Brevet FR2761439A1 — publié le 19981002

l La présente invention concerne un dispositif mé- canique amortisseur de vibration, notamment pour un hélicop- tère comprenant un système ressort/masse monté entre une pièce excitée dynamiquement et une structure de support, avec un dispositif à ressorts agissant entre une pièce transmet- tant la charge et la structure de support ainsi qu'un levier de démultiplication dont une extrémité est reliée à la pièce et l'autre à la structure de support, de manière articulée en rotation en direction de l'excitation de la pièce, et dont l'extrémité libre du levier est munie d'une masse pendulaire. Les dispositifs amortisseurs hydrauliques ou mé- caniques utilisés dans les hélicoptères pour éviter la trans- mission des charges dynamiques engendrées par le système de transmission du rotor vers la cellule de l'hélicoptère, com- portent un système ressort/masse, excité mécaniquement ou hy- drauliquement par la partie (composant) oscillant, ce système étant accordé pour assurer localement une suppression des composantes dynamiques des forces vers la structure de sup- port pour qu'en cas d'antirésonance, la pièce ne transmet pratiquement plus aucune vibration vers la structure de sup- port. Pour avoir un effet d'amortissement élevé avec en même temps une masse pendulaire réduite, de tels dispositifs de suppression d'oscillations nécessitent un grand rapport de démultiplication et un dispositif à ressort ayant une rigidi- té de ressort faible mais en même temps également une grande résistance aux oscillations, pour résister à long terme aux composantes statiques et dynamiques de la charge. De plus, de tels dispositifs amortisseurs surtout pour les engins vo- lants, sont fréquemment soumis à des contraintes strictes de poids et d'encombrement. Les dispositifs amortisseurs connus ne satisfont que de manière limitée à de telles exigences: c'est ainsi que le document DE 29 51 526 C2 décrit un dispositif amortis- seur à démultiplication hydraulique; il se compose de cavi- tés hydrauliques, limitées chaque fois par un soufflet mécanique, ces cavités de dimensions différentes communiquant entre elles. Comme les soufflets mécaniques sont exposés en plus des composantes de charge dynamiques et statiques égale- ment à des variations hydrauliques de pression à l'intérieur, il faut qu'ils présentent une épaisseur de paroi relativement importante et pour une caractéristique de ressort relative- ment souple, ils doivent avoir une grande longueur. Il faut5 un autre ressort pour augmenter la pression statique du li- quide dans la démultiplication hydraulique afin d'éviter que pendant la course d'expansion de la masse pendulaire, des phénomènes de cavitation apparaissent dans les cavités hy- drauliques. A cause de la disposition à plusieurs ressorts et de la grande longueur des ressorts, un tel dispositif amor- tisseur de vibrations présente un encombrement et un poids importants par rapport à l'effet d'amortissement que l'on peut obtenir. Il est en outre connu selon le document US 3 322 379, un dispositif mécanique amortisseur de vibra- tion, correspondant au type défini ci-dessus, comprenant un levier de démultiplication relié d'un côté à la pièce excitée de manière dynamique et de l'autre côté il est relié de ma- nière articulée à la structure de support avec à son extrémi- té libre une masse pendulaire ainsi qu'un dispositif de ressort hélicoïdal agissant entre la pièce et la structure de support. Cela augmente l'encombrement déjà important en soi pour le dispositif de ressort hélicoïdal, volumineux s'il possède une souplesse de ressort suffisante et une résistance aux oscillations, l'augmentation supplémentaire correspondant à la longueur du système mécanique levier/pendule, de sorte que ce dispositif amortisseur présente un encombrement consi- dérable qui n'est en général pas disponible. La présente invention a pour but de développer un dispositif amortisseur de vibrations correspondant au type défini ci-dessus, offrant un effet d'amortissement important et une grande résistance aux oscillations avec en même temps un très faible volume d'encombrement. A cet effet l'invention concerne un dispositif amortisseur du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que le dispositif à ressorts se compose d'une barre de torsion essentiellement parallèle au levier de démultiplication et dépassant la longueur de celui-ci. L'utilisation d'une unique barre de torsion char- gée de manière purement mécanique et qui malgré une souplesse élevée de ressort et une résistance aux oscillations peut être réalisée de manière très compacte, en liaison avec le dispositif de longueur conforme de la barre de torsion et du système mécanique à levier créé un dispositif amortisseur de vibrations d'encombrement extrêmement faible rapporté à l'effet d'amortissement et la durée de vie et qui peut se lo- ger sans difficulté même dans des conditions de places dispo- nibles très réduites comme cela est le cas par exemple pour les hélicoptères, entre la transmission du rotor et la struc- ture de la cellule. Selon un autre développement particulièrement avantageux de l'invention, la barre de torsion se compose d'une partie centrale de barre de torsion entourée concentri- quement en extrémité par au moins un segment de barre de tor- sion en forme de tube creux, relié solidairement à la barre de torsion ce qui raccourcit considérablement la longueur globale de la barre de torsion et diminue de manière signifi- cative l'encombrement du dispositif amortisseur. Pour convertir de manière simple en un couple ap- pliqué à la barre de torsion, les composantes de forces en général dirigées de manière linéaire, dynamiques et stati- ques, la barre de torsion est avantageusement montée d'un cô- té par au moins un encastrement solidaire en rotation et de l'autre côté par un bras de charge à un point d'articulation écarté radialement de l'axe longitudinal de la barre, et qui transmet la charge entre la pièce et la structure de support. La tension de flexion entre la force induite au niveau du bras de charge et le point d'encastrement de la barre de tor- sion peut se réduire d'une manière simple, recherchée si la barre de torsion est appuyée aux deux extrémités et cela avantageusement d'une manière solidaire en rotation à une ex- trémité et toutefois libre en rotation à l'autre extrémité ou encore suivant une autre caractéristique, avec un encastre- ment solidaire en rotation aux deux extrémités de la barre de torsion. Du point de vue d'une durée de vie aussi grande que possible il est avantageux que la souplesse nécessaire du ressort soit obtenue par une déformation combinée de torsion et de flexion de la barre de torsion de façon que le bras de charge se trouve principalement au milieu entre les deux points d'appui de la barre de torsion. Selon un autre développement avantageux de l'invention, la distance radiale entre le point d'articulation et l'axe longitudinal de la barre de torsion et ainsi la fréquence antirésonante du dispositif amortisseur se règle de manière variable; suivant une caractéristique avantageuse par sa simplicité constructive, ce résultat s'obtient en rendant la barre de torsion réglable transversa- lement par rapport à son axe longitudinal et le bras de charge, coulissant librement de manière limitée dans la di- rection de réglage de la barre de torsion, en reliant un point d'articulation. En variante, on peut également modifier la fré- quence antirésonante du dispositif amortisseur d'une manière constructive simple, par un encastrement solidaire en rota- tion qui est mobile dans la direction longitudinale de la barre de torsion pour modifier la longueur active du ressort de torsion constitué par la barre de torsion. Le coulissement transversal de la barre de torsion ou le coulissement longi- tudinal du point d'encastrement est commandé de préférence par un moteur pour permettre d'asservir en continu la fré- quence antirésonante du dispositif amortisseur de vibrations suivant la fréquence d'excitation, comme cela est souhaité surtout sur les hélicoptères modernes fonctionnant avec une vitesse de rotation variable du rotor. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide de deux exemples de réalisa- tion représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre de façon très schématique une vue en perspective d'un dispositif mécanique amortisseur de vibra- tions selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle coupée d'une variante de dispositif amortisseur de vibrations selon la figure 1, au niveau de la barre de torsion et, - la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 2. Le dispositif amortisseur de vibrations représen- té aux figures est monté entre une pièce 2 excitée dynamique- ment et une structure de support 4 par exemple le système de transmission du rotor et la structure de la cellule d'un hé- licoptère; ce dispositif sert à transmettre la composante statique de charge L1, c'est-à-dire la force de sustentation générée pendant le vol par le système du rotor à la structure10 de support 4 tout en évitant de transmettre les composantes dynamiques de charge L2 à la structure de support 4. Pour ce- la, le dispositif amortisseur de vibrations comporte un sys- tème à levier et pendule portant globalement la référence 6 ainsi qu'une barre de torsion 8 transmettant la charge, entre15 la transmission du rotor 2 et la structure de support 4; l'extrémité de la barre de torsion est montée par un encas- trement solidaire en rotation 10 et son extrémité opposée est montée dans un palier tournant 12 sur la structure de support 4; au niveau de son extrémité montée à rotation, cette barre est munie d'un bras de charge 14 avec un point d'articulation 16 distant radialement de l'axe longitudinal de la barre de torsion 8 ce point d'articulation étant relié à la transmis- sion à rotor 2 par une entretoise 18 fixée à celui-ci. Le système levier pendule 6 se compose d'un le- vier de démultiplication 20 essentiellement parallèle et de même longueur que la barre de torsion 8. A l'une de ses ex- trémités, le levier 20 est relié par un point d'articulation en forme de palier à élastomère 22 et un bras intermédiaire 24 en direction des parties de charge statiques et dynamiques Ll, L2 est monté pivotant avec la structure de support 4 et par un autre palier à élastomère 26, de manière mobile en pi- votement avec l'entretoise 18; par contre, à l'extrémité li- bre du levier, on a fixé une masse pendulaire 28. La longueur de levier libre est considérablement plus grande que la dis- tance réciproque des articulations de rotation 22, 26 du fait du grand rapport de démultiplication du levier 20. La fréquence propre du système ressort/masse for- mée par le système levier/pendule 6 et la barre de torsion 8 est accordée pour que la force pendulaire ainsi engendrée soit égale mais opposée aux forces d'excitation L2 (antirésonance). Pour cela, il faut que la barre de torsion 8 présente une rigidité de ressort moindre mais que, en même temps, pour des raisons de fiabilité, elle possède une grande résistance aux oscillations. On choisit de préférence le ti- tane pour ses propriétés avantageuses. Pour des applications à fréquence d'excitation variables, c'est-à-dire des systèmes de rotor à vitesses de rotation variables du rotor, on asservit la fréquence d'antirésonance du dispositif amortisseur de vibrations en fonction de la fréquence d'excitation en montant l'appui so- lidaire en rotation et l'appui rotatif 10, 12 de la barre de torsion 8 à l'aide d'un moyen d'entraînement de réglage (non représenté à la figure 1) qui est réglable transversalement à l'axe longitudinal de la barre de torsion sur la structure de support 4 et on rend le point d'articulation 16, coulissant à faible frottement dans la direction du mouvement de réglage de la barre de torsion 8 dans un trou oblong 30 correspondant du bras de charge 14 pour modifier en continu dans les limi- tes déterminées pendant le fonctionnement, la distance ra- diale entre le point d'articulation 16 et l'axe longitudinal de la barre de torsion et ainsi également la charge de tor- sion de la barre de torsion et la fréquence propre du dispo- sitif d'amortissement. Les figures 2 et 3 dans lesquelles les éléments du premier exemple de réalisation portent les mêmes référen- ces augmentées de 100, on a une variante de réalisation d'une barre de torsion 108 au niveau d'une moitié de barre. Dans cette exemple de réalisation, la barre de torsion 108 est formée de plusieurs segments de barre concentriques, à savoir une partie de barre 32, centrale et trois parties de tube à ressort 34, 36, élastiques en torsion, entourant chaque côté à une certaine distance radiale; ces parties de tube sont soudées par faisceaux d'électrons, chaque fois de manière al- ternative (en 38) et avec la partie centrale 32. En outre, le bras de charge 114 est fixé sensiblement au milieu de la barre de torsion 108 sur la partie de barre de torsion cen- traie 32 pour que la barre de torsion 108 se déforme en flexion sous l'effet des parties de charge Ll et L2 dirigé dans la direction longitudinale de l'entretoise 118, non seu- lement en torsion mais également ne serait ce que de façon réduite, en flexion si bien qu'en comparaison avec un appui sans flexion de la barre de torsion 108, on réduise encore plus la rigidité du ressort constitué par la barre de torsion 108. Une autre différence par rapport au premier exem- pie de réalisation avec la barre de torsion 108 est enserrée solidairement en rotation aux deux extrémités et cela chaque fois par un bloc de paliers 42, guidé en coulissement par une transmission à broches 40, sur la structure de support 4, dans la direction axiale de la barre de torsion 108. Cela permet de modifier la longueur libre de la barre de torsion entre le bras de charge 114 et l'appui 42 et ainsi la fré- quence propre du dispositif amortisseur de vibration, en cours de fonctionnement et d'asservir ainsi en fonction de la fréquence d'excitation. Dans ce cas, le point d'articulation 116 est non coulissant sur le bras de charge 114 et l'entretoise 118 pour compenser le mouvement en arc de cercle du point d'articulation 116 est déformable élastiquement transversalement à l'axe la barre de torsion comme le montre la coupe transversale du segment d'entretoise 44, diminué re- présenté à la figure 3. Pour le reste, le mode de construc- tion et de fonctionnement du dispositif d'amortisseur de vibrations selon les figures 2 et 3 sont identiques au pre- mier exemple de réalisation. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Dispositif mécanique amortisseur de vibration, notamment pour un hélicoptère comprenant un système ressort/masse monté entre une pièce excitée dynamiquement et une structure de support, avec un dispositif à ressorts agissant entre une pièce transmettant la charge et la structure de support ainsi qu'un levier de démultiplication dont une extrémité est re- liée à la pièce et l'autre à la structure de support, de ma- nière articulée en rotation en direction de l'excitation de la pièce, et dont l'extrémité libre du levier est munie d'une masse pendulaire, caractérisé en ce que le dispositif à ressorts se compose d'une barre de torsion (8, 108) essentiellement parallèle au levier de démultiplica- tion (20, 120) et dépassant la longueur de celui-ci. 2 ) Dispositif amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la barre de torsion (108) se compose d'une partie centrale de barre (32) et d'au moins un segment de barre de torsion (34, 36) de forme cylindrique creuse, entourant la partie centrale de manière concentrique en étant relié solidairement à cette partie centrale de barre de torsion, à son extrémité. 3 ) Dispositif amortisseur selon l'une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que la barre de torsion (8, 108) est montée de manière à trans- mettre la charge entre la pièce (2, 102) et la structure de support (4, 104), d'un côté par au moins un encastrement so- lidaire en rotation (10, 42) et de l'autre côté par au moins un bras de charge (14, 114) avec un point d'articulation (16, 116) distant de l'axe longitudinal de la barre. 4 ) Dispositif amortisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la barre de torsion (8) est appuyée à une extrémité (en 12) de manière rotative alors que son extrémité opposée (en 12) est encastrée solidairement en rotation. 5 ) Dispositif amortisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'encastrement (42) solidaire en rotation est prévu aux deux extrémités de la barre de torsion (108). 6 ) Dispositif amortisseur selon l'une quelconque des reven- dications 3 à 5, caractérisé en ce que le bras de charge (114) est disposé essentiellement au milieu entre les deux extrémités de la barre de torsion (108). 7 ) Dispositif amortisseur selon l'une quelconque des reven- dications 3 à 6, caractérisé en ce que la distance radiale entre le point d'articulation (16) et l'axe longitudinal de la barre de torsion (8) est réglable de manière variable. 8 ) Dispositif amortisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la barre de torsion (8) est réglable par rapport à l'axe lon- gitudinal de la barre et le bras de charge (14) est relié li- brement de manière coulissante de façon limitée au point d'articulation (16) dans la direction de réglage de la barre de torsion. 9 ) Dispositif amortisseur selon l'une quelconque des reven- dications 3 à 6, caractérisé en ce que l'encastrement (42) solidaire en rotation est mobile dans la direction longitudinale de la barre de torsion (108) par rap- port à celle-ci, pour modifier la longueur active de torsion. ) Dispositif amortisseur selon l'une quelconque des reven- dications 8 ou 9, caractérisé en ce que le coulissement transversal de la barre de torsion (8) ou le5 coulissement longitudinal de l'encastrement (42) solidaire en rotation sont commandés par un moteur.