Brevet FR2768995A1 — publié le 19990402

"RESONATEUR PENDULAIRE DE TETE DE ROTOR" L'invention concerne les résonateurs de tête de rotor, en particulier pour rotor principal d'hélicoptère, c'est-à-dire les dispositifs d'atténuation des vibrations générées par les mouvements d'un rotor entraîné en rotation, les résonateurs étant utilisés au niveau des têtes de rotor pour contrer efficacement les vibrations directement à leur source de production. Les résonateurs de tête de rotor connus sont essentiellement de deux types. Le premier type concerne les résonateurs coplanaires à au moins une masse sollicitée par au moins un ressort, pour l'atténuation de vibrations dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du rotor. Ces résonateurs, de structure simple et efficace, présentent l'inconvénient d'être lourds et de ne pas pouvoir s' adapter à une variation de la vitesse de rotation du rotor, et donc à une variation de la fréquence des vibrations à atténuer. Le second type concerne les résonateurs pendulaires, qui comprennent au moins un corps pendulaire, monté sur le rotor de façon à pouvoir osciller autour d'un axe de mouvement pendulaire, qui est espacé à la fois de l'axe du rotor et du centre d'inertie du corps pendulaire. Les résonateurs pendulaires peuvent être coplanaires, pour l'atténuation de vibrations dans un plan perpendiculaire à l'axe du rotor, auquel cas l'axe de mouvement pendulaire d'un corps pendulaire est sensiblement parallèle à l'axe du rotor. Mais les résonateurs pendulaires peuvent également être des résonateurs de battements, pour l'atténuation de vibrations parallèlement à l'axe du rotor, et générées par le battement de chaque pale, auquel cas l'axe de mouvement pendulaire d'un corps pendulaire est perpendiculaire à la fois à l'axe du rotor et à un axe radial. Ces résonateurs pendulaires présentent l'avantage d'être plus légers que les résonateurs du premier type présenté ci-dessus, car les résonateurs pendulaires utilisent la force centrifuge comme force de rappel des corps pendulaires. Cette particularité permet aux résonateurs pendulaires de s'adapter aux variations du régime de rotation du rotor, et donc d'être auto-adaptables ou autoréglables. Le principe mis en oeuvre sur les résonateurs pendulaires est que, par un réglage de dimensionnement du rayon de l'oscillation pendulaire et de la distance entre l'axe de rotation du moyeu du rotor et le centre de gravité du corps pendulaire relié au moyeu, on est capable d'adapter la pulsation propre d'oscillation à une pulsation à laquelle on souhaite obtenir une atténuation. A titre d'illustration, la figure 1 montre un corps pendulaire P, de masse m, oscillant autour d'un axe de mouvement pendulaire A sur un organe M, tel qu'un moyeu de rotor, tournant autour d'un axe de rotation Z-Z à une vitesse angulaire Q. Si L désigne le rayon d'accrochage ou d'attache, c'est-à-dire la distance entre les axes Z-Z et A, si 1 désigne le bras de levier ou l'excentricité du pendule, c'est-à-dire la distance entre l'axe A et le centre d'inertie du corps pendulaire P, et si lo désigne 11 inertie du corps pendulaire P autour de l'axe parallèle aux axes A et Z-Z et passant par son centre d'inertie, la force centrifuge Fc confère au corps pendulaire P une pulsation propre w donnée par la formule (1) ci-dessous Cette formule (1) exprime la fréquence propre d'un résonateur pendulaire coplanaire ou de battement. L'effort dynamique généré est donné par la formule (2) ci-dessous F = Np/2 . m . 1 . 02 . e où Np est le nombre de corps pendulaires de masse m, et d'excentricité ou bras de levier 1, et e est l'angle d'inclinaison du bras de levier 1 sur la direction radiale par rapport à l'axe de rotation Z-Z, passant par l'axe A du mouvement pendulaire, l'angle e maximum étant de 15 à 20 . Sur des hélicoptères de nouvelle génération, l'utilisation de résonateurs pendulaires est particulièrement intéressante pour deux raisons - pour pouvoir réduire le bruit émis par l'hélicoptère, dans certaines configurations de vol, ces hélicoptères sont équipés de rotors à régime de rotation variable, ce qui rend inopérant les résonateurs du premier type mentionné cidessus - ces hélicoptères ont des rotors principaux dont le nombre des pales est plus élevé que sur les rotors des hélicoptères des générations antérieures, et ce nombre élevé de pales génère un torseur des efforts et moments de faible niveau, ce qui permet d'obtenir un filtrage efficace avec des corps pendulaires de faible masse. Le principal inconvénient d'un résonateur pendulaire est que, pour des rotors à nombre de pales élevé, les fréquences à filtrer sont élevées, ce qui oblige à installer les corps pendulaires relativement loin de l'axe de rotation du rotor, afin de bénéficier d'un rappel centrifuge important. En effet, la formule (2) ci-dessus montre que si l'on veut obtenir un effort dynamique important avec un corps pendulaire de faible masse, le bras de levier 1 de ce corps pendulaire doit être important, ce qui, par la formule (1) ci-dessus, conduit à un grand rayon d'accrochage L, incompatible avec la géométrie du moyeu. A titre d'exemple, sur un hélicoptère de moyen tonnage à rotor principal à cinq pales, les calculs montrent que les corps pendulaires d'un résonateur pendulaire classique devraient être accrochés sur la partie courante des pales, ce qui est très handicapant. Par FR 2 733 483, on connalt un résonateur pendulaire tel que présenté ci-dessus, dont chaque corps pendulaire est monté oscillant sur un support, coaxial au mât rotor et entraîné en rotation autour de l'axe du rotor. L'entraînement en rotation du support est directement assuré par la tete de rotor, au niveau de laquelle un mât rotor, entraîné en rotation autour de l'axe de rotation du rotor, est solidaire en rotation d'un moyeu relié aux pales du rotor. En outre, au moins un corps pendulaire est monté pivotant autour d'un axe de rotation propre, parallèle à son axe de mouvement pendulaire et situé sensiblement plus près du centre d'inertie de ce corps pendulaire que de son axe de mouvement pendulaire. Un tel résonateur pendulaire ne permet que de remédier partiellement à l'inconvénient principal, mentionné ci-dessus pour ce type de résonateur. En outre, le fait que certains corps pendulaires sont animés d'un double mouvement de rotation, et que, pour chaque pale, il est préférable de prévoir deux corps pendulaires différents, pour filtrer des vibrations à des fréquences différentes, font qu'un tel résonateur est encombrant et relativement complexe, car constitué d'un grand nombre de composants. Le problème à la base de l'invention est de permettre l'utilisation de résonateurs pendulaires sur les rotors à nombre de pales élevé (supérieur ou égal à 4) et à régime de rotation variable d'hélicoptères modernes, sans présenter l'inconvénient principal précité, et en satisfaisant davantage aux diverses exigences de la pratique que, par exemple, le résonateur connu par FR 2 733 483. Un autre but de l'invention est de proposer un résonateur pendulaire entièrement mécanique, compact, en particulier en direction transversale par rapport à l'axe du rotor, et particulièrement bien adapté aux rotors principaux d'hélicoptères à nombre élevé de pales. A cet effet, le principe de l'invention repose sur une particularité intéressante des résonateurs pendulaires, qui est révélée par la formule (1) ci-dessus. En effet, on constate que le rayon d'accrochage L varie de façon inversement proportionnelle au carré de la vitesse de rotation n. L'idée à la base de 1 invention est donc d'augmenter la vitesse de rotation des corps pendulaires pour réduire de manière importante leur rayon d'accrochage L. L'invention propose un résonateur pendulaire, du type présenté ci-dessus et connu par FR-A-95 05071, et qui se caractérise en ce que le support rotatif, sur lequel les corps pendulaires sont montés, est entraîné en rotation sur la tête de rotor avec une vitesse de rotation supérieure à la vitesse de rotation n du rotor. Avantageusement, pour que le résonateur pendulaire de l'invention soit autoréglable, et s'adapte aux variations de la vitesse de rotation du rotor, la vitesse de rotation du support est non seulement supérieure à la vitesse de rotation du rotor, mais également est une fonction de cette vitesse de rotation du rotor, et est notamment proportionnelle à cette dernière, et en particulier égale à un multiple de cette vitesse de rotation du rotor. En outre, pour permettre la transmission des efforts verticaux et horizontaux entre le support et le rotor, le support rotatif est avantageusement relié au rotor par au moins un boîtier à au moins un roulement de transmission des efforts axiaux et transversaux, par rapport à l'axe Z-Z du rotor. Afin de faciliter le positionnement du support rotatif par rapport au rotor, il est avantageux que le support rotatif soit entraîné en rotation par un arbre de transmission le reliant à un organe menant, lui-même entraîné en rotation avec une vitesse supérieure à la vitesse de rotation n du rotor. Dans ce cas, le boîtier à roulement peut comprendre avantageusement au moins un roulement interposé entre l'arbre de transmission et un corps de boîtier fixé à l'un des éléments du rotor que sont les moyeux et le mât rotor. En particulier, lorsque le support est situé audessus du rotor, il est avantageux que le rotor comprenne un mât tubulaire traversé par l'arbre de transmission coaxial au mât et relié à l'organe menant du côté de la base du mât rotor, par laquelle ledit mât rotor est entraîné en rotation. Cette disposition se prête à une configuration d'entraînement particulièrement avantageuse du support rotatif à partir d'une source motrice en général disponible sur les hélicoptères. En effet, l'entraînement d'un rotor principal d'hélicoptère en rotation par la base de son mât rotor s'effectue généralement à l'aide d'une boîte de transmission principale, interposée entre le ou les moteur(s) ou turbo-moteur(s) et la base du mât rotor. Cette boîte de transmission principale comporte généralement un étage de sortie qui est un réducteur épicycloïdal, classiquement agencé en réducteur planétaire ayant un rapport n de démultiplication entre la vitesse élevée de rotation de son arbre d'entrée et la vitesse plus réduite de rotation de son organe de sortie, qui n'est autre qu'un porte-satellite solidaire en rotation de la base du mât rotor. Dans ce cas, l'organe menant, entraînant l'arbre de transmission du support rotatif, est avantageusement l'arbre d'entrée du réducteur épicycloïdal de la boite de transmission entraînant le mât rotor en rotation. Selon un mode simple de liaison, l'arbre de transmission présente des cannelures axiales en prise avec des cannelures axiales complémentaires de l'arbre d'entrée du réducteur épicycloïdal. Le résonateur de l'invention peut être agencé en résonateur pendulaire de battement, sur lequel chaque corps pendulaire est monté oscillant autour d'un axe de mouvement pendulaire respectif, qui est perpendiculaire à la fois à l'axe du rotor et à un axe radial respectif par rapport à l'axe du rotor, le résonateur étant accordé à une fréquence propre w proportionnelle à n, où Q est la vitesse de rotation du rotor. Mais le résonateur selon l'invention peut également être agencé en résonateur pendulaire coplanaire, dont l'axe de mouvement pendulaire de chaque corps pendulaire est sensiblement parallèle à l'axe du rotor, le résonateur étant également accordé à une fréquence propre w proportionnelle à n. La fréquence propre w permet de réduire les vibrations coplanaires et/ou les oscillations en couple en bn en repère fixe, où b est le nombre des pales du rotor. Pour améliorer l'équilibre dynamique du rotor, le support rotatif peut de plus être avantageusement entraîné en rotation dans le même sens de rotation que le rotor. Le support rotatif peut également être entraîné par un moteur, par exemple électrique ou hydraulique, ou autre, situé en repère fixe (non-tournant avec le rotor) ou tournant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description donnée ci-dessous, à titre non limitatif, d'un exemple de réalisation décrit en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1, précédemment mentionnée, est un schéma illustrant la dynamique d'un système pendulaire simple pour l'atténuation de vibrations, et - la figure 2 est une vue schématique et partielle en coupe axiale d'un rotor principal d'hélicoptère équipé d'un résonateur pendulaire selon l'invention. La figure 2 représente un rotor, dont la structure générale est bien connue, et qui comporte un mât rotor tubulaire 1, entraîné par sa base la en rotation autour de son axe, qui est l'axe Z-Z de rotation du rotor, et dont la partie supérieure lb est solidaire en rotation d'un moyeu 2 relié aux pales 3 du rotor, dont une seule est partiellement représentée par simplicité. Dans cet exemple, le moyeu 2 est du type à plateau radial présentant, pour chaque pale 3, un alvéole axial 2a limité par un bord radial externe 2b du moyeu 2. Chaque pale 3 est reliée au moyeu 2 par un organe de liaison 4, sensiblement radial, et des moyens de retenue et d'articulation 5, reliant eux-mêmes l'organe 4 au moyeu 2. L'organe 4, appelé manchon dans la suite de la description, est agencé, d'une part, en chape radiale externe 4a, entre les deux branches de laquelle le pied de la pale 3 correspondante est retenu par deux broches telles que 6, et, d'autre part, en chape radiale interne 4b, entre les deux branches de laquelle est fixée en entretoise, par des goujons filetés tels que 7, une armature radiale interne 5b des moyens de retenue et d'articulation 5. Dans cet exemple, ces moyens sont réalisés sous la forme d'une butée lamifiée sphérique, dont la partie centrale 5a est un empilement alterné de coupelles rigides et de couches d'élastomère en forme de calottes sphériques à concavité tournée vers le bord externe 2b du moyeu 2, cette partie centrale lamifiée 5a étant adhérisée entre l'armature radiale interne 5b et une armature radiale externe 5c fixée au bord externe 2b de l'alvéole 2a correspondant du moyeu 2 par des ensembles visécrous schématiquement représentés en 8. Ainsi, la butée lamifiée sphérique 5, reliant un manchon 4 solidaire d'une pale 3 au moyeu 2, est essentiellement logée dans l'alvéole 2a correspondant du moyeu 2. Le rotor ainsi décrit est guidé en rotation par un roulement 9 dans la partie supérieure d'un carter conique 10, solidaire de la structure de l'hélicoptère et enveloppant la base la du mât rotor 1 et sa liaison au dernier étage d'une boîte de transmission principale, assurant l'entraînement en rotation du mât 1 à partir du groupe turbo-moteur de l'hélicoptère. Ce dernier étage de la boîte de transmission principale est un étage réducteur épicycloidal 11, qui comprend un arbre d'entrée tubulaire 12, coaxial au mât 1 et solidaire en rotation d'un engrenage planétaire 13 à roue centrale et denture externe. Par sa denture, l'engrenage planétaire 13 est en prise avec la denture externe de pignons satellites 14, montés en rotation autour d'arbres 15, parallèles entre eux et à l'arbre d'entrée 12, sur un porte-satellites 16 comportant un arbre de sortie 17 tubulaire, qui est rendu solidaire en rotation de la base la du mât rotor 1. Le rapport de démultiplication du réducteur épicycloïdal 11 est le rapport n entre la vitesse de rotation de son arbre d'entrée 12 et la vitesse de rotation de son arbre de sortie 17. Dans cet exemple, on admet que n est de l'ordre de 4, ce qui signifie que l'arbre d'entrée 12 tourne à une vitesse qui est environ quatre fois supérieure à la vitesse de rotation n du rotor. Le rotor décrit ci-dessus est équipé d'un résonateur pendulaire 18, qui comprend un support 19, en forme de disque plat, perpendiculaire à l'axe Z-Z et de rayon limité, disposé au-dessus du moyeu 2, et entraîné en rotation, coaxialement au mât 1 et au moyeu 2, c'est-à-dire autour de l'axe du rotor Z-Z, par un arbre de transmission 20, traversant coaxialement le mât 1 et solidaire par son extrémité supérieure du support 19, tandis que l'extrémité inférieure de l'arbre 20 présente des cannelures axiales externes 21 en prise avec des cannelures axiales internes 22 dans l'arbre d'entrée 12 du réducteur épicycloïdal 11. Sur la tête de rotor, la rotation du support 19 et de l'arbre de transmission 20 autour de l'axe Z-Z du rotor est guidée par un boîtier à roulement 23, qui comprend un corps de boîtier 24 annulaire, entourant la partie supérieure du mât 20 qui fait saillie au-dessus du moyeu 2, et présentant une bride de fixation 25 par laquelle le boîtier 24 est vissé par des vis schématiquement représentées en 26 sur le moyeu 2. Le boîtier 23 renferme également deux roulements 27, par exemple à billes, qui sont interposés chacun entre la partie supérieure de l'arbre 20 et le corps 24 du boîtier 23. Le support rotatif 19 et son arbre de transmission 20 sont ainsi reliés au moyeu 2 et au mât 1 par le boîtier à roulements 23 permettant la transmission des efforts verticaux et horizontaux. Les cannelures 22 et 21, respectivement de l'arbre d'entrée 12 et de l'arbre de transmission 20, permettent la transmission du mouvement rotatif de l'arbre d'entrée 12 au support 19 avec une vitesse de rotation nD, si n est, comme précisé ci-dessus, le rapport de démultiplication du réducteur épicycloïdal 11, et n est la vitesse de rotation du mât rotor 1. A la périphérie du support rotatif 19, des corps pendulaires 28, chacun à une extrémité d'une tige rigide 29, sont montés oscillants, par l'autre extrémité de la tige 29 correspondante, autour d'un axe de mouvement pendulaire A-A qui est espacé de l'axe Z-Z et du centre d'inertie du corps pendulaire 28, et qui, dans cet exemple, est à la fois perpendiculaire à l'axe du rotor Z-Z et à un axe radial par rapport à l'axe Z-Z, de sorte que l'axe de mouvement pendulaire A-A est perpendiculaire au plan de la figure 2. Ce résonateur pendulaire 18 est donc du type à pendules 28 de battement, et est accordé à une fréquence propre w égale à Q. Le nombre des corps pendulaires 28 peut être égal au nombre des pales 3 du rotor, mais est toujours au moins égal à deux, et les corps pendulaires 28 sont régulièrement espacés, en direction circonférentielle, sur la périphérie du support rotatif 19, pour respecter l'équilibre dynamique du rotor. En variante, dans le cas d'un résonateur pendulaire de type coplanaire, chacun des corps pendulaires 28 est monté oscillant par sa tige 29 autour d'un axe de mouvement pendulaire A'-A', qui est sensiblement parallèle à l'axe du rotor Z-Z et passe par un point fixe de la périphérie du support rotatif 19, ces points fixes étant régulièrement répartis sur la périphérie du support 19. Dans ce cas également, le résonateur pendulaire coplanaire peut être accordé à une fréquence propre w proportionnelle à n. La fréquence propre w permet de réduire les vibrations coplanaires et/ou les oscillations en couple en bn en repère fixe, où b est le nombre des pales du rotor. Dans l'exemple considéré ci-dessus, le rapport de démultiplication n étant de l'ordre de 4, le rayon d'accrochage L des corps pendulaires 28, c'est-à-dire sensiblement le rayon du support rotatif 19, peut être réduit dans un rapport théorique d'environ 16 par rapport au montage classique d'un résonateur pendulaire de l'état de la technique. Le support rotatif 23 peut être entraîné en rotation dans le même sens de rotation que le rotor, selon la réalisation du réducteur épicycloidal 11, afin d'améliorer l'équilibre dynamique du rotor. On comprend que l'on obtient ainsi un résonateur pendulaire compact, en particulier de faible encombrement transversal (perpendiculairement à l'axe du rotor), entièrement mécanique, donc passif, autoréglable car lié aux variations de régime du rotor, et particulièrement bien adapté aux rotors principaux d'hélicoptères comprenant un nombre élevé de pales (supérieur ou égal à quatre). En effet, le résonateur est installé sur l'ensemble mât 1-moyeu 2, et non sur les pales 3, et les volumes balayés par les corps pendulaires 28 en oscillation n'interfèrent pas avec les volumes balayés par les pales 3 et manchons 4, ainsi que par les organes associés à ces derniers, tels que les leviers de commande de pas, butées hautes de battement et butées de traînée, et amortisseurs de traînée pendant les mouvements des pales en pas, battement et traînée. Simultanément, le résonateur pendulaire de l'invention permet de filtrer les fréquences élevées des rotors à nombre de pales élevé, car les corps pendulaires 28 bénéficient d'un rappel centrifuge important, sans être installés loin de l'axe du rotor Z-Z, puisque la vitesse de rotation du support 19 est très supérieure à celle du mât rotor 1. REVENDICATIONS 1. Résonateur pendulaire de rotor, pour l'atténuation de vibrations générées par le mouvement d'un rotor, notamment d'un rotor principal d'hélicoptère, comprenant une tête de rotor au niveau de laquelle un mât rotor (1), entraîné en rotation autour d'un axe (Z-Z) de rotation du rotor, est solidaire en rotation d'un moyeu (2) relié à des pales (3) du rotor, le résonateur (18) comprenant au moins un corps pendulaire (28), monté oscillant, autour d'un axe de mouvement pendulaire (A-A, A'-A' ) espacé du centre d'inertie du corps pendulaire (28) et de l'axe (Z-Z) du rotor, sur un support (19), coaxial au mât rotor (1) et entraîné en rotation autour de l'axe (Z-Z) du rotor, caractérisé en ce que ledit support (19) est entralné en rotation sur la tête de rotor (1-2) avec une vitesse de rotation supérieure à la vitesse de rotation (Q) du rotor. 2. Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de rotation du support (19) est fonction de la vitesse de rotation du rotor, notamment proportionnelle à cette dernière, et en particulier égale à un multiple de la vitesse de rotation du rotor. 3. Résonateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le support rotatif (19) est relié au rotor par au moins un boîtier (23) à au moins un roulement (27) de transmission des efforts axiaux et transversaux, par rapport à l'axe Z-Z du rotor. 4. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le support rotatif (19) est entraîné en rotation par un arbre de transmission (20) le reliant à un organe menant (12), lui-même entraîné en rotation avec une vitesse supérieure à la vitesse de rotation (R) du rotor. 5. Résonateur selon la revendication 4 telle que rattachée à la revendication 3, caractérisé en ce que le boîtier à roulement (23) comprend au moins un roulement (27) interposé entre l'arbre de transmission (20) et un corps (24-25) de boîtier fixé (26) à l'un des éléments du rotor que sont le moyeu (2) et le mât rotor (1). 6. Résonateur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le support rotatif (19) est situé audessus du rotor, qui comprend un mât tubulaire (1) traversé par l'arbre de transmission (20) coaxial au mât et relié à l'organe menant (12) du côté de la base (la) du mât rotor (1), par laquelle ledit mât rotor (1) est entraîné en rotation. 7. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'organe menant, entraînant l'arbre de transmission (20) du support rotatif (19), est l'arbre d'entrée (12) d'un réducteur épicycloïdal (11) d'une boîte de transmission entraînant le mât rotor (1) en rotation. 8. Résonateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'arbre de transmission (20) présente des cannelures axiales (21) en prise avec des cannelures axiales complémentaires (22) dudit arbre d'entrée (12) du réducteur épicycloidal (11). 9. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le support rotatif (19) est entrainé en rotation par un moteur, notamment électrique ou hydraulique ou autre, monté en repère fixe ou tournant. 10. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est agencé en résonateur pendulaire de battement, sur lequel chaque corps pendulaire (28) est monté oscillant autour d'un axe de mouvement pendulaire respectif (A-A) qui est perpendiculaire à la fois à l'axe (Z-Z) du rotor et à un axe radial respectif par rapport à l'axe (Z-Z) du rotor, le résonateur (18) étant accordé à une fréquence propre (o) proportionnelle à Q, où n est la vitesse de rotation du rotor. 11. Résonateur selon l'une quelconque des revendica tions 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est agencé en résonateur pendulaire coplanaire, dont l'axe de mouvement pendulaire (A'-A') de chaque corps pendulaire (28) est sensiblement parallèle à l'axe du rotor (Z-Z), le résonateur (18) étant accordé à une fréquence propre (o) qui permet de réduire les vibrations coplanaires et/ou les oscillations en couple en bQ, en repère fixe, où b est le nombre des pales du rotor, et n la vitesse de rotation du rotor. 12. Résonateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le support rotatif (19) est entraîné en rotation dans le même sens de rotation que le rotor.