Brevet FR2675558A1 — publié le 19921023

Barre élastique de liaison à système de contrôle actif des vibrations. La présente invention concerne une barre élastique de liaison à système de contrôle actif des vibrations, propre à être soumise, par l'une de ses extrémités, à des efforts vibratoires s'exerçant selon son axe et reliée par son autre extrémité à une structure qu'il convient d'isoler des vibrations. Il pourra s'agir notamment, mais non exclusive- ment, d'une barre d'un ensemble de barres de liaison propres à relier le rotor d'un hélicoptère à la cellule. Une solution connue dans les applications cou- rantes consiste à utiliser des pièces de liaison défor- mables, la transmission des vibrations étant d'autant plus diminuée que la liaison est souple Cependant il y a une limite à l'assouplissement des liaisons, liée aux mouvements relatifs admissibles entre les deux éléments, et dans certains cas, le niveau de vibration de la structure est encore très important. Un perfectionnement a été apporté par le contrô- le actif des vibrations, qui consiste à créer dans la barre de liaison des forces qui s'opposent exactement aux forces de vibrations qui sont encore transmises à la structure, en les annulant On comprend donc que le rôle du système de contrôle actif des vibrations mentionné au début est précisément de créer dans la barre de liaison des forces bien déterminées en amplitude et en phase, ces forces pouvant annuler toute réaction au niveau de la structure, supprimant ainsi les vibrations. Un mode de réalisation connu d'un tel système a été représenté schématiquement à la figure 1 du dessin ci-annexé La barre de liaison a été référencée 1 Etant supposée ne recevoir que des efforts axiaux, on a représenté à ses deux extrémités des rotules 2 et 3 as- surant la liaison d'une part & une source de vibrations, d'autre part à une structure qu'il convient de préserver de ces vibrations Du côté de la rotule 3, la barre 1 est tubulaire et est reliée au pied 4 de la rotule 3 d'une part par des ressorts métalliques 5, d'autre part par la tige 6 d'un vérin hydraulique dont le piston 7 se déplace dans le cylindre formé par la partie tubulaire terminale de la barre 1 Un capteur de force 8 interposé entre l'extrémité de la tige 6 et le pied 4 permet de piloter l'alimentation du vérin en fluide hydraulique, par l'intermédiaire d'une servovalve 9, ceci pour obtenir l'effet de compensation souhaité, décrit plus haut. L'inconvénient de ce type de système de contrôle actif des vibrations réside dans un encombrement latéral important des ressorts métalliques 5, dans le fait que le vérin est complexe et peu fiable à cause du risque de fuites au niveau de la tige 6, et dans le fait que les frottements rendent l'asservissement difficile On remarque en outre qu'en cas de blocage du vérin les efforts sont transmis directement entre les rotules 2 et 3, les ressorts 5 étant alors rendus totalement inactifs. Le but de la présente invention est de remédier à tous ces inconvénients de la technique antérieure, et à cet effet une barre de liaison du type général défini au début est essentiellement caractérisée en ce qu'elle comporte une partie tubulaire reliée à l'une desdites extrémités de la barre et entourant une partie de sec- tion plus faible reliée à l'extrémité opposée, et en ce que ces deux parties sont reliées transversalement l'une à l'autre par un palier élastique adhérisé entre elles ou par au moins deux paliers axialement espacés, ledit système actif de contrôle des vibrations agissant entre lesdites parties. On conçoit que ces paliers élastiques remplace- ront avantageusement les deux ressorts métalliques 5 du 3 2675558 mode de réalisation connu susdécrit, pratiquement sans augmentation de l'encombrement latéral de la barre. D'autre part, on obtiendra ainsi une grande souplesse axiale avec une grande raideur radiale, du fait que le caoutchouc admet en cisaillement de plus grandes déformations qu'en compression En écartant suffisamment les paliers en direction axiale ou en disposant un seul palier assez long (de longueur supérieure à son diamètre), la barre pourra ainsi conserver une grande raideur vis-à-vis des efforts de flexion, et l'on évitera aussi tout risque de flambage Ces caractéristi- ques particulièrement favorables des paliers élastiques peuvent d'ailleurs être encore accentuées en prévoyant qu'ils sont constitués chacun par un bloc d'élastomère annulaire lamifié Les armatures sont coaxiales, et peuvent être cylindriques ou coniques. Quant au système actif de contrôle des vibra- tions, associé à ce ou ces paliers élastiques, il pourra mettre en oeuvre différentes dispositions, par exemple une chambre étanche pouvant être mise sous pression asservie sans parties frottantes, résolvant ainsi le problème évoqué plus haut à propos du vérin, ou encore un déphaseur à raideur pilotée. Ces systèmes seront décrits ci-dessous à titre d'exemples nullement limitatifs, avec référence aux autres figures du dessin ci-annexé dans lequel: la figure 2 est une vue en coupe axiale schématique d'une barre de liaison conforme à l'invention; la figure 3 représente une variante du mode de réalisation de la figure 2; la figure 4 est un graphique montrant l'évolution de la raideur dynamique du système de la figure 3 et la figure 5 l'évolution de son amortisse- ment, en fonction de la fréquence des vibrations; la figure 6 est une vue schématique en demi- coupe axiale d'un autre mode de réalisation d'une barre de liaison conforme à l'invention; la figure 7 est un schéma de circuit d'asser- vissement en position du piston du mode de réalisation de la figure 6; la figure 8 est un schéma de montage montrant le principe d'un déphaseur dans un système vibrant; les figures 9 et 10 sont des vues en demi- coupe axiale d'une barre élastique de liaison mettant en oeuvre ce principe de déphaseur avec utilisation de la- mes élastiques, la figure 10 n'étant que la vue partiel- le d'une variante; la figure 11 montre schématiquement, dans un plan radial, une came en spirale de réglage de raideur de ces lames; et la figure 12 est une vue du système de régla- ge de la figure 11 en coupe transversale. Dans les différentes figures, les paliers élas- tiques sont lamifiés et ont été référencés 10 et 11. Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, la barre élastique référencée globalement en 13 comporte une partie tubulaire 12 reliée à une rotule d'extrémité (référencée 14 sur la figure 2) et une partie tubulaire de section plus faible 15 reliée à l'autre rotule d'extrémité 16 et engagée coaxialement dans la partie tubulaire 12 Les deux paliers 10 et 11 sont adhérisés entre ces parties 12 et 15 en étant axialement espacés l'un de l'autre, ce qui procure les avantages indiqués plus haut. Dans le mode de réalisation de la figure 2, une chambre étanche 17 remplie de fluide est formée sur le palier élastique 10, en étant délimitée aussi par les parties tubulaires 12, 15 Cette chambre communiquant avec l'extérieur par un trou 18, on peut y faire varier la pression En ajoutant du fluide dans la chambre 17, la pression va y augmenter, soumettant ainsi la barre 13 à une force axiale dans le sens de l'extension, force transmise aux structures entre lesquelles elle est accrochée; en retirant du fluide de cette chambre 17 la pression y diminuera, créant ainsi une force axiale dans le sens opposé La pression dans la chambre 17 peut être commandée par exemple grâce à une servovalve ou à un distributeur proportionnel, asservis par un capteur de pression. On constate qu'une telle chambre présente sur le vérin hydraulique de la figure 1 l'avantage d'une moins grande raideur hydraulique, puisqu'elle est limitée partiellement par le palier lamifié 10; il y a aussi une absence totale de frottements, d'o une plus grande facilité d'asservissement. Selon un autre mode de réalisation (figure 3), la barre 13 comporte une chambre à fluide 17 analogue à la chambre 17 du mode de réalisation précédent, mais qui peut communiquer avec une chambre de compensation 21 par une colonne de fluide 20 traversant axialement la partie de plus faible section 15 Grâce à une membrane 22, un volume de gaz de pressurisation 23 est ménagé dans cette chambre 21 La pression est ainsi relativement constante dans cette chambre. La raideur dynamique | Kdyn | du résonateur hy- draulique ainsi constitué dans la barre 13 est représen- tée à la figure 4 en fonction de la fréquence f, la fi- gure 5 représentant l'évolution de l'amortissement en fonction de cette fréquence. Un tel système peut être utilisé de deux façons différentes, selon les différents paramètres de son di- mensionnement: on peut par exemple faire en sorte que la fréquence fc (figure 4) pour laquelle la raideur dynami- que est minimale coïncide avec la fréquence des vibra- tions gênantes; cela permet de diviser par plus de 2 leur transmission à la structure à protéger, par rapport à ce que l'on obtiendrait avec une barre seulement élas- tique; l'autre solution pourrait consister à faire coincider la fréquence fa des vibrations pour laquelle l'amortissement 2 est maximal avec la fréquence d'un mode propre gênant (figure 5). Dans l'un et l'autre cas, on peut encore faire varier la pression dans la chambre principale 17, comme dans le mode de réalisation de la figure 2, grâce à des moyens extérieurs d'alimentation en fluide sous pression, ceci pour assurer le contrôle actif des vibrations résiduelles. Dans le mode de réalisation de la figure 6, on a utilisé les mêmes références que dans la figure 3 pour désigner les mêmes parties de la barre 13, ou des parties analogues ou jouant le même rôle, même si elles sont disposées de façon légèrement différente Il est donc inutile de procéder à la description complète de cette figure L'élément innovant principal, par rapport au mode de réalisation de la figure 3, réside dans la disposition d'un piston creux 24 dans la partie tubulai- re 12 de la barre, le passage axial 20 de ce piston constituant la colonne de fluide propre à mettre en communication mutuelle la chambre 17 et la chambre de compensation 21 Ce piston 24 comporte deux flasques 25 connectés à la partie tubulaire 12 par des paliers adhérisés déformables 26, pouvant être lamifiés, et permettant au piston 24 d'être guidé lors de ses dépla- cements axiaux en translation dans la partie tubulaire 12 En même temps, ces paliers 26 assurent le rappel du piston dans sa position médiane, et l'étanchéité des chambres 17 et 21 Les déplacements de ce piston peuvent être commandés par tous moyens appropriés, électriques, hydrauliques, piézoélectriques, magnétostrictifs, etc. Dans l'exemple de la figure 6, on a représenté des moyens magnétiques: deux électroaimants annulaires montés en tête-bêche 27-27 ' associés à des capteurs différentiels de déplacements 28, sont disposés entre les flasques 25 du piston, de part et d'autre d'un disque ferromagnétique 29 solidaire de ce piston (on pourrait aussi utiliser deux disques ferromagnétiques disposés de part et d'autre des électroaimants, c'est- à-dire contre les flasques 25) Ces électroaimants 27 sont fixes, étant assujettis intérieurement à la partie tubulaire 12 Par suite, en envoyant du courant dans l'une ou l'autre des bobines 27 'des électroaimants on pourra provoquer des déplacements axiaux contrôlés dans un sens ou dans l'autre du piston 24, pour faire varier le volume de fluide dans la chambre principale 17 et donc la pression dans cette chambre Ainsi et comme dans les autres modes de réalisation on pourra engendrer dans la barre 13 les efforts compensatoires voulus et dimi- nuer ainsi les vibrations transmises à la structure à protéger. Grâce aux capteurs différentiels de déplacements 28 on peut asservir le piston 24 en position, et éviter l'inconvénient inhérent au défaut de précision et de linéarité du système. Un circuit d'asservissement a été représenté à titre d'exemple à la figure 7 Les informations fournies par les capteurs 28 sont comparées à une entrée de com- mande e O (boucle 30, comparateur 31) En fonction du ré- sultat de la comparaison, un bloc d'électronique de com- mande 32 détermine le courant d'alimentation des bobines 27 ' des électroaimants, par l'intermédiaire d'amplifica- teurs 33 De la sorte, le piston 24 est asservi en posi- tion, et se déplace conformément à la consigne e 0, com- mande élaborée par l'électronique de contrôle actif des vibrations. Le problème de l'atténuation des vibrations transmises par une structure vibrante telle qu'un rotor d'hélicoptère à une autre structure (nacelle de l'héli- coptère) peut encore être résolu, à partir du concept d'un dispositif actif à barres de liaison élastiques du type défini plus haut, grâce à un déphaseur à raideur pilotée installé entre les deux parties 12 et 15 de la barre, encore reliées élastiquement l'une à l'autre par des paliers élastiques éventuellement lamifiés 10 et 11 analogues à ceux des modes de réalisation précé- dents. Le principe d'un tel déphaseur a été schématisé à la figure 8 La source d'excitation vibratoire à pul- sation t) agissant en M et la barre de liaison élastique à la structure étant représentée par sa raideur K, le déphaseur est fourni par le montage en parallèle d'une masse auxiliaire m en série avec des ressorts à raideur pilotable k. Au-delà de sa fréquence propre, le système k, m, k se met en opposition de phase avec le système M, K, d'o une atténuation des vibrations transmises à la structure à protéger. La surtension en amplitude du système est donnée par la formule connue suivante: 1 -1/ X = -(@ 1) + 4 l dans laquelle W, est la pulsation à la résonance, et do est l'amortissement ( 4 = 1/2 tg 6), 6 étant l'angle de déphasage. Pour pouvoir minimiser la masse auxiliaire m, on a intérêt à obtenir la surtension maximale et donc à mi- nimiser Fa et ( W o 0). Les exemples numériques suivants montrent les influences respectives de )/W,,et de tg 9 2675558 )/t)Otg 6 X 1,1 0,05 4,6 0,02 4,8 1,05 0,05 8,8 _ 0,02 9,6 1,02 0,05 15,6 _ 0,01 24 Pour obtenir une bonne surtension en amplitude, on voit que Cdo doit en permanence suivre à quelques % près, et que l'amortissement doit être le plus faible possible. Les modes de réalisation de l'invention qui vont être décrits ci-dessous ont pour objet de suivre la fré- quence d'excitation en permanence, même lorsqu'elle est variable, par adaptation de la raideur du déphaseur, et d'utiliser des ressorts supplémentaires élastomère-métal ou élastomère composite pour minimiser l'amortissement, et ceci pour des courses maximales de quelques dizaines de mm. On obtient ces résultats avec les modes de réa- lisation des figures 9 et 10. Dans le mode de réalisation de la figure 9, la masse battante supplémentaire m du déphaseur est consti- tuée par la masse d'un tube 34 entourant la barre élas- tique 13 au niveau des paliers élastiques 10 et 11 La fonction des ressorts k du schéma de principe de la fi- gure 8 est assurée par des lames de ressorts composites30 35 radiales et encastrées d'une part entre des brides d'encastrement 36 du tube 34 et d'autre part des brides d'encastrement 37 et 38 montées respectivement sur les parties tubulaires 15 et 12 de la barre 13 La raideur des ressorts ainsi constitués peut par exemple être a-35 justée par mise en compression asservie des encastrements 37 et 38, par exemple au moyen de vérins pilotés symbolisés par les flèches F, agissant sur une partie mobile de l'encastrement. Dans la variante de réalisation de la figure 10, on utilise une lame de ressort 35 traversant la barre 13 (s'étendant entre deux encastrements 36 diamétralement opposés), ce qui permet de réduire l'encombrement radial du système, un vérin F suffisant alors à assurer le ré- glage de la raideur de la lame, en comprimant ou en re- lâchant un encastrement mobile central 37 solidaire de la partie 15 de la barre Un montage semblable pourrait être adopté de l'autre côté, pour la lame 35 reliant l'autre encastrement 36 à la partie 12 de la barre. Il est à noter en outre que la masse 34 peut être guidée sur la barre 13 par des patins à faible frottement, en téflon ou analogue. On comprend en tout cas que c'est à partir d'une comparaison entre les fréquences d'excitation et les fréquences de battement du système, que 1 'on commande- ra, grâce à un circuit d'asservissement approprié, les vérins de mise en compression des encastrements, pour régler la raideur des lames 35 L'acquisition de ces fréquences pourra se faire par l'intermédiaire d'accélé- romètres. On peut aussi envisager de régler la raideur k dés lames 35 en faisant agir sur elles des butées 39 à position radiale variable, comme représenté sur les fi- gures 11 et 12, ces butées étant agencées sur une came en spirale dont on pourra commander l'angle de rotation dans un sens ou dans l'autre également grâce à un cir- cuit d'asservissement approprié Dans ce cas, bien en- tendu, on pourra utiliser des encastrements 36 et 37 à pression constante. D'autres butées (non représentées) permettent de limiter les déplacements de la masse 34 dans les deux sens. REVENDICATIONS 1 Barre élastique de liaison à système de con- trôle actif des vibrations, propre à être soumise, par l'une de ses extrémités, à des efforts vibratoires s'exerçant selon son axe et reliée par son autre extré- mité à une structure qu'il convient d'isoler des vibra- tions, caractérisée en ce qu'elle comporte une partie tubulaire ( 12) reliée à l'une desdites extrémités ( 14) de la barre et entourant une partie ( 15) de section plus faible reliée à l'extrémité opposée ( 16), et en ce que ces deux parties ( 12, 15) sont reliées transversalement l'une à l'autre par un palier élastique ( 10, 11) adhérisé entre elles ou par au moins deux paliers axialement espacés, ledit système actif de contrôle des vibrations agissant entre lesdites parties ( 12, 15). 2 Barre selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits paliers élastiques ( 10, 11) sont cons- titués chacun par un bloc d'élastomère annulaire lami- fié. 3 Barre selon la revendication 1 ou 2, caracté- risée en ce qu'elle comporte une chambre étanche ( 17) remplie de fluide hydraulique, limitée par l'un ( 10) desdits paliers élastiques et par lesdites parties ( 12, ), du fluide pouvant être amené dans cette chambre ( 17) ou en être prélevé pour soumettre la barre ( 13) aux efforts de compensation axiaux souhaités. 4 Barre selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre étanche remplie de fluide hydraulique ( 17), li- mitée par l'un ( 10) desdits paliers élastiques et par lesdites parties ( 12, 15), cette chambre ( 17) communi- quant par une colonne ( 20) avec une chambre de compensa- tion ( 21), une membrane ( 22) délimitant dans cette der- nière un volume ( 23) pour un gaz de pressurisation. 5 Barre selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite chambre ( 17) est associée à des moyens il extérieurs d'alimentation en fluide sous pression, per- mettant de faire varier la pression dans ladite chambre. 6 Barre selon la revendication 4, caractérisée en ce qu'un piston ( 24) est monté axialement mobile dans ladite partie tubulaire ( 12) de la barre, entre lesdites chambres ( 17, 21), ce piston comportant un passage axial ( 20) constituant ladite colonne de mise en communication des deux chambres ( 17, 21) et étant associé à des moyens moteurs propres à commander ses déplacements et, par les transferts de fluide qui en résultent, la pression compensatrice d'efforts dans ladite chambre ( 17). 7 Barre selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdits moyens moteurs comprennent des élec- troaimants annulaires ( 27-27 ') disposés à l'intérieur dudit piston ( 24) et propres à agir sur au moins un dis- que ferromagnétique ( 29) solidaire dudit piston. 8 Barre selon la revendication 6 ou 7, caracté- risée en ce que le piston ( 24) est associé à au moins un capteur de déplacements ( 28) faisant partie d'un circuit d'asservissement ( 28, 30, e 0, 31, 32, 33, 27 ') propre à commander lesdits moyens moteurs ( 27-27 ') pour asservir le piston ( 24) en position et ainsi assurer le contrôle actif des vibrations dans ladite barre. 9 Barre élastique de liaison selon la revendi- cation 1 ou 2, dont une des extrémités est soumise à des vibrations d'excitation, caractérisée en ce que ledit système de contrôle actif des vibrations comporte, entre les deux dites parties ( 12, 15) de la barre ( 13), un dé- phaseur ( 34 à 37) dont la raideur est ajustée pour que sa fréquence de résonance coïncide avec la fréquence des vibrations d'excitation, de façon à obtenir l'atténua- tion maximale. Barre selon la revendication 9, caractérisée en ce que ledit système de contrôle actif comporte des moyens de réglage de la raideur dudit déphaseur, asser- vis à la fréquence de ses battements. 1 2 11 Barre selon la revendication 9 ou 10, carac- térisée en ce que ledit déphaseur comporte, comme élé- ments élastiques à raideur ajustable, des lames de res- sort radiales ( 35) à faible amortissement, encastrées entre une masse tubulaire extérieure ( 34) entourant la barre ( 13), et respectivement l'une et l'autre desdites parties ( 12,15) de ladite barre. 12 Barre selon la revendication 11, caractéri- sée en ce que les moyens de réglage de la raideur desdi- tes lames ( 35) du déphaseur comprennent des moyens de réglage de leur pression d'encastrement à au moins l'une ( 37) de leurs extrémités ou au milieu d'une lame ( 35) traversant ladite barre ( 13) et commune à deux encastre- ments ( 36) diamétralement opposés de ladite masse tubu- laire ( 34). 13 Barre selon la revendication 11, caractéri- sée en ce que les moyens de réglage de la raideur desdi- tes lames ( 35) du déphaseur comprennent des butées ( 39) propres à s'appliquer en un point variable de leur lon- gueur, ces butées pouvant être à cet effet agencées sur une came en spirale rotative.