Brevet FR2739670A1 — publié le 19970411

La présente invention concerne un dispositif pour amortir les vibrations d'une structure soumise à des sollicitations dynamiques. La présente invention s'applique plus particulièrement, quoique non exclusivement, à l'amortissement des vibrations d'un élément d'aéronef à voilure tournante, notamment la cabine d'un hélicoptère. Les vibrations d'un élément d'hélicoptère (cabine par exemple), issues des charges aérodynamiques alternées engendrées par les pales, sont périodiques, de fréquence fondamentale Fe égale au produit de la fréquence de rotation du rotor et du nombre de pales du rotor. Une des solutions utilisées sur les hélicoptères pour atténuer la première harmonique (de fréquence Fe) de ces vibrations est l'agencement d'un résonateur (ou dispositif d'absorption dynamique). Un tel résonateur est généralement constitué d'une masse montée sur une lame élastique, elle-même encastrée dans la structure dont les vibrations doivent être amorties. Un résonateur de ce type est caractérisé par sa première fréquence propre, notée F, qui dépend de - la valeur de la masse, - le matériau de la lame, - la géométrie de la lame, - la position de la masse sur la lame. Un tel résonateur fonctionne de la façon suivante. Lorsque la structure vibre (en considérant uniquement la composante de fréquence Fe des vibrations), le résonateur est excité par les vibrations de la structure. La vibration de la masse, due à la réponse dynamique du résonateur aux excitations de la structure, engendre alors un effort dynamique (effort d'inertie de fréquence égale à la fréquence Fe des vibrations de la structure) pouvant, selon les caractéristiques du résonateur, contrecarrer (amortir) les vibrations de la structure. On montre que les caractéristiques optimales du résonateur (c'est-à-dire les caractéristiques permettant d'obtenir le plus fort amortissement des vibrations de la structure ou encore la plus forte vibration de la masse du résonateur) sont obtenues lorsque la fréquence propre F du résonateur est égale à la fréquence Fe des vibrations à amortir de la structure. En pratique, pour une fréquence Fe donnée, le résonateur est réglé en déterminant, par des essais, la position optimale de la masse du résonateur sur la lame élastique, à savoir de sorte que F=Fe. Dans le cas d'un hélicoptère notamment, les problèmes posés par de tels résonateurs sont les suivants - la masse nécessaire sur l'hélicoptère est importante, - le réglage initial d'un tel résonateur (détermination de la position de la masse sur la lame élastique) est coûteux en temps d'essais, - le résonateur peut se dérégler en vol du fait de l'evolu- tion de l'impédance de la structure au cours du temps (vieillissement de la structure, modification de la structure et évolution des conditions de charge, ce qui entraîne une modification de la fréquence propre F du résonateur), - le réglage initial du résonateur peut ne plus être optimal dans certaines phases de vol du fait de l'évolution de la vitesse de rotation du rotor en fonction des conditions de vol (la fréquence Fe des excitations est alors différente de la fréquence propre F du résonateur), - le résonateur peut également se dérégler en vol du fait de l'évolution des niveaux vibratoires de la structure en vol en fonction des conditions de vol (la fréquence propre F du résonateur devient alors différente de la fréquence Fe des excitations car elle dépend du niveau d'excitation), le résonateur, du fait de son faible amortissement, étant un système mécanique légèrement non linéaire. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients. A cet effet, le dispositif pour amortir les vibrations d'une structure soumise à des sollicitations dynamiques, du type comportant une masse principale montée sur une lame élastique, elle-même encastrée dans la structure dont les vibrations doivent être amorties, la position de ladite masse principale le long de ladite lame étant réglée initialement de sorte que la fréquence propre du dispositif d'amortissement soit égale à la fréquence des vibrations à amortir de la structure, est remarquable, selon l'invention, en ce que, de façon à adapter constamment la fréquence propre du dispositif d'amortissement à la fréquence des vibrations à amortir de la structure, le dispositif d'amortissement comprend de plus au moins une masse auxiliaire liée à ladite masse principale et pouvant être déplacée par rapport à ladite lame élastique en fonction des impulsions de commande reçues d'un calculateur, élaborées à partir de signaux provenant d'un premier et/ou d'un second accéléromètre mesurant, respectivement, les vibrations de ladite structure et celles de ladite masse principale. Ainsi, on obtient un dispositif d'amortissement (ou résonateur) capable d'une autorégulation automatique, de sorte qu'il fournit, à tout instant, ses performances optimales. Le principe de l'invention consiste donc à asservir en position une partie de la masse (masse auxiliaire) du résonateur, servant à engendrer les efforts d'inertie contrecarrant les vibrations de la structure, de façon que la fréquence propre F du résonateur soit, à tout instant, égale à la fréquence Fe des excitations. De préférence, ladite masse auxiliaire peut être déplacée au moins sensiblement parallèlement à ladite lame élastique. Avantageusement, ladite masse auxiliaire est liée à ladite masse principale par l'intermédiaire d'un support, sur lequel est monté un moteur relié à ladite masse auxiliaire par un axe et recevant lesdites impulsions de commande. De plus, ladite masse auxiliaire peut être constituée de deux masses, guidées axialement dans un manchon en pouvant effectuer un mouvement de translation sur ledit axe, un ressort précontraint étant prévu entre les deux dites masses pour annuler les jeux axiaux. Par ailleurs, pour annuler les jeux radiaux, ladite masse auxiliaire, guidée dans un manchon, présente un jeu de patins de contact, sollicités par ressort, s'appliquant sur la face interne dudit manchon. De préférence, ledit axe est réalisé sous forme de vis sans fin actionnée en rotation par ledit moteur fixé à une extrémité dudit manchon. En particulier, ledit moteur peut être un moteur électrique pas à pas. Avantageusement, le blocage en rotation de la ou des masses auxiliaires est obtenu par une rainure longitudinale pratiquée dans ledit manchon et deux tiges filetées fixées chacune dans une desdites masses, ou encore par décalage de l'axe de ladite vis par rapport à l'axe longitudinal dudit manchon. De préférence, ledit support est fixé, d'une part, à ladite masse principale et à ladite lame élastique et, d'autre part, à l'ensemble constitué de ladite masse auxiliaire et dudit moteur. Par ailleurs, le dispositif peut comprendre deux contacts de fin de course de la masse auxiliaire. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'asservissement du dispositif est un asservissement du type analogique ou numérique. Dans le cas de l'asservissement analogique - les signaux des deux accéléromètres sont filtrés par un filtre passe-bande - les signaux filtrés sont ensuite multipliés dans un multiplicateur analogique - une tension proportionnelle au cosinus du déphasage des deux signaux est alors obtenue à l'aide d'un filtre passe-bas et d'un détecteur dynamique du signal produit et - le moteur est commandé à l'aide de cette tension dont le signe caractérise la position de la fréquence propre du dispositif par rapport à la fréquence des vibrations à amortir de la structure. Dans le cas de l'asservissement numérique - après avoir mesuré la fréquence des vibrations à amortir, la composante sur cette fréquence des signaux des deux accéléromètres est extraite numériquement ; et - le déplacement de la masse auxiliaire est commandé en calculant le déphasage entre les harmoniques des signaux des accéléromètres, la valeur de ce déphasage par rapport à 900 caractérisant la position de la fréquence propre du dispositif par rapport à la fréquence des vibrations à amortir de la structure. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est un schéma synoptique d'un exemple de réalisation du dispositif d'amortissement selon l'invention. La figure 2 montre un exemple de réalisation pratique du dispositif d'amortissement selon l'invention. Les figures 2A et 2B illustrent deux variantes de la réalisation de la figure 2. La figure 3 montre schématiquement la boucle d'asservissement du dispositif selon l'invention. La figure 4 illustre le cas de l'asservissement analogique. La figure 5 illustre le cas de l'asservissement numérique. Sur le schéma synoptique de la figure 1, on voit que le dispositif 1 pour amortir les vibrations d'une structure 2 soumise à des sollicitations dynamiques comprend, de façon classique, une masse principale 3 montée sur une lame élastique 4, elle-même encastrée dans la structure 2 dont les vibrations doivent être amorties, la position de ladite masse principale 3 le long de ladite lame élastique étant réglée initialement de sorte que la fréquence propre F du dispositif d'amortissement 1 soit égale à la fréquence Fe des vibrations à amortir de la structure 2. Selon l'invention, de façon à adapter constamment la fréquence propre F du dispositif d'amortissement 1 à la fréquence Fe des vibrations à amortir de la structure 2, le dispositif d'amortissement 1 comprend de plus une masse auxiliaire 5 liée, par l'intermédiaire d'un support 6, à la masse principale 3 et pouvant être déplacée par rapport à la lame élastique 4, notamment au moins sensiblement parallèlement à celle-ci, grâce à un moteur 7, notamment un moteur électrique pas à pas ou tout autre moyen par exemple hydraulique, pneumatique, mécanique, monté sur le support 6 et relié à la masse auxiliaire 5 par un axe 8.Le déplacement de la masse auxiliaire 5 (double flèche sur la figure 1) est effectué en fonction des impulsions de commande reçues d'un calculateur 9, élaborées à partir de signaux provenant d'un premier accéléromètre 10 et d'un second accéléromètre 11 mesurant, respectivement, les vibrations de la structure 2 et celles de la masse principale 3. Lorsque la fréquence Fe des excitations provenant de la structure 2 est égale à la fréquence propre F du dispositif d'amortissement 1 (dénommé également ci-après "résonateur"), ce dernier est alors excité sur sa fréquence propre F, c'est-à-dire que les signaux des premier et second accéléromètres 10, 11 sont ainsi en quadrature de phase. Le résonateur est dans ce cas parfaitement réglé et offre ses performances optimales. Cependant, lorsque la fréquence Fe des excitations varie d'une quantité AFe (variation qui peut être due, par exemple, à un changement de régime du rotor), le résonateur 1 n'est plus excité sur sa fréquence propre F, de sorte que les signaux des accéléromètres 10, 11 ne sont alors plus en quadrature de phase (le résonateur est alors déréglé). Cela est détecté par le calculateur 9 qui commande le moteur 7 (commandant lui-même la position de la masse auxiliaire 5 parallèlement à la lame 4) de façon à faire varier la fréquence propre F du résonateur d'une quantité égale à Fe. La fréquence des excitations provenant de la structure 2 est ainsi égale à la fréquence propre du résonateur, et ce dernier est à nouveau réglé et offre ses performances optimales. Par ailleurs, lorsque la fréquence F (initialement égale à la fréquence Fe des excitations) du résonateur varie d'une quantité AF (variation due à un changement du niveau d'excitation ou de l'impédance de la structure par exemple), le résonateur 1 n'est plus excité sur sa fréquence propre, de sorte que les signaux des accéléromètres 10, 11 ne sont plus alors en quadrature de phase (le résonateur est déréglé). Cela est détecté par le calculateur 9 qui commande alors le moteur 7 (commandant lui-même la position de la masse auxiliaire 5) de façon à faire varier la fréquence propre F+AF du résonateur d'une quantité égale, en valeur absolue, à AF et de signe opposé. La fréquence propre du résonateur redevient ainsi égale à la fréquence Fe des excitations de la structure 2, et le résonateur est à nouveau réglé et offre ses performances optimales. Ce dispositif asservi assure donc, à tout instant, l'égalité entre la fréquence Fe des excitations et la fréquence propre F du résonateur, c'est-à-dire que, à tout instant, le résonateur est réglé et fournit ses performances optimales. La plage de fréquence propre F que peut parcourir le résonateur autoréglable est définie par - les caractéristiques du résonateur non asservi (réglage manuel grossier de la position de la masse principale 3 sur la lame 4), - la valeur de la masse auxiliaire 5 et l'étendue de la course du moteur 7, caractéristiques devant être elles mêmes définies en fonction de la plage de variation possible de la fréquence Fe des excitations et de la plage de variation possible de la fréquence propre F du résona teur non asservi. Deux contacts de fin de course 20 de la masse auxiliaire 5 doivent de plus être prévus (figures 1 et 2). En effet, ces contacts actionnés par la masse auxiliaire 5 permettent d'arrêter le moteur 7 en cas de dépassement de la course admissible. En particulier, lors du démarrage du rotor, la fréquence est très éloignée de la fréquence de résonance du dispositif. Celui-ci, par son asservissement, va tenter de s'accorder à Fe qui est en dehors de la plage maximale acceptable par le résonateur. Alors, la masse auxiliaire vient en butée, d'où la nécessité d'arrêter le moteur pour ne pas le détruire par échauffement. De même, en cas de criques dans la lame 4, la plage de fréquence filtrable par le résonateur va se décaler à cause de la chute de raideur de ladite lame. Le résonateur tentera de s'adapter jusqu'à ce que Fe ne soit plus dans la plage. Cela se traduit par la mise en butée de la masse auxiliaire. Alors, grâce aux contacts de fin de course, un voyant lumineux pourra s'allumer au tableau de bord afin de prévenir le pilote de l'anomalie. Sur l'exemple de réalisation pratique montré sur la figure 2, on retrouve généralement les éléments, listés en regard de la figure 1, du dispositif 1 pour amortir les vibrations d'une structure 2 soumise à des sollicitations dynamiques, à savoir - une masse principale 3 montée sur une lame élastique 4, à l'aide de boulons ou analogues 12, ladite lame étant elle-même encastrée dans la structure 2 (le déplacement manuel de la masse principale 3 permet d'effectuer un réglage grossier du résonateur, de façon analogue à un résonateur classique), - une masse auxiliaire 5 liée, par l'intermédiaire d'un support 6, à la masse principale 3 et pouvant être dépla cée parallèlement à la lame élastique 4, grâce à un moteur 7, sur un axe 8, - un calculateur 9 recevant des signaux d'un premier accélé romètre 10 monté sur la structure 2 et d'un second accé léromètre 11 monté sur la masse principale 3 et fournis sant des impulsions de commande au moteur 7. Plus particulièrement, dans ce cas, la masse auxiliaire 5 est constituée de deux masses 5A et 5B, guidées axialement de façon précise dans un manchon 13 en pouvant effectuer un mouvement de translation sur l'axe 8, réalisé sous forme de vis sans fin actionnée en rotation par le moteur 7 fixé sur le manchon 13 à une extrémité de celui-ci. Par ailleurs, comme montré sur la figure 2A, la masse auxiliaire 5 (éventuellement unique sans ressort 14), guidée dans le manchon 13 peut présenter, pour annuler les jeux radiaux, des patins de contact 17, sollicités par ressort 18, s'appliquant sur la face interne du manchon 13. Un ressort précontraint 14 est prévu entre les masses 5A et 5B afin d'annuler le jeu entre le filetage des masses 5A et 5B et la vis sans fin 8 (dans la limite de la précontrainte), une cale de réglage (non représentée) permettant de régler la précontrainte du ressort 14. De plus, le diamètre extérieur de la vis sans fin 8 est inférieur de quelques dixièmes de millimètre au diamètre extérieur du filetage des masses 5A et 5B afin de rendre le montage isostatique, tandis que les deux masses 5A et 5B sont guidées entre elles par un ajustement précis afin d'éviter un éventuel arcboutement sur la vis. Par ailleurs, le blocage en rotation des masses 5A et 5B est obtenu par une rainure longitudinale 15 pratiquée dans le manchon 13 et deux tiges filetées 16 fixées chacune dans une masse 5A, 5B, ou par décalage de l'axe de la vis 8, comme montré sur la figure 2B (sans rainure), par rapport à l'axe longitudinal du manchon, et cela dans le cas d'une ou de deux masses auxiliaires 5. En outre, le support 6 est fixé, d'une part, à la masse principale 3 et à la lame élastique 4 par les boulons 12 et, d'autre part, à l'ensemble constitué du manchon 13 et du moteur 7 par des boulons ou analogues, non représentés sur la figure 2. Comme déjà indiqué, le but de l'asservissement (figure 3) du résonateur 1 selon l'invention est de commander le moteur électrique 7 (c'est-à-dire la position de la masse auxiliaire 5) de façon à assurer, à tout instant, l'égalité de la fréquence propre F du résonateur avec la fréquence Fe des excitations (ce qui revient à assurer, à tout instant, la quadrature des réponses des deux accéléromètres 10 et 11). Deux types d'asservissement peuvent être utilisés : un asservissement analogique (figure 4) ou un asservissement numérique (figure 5). Le principe de réalisation de l'asservissement analogique est illustré sur la figure 4 - les signaux rE(t) et rs(t) des deux accéléromètres 10 et 11 sont filtrés par un filtre passe-bande 100 (la plage de fréquence de ce filtre étant la plage de variation possi ble de la fréquence des excitations Fe) - les signaux filtrés FEF rEF(t) et rSF(t) sont ensuite multi pliés dans un multiplicateur analogique 101 - une tension proportionnelle au cosinus du déphasage des deux signaux rEF(t) et rSF(t) est alors obtenue, à l'aide d'un filtre passe-bas 102 (statique) et d'un détecteur dynamique 103 du signal produit rEF(t)*rsF(t), en 104 ; et - le moteur est finalement commandé (en 105) à l'aide de cette tension dont le signe caractérise la position de la fréquence propre F du résonateur par rapport à la fré quence Fe des excitations. Le principe de réalisation de l'asservissement numérique est illustré sur la figure 5, et nécessite la mesure de la fréquence fondamentale Fe des excitations à amortir (dans le cas d'un hélicoptère, cette mesure peut être obtenue à l'aide d'une roue phonique ou d'un codeur optique, par exemple). Connaissant la fréquence Fe des vibrations à amortir, on peut extraire numériquement la composante sur cette fré quence des signaux rE(t) et rs(t) (t) des deux accéléromètres 10 et 11 (par une analyse harmonique synchrone 110, par exemple). On peut alors commander le déplacement de la masse auxiliaire 5 à l'aide du moteur 7 (en 111) en calculant le déphasage entre les harmoniques des signaux rE(t) et rs(t), la valeur de ce déphasage par rapport à 900 caractérisant la position de la fréquence propre F du résonateur par rapport à la fréquence Fe des excitations. Dans le cas d'un hélicoptère notamment, le résonateur à auto-régulation selon l'invention permet, d'une part, de supprimer, au moins en grande partie, les essais de réglage nécessaires dans le cas d'un résonateur classique. D'autre part, il permet soit d'augmenter l'efficacité du résonateur en vol (pour une même masse), soit de diminuer la masse embarquée du résonateur (pour une même efficacité). Par ailleurs, il permet d'obtenir une adaptabilité du résonateur aux variations de régime du rotor, aux évolutions de la structure, et aux variations du niveau vibratoire. REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) pour amortir les vibrations d'une structure (2) soumise à des sollicitations dynamiques, du type comportant une masse principale (3) montée sur une lame élastique (4), elle-même encastrée dans la structure (2) dont les vibrations doivent être amorties, la position de ladite masse principale (3) le long de ladite lame (4) étant réglée initialement de sorte que la fréquence propre (F) du dispositif d'amortissement (1) soit égale à la fréquence (Fe) des vibrations à amortir de la structure (2), caractérisé en ce que, de façon à adapter constamment la fréquence propre (F) du dispositif d'amortissement (1) à la fréquence (Fe) des vibrations à amortir de la structure (2), le dispositif d'amortissement (1) comprend de plus au moins une masse auxiliaire (5) liée à ladite masse principale (3) et pouvant être déplacée par rapport à ladite lame élastique (4) en fonction des impulsions de commande reçues d'un calculateur (9), élaborées à partir de signaux provenant d'un premier (10) et/ou d'un second accéléromètre (11) mesurant, respectivement, les vibrations de ladite structure (2) et celles de ladite masse principale (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite masse auxiliaire (5) peut être déplacée au moins sensiblement parallèlement à ladite lame élastique (4). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite masse auxiliaire (5) est liée à ladite masse principale (3) par l'intermédiaire d'un support (6), sur lequel est monté un moteur (7) relié à ladite masse auxiliaire (5) par un axe (8) et recevant lesdites impulsions de commande. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite masse auxiliaire (5) est constituée de deux masses (5A, 5B), guidées axialement dans un manchon (13) en pouvant effectuer un mouvement de translation sur ledit axe (8), un ressort précontraint (14) étant prévu entre les deux dites masses (5A, 5B) pour annuler les jeux axiaux. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que, pour annuler les jeux radiaux, ladite masse auxiliaire (5), guidée dans un manchon (13), présente un jeu de patins de contact (17), sollicités par ressort (18), s'appliquant sur la face interne dudit manchon (13). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que ledit axe (8) est réalisé sous forme de vis sans fin actionnée en rotation par ledit moteur (7) fixé à une extrémité dudit manchon (13). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que ledit moteur (7) est un moteur électrique pas à pas. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le blocage en rotation des deux dites masses (5A, 5B) est obtenu par une rainure longitudinale (15) pratiquée dans ledit manchon (13) et deux tiges filetées (16) fixées chacune dans une desdites masses (5A, 5B). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le blocage en rotation de la ou des masses auxiliaires (5) est obtenu par décalage de l'axe de ladite vis (8) par rapport à l'axe longitudinal dudit manchon (13). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que ledit support (6) est fixé, d'une part, à ladite masse principale (3) et à ladite lame élastique (4) et, d'autre part, à l'ensemble constitué de ladite masse auxiliaire (5) et dudit moteur (7). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend deux contacts de fin de course (20) de la masse auxiliaire (5). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'asservissement dudit dispositif (1) est un asservissement du type analogique. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que, dans le cas de l'asservissement analogique - les signaux des deux accéléromètres (10, 11) sont filtrés par un filtre passe-bande (100) ; - les signaux filtrés sont ensuite multipliés dans un multiplicateur analogique (101) ; - une tension proportionnelle au cosinus du déphasage des deux signaux est alors obtenue à l'aide d'un filtre passe-bas (102) et d'un détecteur dynamique (103) du signal produit ; et - le moteur (7) est commandé à l'aide de cette tension dont le signe caractérise la position de la fréquence propre (F) du dispositif (1) par rapport à la fréquence (Fe) des vibrations à amortir de la structure (2). 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que l'asservissement dudit dispositif (1) est un asservissement du type numérique. 15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que, dans le cas de l'asservissement numérique - après avoir mesuré la fréquence des vibrations à amortir, la composante sur cette fréquence des signaux des deux accéléromètres (10, 11) est extraite numériquement (110) et - le déplacement de la masse auxiliaire (5) est commandé en calculant le déphasage entre les harmoniques des signaux des accéléromètres (10, 11), la valeur de ce déphasage par rapport à 900 caractérisant la position de la fréquence propre (F) du dispositif (1) par rapport à la fréquence (Fe) des vibrations à amortir de la structure (2).