fréquence F et de la température 6L en prenant en considération un facteur de translation et lié à la température et qui évolue selon la courbe représentée à la figure 3, le passage d'une translation à une multiplication étant réalisé en passant à une échelle logarithmique. II est alors possible d'établir des courbes donnant le module d'Young et le coefficient d'amortissement (3 = tg5 en fonction de la variable réduite F Il ressort de ces courbes et des différentes analyses qui en ont été faites que l'efficacité d'un matériau visco-élastique varie considérablement avec sa nature et sa température d'utilisation, le coefficient d'amortissement ss du matériau pouvant varier d'un rapport de I à 100. Or, il convient de tenir compte des conditions de fonctionnement et d'utilisation de l'engin sur lequel on désire diminuer les amplitudes de vibrations. Plusieurs cas sont à considérer en référence au tableau ci-dessous Réponse vibratoire Réponse vibratoire Réponse vibratoire constante de l'en- variable de l'en- variable de l'en gin due à une exci- gin due à une exci- gin due tation constante tation variable - à une masse variable - - à une raideur variable - - aux conditions limites variables (pression...) température moteur en moteur en monoplace Fl d'utilisation régime stationnaire régime variable (reservoir = ss masse constante température ski spécialisé ski polyvalent fusée d'utilisation (- 35 à 0 C) ( 3rjC à rjOC) (réservoir variable automobile: . pression atmosphérique - carrosserie forces aérodynamiques - pièces de suspen- variables) sion -lames de ressort C'est ainsi que, par exemple. dans le cas des skis alpins, il importe d'amortir les premiers modes de vibrations en flexion, flexion latérale ou torsion, selon le comportement recllerché pour une évolution donnée du skieur. En effet. il convient de réaliser un amortissement sélectif des vibrations, afin de n'éliminer que les vibrations considérées comme néfastes dans l'application déterminée, tout en conservant les autres vibrations, qui confèrent au ski toutes ses caractéristiques de vivacité. Toutefois, il faut introduire la notion de température d'utilisation du ski dans le choix du matériau visco-élastique. Il ne peut s'agir que d'une approximation, dans la mesure où les variations de température auxquelles est soumis un amortisseur équipant un ski sont très importantes, suivant que le ski est utilisé dans des conditions de température fortement négatives, de l'ordre de - 20 à - 35 C, ou après être resté au soleil à des températures très superieures à 0 C. Les courbes .caractéristiques des matériaux visco-élastiques per mettent de déterminer quel matériau utiliser pour amortir les vibrations parasites. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. A cet effet, le dispositif amortisseur qu'elle concerne comprend au moins deux matériaux visco-élastiques, dont les zones de transition, c'est-à-dire la zone où l'amortissement est maximal, sont décalées en température et en fréquence de manière à recouvrir la plage de fonctionnement de la structure; afin d'amortir les vibrations néfastes. Selon un premier agencement adapté, par exemple, à un ski spécialisé, il est possible de bénéficier d'un amortissement du mode vibratoire souhaité sur une plage de température relativement large, I'amortis- sement étant obtenu essentiellement à l'aide d'un premier matériau xisco-élastique dans une première zone de température et à l'aide d'au moins un autre matériau visco-élastique dans les autres zones de la plage de température d'utilisation. Le nombre de matériaux visco-élastiques mis en oeuvre est fonction de l'étendue de la plage de température d'utilisation et de l'étendue de la zone de température dans laquelle chaque matériau visco-élastique possède de bonnes propriétés d'amortissement. Selon une première réalisation de ce dispositif amortisseur, il s'agit d'un dispositif extérieur à la structure, du type revêtement contraint, constitué d'au moins deux matériaux visco-élastiques différents conformés en bandes de meme épaisseur disposées parallèlement les unes aux autres, collées. d'une part sur la structure à amortir et, d'autre part, sur une plaque de contrainte libre. L'amortissement optimal de la structure est obtenu par un ou plusieurs dispositifs amortisseurs disposés à différents endroits judicieusement retenus ; chacun comprenant deux ou plusieurs matériaux visco-élastiques dont les caractéristiques d'amortissement maximum sont déterminées en fonction des plages de fréquences à amortir, dans la plage de température de fonctionnement de la structure à amortir. Selon un second mode de réalisation de ce dispositif amortisseur, il s'agit d'un amortisseur interne à la structure, constitué de câbles d'acier, eux-mêmes constitués de brins unitaires, noyés dans, au moins, deux matériaux visco-élastiques différents. II faut souligner qu'à la suite d'essais sur le terrain, un des effets surprenants de l'invention réside dans le fait que l'amortissement procuré à la structure d'un ski spécialisé équipé d'un dispositif conforme à l'invention peut être plus efficace que celui procuré, à cette même structure, par des dispositifs de géométries identiques ne comportant qu'un seul matériau visco-élastique. De toute façon, I'invention sera bien comprise à laide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs formes d'exécution de ce disco sitif amortisseur dans le cas de son application à l'équipement de skis alpins Figure 5 est une vue de dessus d'un tel ski ; Figure 6 est une vue en coupe transversale à échelle agrandie d'un tronçon de ski comportant un amortisseur du type à plaque de contraintes ;; Figure 7 est une vue de dessus, sans plaque de contrainte, d'un dispositif amortisseur réalisé à partir de matériaux visco-élastiques diffé rente Figures S à 15 sont des vues de dessus représentant des exemples, non exhaustifs, de dispositions de différents matériaux visco-élastiques sur un dispositif amortisseur du type à plaque de contraintes Figures 16 à 18 sont des vues en perspective d'exemples, non exhaustifs, de dispositions des différents matériaux visco-élastiques sur un dispositif amortisseur interne à fils noyers Figures 19 et 25 sont des vues en perspective d'exemples, non exhaustifs, de dispositions des différents matériaux visco-élastiques sur un dispositif amortisseur mixte = à plaque de contraintes et à fils noyés. La figure 5 représente un ski alpin 2, dont la face supérieure est équipée d'une butée 3 et d'une talonnière 4 constituant les moyens de fixation de la chaussure d'un skieur. Comme cela est visible à la figure 5, le ski est équipé, sur sa face supérieure, d'un dispositif amortisseur 5, disposé en avant de la fixation et destiné à amortir les vibrations néfastes, ce qui est particulièrement avantageux dans le cas d'un ski de slalom. Ce dispositif amortisseur 5 est du type comprenant une couche 6 de matériaux visco-élastiques prise en sandwich entre la surface supérieure du ski et une plaque de contrainte 7 constituée, par exemple, par une feuille métallique en alliage léger. Selon la caractéristique de l'invention, la couche de matériaux visco-élastiques est réalisée à partir de six bandes 6a et 6b juxtaposées et disposées de façon alternée, les bandes 6a étant réalisées en un premier matériau visco-élastique, tandis que les bandes 6b sont réalisées en un autre matériau visco-elastique. Les deux matériaux visco-élastiques sont choisis pour que leurs caractéristiques d'amortissement maximum soient décalées en température, à l'intérieur de la plage de températures d'utilisation du ski. C'est ainsi que l'un des matériaux peut, par exemple, posséder une efficacité maximale dans une zone de température comprise entre - 20 et 0 C, tandis que l'autre matériau possèdera une efficacité maximale d'absor- ption dans une zone de température comprise entre 0 et + 200C. I1 est ainsi possible de couvrir une plage de température comprise entre - 20 et + 200C en réalisant un amortissement optimal des fréquences déterminées. Les figures S à 15 représentent divers agencements de deux ou trois matériaux visco-élastiques A, B, C juxtaposés, les dispositions et surfaces respectives des différents matériaux étant fonction du nombre, de la position, de l'intensité des fréquences à amortir, ainsi que de la plage de température dans laquelle travaille la structure à amortir. La figure 16 représente un dispositif amortisseur interne comprenant des fils 8 encastres dans trois bandes de matériaux visco-élastiques de nature A et B disposées parallèlement, tandis que la figure 17 représente un dispositif comprenant des fils S encastrés dans deux bandes de matériaux visco-élastiques A, B situées dans le prolongement l'une de l'autre, et la figure 15 représente un dispositif comprenant des fils 8 encastrés dans trois bandes de matériaux visco-élastiques A, B, C situées dans le prolongement les unes des autres. Les figures 19 et 20 représentent deux formes d'exécution de dispositifs amortisseurs mixtes avec plaque de contrainte 7 et fils noyés 8, le premier dispositif représenté à la figure 19 comportant trois bandes parallèles de matériaux A, B, C, juxtaposés, et le second dispositif représenté à la figure 2G comportant deux bandes de matériaux différents A et B, avec une orientation différente des fils noyés dans chacun des matériaux. Les fils 8 constituant les inserts filamentaires sont constitués par des éléments allongés tels que câbles métalliques, ou fils de verre, de carbone, de bore, de céramique. En outre, selon une autre forme d'exécution, ce dispositif amortisseur est constitué de matériaux visco-élastiques différents (A,B,C) dont certains comportent des câbles (8) noyés, collés d'une part sur la structure à amortir et, d'autre part, sur une plaque de contrainte libre. - REVENDICATIONS 1.- Dispositif amortisseur des vibrations d'une structure, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux matériaux visco-élastiques (A,B) dont les zones de transition, c'est-à-åire la zone où l'amortissement est maximale, sont décalées en température et en fréquence de manière à recouvrir la plage de fonctionnement de la structure, afin d'amortir les vibrations néfastes. 2.- Dispositif amortisseur d'une structure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux matériaux visco-élastiques (A,B) dont chacun est déterminé pour que, à la même fréquence, leurs zones de transition respectives, ctest-à-dire leur état d'amortissement maximal, soient à des températures différentes, de manière à amortir une structure, pour cette fréquence de vibration donnée, dans une large plage de température de fonctionnement de la structure. 3.- Dispositif amortisseur d'une structure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les matériaux (A,B) visco-élastiques sont juxtaposés. 4.- Dispositif amortisseur d'une structure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les matériaux visco-élastiques sont séparés. 5.- Dispositif amortisseur d'une structure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les matériaux isco-élastiques sont superposés. 6.- Dispositif amortisseur d'une structure selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs matériaux visco-élastiques (A,B,C) collés d'une part sur la structure (2) à amortir et d'autre part sur une plaque de contrainte libre (7), les surfaces et dispositions respectives des différents matériaux visco-élastiques étant fonction du nombre, de la position et de l'intensité des fréquences à amortir. 7.- Dispositif amortisseur d'une structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est constitués d'inserts filamentaires (s), noyés dans au moins deux matériaux visco-élastiques différents (A,B). 8.- Dispositif amortisseur d'une structure- selon la revendication 7, caractérisé en ce que les inserts filamentaires sont constitués par des éléments allongés tels que câbles métalliques, ou fils de verre, de carbone, de bore, de céramique. 9.- Dispositif amortisseur d'une structure selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce qu'il est constitué de matériaux visco-élastiques différents (.4,B,C) dont certains comportent des câbles (8) noyés, collés d'une part sur la structure à amortir et, d'autre part, sur une plaque de contrainte libre.