Brevet FR2827655A1 — publié le 20030124

des revendications précédentes. L' invention a pour objet un procédé et un dispositif d'amortissement de mouvement eVou de chocs et/ou de vibrations entre deux pièces dont l'une pourra être une structure (par exemple un butoir, un mur de fixation) par rapport à laquel ie se fera l' amortissement, et l 'autre sera l a pi èce (par exemp le un chariot, une canalisation) dont le mouvement, le choc subi, ou la vibration, devra être amorti, ou encore entre deux pièces relises entre elles, par exemple une structure d'aile d'avion. Des systèmes d'amortissement de chocs sont nécessaires par exemple dans le domaine ferroviaire pour amortir le choc d'un chariot heurtant o un butoir. Il existe de nombreuses technologies pour réaliser de tels dispositifs amortisseurs: hydraulique, pneumatique, viscoélastique, à friction, etc.. Ces systèmes sont caractérisés par la nécessité d'absorber en un très court instant, mais avec une périodicité très faible, de très grands efforts et énergies à dissiper. De façon typique, les efforts à dissiper sont de l'ordre de quelques s kilojoules à quelques mégajoules, tandis que le nombre de cycles est réduit de façon typique à quelques centaines de cycles en quelques jours, voire en quelques mois. Des systèmes d'amortissement de vibrations se caractérisent par une amplitude et une fréquence. Ces deux grandeurs (amplitude et fréquence) o peuvent varier au cours du temps. Les excitations engendrses par des machines tournantes, des écoulements de fluides, des sollicitations extérieures par exemple météorologiques (vibrations d'un pont suspendu), etc., peuvent entraner des mouvements vibratoires de grande amplitude sous l'effet du phénomène connu de résonance. Là encore il existe de nombreuses technologies pour réaliser des dispositifs amortisseurs de type notamment: hydraulique, pneumatique, viscoélastique, à friction, etc. . Contrairement au cas des chocs, la dissipation d'énergie pour chaque cycle est peu importante, typiquement de quelques joules, mais le nombre de cycles de fonctionnement est généralement élevé, typiquement de quelques centaines à quelques milliers de cycles par minute. Dans ces conditions, on comprend que les systèmes d'amortissement de vibrations et de chocs travaillent en général de façon très différente, bien que pouvant nécessiter la dissipation dans le temps d'énergies comparables, même si la dissipation instantanée d'énergie est très différente. L' invention propose une solution nouvel le qui en fait s'adapte à tous les systèmes d'amortissement de mouvement, qu'il s'agisse de chocs instantanés demandant l'amortissement d'une grande énergie, ou de chocs ou o vibrations répétés de faible (voire très faible) amplitude mais de fréquence plus ou moins importante, demandant là encore l'amortissement dans le temps de grandes énergies. C'est ainsi que l' i nvention propose un procédé d' amortissement de mouvement eVou de chocs et/ou de vibrations entre deux pièces cylindriques coulissant 1'une sur 1'autre en translation et frottement, caractérisé en ce que l'amortissement est réalisé par application d'une force exercée radialement perpendiculairement au mouvement de translation des deux pièces par au moins un segment élastique entourant l'une des pièces et intérieur à l'autre, solidaire en translation de l'une des pièces et appliquant ladite force de o frottement sur l'autre pièce. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, on prévoit des moyens permettant de faire varier ladite force radiale. Le dispositif pour la mise en _uvre du procédé de l'invention se caractérise quant à lui en ce qu'au moins un segment élastique en acier ou s analogue est monté solidaire de l'une des pièces et agit sur une douille de frottement comportant éventuellement un revêtement d'un matériau de friction que ledit segment applique en déformation radiale sur la surface cylindrique en regard de la deuxième pièce. Un alliage tel que le cupro-béryllium est particulièrement bien adapté. De préférence le dispositif se caractérise en ce qu'il comporte plusieurs segments qui sont montés serrés sur ladite première pièce à l' intérieur d'une cage sol idaire de ladite pièce. Avantageusement les segments sont répartis axialement le long de ladite première pièce par exemple au moyen de bagues d'entretoisement, bien que pour certaines applications de telles bagues puissent être omises. Avec une tel le disposition générale, on observe que compte tenu de l'extréme rigidité axiale des segments qui permet de développer très rapidement un effort s'opposant au mouvement, il est possible d'obtenir dans o des cas extrémes des temps de réponse beaucoup plus rapides du système, qu'il n'est pas possible d'obtenir avec des dispositifs dans lesquels on reste tributaire d'une certaine élasticité des matériaux et/ou des fluides utilisés rendant de tels dispositifs inaptes en particulier à l'amortissement de mouvements vibratoires de très faible amplitude, par exemple de quelques s dixièmes de millimètre. Un autre avantage considérable de l' invention est que l'amortissement obtenu est pratiquement indépendant de la vitesse de la sollicitation, par exemple dans une plage allant de O à 200 m/s, et également de la températu re de foncti on nement à laquel le le système peut étre exposé, et o cela dans des plages très larges par exemple allant de - 200 C à + 200 C. L'invention et sa mise en _uvre apparatront plus clairement de la description détaillée qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre en coupe axiale, et de façon schématique, un dispositif élémentaire mettant en _uvre le principe de l'invention; la figure 2 est une vue en coupe faite selon le plan 11-ll de la figure 1; la figure 3 montre en vue éclatée le dispositif de la figure 1; la figure 4 montre en vue en plan le segment utilisé dans le dispositif des figures précédentes; la figure 5 montre en coupe axiale un dispositif à plusieurs segments conçu selon l'invention; la figure 6 montre comme la figure 5 un dispositif légèrement modifié; la figure 7 montre en coupe radiale au niveau du plan VII-VII de la figure 6 une conformation particulière du montage; la figure 8 montre un détail de réalisation de la douille comportant un o revêtement d'un matériau de friction; la figure 9 montre vu en plan une configuration possible du segment; la figure 10 montre comme la figure 6 une autre réalisation; les figures 11 et 12 montrent en coupe transversale comme la figure 7, d'autres montages possibles; s la figure 13 montre, en coupe axiale comme la figure 6, une autre réalisation dans laquelle il est possible de faire varier la force d'amortissement; la figure 14 est une vue en coupe faite selon la ligne XIV - XIV de la figure 13; la figure 15 montre un exemple d'application d'un dispositif de I'invention à l'amortissement de la vibration d'une tuyauterie. On se reportera maintenant aux figures 1 à 4 pour expliquer le principe de fonctionnement de l' invention. Le dispositif tel que schématiquement représenté se compose de trois éléments, à savoir une première pièce cylindrique 1 qui coulisse à I'intérieur d'une seconde pièce cylindrique 2 avec interposition d'un segment 3 monté solidaire en translation de la pièce 1 et qui vient frotter contre la surface intérieure cylindrique de la pièce 2. Comme on le voit plus clairement à la figure 3, la pièce 1 comporte une gorge annulaire 4 qui reçoit le segment 3, lequel est fendu en 5 comme on le voit plus clairement à la figure 4. Le segment 3 est s ainsi dimensionné qu'il vient porter à force contre la paroi intérieure 6 de la pièce 2. Le segment 3 peut étre réalisé par exemple en acier de même que les pièces 1 et 2. La pièce 1 comporte à son extrémité qui coulisse à l'intérieur de la pièce 2 une tête 7 formant piston de guidage parallèlement à l'axe x'x du dispositif. Enfin la pièce 2 présente une collerette 8 élargie qui permet par exemple de l'ancrer dans un appui (non représenté). En supposant que c'est la pièce 1 qui est relise à l'ensemble à amortir (chariot, tuyauterie susceptible de vibrer, etc.) et que c'est la pièce 2 qui est reliée à la structure d'amortissement (butoir, mur de fixation, etc.), o l'amortissement est réalisé par l'action de frottement du segment 3 sur la paroi intérieure 6 de la pièce 2. La force d'amortissement est évidemment fonction de la pression exercée par le segment 3 sur la paroi 6 et du coefficient de frottement entre ce segment et cette paroi. Si le segment 3 est monté sans jeu axial dans la gorge 4 de la pièce 1 qui le reçoit, I'amortissement se fait sans s délai du fait de la grande raideur axiale du système, et cet amortissement est indépendant tant de la température que de la vitesse du mouvement à amortir entre les deux pièces 1 et 2. De façon pratique, pour un bon fonctionnement du dispositif et un réglage aisé et précis du système, on utilisera plusieurs segments solidaires axialement de la première pièce qui agiront non pas directement sur la paroi de la seconde pièce mais par l'intermédiaire d'une autre pièce comportant au moins un revêtement d'un matériau de friction approprié. On décrira maintenant un premier mode de réalisation pratique approprié en relation avec la figure 5. Selon le mode de réalisation illustré à la figure 5, le dispositif comporte, solidarisés d'une première pièce 11, un certain nombre de segments 13, qui exercent une force d'expansion radiale sur une pièce intermédiaire 9 en forme de douille fendue d'un bord à l'autre par exemple parallèlement à l'axe x'x du dispositif ou en hélice. La pièce 9 qui présente avantageusement sur sa face extérieure un revêtement de friction approprié, vient porter contre la surface cylindrique intérieure de la seconde pièce 12 dans laquelle coulisse axialement la pièce 11. La pièce 12 peut être réalisée par exemple en acier de qualité appropriée, ou encore en tout matériau, notamment composite suffisamment s résistant, dont la surface de travail pourra éventuellement recevoir un traitement de surface approprié. Comme on le voit à la figure 5, les segments 13 sont positionnés en étant solidarisés de la pièce 11 en étant pressés contre l'épaulement 10 de la pièce 11 au moyen d'un couvercle par exemple en acier rigide 14 et d'un o boulon 15 se vissant selon l'axe x'x du dispositif à l'intérieur de la pièce 11 et de l'épaulement 10. Ce montage est complété par des bagues entretoises 16. Dans l'exemple illustré, six segments 13 ont été illustrés entretoisés par trois beques 16. Dans l'exemple illustré à la figure 5, la seconde pièce 12 est fermée à l'une de ses extrémités par un couvercle 17 par exemple vissé à cette extrémité, I'ensemble amortisseur se présentant ainsi de façon fonctionnelle comme un vérin à frottement. La force de friction de la doui l le 9 à l' intérieur de la portée cylindrique 18 de la pièce 12 est fonction des matériaux de friction utilisés pour la douille 9 et pour la portée 18, du nombre des segments 13 o solidarisés de la pièce 11 et de la force d'expansion de chaque segment qui tend à appliquer la douille 9 contre la surface 18 de la pièce 12. Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 6 on retrouve les mêmes éléments qu'à la figure 5 et qui ont été affectés des mêmes repères numériques, à l'exception du couvercle rigide 14 qui est remplacé par une rondelle élastique 14' dont la charge axiale est cependant choisie supérieure à la force de friction maximale pouvant être développée par le dispositif, et ceci afin d'éviter tout jeu axial entre les segments et la pièce 11. Cette rondelle facilite le montage en permettant de s'abstraire des petites différences de cote pouvant appara^'tre relativement à l'épaisseur des segments à la dimension des entretoises et à la longueur axiale de la douille 9 et en assurant un blocage axial parfait, par rapport à la pièce 11, de la douille de frottement 9. Dans les deux exemples de montage des figures 5 et 6, on observe que les segments 13 sont ainsi enfermés et solidarisés de la pièce 11 dans une s sorte de cage constituée de l'épaulement 10, du couvercle 14 ou de la rondelle 14' et de la douille 9. En se reportant la figure 7, on aperçoit de façon plus précise le montage d'un segment 13 à l'intérieur de la douille 9 qui vient frotter à l'intérieur de la pièce 12. to Tout d'abord, et comme il apparat mieux à la figure 8, la douille 9 est avantageusement constituée d'une douille métallique proprement dite 19, par exemple en acier, qui porte un revêtement extérieur de friction 20, par exemple un polytétrafluoréthylène chargé de particules métalliques, ou encore un matériau métallique de friction de qualité appropriée, ou, comme déjà mentionné, tout matériau de résistance mécanique approprié, notamment un matériau composite, ayant éventuellement reçu un traitement de surface approprié. La forme des segments utilisoe est avantageusement, comme illustré, à section allant en croissant de l'extrémité ouverte du segment à son o centre, de façon à assurer, comme il est connu dans la technique, une force de pression d'application aussi constante que possible sur toute la portée du segment. Aux extrémités ouvertes du segment des oreilles sont formées pour faciliter le montage. La figure 9 illustre un segment 13 seul vu en plan. Aux figures 5 et 6 on a décrit des dispositifs dans lesquels les segments étaient montés extérieurement à une première pièce formant en quelque sorte piston en étant solidaires de cette pièce et o ils appliquaient une douille montée extérieurement à eux en friction à l'intérieur de la seconde pièce formant en quelque sorte cylindre. On va maintenant décrire, en relation avec la figure 10, une solution, en quelque sorte inversée, dans laquelle les segments sont montés intérieurement à une première pièce, formant en quelque sorte cylindre, en étant solidaire de cette pièce et o les segments appliquent une douille qui s vient frotter extérieurement sur une seconde pièce, formant en quelque sorte piston. Selon le mode de réalisation illustré à la figure 10, le dispositif comporte, solidarisés d'une première pièce 21, un certain nombre de segments 23, qui exercent une force de compression radiale sur une pièce intermédiaire o 24 en forme de douille fendue d'un bord à l'autre, par exemple parallèlement à l'axe x'x du dispositif ou en hélice. La pièce 24 qui présente avantageusement sur sa face intérieure un revêtement de friction approprié, vient porter contre la surface cylindrique extérieure de la seconde pièce 25 sur laquelle coulisse axialement la première pièce 21. Les pièces 21 et 24 peuvent être réalisées par s exemple en acier de qualité appropriée. De façon similaire aux modes de réalisation des figures 5 et 6, les segments 23 sont positionnés en étant solidarisés de la pièce 21 en étant pressés contre l'épaulement 26 de cette pièce au moyen d'une rondelle élastique 27 qui s'appuie elle-même sur un couvercle 28 par exemple en acier o vissé à l'extrémité de la pièce 21. Comme dans le cas de la figure 6, la force de compression axiale exercée par la rondelle 27 sur l'ensemble doit être supérieure à la force de frottement maximale qu'est susceptible de supporter le dispositif de façon à empêcher tout jeu axial des segments 23 par rapport à la pièce 21. Dans l'exemple illustré, six segments 23 ont été utilisés entretoisés s par trois bagues 29. Dans un tel montage, on voit que là encore les segments 23 sont en quelque sorte enfermés dans une cage constituée de l'épaulement 26, de la rondelle 27 s'appuyant sur le couvercle 28 et de la douille 24. À son extrémité opposée au couvercle 28 est monté un autre couvercle 30 sur la pièce 21 qui l'obture à cette extrémité, l'ensemble se présentant ainsi de manière similaire à la figure 6 sous la forme d'un vérin d'amortissement à friction. En faisant référence à la figure 11, on a montré un autre montage possible du dispositif. La figure 11 montre, en coupe transversale, de façon similaire à la figure 7, un segment 33 qui vient frotter sur la surface intérieure d'une pièce cylindrique circulaire 32, le segment 33 étant solidaire d'une première pièce 31 formant piston coulissant dans la pièce 32. Comme à la figure 6, plusieurs segments peuvent être montés en succession en étant convenablement o entretoisés, ou au contraire empilés les uns sur les autres, et assujettis fermement à la pièce 31 par un boulon 35. Cependant, contrairement aux modes de réalisation des figures 6 et 7, il n'y a pas de douille intermédiaire telle que 9, les segments 33 venant porter directement contre la surface intérieure de la seconde pièce 32. Avantageusement, cependant, les segments 33 comportent sur leur face extérieure qui vient en appui de friction sur la surface intérieure de la pièce 32 un revêtement de friction approprié référencé 36. Comme illustré à la figure 11, et comme expliqué plus haut, les segments 33 présentent avantageusement une section allant en croissant depu is leur extrém ité d'ouverture en al lant vers le centre de façon à assurer o une force de pression sensiblement constante sur toute leur surface. En d'autres termes, ce montage est proche dans son fonctionnement du principe de fonctionnement illustré aux figures 1 à 4. Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 12, on retrouve la même disposition que dans la figure 11, mais l'on a ajouté en plus, à l'intérieur des segments 33, des segments complémentaires 37 présentant eux aussi un profil à section évolutive. Dans cette réalisation, les segments 33 jouent le rôle de frotteur à section évolutive et ltadjonction des segments supplémentaires 37 permet de régler avec plus de précision la pression de contact avec la pièce cylindrique tubulaire 32. On se reportera maintenant à la variante de réalisation des figures 13 et 14. Dans cette réalisation, on retrouve les moyens généraux des dispositifs déjà décrits, à savoir un piston 41 formant la première pièce du dispositif, coulissant à frottement à l'intérieur d'un cylindre 42, formant la deuxième pièce du dispositif. Le frottement est obtenu au moyen de segments 43 (au nombre de 9 selon l'exemple illustré) convenablement entretoisés par des bagues 44 en étant montés serrés à force et immobilisés en translation axiale entre un circlips d'extrémité 45 et une rondelle 46 dont la force o d'application qui s'exerce sur la première beque 44 (à droite dans le dessin) est supérieure, pour les raisons indiquées plus haut, à la force maximale de friction à laquelle le dispositif sera soumis et bloque ainsi en translation axiale la douille 47 de frottement contre le piston de la pièce 41. Les segments 43, quant à eux, appliquent une force radiale d'expansion à la douille 47, s avantageusement fendue, et comportant de préférence un revêtement 48 d'un matériau de friction de qualité appropriée qui vient porter contre la surface interne de la pièce cylindrique 42. Chaque segment 43 présente, comme on le voit plus clairement à la figure 14, à leurs extrémités d'ouverture un bras rectiligne, respectivement 43a et 43b inclinés l'un par rapport à l'autre et entre o lesquels se trouve une came à section elliptique 49 qui tourne autour d'un axe solidaire de la pièce 41, et que l'on peut actionner au moyen d'un bouton moleté 51. L'action de la came 49 se traduit, lorsqu'elle est positionnée comme montré à la figure 14, par un moment de flexion au niveau de l'ouverture des segments 43; ce moment de flexion provoque une diminution du diamètre des s segments 43, et dès lors l'effort exercé par les segments à l'intérieur du frotteur 47,48 diminue, voire peut être annulé. La disposition des figures 13 et 14 permet ainsi de faire varier la force de frottement, c'est-à-dire la force d'amortissement du dispositif, et éventuellement de l'annuler pratiquement. En relation avec la figure 15, on décrira une application d'un dispositif conforme à l' invention à l'amortissement de la vibration d'une canalisation. Le dispositif d'amortissement conforme à l'invention référencé dans son ensemble 52 ne sera pas décrit, pouvant étre de n'importe quel type s décrit aux figures précédentes. Le dispositif qui se présente de fa,con générale comme un vérin à action de frottement est fixé à l'une de ses extrémités, par exemple en 53 par le moyen d'une rotule à un mur 54 ou tout autre structure résistante d'appui. À son autre extrémité, en 55, le dispositif est fixé également au moyen d'une rotule à un collier 56 qui vient enserrer la canalisation 57 dont o les vibrations doivent étre amorties. Pour que le dispositif soit efficace, il faut veiller soigneusement à ce qu'il n'existe pas de jeu au niveau des fixations à chaque extrémité du dispositif amortisseur et au niveau des fixations à la structure résistante 54 et à la canalisation 57. Dans une réalisation pratique, on avait choisi les caractéristiques suivantes: -- course du dispositif amortisseur + 10 mm, -- force de freinage: adaptable de 80 N à 380 N selon le nombre des segments utilisés, -- encombrement: diamètre extérieur 40 mm, -- diamètre intérieur du frotteur 28,5 mm, -- longueur intérieure du frotteur 20 mm. Les segments étaient réalisés dans un feuillard en cupro-béryllium d'épaisseur 1,5 mm. La force de friction mesurée en Newton (N) est indiquée dans le s tableau suivant ainsi que la longueur de frotteur occupée par les segments. Force de friction (N) Nombre de segments Longueur occupée par les segments (mm) 4,5 230 12 380 13 19,5 Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. s En particulier, on peut prévoir de nombreuses possibilités de réglage diverses de la force de friction par action progressive à commande mécanique ou hydraulique d'ouverture et de fermeture des segments, par l'action d'une came commandée en rotation, de façon similaire à la figure 14, ou d'une came commandée en translation (non représentée) ou de poussoirs commandés de o façon mécanique ou hydraulique. De même, bien que les réalisations illustrées fassent appel à des formes cylindriques circulaires de la première et de la seconde pièce, d'autres sections non circulaires peuvent être choisies, en particulier elliptiques, plus ou moins plates. REVENDICATIONS 1. Procédé d'amortissement de mouvement eVou de chocs eVou de vibrations entre deux pièces cylindriques coulissant l'une sur l'autre en translation et frottement, caractérisé en ce que l'amortissement est réalisé par application d'une force exercoe radialement perpendiculairement au mouvement de translation des deux pièces par au moins un segment élastique (3, 13, 23, 33,43) entourant l'une des pièces (1, 11, 25, 31, 41) et intérieur à l'autre (2, 12, 21, 32, 42), solidaire en translation de l'une des pièces (1, 11, 21, 31, 41) et appliquant ladite force de frottement sur l'autre pièce (2, 12, 25, 32, o 42) 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prévoit des moyens (49) permettant de faire varier ladite force radiale. 3. P rocédé se lon la revend i cation 1 ou l a revend i cation 2, caractéri sé en ce qu'on interpose entre le ou lesdits segment(s) une pièce intermédiaire du s type douille (9, 24, 33, 47) susceptible de se dilater et de se contracter formant patin de frottement entre le ou lesdits segment(s) et ladite seconde pièce. 4. Dispositif pour la mise en _uvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes du type comportant deux pièces cylindriques coulissant l'une sur l'autre solidaires l'une de l'autre en translation o et frottement, caractérisé en ce qu'au moins un segment élastique (3, 13, 23, 33, 43) en acier ou analogue est monté solidaire de l'une des pièces (1, 11, 21, 31, 41) et agit sur une douille (9, 24, 33, 47) de frottement comportant éventuellement un revêtement d'un matériau de friction que ledit segment applique en déformation radiale sur la surface cylindrique en regard de la deuxième pièce (2, 12, 25, 32, 42). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou les segment(s) (3, 13, 33, 43) étant monté(s) extérieurement à la première pièce (1, 11, 31, 41) applique(nt) ladite douille sur la surface interne de la seconde pièce (2, 12, 32, 42). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ou les segment(s) (23) étant monté(s) intérieurement à la première pièce (21) applique(nt) ladite douille sur la surface externe de la seconde pièce (25). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ladite douille comporte au moins une fente ou coupure al lant d' un bord à l'autre de ladite doui l le dans le sens longitudinal. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le dispositif comportant plusieurs segments, lesdits o segments sont montés sur ladite première pièce à l'intérieur d'une cage solidaire de ladite pièce. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une rondelle élastique (14', 27, 46) dont la force axiale est supérieure à la force à amortir est prévue maintenant lesdits segments dans ladite cage et assurant le blocage en translation axiale de la douille de frottement par rapport à la première pièce sur laquelle sont montés lesdits segments. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que lesdits segments sont répartis axialement le long de ladite première pièce au moyen de begues d'entretoisement (16, 29, 44). o 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que des moyens (49) sont prévus permettant de modifier la force radiale d'action des segments agissant par exemple en ies déformant en tendant à les ouvrir et/ou à les fermer. 12. Dispositif pour la mise en _uvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 du type comportant deux pièces cylindriques coulissant l'une sur l'autre solidaires l'une de l'autre en translation et frottement, caractérisé en ce qu'au moins un segment élastique (33) en acier ou analogue est monté solidaire de l'une des pièces (31) et agit en frottement, comportant éventuellement un revêtement d'un matériau de friction, sur la