Brevet FR2847011A1 — publié le 20040514

La présente invention concerne le domaine des dispositifs amortisseurs mécaniques. Son objectif principal est de proposer des moyens amortisseurs permettant d'amortir un déplacement relatif entre deux ensembles, en particulier de maîtriser les dynamiques de vibration et de chocs appliquées à l'un au moins de ces deux ensembles. La présente invention peut trouver de nombreuses applications. Une application préférentielle, mais non limitative, de l'invention, est celle du domaine spatial. L'homme de l'art sait que la fonctionnalité et la durée de vie de nombreux appareils sont largement dépendantes des contraintes mécaniques subies par ceux-ci au cours de leur existence, notamment lors de leur mise en oeuvre initiale. Cela est particulièrement vrai pour les appareils utilisés dans le domaine spatial. Ceux-ci subissent en effet des vibrations et chocs nombreux et d'amplitude élevée dans la phase de décollage sur lanceur et sur trajectoire, lors des nombreuses évènements intervenants sur celle-ci (en particulier : séparation d'étages, découpe de coiffes, largage de satellites, ouverture de vannes, déploiement de générateurs solaires, antennes ou équivalents ... lesquels sont généralement assurés par des moyens de commande de type pyrotechnique). La présente invention a pour but de proposer des moyens offrant un effet supérieur à celui obtenu avec les dispositifs connus de l'art antérieur. Ce but est atteint selon la présente invention grâce à un dispositif comprenant deux ensembles susceptibles de déplacement relatif, des moyens amortisseurs en contact avec l'un au moins des deux ensembles et des moyens de serrage contrôlé liés au moins indirectement avec les deux ensembles et aptes à solliciter lesdits moyens formant amortisseurs contre l'ensemble associé avec un effort variable en fonction du déplacement relatif entre les deux ensembles et aptes à générer une composante d'effort de rappel vers une position de repos. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les moyens de serrage sont adaptés pour générer une composante d'effort de rappel vers une position de repos, non linéaire en fonction du déplacement relatif entre les deux ensembles. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les moyens amortisseurs comprennent des moyens formant surface de friction. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les moyens amortisseurs comprennent au moins un corps susceptible de déformation élastique contrôlée. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les moyens de serrage comprennent au moins un tirant associé à au moins un ressort. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le tirant précité est associé à au moins un élément de rotulage sur l'un des deux ensembles. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, il est prévu deux éléments de rotulage respectivement sur les deux ensembles. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le dispositif comprend deux modules de sollicitation comprenant chacun des moyens amortisseurs, par exemple du type à friction et/ou à corps susceptible de déformation élastique contrôlée, et des moyens de serrage respectifs associés, orientés pour agir selon des directions transversales. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les deux modules de sollicitation précités sont conçus pour travailler respectivement dans la direction longitudinale et dans une direction radiale en référence à un axe de symétrie général du dispositif. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale longitudinale d'un dispositif amortisseur conforme à la présente invention, en position de repos, - la figure 2 représente une vue similaire du même dispositif en position de travail, c'est-à-dire après déplacement relatif des deux ensembles, - la figure 3 représente schématiquement les efforts générés par un tel dispositif, - la figure 4 représente l'évolution de l'effort de rappel fournit par un tel dispositif en fonction du déplacement relatif entre les deux ensembles,- la figure 5 représente le schéma équivalent d'une structure classique sans moyen d'amortissement, - la figure 6 représente l'amplitude du déplacement d'une masse liée à une telle structure connue, en fonction de la fréquence, suite à une excitation, - la figure 7 représente schématiquement le schéma équivalent d'une structure conforme à la présente invention comprenant un moyen amortisseur, - la figure 8 représente la réponse de cette structure, - la figure 9 schématise plus précisément l'enveloppe de la réponse obtenue à l'aide d'un dispositif amortisseur conforme à la présente invention, - la figure 10 représente une vue en coupe axiale longitudinale, au repos, d'un dispositif conforme à une première variante de réalisation de la présente invention,- la figure 11 représente une vue en coupe axiale longitudinale en position de repos d'une autre variante de réalisation conforme à la présente invention, - la figure 12 représente une vue schématique en perspective éclatée d'un exemple de réalisation de la présente invention, - la figure 13 représente une vue en coupe axiale longitudinale de cet exemple de réalisation, et - la figure 14 représente schématiquement une disposition conforme à une autre variante de la présente invention comprenant deux modules de sollicitation travaillant selon des directions transversales. On va tout d'abord décrire l'exemple de réalisation représenté sur les figures 1 et 2. On distingue sur celles-ci deux pièces 100 et 200 susceptibles de déplacement relatif dans un plan P perpendiculaire au plan des figures 1 et 2. Les pièces 100 et 200 peuvent faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation quant à leur géométrie et à leur matériau constitutif. A titre d'exemple non limitatif, il peut s'agir pour l'une d'une interface lanceur ou interface de système de séparation et pour l'autre une interface satellite ou interface de système de séparation. Selon la réalisation illustrée sur les figures 1 et 2, les deux pièces 100 et 200 sont en contact direct par l'intermédiaire de surfaces d'interface respectives 102, 202 parallèles au plan P précité. On verra par la suite, notamment en regard de la figure 10, que selon une variante conforme à la présente invention, un élément de friction 400, par exemple une pastille en céramique, ou autre matériau présentant un coefficient de friction contrôlé peut être intercalé entre les deux pièces 100, 200. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, le dispositif comprend en outre au moins un module 500 de sollicitation ou mise en pression, associé aux deux pièces 100 et 200. Plus précisément, le module de sollicitation 500 comprend en combinaison un tirant 510 et un ressort 520. Le tirant 510 traverse des passages 104, 204 coaxiaux formés respectivement dans chaque ensemble 100, 200. Le tirant 510 prend appui respectivement, par ses extrémités 512, 514 émergeant de part et d'autre des deux ensembles 100, 200, sur chacun de ceux-ci, avec interposition dudit ressort 520 dans la chaîne cinématique ainsi formée. Plus précisément, le tirant 510 prend de préférence appui sur les deux ensembles 100, 200 par l'intermédiaire de rotules respectives 530, 540. Ces rotules 530, 540 peuvent être formées de rondelles sphériques. Plus précisément, chaque rotule 530, 540, comprend une coquille 532, 542, de contour sphérique concave portée par un ensemble 100, 200, sur la surface extérieure de celui-ci, et un élément de rotulage 534, 544 de surfaces sphériques convexes, de rayon complémentaire de la coquille 532, 542 associée, servant d'appui au tirant 510. Les rayons des deux rotules 530, 540 peuvent être identiques. Cependant, cette caractéristique n'est pas impérative. Sur les figures 1 et 2, on a référencé 535 et 545 les centres des deux rotules 530, 540. De préférence, ces centres de rotulage 535, 545 sont situés sur l'extérieur des ensembles 100, 200. Plus précisément encore, chaque extrémité 512, 514 du tirant 510 comporte une tête élargie 513, 515. Une tête élargie 513 prend appui sur l'élément de rotulage 534. La seconde tête élargie 515 sert d'appui à une extrémité du ressort 520, lui-même en appui par sa seconde extrémité sur l'élément de rotulage 544. Ainsi, le ressort 520 est intercalé entre l'élément de rotulage 544 et la tête 515. L'une au moins des têtes élargies 513, 515 est de préférence formée d'un élément rapporté sur le tirant 510, par exemple vissé, soudé ou fixé par un autre moyen sur celui-ci. Le ressort 520 peut être formé par tout moyen approprié apte à exercer une sollicitation élastique sur la tête 515 du tirant 510. A titre d'exemple non limitatif, le ressort 520 peut être formé d'un empilement de rondelles 522, préférentiellement de type rondelle Belleville, montées tête bêche ou non. L'homme de l'art connaît la structure des rondelles de type Belleville, de géométrie générale conique. Cette structure ne sera donc pas décrite plus en détail par la suite. Sur les figures 1 et 2, un seul module de sollicitation est représenté. Cependant, en pratique, selon l'invention, il est prévu plusieurs ensembles de sollicitation 500 équi-répartis autour d'un axe de symétrie 0-0 des pièces 100 et 200. On a représenté sur la figure 2, les mêmes pièces 100, 200 après déplacement relatif dans le plan P. Un tel déplacement peut être dû à tout phénomène extérieur, par exemple une vibration ou un choc. L'homme de l'art comprendra que ce déplacement relatif entraîne une compression du ressort 520 puisque, si la distance entre les points d'appui fournis par les têtes 513 et 515 du tirant 510 reste inchangée, les pièces 100, 200 présentent une épaisseur cumulée, considérée selon l'axe du tirant, supérieure à celle présentée au repos sur la figure 1. Ceci résulte du fait qu'après déplacement relatif entre les pièces 100, 200, l'axe du tirant 510 est incliné par rapport aux axes des passages 104, 204 eux-mêmes perpendiculaires au plan d'interface P. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement sous la référence Er l'effort généré au repos par le ressort 520 dans l'axe du tirant 510, soit perpendiculairement au plan d'interface P. Sur la même figure 3, on a également représenté sous la référence Et l'effort généré par le ressort 520 en position dite de travail, après déplacement relatif entre les deux pièces 100, 200. Cet effort Et reste dans l'axe du tirant 510 (schématisé sous la référence 510' sur la figure 3 pour le distinguer de sa position de repos). Cet effort Et peut être décomposé en une composante longitudinale Etf perpendiculaire au plan d'interface P et une composante transversale, de rappel Etr parallèle au plan d'interface P. La composante longitudinale Etf permet de contrôler la friction et donc l'amortissement. La composante Etr assure le rappel du tirant et de ce fait de l'ensemble de la structure vers la position de repos représentée sur la figure 1. Comme on le voit sur la figure 4, la composante d'effort de rappel Etr évolue non linéairement en fonction du déplacement relatif D entre les deux pièces 100, 200 selon le plan d'interface P. Plus précisément encore, la courbe Etr/D évolue avec une pente progressivement croissante. Ainsi, l'effort de rappel Etr est faible pour les petits déplacements relatifs et plus élevés pour les grands déplacements relatifs. Grâce à cette disposition, on atténue les effets d'une résonance sous l'effet d'une excitation externe. La rigidité du dispositif est donc évolutive est d'autant plus grande que le déplacement relatif est élevé. Cette propriété est particulièrement intéressante pour adapter le comportement dynamique de la suspension à la charge statique effectivement transmise par le dispositif. On va expliciter le fonctionnement de l'amortisseur conforme à l'invention en regard des figures 5 à 9 annexées. On a illustré sur la figure 5, le schéma équivalent d'un système à 1 degré de liberté d'une masse M suspendue par l'intermédiaire d'un ressort de raideur K et d'un élément de contrainte C donnant le degré de liberté. On a illustré sur la figure 6, la réponse d'un tel système excité au niveau de sa base ou support selon un mouvement harmonique pur. La figure 6 montre que la réponse comprend un pic. On a illustré sur la figure 7, le schéma équivalent d'un dispositif conforme à la présente invention comprenant en parallèle de la structure précitée un frotteur taré à un effort Fo et présentant une rigidité K'. Le frotteur précité est formé par le dispositif amortisseur conforme à l'invention. La réponse alors obtenue suite à une excitation externe est illustrée sur la figure 8. Deux situations virtuelles peuvent être envisagées. Dans une première situation dénommée mode bloqué : le frotteur est bloqué (Fo = 8 ), le système est rigidifié (la rigidité = K+K') et la pulsation propre est augmentée (voir la droite de la figure 8). Dans une deuxième situation dénommée mode glissant le frotteur glisse. Le système peut être assimilé au système initial de rigidité K (voir la gauche de la figure 8). Malgré un second membre (Fo) dans l'équation différentielle, la réponse est proche de celle définie figure 6 (superposition de la solution propre de l'équation sans second membre et de la solution particulière). Imaginons maintenant une excitation de type sinusoïdale du système. A très basse fréquence, les actions mécaniques sont faibles. Le comportement est donc décrit par le mode bloqué car le frotteur ne glisse pas. A partir d'une dynamique engendrant des niveaux d'efforts significatifs (Fo), le frotteur glisse et le comportement est alors défini par le mode glissant jusqu'à l'annulation de la vitesse du glissement. Le système bascule alors sur le mode bloqué . En définitive, le système bascule d'un mode à l'autre sans que les résonances ne soient jamais atteintes. L'amplitude de l'effort reste donc limitée à la courbe enveloppe définie sur la figure 9. On a schématisé sur la figure 10, une variante de réalisation selon laquelle une rondelle 400 est intercalée entre les interfaces 102, 202 des pièces 100 et 200. La rondelle 400, centrée sur le tirant 510 peut être formée de tout matériau présentant un coefficient de friction contrôlé, par exemple en céramique. On a représenté sur la figure 11, une autre variante de réalisation selon laquelle la rondelle 400 est non pas intercalée entre les pièces 100 et 200 mais disposée sur l'extérieur de la pièce 100. Dans le cadre de cette variante, la rotule 540 pourrait être portée par la rondelle 400. Néanmoins, comme illustré sur la figure 11, on peut envisager de disposer la rotule 540 au niveau de l'extrémité 514 du tirant 510. Cette dernière variante peut d'ailleurs s'appliquer également aux variantes représentées sur les figures 1, 2 et 10. Selon une autre variante de réalisation, on peut prévoir deux ressorts 520 symétriques disposés respectivement de part et d'autre des pièces 100 et 200 sur le tirant 510. Dans ce cas, les ressorts sont placés respectivement entre les pièces 100, 200 et les têtes 513, 515 du tirant 510. Selon encore une autre variante de réalisation de l'invention, les éléments 400 représentés sur les figures 10 et 11 peuvent être formés non pas d'un élément de friction mais d'un corps à déformation élastique contrôlée, par exemple un corps ou lien en élastomère. Dans le cadre de la présente invention, on peut ainsi prévoir : - des moyens amortisseurs comprenant exclusivement des moyens amortisseurs par friction, - des moyens amortisseurs comprenant exclusivement des corps à déformation élastique contrôlée, ou - des moyens amortisseurs comprenant pour certains des moyens amortisseurs à friction et pour d'autres des moyens à base de corps à déformation élastique contrôlée. On a représenté sur les figures 12 et 13 annexées, un exemple particulier et non limitatif de réalisation des pièces 100 et 200 précitées. Dans le cas d'espèce, la pièce 100 constitue une pièce liée par tout moyen approprié à un satellite, tandis que la pièce 200 constitue une pièce d'interface destinée à être fixée par tout moyen approprié à un système de séparation sur commande lié à un lanceur. Les pièces 100 et 200 représentées sur les figures 12 et 13, ont la forme générale de viroles en anneau. On retrouve sur les figures 12 et 13, un module de sollicitation 500 comprenant un tirant 510 et un ensemble de rondelles Belleville 522 constituant le ressort 520, associé à une rondelle de friction 400. Sur les figures 12 et 13, on a représenté un seul module de sollicitation 500. En pratique, le dispositif comprend de préférence une pluralité de tels modules (qu'ils soient du type à friction ou du type à déformation élastique contrôlée) équi-réparti autour de l'axe de symétrie général 0-0 des pièces 100, 200. On va maintenant décrire la variante de réalisation représentée schématiquement sur la figure 14. On retrouve sur la figure 14 les deux pièces 100 et 200 précitées associées à une pluralité de dispositifs de sollicitation 500 équi-répartis autour de l'axe 0-0 et opérant un effet d'amortissement à l'encontre du déplacement relatif entre les pièces 100, 200, selon un plan P transversal à l'axe 0-0. Les modules de sollicitation 500 exercent une sollicitation dans une direction générale parallèle à l'axe 0-0. La variante illustrée sur la figure 14, comprend en outre une troisième pièce 300 associée à la pièce 200 par l'intermédiaire de modules de sollicitation 5000 de structure et fonction similaires aux moyens précédemment décrits pour les modules de sollicitation 500. On notera cependant que les modules de sollicitation 5000, également équirépartis autour de l'axe 0-0 exercent une sollicitation selon une direction générale radiale, c'est-à-dire transversale à l'axe 0-0. Les modules de sollicitation 5000 exercent ainsi un effet d'amortissement à l'encontre d'un déplacement relatif à rotation autour de l'axe 0-0 entre les pièces 200 et 300. La structure schématisée sur la figure 14 permet d'amortir les mouvements de torsion et de flexion entre les deux pièces extrêmes 100 et 300 dans deux directions, soit selon six degrés de liberté. Les pièces, notamment 100 et 200 peuvent avoir des formes adaptées et des souplesses transverses pour faciliter la mise en pression. Le système illustré sur la figure 14 comprend ainsi : - une pièce principale 300 de forme globalement axisymétrique, servant par exemple à la fixation du dispositif sur une partie lanceur, - une autre pièce principale 100 de forme globalement axisymétrique, servant par exemple à la fixation du dispositif sur une partie satellite, - une pièce intermédiaire 200 de forme globalement axisymétrique, servant de pièce de liaison entre les pièces 100 et 300 précitées, - des modules de sollicitation 500 contrôlant le déplacement relatif entre les pièces 100 et 200, et - des modules de sollicitation 5000 contrôlant le déplacement relatif entre les pièces 200 et 300. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. En particulier, la présente invention n'est pas limitée à l'application spéciale satellite/lanceur précédemment évoquée. Chacune des pièces 100, 200, 300 précitées peut elle-même être formée par assemblage de plusieurs éléments. Les surfaces de friction et les corps à déformation élastique contrôlés, précédemment évoqués, peuvent être continus ou disjoints. Par ailleurs la présente invention n'est pas limitée aux applications précédemment décrites. La présente invention s'applique en particulier aux applications de protection contre les séismes. REVENDICATIONS 1. Dispositif comprenant au moins deux ensembles (100, 200) susceptibles de déplacement relatif, des moyens amortisseurs (500 ; 102, 202 ; 400) en contact avec l'un au moins des deux ensembles et des moyens (520) de serrage contrôlé liés au moins indirectement avec les deux ensembles (100, 200) et aptes à solliciter lesdits moyens formant amortisseurs ( 500 ; 102, 202 ; 400) contre l'ensemble associé avec un effort variable en fonction du déplacement relatif entre les deux ensembles et aptes à générer une composante d'effort de rappel vers une position de repos. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens (520) de serrage sont adaptés pour générer une composante d'effort de rappel vers une position de repos, non linéaire en fonction du déplacement relatif entre les deux ensembles. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les moyens amortisseurs comprennent des moyens formant surface de friction (102, 202 ; 400). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens amortisseurs comprennent au moins un corps (400) susceptible de déformation élastique contrôlée. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens de serrage comprennent au moins un tirant (510) associé à un ressort (520). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le tirant (510) est associé à au moins un élément de rotulage (530, 540) sur l'un des deux ensembles (500, 200). 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'il comprend deux éléments de rotulage (530, 540) respectivement sur les deux ensembles (100, 200). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les deux ensembles (100, 200) sont en contact direct. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'une pièce amortisseur (400) est intercalée entre les ensembles (100, 200). 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'une pièce amortisseur (400) est disposée sur l'extérieur d'un ensemble (100, 200). 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisé par le fait que la pièce amortisseur (400) est une pièce présentant au moins une surface à coefficient de friction contrôlé. 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'il comprend une pièce amortisseur en céramique. 13. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend une pièce amortisseur (400) formée d'un corps à déformation élastique contrôlée. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait qu'il comprend une pièce amortisseur en élastomère. 15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 14 prises en combinaison avec la revendication 5, caractérisé par le fait que le tirant (510) traverse les deux ensembles (100, 200). 16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait qu'il comprend plusieurs dispositifs de sollicitation (500) équirépartis autour d'un axe général de symétrie. 17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait qu'il comprend deux modules de sollicitation (500, 5000) comprenant chacun des moyens amortisseurs, par exemple du type à friction et/ou à corps susceptible de déformation élastique contrôlée, et des moyens de serrage respectifs associés, orientés pour agir selon des directions transversales. 18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé par le fait que les deux modules de sollicitation (500, 5000) sont associés respectivement l'un (500) à une première pièce principale (100) et à une pièce intermédiaire (200), l'autre (5000) à la pièce intermédiaire (200) et à une seconde pièce principale (300). 19. Dispositif selon l'une des revendications 17 ou 18, caractérisé par le fait que les deux modules de sollicitation (500, 5000) sont conçus pour travailler respectivement dans la direction longitudinale et dans une direction radiale en référence à un axe de symétrie général (0-0) du dispositif.