Brevet FR2766444A1 — publié le 19990129

DISPOSITIF OLEOPNEUMATIQUE A AMORTISSEMENT DU ROULIS La présente invention concerne les dispositifs antiroulis oléopneumatique pour véhicules routiers ou ferroviaires. Le brevet US 5 024 302 de KARNOP porte sur un amortisseur piloté susceptible de présenter une caractéristique d'amortissement contrôlable au moyen de valves commandées électriquement. L'accumulateur a ici pour fonction la compensation de volume et d'assurer une pression sensiblement constante dans la chambre détendue selon l'un ou l'autre des clapets antiretour. L'amortisseur piloté décrit dans le brevet US 5 024 302 ne présente pas de fonction raideur anti-roulis. La combinaison de deux amortisseurs n'est pas enseignée. Le certificat d'utilité FR 2 252 228 de la société AUTOMOTIVE PRODUCTS Ltd, porte sur des améliorations concernant des suspensions pour véhicules. Comme il résulte de ce document, le but du dispositif objet de ce document de l'art antérieur est de réaliser une suspension pour véhicules telles que, lors de modifications de la charge dynamique, résultant d'une tendance au roulis, dans les virages, et d'une tendance au tangage dû à un transfert de poids de l'avant à l'arrière lors d'accélérations et de ralentissements, ladite suspension fasse varier la quantité de liquide contenu dans des cavités de bâtis remplis de liquide, par lesquels le poids du véhicule est transmis aux roues, ceci afin de maintenir le véhicule horizontal. Une analyse de la suspension pour véhicules décrit dans ce document FR 2 252 228 est effectuée en début de description. Comme il résulte de cette analyse, la suspension pour véhicules décrit dans ce document FR 2 252 228 assure clairement un couple de rappel anti-roulis mais présente les inconvénients majeurs ci-après. La raideur verticale et la raideur en roulis sont couplées du fait des sections différentielles des vérins. En effet, la raideur verticale et la raideur en roulis sont déterminées par la pression de précharge de l'accumulateur. Les dispositifs de restriction de flux assure une fonction d'amortissement aussi bien lorsque les chambres hautes sont comprimées que détendues. En cas de détente très rapide, la chambre haute peut caviter. Aussi un but de l'invention est-il de concevoir un dispositif à amortissement du roulis unique de suspens ion secondaire ne présentant pas les inconvénients des dispositifs connus et intégrant les fonctions suivantes: - couple de rappel anti-roulis avec possibilité de réglage de la raideur anti-roulis sans démontage du dispositif à amortissement du roulis, - amortissement vertical, avec la possibilité de réglage de la viscance sans démontage du dispositif à amortissement du roulis, - amortissement en roulis avec la possibilité de réglage sans démontage du dispositif à amortissement du roulis et avec la possibilité d'augmenter cette amortissement sans augmenter l'amortissement vertical. Conformément à l'invention, le dispositif à amortissement du roulis est tel que caractérisé dans les revendications. Un avantage du dispositif à amortissement du roulis de l'invention est qu'il assure une fonction raideur antiroulis. Les accumulateurs 3, 3' préchargés de façon identiques induisent une raideur pneumatique qui se traduit via le circuit hydraulique et le bras de levier par un couple de rappel en roulis, idéalement linéaire de la forme: Mpneum = -Ke(P0, VO, S, a) Ec, la signification des variables étant donnée en fin de description. L'absence de section différentielle (sot=0) des vérins n'induit aucune précharge ou raideur verticale pour le dispositif. La modification de la précharge PO des accumulateurs permet de modifier la valeur de Ke. Un autre avantage du dispositif à amortissement du roulis de l'invention est qu'il assure une fonction amortissement vertical. Les ensembles clapets et valves CLl/Vl, CL2/V2 et CLl'/V11, CL2'/V2' permettent de régler la caractéristique d'amortissement vertical Famz, F'amz générée par le dispositif. Les valves peuvent être éléments passifs présentant une ouverture progressive en fonction de la différence de pression, ou un élément dont la section de passage est contrôlée par un système externe. Lorsque la chambre 1 est comprimée, le clapet CL1 est fermé, la valve V1 permet de réguler la perte de charge de la chambre 1 vers le point A. La chambre 2 étant détendue, le clapet CL2 est ouvert et court-circuite la valve V2, il existe donc une perte de charge minimale entre le point A' et la chambre 2. Ce mode de fonctionnement est caractéristique du dispositif et le différencie du document FR 2 252 228. Le fonctionnement est symétrique lorsque la chambre 2 est comprimée. L'utilisation des clapets de décharge évite tout risque de cavitation des chambres détendues. Le dispositif de l'invention permet d'avoir une plus grande plage de contrôle de la caractéristique d'amortissement. Le dispositif de l'invention permet un réglage indépendant en compression et en détente, la régulation en pression s'exerce toujours au niveau de la chambre comprimée. Les clapets évitent tout problème lié à la dynamique des valves. Par rapport à un amortissement bitube conventionnel, le réglage des valves et des clapets s'effectue sans démontage du piston. Un autre avantage du dispositif à amortissement du roulis de l'invention est qu'il assure une fonction amortissement en roulis. Les ensembles clapets et valves CL3/V3 et CL3'/V3' permettent d'introduire des pertes de charges supplémentaires PB-P3' et PA-P3 liées à la vitesse angulaire de roulis pour générer un couple d'amortissement du roulis MamO. Cet amortissement en roulis n'induit aucune contribution supplémentaire sur l'amortissement vertical. Cette propriété est liée à la symétrie des vérins, ce qui différencie le dispositif de l'invention du dispositif décrit dans le document FR 2 252 228. Un avantage important du dispositif à amortissement du roulis de l'invention est de permettre une augmentation de l'amortissement en roulis sans toutefois modifier l'amortissement vertical. Il est donc possible d'augmenter l'amortissement de roulis sans modifier l'amortissement vertical. Un autre avantage du dispositif à amortissement du roulis de l'invention est qu'il peut être piloté. Les valves V1, V2; V1', V2' et V3, V3' peuvent être des composants passifs, par exemple des soupapes présentant une ouverture progressive en fonction de la pression différentielle. Ces valves peuvent également être pilotées extérieurement pour contrôler la section de passage. Les orifices des valves V1, V2 peuvent, par exemple, correspondre aux deux sections de passage d'une valve 4/2 ou à deux valves 2/2. I1 en va de même pour les valves V1', V2' et V3, V3' Le contrôle des sections de passage des orifices des valves V1, V2 et V1', V2' permet de maîtriser les efforts d'amortissement vertical Famz, F'amz. Le dispositif de l'invention permet donc d'assurer un contrôle semi-actif sur les modes vertical et de roulis. L'amortissement vertical et l'amortissement de roulis peuvent être complètement découplé. Il s'agit alors d'un amortissement vertical et de roulis piloté, assurant une raideur angulaire en roulis. La structure et la mise en oeuvre du dispositif selon l'invention se différencient donc des dispositifs décrits dans les documents FR 2 252 228 et US 5 024 302 comme il résulte de la description du mode de réalisation préféré. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description du mode de réalisation préféré du dispositif à amortissement du roulis, description faite en liaison avec les dessins dans lesquels la figure unique est une représentation schématique du dispositif à amortissement du roulis conforme à l'invention. La description ci-après porte sur une analyse de la suspension pour véhicules décrit dans le document FR 2 252 228. Soit Pa, la pression atmosphérique, il vient en terme d'effort pour chaque vérin F = (P2-Pa)S2 - (Pl-Pa)Sl = (P2-P3')S2 - (P1-P3) S1 + (P3'-Pa)S2 - (P3-Pa)Sl De même F' = (P2'-P3)S2 - (Pl'-P3')Sl + (P3-Pa)S2 - (P3'-Pa)Sl Alors F = Famz + Fpneum et F' = F'amz + F'pneum Avec Famz = (P2-P3')S2 - (Pl-P3)SlFpneum = (P3'-Pa)S2 (P3-Pa)Sl F'amz = (P2'-P3)S2 - (Pl'-P3')Sl F'pneum = (P3-Pa)S2 - (P3'-Pa)Sl F et F' comprenant - un terme d'amortissement (Famz, F'amz) lié aux pertes de charge dans le circuit. Ces pertes de charge sont elles-mêmes reliées au débit dans les restrictions qui sont fonction de la vitesse de sollicitation des vérins, ce qui justifie le terme d'effort d'amortissement. - un terme de raideur pneumatique (Fpneum, F'pneum) lié à la variation des pressions (P3'-P3) des accumulateurs. La pression des accumulateurs est fonction du volume de gaz interne des accumulateurs. En traduisant la conservation du volume de fluide du circuit hydraulique, sous l'hypothèse d'incompressibilité de l'huile devant le gaz, on montre que cette variation de volume est liée au déplacement des pistons. Les efforts Fpneum et F'pneum sont donc fonction du déplacement du piston ce qui justifie le terme de raideur pneumatique. En notant St = S2 - S1 S = (S2 + S1)/2 il vient pour la caisse, en terme de résultante verticale (R) et moment en roulis en O (Mo) R = F + F' = (Famz + F'amz) + [(P3-Pa) + (P3'-Pa)] St Mo = (F'-F)a = (F'amz - Famz)a + 2Sa (P3-P3') On obtient des termes d'amortissement Ram = (Famz+ F'amz) MOam = (F'amz-Famz)a Un terme de raideur verticale avec une pré charge Rpneum = [(P3-PA) + (P3'-Pa)lSt Rpneum = 2(P0-Pa)St - Kz(P0,V0,St)zc La raideur Kz est fonction de la précharge et du volume et de la section différentielle des vérins Un couple de rappel en roulis Mpneum = 2Sa(P3-P3') Mpneum z -K0(P0,V0,S,a)ic La raideur angulaire Ko est fonction de la précharge et du volume des accumulateurs (P0,V0) , de la somme des sections de poussée (S) et du bras de levier (a). En cas de déplacement simultané des vérins, le volume de gaz des accumulateurs reste identique donc les pressions des accumulateurs restent identiques, il n'y a pas de couple de rappel. Par contre, lorsque les pistons se déplace en sens inverse (roulis), il y a réduction du volume de gaz dans un accumulateur et augmentation dans l'autre, on crée donc une différence de pression entre les accumulateurs ce qui se traduit par un couple de rappel. Ce système assure donc clairement un couple de rappel anti-roulis cependant - L'accumulateur est présenté comme un élément d'élasticité pour supporter la caisse (cette fonction est réelle du fait de la dissymétrie des sections de poussées des vérins). - L'utilisation de l'accumulateur en tant que raideur angulaire en roulis est suggérée dans le texte général mais n'est pas revendiquée. - L'accent est porté sur les effets d'amortissement en roulis et vertical. - Les sections différentielles des vérins couplent la raideur verticale et la raideur angulaire en roulis, en effet, ces deux raideurs sont déterminés par la pression de précharge de l'accumulateur. C'est un inconvénient du système. La figure unique représente un schéma de principe du dispositif à amortissement du roulis conforme à l'invention. Le dispositif à amortissement du roulis comprend un premier Al et un second Al' amortisseur. Chaque amortisseur comporte un corps 11, 11' dans lequel coulisse un piston 12, 12' plein muni d'une tige 13, 13' l'ensemble constituant un vérin 114, 114'. La tige 13, 13' traverse le piston 12, 12' de part en part. Le piston 12, 12' délimite une première chambre 1, 1' dite chambre de compression et une seconde chambre 2, 2' dite chambre de détente. Le corps 12, 12' est rempli d'un fluide 16, 16', par exemple d'huile hydraulique. L'amortisseur comprend également un premier clapet anti-retour CL1, CL1' dit clapet de compression et un second clapet anti-retour CL2, CL2' dit clapet de détente. Une première valve hydraulique V2, V2' dite valve de compression et une seconde valve hydraulique V1, V1' dite valve de détente peuvent être pilotées électriquement. L'amortisseur semi-actif comprend également un accumulateur 3, 3' oléopneumatique préchargé constitué d'une chambre. Un tel accumulateur 3, 3' oléopneumatique forme un volume fixe comprenant un gaz inerte sous pression et de l'huile hydraulique à laquelle le gaz communique sa pression. Les deux fluides sont généralement séparés physiquement par une membrane ou une vessies. La fonction de cet accumulateur consiste, d'une part, à absorber le volume d'huile correspondant au volume de la tige lorsque l'amortisseur est complètement comprimé et, d'autre part, à assurer une pression minimale dans le circuit hydraulique. Le clapet de compression CL1, CL1' et la valve de détente V1, V1' sont montés en parallèle. Le clapet de compression CL1 et la valve de détente V1 sont disposés entre la chambre de détente 1 et un point intermédiaire A. Le clapet de compression CL1' et la valve de détente V1' sont disposés entre la chambre de détente 1' et un point intermédiaire A'. Le clapet de détente CL2, CL2' et la valve de compression V2, V2 sont montés en parallèle. Le clapet de détente CL2 et la valve de compression V2 sont disposés entre la chambre de compression 2 et le point intermédiaire A'. Le clapet de détente CL2' et la valve de compression V2 sont disposés entre la chambre de compression 2' et le point intermédiaire A. Un clapet CL3, CL3' et une valve V3, V3' sont montés en parallèle. Le clapet CL3 et la valve V3 sont disposés entre le point intermédiaire A et la chambre de l'accumulateur 3. Le clapet CL3' et la valve V3' sont disposés entre le point intermédiaire A' et la chambre de l'accumulateur 3'. L'orientation des clapets est telle que représentée à la figure unique. Les vérins 114, 114' sont disposés verticalement dans un plan transversal, de plus, dans le cas d'une application ferroviaire, entre un bogie 14 de véhicule ferroviaire et la caisse 15 du véhicule. L'une des extrémités des vérins 114, 114' est solidaire du bogie 14 de véhicule ferroviaire et l'autre extrémité des vérins 114, 114' est solidaire de la caisse 15 du véhicule. La description ci-après porte sur une analyse du dispositif à amortissement du roulis conforme à l'invention laquelle reprend l'analyse du document FR 2 252 228 dans le cas particulier où St = 0, S1 = S2 = S. On introduit les pressions aux points intermédiaires A et A'. Après calcul, il vient F = [(P2-PB)-(P1-PA)]S + [(PB-P3')-(PA-P3)]S + (P3'-P3)S F' = [(P2'-PA)-(P1'-PB)]S + [(PA-P3) + (PB-P3')]S + (P3 P3')S On note Famz = [(P2-PB)-(P1-PA)]S F'amz = [(P2'-PA)-(P1'-PB)]S FamO = [(PA-P3)-(PB-P3')]S Alors R = F + F' = Famz + F'amz Mo = (F'-F)a = (F'amz-F'amz)a + 2FamOa + 2(P3-P3')Sa On obtient - Un couple de rappel en roulis Mpneum = 2 (P3-P3')Sa Mpneum z K0(P0,V0,S,a)0c La raideur angulaire KO est fonction de la précharge et du volume des accumulateurs (Po,V0), de la somme des sections de poussée (S) et du bras de levier (a). En cas de déplacement simultané des vérins, le volume de gaz des accumulateurs reste identique, les pressions des accumulateurs restent identiques, il n'y a pas de couple de rappel. Par contre lorsque les pistons se déplace en sens inverse (roulis), i y a réduction du volume de gaz dans un accumulateur et augmentation dans l'autre, on crée donc une différence de pression entre les accumulateurs ce qui se traduit par un couple de rappel. - Un effort d'amortissement vertical Ram = Famz + F'amz Famz et F'amz induisent également un couple d'amortissement Mam = (F'amz-Famz)a Comme le montre les expressions de Famz et F'amz en fonction des pertes de charges. Ces efforts sont déterminés par les ensembles clapet/valve (CLl/Vl, CL2/V2, CLl'/Vl', CL2'/V2') - Un couple d'amortissement en roulis MamO = 2 Zamia = 2 [(PA-P3) - (PB-P3')]Sa Ce couple est sans effet sur l'amortissement vertical. Il est déterminé par les pertes de charge (PA-P3) et (PB P3') donc par les ensembles clapet/valve (CL3/V3, CL3'/V3'). PA-P3 est lié au débit de fluide QA3 de A vers la chambre de l'accumulateur 3. En traduisant la conservation de débit, il vient QA3 = SZ-SZ l TS (zc-aOc)-S(zc+aOc) = -2S a Oc. Donc PA-P3 est lié à Oc, de même PB-P3' est lié à QB3 = 2S Oc et donc à Oc ce qui justifie l'interprétation d'amortissement en roulis. Liste des variables utilisées F,F' effort vérin sur caisse (N), a 1/2 distance entre les points d'attache caisse des vérins (bras de levier) (m), z,z' déplacement verticale caisse/bogie au point d'attache vérin (m), zc déplacement vertical caisse au point O de la caisse, bogie fixe (m), Oc roulis caisse/bogie (rad), y déplacement transversal de la caisse au centre de gravité (m), a lacet caisse (rad), x,x' déplacement longitudinal caisse/bogie au point d'attache vérin (m), xc déplacement longitudinal caisse au point O de la caisse, bogie fixe (m), ac lacet caisse/bogie (rad), S1 section du vérin côté tige (vérin dissymétrique) (m2), S2 section vérin côté fond (vérin dissymétrique) (m2), St différence de section de poussée du vérin (m2), St = S2 - S1 section de tige si le vérin est dissymétrique (m2), St = 0 si le vérin est symétrique, S section vérin (vérin symétrique) (m2), S = (S1 + S2)/2 si le vérin est dissymétrique V1, V2, V3, V3', V1', V2' dispositif de régulation de perte de charge, à ouverture progressive en fonction de la pression (système passif), à ouverture pilotée extérieurement (système pilote électriquement par exemple, (V1, V2) ou (V3, V3') ou (vu', V2') peuvent correspondre aux deux orifices d'une même valve, CL1, CL2, CL3, CL4 clapets anti-retour, vO, PO pression et volume initiale des accumulateurs 3 et 3' (suspension au repos), V vitesse du véhicule (sens d'avancement) (m/s). REVENDICATIONS 1. Dispositif à amortissement du roulis, caractérisé par un premier Al et un second Al' amortisseur, chaque amortisseur comportant: - un corps (11, 11') dans lequel coulisse un piston (12, 12') plein muni d'une tige (13, 13') l'ensemble constituant un vérin (114, 114'), ladite tige (13, 13') traversant ledit piston (12, 12') de part en part, ledit piston (12, 12') délimitant une première chambre (1, 1') et une seconde chambre (2, 2'), ledit corps (12, 12') étant rempli d'un fluide (16, 16'), - un premier clapet anti-retour CL1, CL1', un second clapet anti-retour CL2, CL2', une première valve hydraulique V2, V2' et une seconde valve hydraulique Vi, V1', un accumulateur (3, 3') oléopneumatique préchargé constitué d'une chambre, ledit clapet de compression CL1, CL1' et ladite valve de détente V1, V1' étant montés en parallèle, ledit clapet de compression CLî et ladite valve de détente V1 étant disposés entre la chambre de détente (1) et un point intermédiaire A, ledit clapet de compression CL1' et ladite valve de détente Vl' étant disposés entre ladite chambre de détente 1' et un point intermédiaire A', ledit clapet de détente CL2, CL2' et ladite valve de compression V2, V2' étant montés en parallèle, ledit clapet de détente CL2 et ladite valve de compression V2 étant disposés entre la chambre de compression (2) et ledit point intermédiaire A', ledit clapet de détente CL2' et ladite valve de compression V21 étant disposés entre la chambre de compression (2') et ledit point intermédiaire A, - un clapet CL3, CL3' et une valve V3, V3' montés en parallèle, ledit clapet CL3 et ladite valve V3 étant disposés entre ledit point intermédiaire A et ladite chambre de l'accumulateur (3), ledit clapet CL3' et ladite valve V3' étant disposés entre ledit point intermédiaire A' et ladite chambre de l'accumulateur (3') lesdits vérins (114, 114') étant disposés verticalement dans un plan transversal, entre un bogie (14) de véhicule ferroviaire et la caisse (15) du véhicule, l'une des extrémités desdits vérins (114, 114') étant solidaire dudit bogie (14) de véhicule ferroviaire et l'autre extrémité desdits vérins (114, 114') étant solidaire de ladite caisse (15) du véhicule. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'une au moins desdites valves hydrauliques Vi, V1', V2, V2', V3, V3' sont pilotées électriquement. 3. Véhicule ferroviaire comportant un dispositif à amortissement du roulis selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2. 4. Train composé d'au moins un véhicule ferroviaire comportant un dispositif à amortissement du roulis selon la revendication 3. 5. Véhicule routier comportant un dispositif à amortissement du roulis selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2.