Brevet FR2879272A1 — publié le 20060616

DISPOSITIF D'AMORTISSEMENT DE VIBRATIONS D'UN ELEMENT DE STRUCTURE D'UN VEHICULE ET PROCEDE DE REALISATION D'UN ELEMENT DE STRUCTURE D'UN VEHICULE La présente invention concerne un dispositif d'amortissement de vibrations d'un élément de structure d'un véhicule, en particulier de véhicule automobile. Le confort vibratoire est un enjeu économique majeur pour tous les constructeurs automobiles. Les vibrations dues au moteur et au contact des roues avec le sol se propagent à travers l'ossature du véhicule, c'est-à-dire les montants, les traverses, les longerons, et les noeuds d'ossature, et atteignent les passagers par un certain nombre de composants automobiles en contact ou en interface avec les passagers, comme par exemple les sièges, le volant ou le rétroviseur. La notion de solide indéformable n'est qu'un concept théorique, aucun corps n'étant parfaitement rigide. Une structure mécanique, telle qu'une ossature de structure automobile, se compose toujours d'un ou plusieurs éléments dont la rigidité n'est pas infinie, associés entre eux par des liaisons qui elles aussi ont une raideur limitée. Elle présente donc une certaine flexibilité, qui se traduit mathématiquement par un champ de déformations et de contraintes qui dépendent de sa géométrie, des liaisons mécaniques, et de la nature des matériaux. Il existe de plus un couplage entre masse et flexibilité, lié à un échange entre l'énergie de déformation élastique et l'énergie cinétique, qui entraîne en dynamique un comportement oscillant semblable à celui d'un 2879272 2 système masses-ressorts. Les résonances qui en résultent, que l'on caractérise par une fréquence propre et une déformée modale, dépendent bien entendu de la répartition de masse dans la structure et de l'ensemble des paramètres mécaniques. Dans une ossature de structure automobile, comme dans une majorité d'applications, cette flexibilité est indésirable, et ses effets doivent donc être atténués. Le plus souvent, des solutions mécaniques simples suffisent à déplacer le spectre des vibrations, et à faire en sorte qu'il ne rencontre pas celui des perturbations. Une structure peut ainsi être rigidifiée par le choix de formes géométriques différentes, ou l'utilisation de matériaux plus rigides. C'est l'approche classique dite par rigidification , utilisée jusqu'à aujourd'hui pour réduire les vibrations. Elle consiste à élever les premiers modes propres de la caisse en blanc au dessus d'un certain seuil à partir duquel l'excitation devient dérisoire. Mais cette approche présente l'inconvénient d'être coûteuse en masse. Si la minimisation de la masse des structures, qui sont souvent d'allongement important, conduit naturellement à l'apparition de vibrations mécaniques de forte amplitude et à basse fréquence, l'adjonction de masse déplace le problème vers les fréquences supérieures. Une autre option, moins pénalisante en masse, consiste à amortir ces vibrations par le biais d'une ou plusieurs masselotte(s) dynamiques(s) amortissante(s). Toutefois, cette option présente plusieurs inconvénients: elle augmente la masse du véhicule (de 12 à 20 kg) d'un ajout sans autre utilité que vibratoire, n'est efficace que sur un seul mode parce qu'accordée à une fréquence 2879272 3 donnée, et enfin une certaine dispersion masse/raideur peut provoquer une inefficacité du système d'amortissement. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des procédés et dispositifs mentionnés ci-dessus, connus de l'art antérieur, en faisant usage de matériaux viscoélastiques, connus pour leur fort pouvoir amortissant, dans des dispositifs intégrés dans l'architecture globale de l'ossature de la structure automobile, lesdits dispositifs étant situés en des points choisis de ladite architecture. Pour atteindre ce but, le dispositif d'amortissement de vibrations selon la présente invention est situé dans la zone d'intersection des branches d'un noeud d'ossature. Ce dispositif comprend une ouverture pratiquée dans ladite zone d'intersection, et pour chaque branche une plaque rigide ayant une partie reliée rigidement à ladite structure et une partie non reliée directement à la structure et faisant saillie dans ladite ouverture, les parties faisant saillie dans l'ouverture de toutes les plaques respectives étant superposées et fixées ensemble avec intercalation entre elles d'un matériau d'amortissement dans leur zone de superposition. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les plaques rigides sont des plaques métalliques. Elles sont, de préférence, montées chacune avec leur partie principale dirigée selon l'un des axes de direction des branches du noeud d'ossature. Pour un noeud d'ossature à deux branches, le dispositif d'amortissement de vibrations comprend une ouverture pratiquée dans la zone d'intersection des deux branches, et deux plaques rigides ayant chacune une partie d'extrémité reliée rigidement à la 2879272 4 structure et une partie d'extrémité non reliée directement à la structure et faisant saillie dans ladite ouverture, les deux parties d'extrémité faisant saillie dans l'ouverture des deux plaques respectives étant fixées l'une à l'autre par l'intercalation entre elles d'un matériau d'amortissement dans leur zone de chevauchement. De préférence, lorsqu'il est appliqué à un noeud d'ossature à deux branches, le dispositif d'amortissement comprend une ouverture sensiblement en forme de L , les deux branches du L étant dirigées selon l'axe de l'une et l'autre branche du noeud d'ossature. Pour un noeud d'ossature à trois branches, le dispositif comprend une ouverture pratiquée dans la zone d'intersection des trois branches, trois plaques rigides ayant chacune une partie reliée rigidement à ladite structure et une partie non reliée directement à la structure et faisant saillie dans ladite ouverture, les trois parties faisant saillie dans l'ouverture des trois plaques respectives étant superposées et fixées l'une à l'autre par l'intercalation entre elles d'un matériau d'amortissement dans leur zone de superposition. De manière préférentielle, les trois plaques rigides sont montées avec leur partie principale disposée chacune selon l'un des trois axes du noeud d'ossature, et ladite ouverture présente sensiblement la forme d'un T , les trois branches du T étant dirigées chacune selon l'un des trois axes du noeud d'ossature. De préférence, le matériau d'amortissement est un matériau élastomère ou, plus préférablement, un matériau polymère 25 viscoélastique auto-adhésif. É 2879272 5 Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, le matériau d'amortissement intercalé entre les parties d'extrémité des plaques rigides est fixé auxdites plaques rigides au moyen d'un collage, en particulier d'un collage de type époxy. Selon également un mode préféré de réalisation de l'invention le matériau d'amortissement se présente sous la forme de bandelettes disposées dans la zone de chevauchement ou de superposition des plaques. Et de manière plus préférable encore, le matériau d'amortissement intercalé entre les parties d'extrémité de deux plaques rigides est constitué de cinq bandelettes réparties, dans la zone de chevauchement ou de superposition desdites plaques, selon les angles d'un carré et au centre dudit carré. D'autre avantages et caractéristiques de la présente invention vont maintenant être décrits de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés donnés à titre illustratif et non limitatif et dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une ossature de structure automobile, afin de représenter, à titre d'exemples non limitatifs de l'application de l'invention, les noeuds d'ossature et, par conséquent, les emplacements possibles des dispositifs selon la présente invention, - la figure 2 représente schématiquement un noeud d'ossature à deux branches, - la figure 3 représente schématiquement le dispositif selon la 25 présente invention appliqué à un noeud d'ossature à deux branches, 2879272 6 - la figure 4a est une variante de réalisation du dispositif de la figure 3 appliqué à un noeud à deux branches, - la figure 4b est une vue schématique du dispositif de la figure 4a en vue de coupe selon la ligne de coupe AA de la figure 4a, - la figure 5a illustre la géométrie du dispositif au repos, - les figures 5b et 5c illustrent les formes prises par le dispositif de la figure 5a au cours de la déformation, - les figures 5d et 5e illustrent très schématiquement et en agrandissement les positions au repos (fig.5d) et déformée (fig.5e) 10 d'un détail référencé B de la figure 5b, - la figure 6 représente schématiquement le dispositif selon la présente invention appliqué à un noeud à trois branches, - la figure 7 est un graphe représentatif de la réponse vibratoire du dispositif selon l'invention. Dans le domaine modal (basses fréquences 0-250 Hz), le comportement vibratoire de la caisse d'une automobile est fortement dépendant des noeuds d'ossature de la structure. Ces noeuds représentent des points de passage obligatoire des vibrations et sont le siège, pour les modes basse fréquence, des déformations les plus importantes. On a représenté sur le dessin de la figure 1, de manière très schématique, une structure de caisse automobile, et différents noeuds d'ossature au niveau desquels la présente invention s'applique. Ainsi, la référence 1 désigne les deux noeuds d'ossature constitués par la jonction des deux pieds de volet avec la traverse 2879272 7 arrière de pavillon du véhicule automobile, la référence 2 désigne les deux noeuds d'ossature constitués par la jonction des mêmes deux pieds de volet avec le panneau arrière du véhicule automobile, la référence 3 désigne le noeud d'ossature à la jonction pieds de volet/ bas de pied avant. Les noeuds d'ossature 1, 2 et 3 sont des noeuds à deux branches. On a représenté également sur le dessin de la figure 1 des emplacements de noeuds d'ossature à trois branches. Ainsi, les références 4 et 5 désignent les noeuds d'ossature à trois branches constitués par la jonction de l'un et l'autre haut de pied avec l'arc pavillon, tandis que la référence 6 désigne la jonction du bas de pied milieu avec le longeron. Sur le dessin de la figure 2, est représenté schématiquement un noeud d'ossature à deux branches selon les axes x et y, la zone référencée 10 étant la zone d'intersection des deux branches et également la zone de concentration de la plus forte quantité d'énergie de déformation. Dans cette zone 10 est réalisée une ouverture 20 sur toute l'épaisseur de l'ossature, comme représenté sur le dessin de la figure 3. L'ouverture 20 présente, dans l'exemple décrit non limitatif de l'invention, une forme en L , les deux branches du L étant dirigées selon les deux branches du noeud d'ossature, selon les axes x et y. Une première plaque métallique rigide 30 présente une extrémité fixée à la structure 35 et une extrémité 36 non reliée directement à la structure et faisant saillie dans ladite ouverture 20. Une seconde plaque métallique rigide 40 présente une extrémité fixée à la structure 45 et une extrémité 46 non reliée 2879272 8 directement à la structure et faisant également saillie dans ladite ouverture 20. Les deux parties faisant saillie dans l'ouverture, à savoir les parties d'extrémité 36 et 46 des deux plaques rigides 30 et 40 respectivement sont fixées l'une à l'autre dans leur zone de chevauchement, non pas directement l'une avec l'autre mais par l'intermédiaire et au moyen d'un matériau d'amortissement 80, de géométrie morcelée sur le dessin de la figure 3. Le dessin des figures 4a et 4b illustre un mode de réalisation pratique de la liaison entre les deux plaques rigides dans leur zone de chevauchement. La liaison des deux plaques 30 et 40 est réalisée au moyen de 5 bandelettes rectangulaires référencées collectivement 80', dont 4 sont disposées aux quatre coins d'un carré de chevauchement des deux plaques rigides, lequel carré étant orienté selon les deux branches du noeud d'ossature. Une cinquième bandelette est placée au centre du carré. La géométrie du matériau intermédiaire d'amortissement peut présenter de multiples formes, par exemple deux bandelettes linéaires et parallèles couvrant la largeur de la zone de chevauchement, ou une seule bandelette de forme sensiblement carrée couvrant ladite zone. Les bandelettes sont en matériau élastomère, de préférence en matériau polymère viscoélastique. De tels matériaux sont connus en soi dans l'art antérieur. Ce sont des matériaux à fort pouvoir amortissant, qui dissipent l'énergie de déformation en la convertissant en énergie thermique. Les extrémités 35, respectivement 45, des plaques rigides 30, respectivement 40, sont rigidement fixées sur la structure hors et 2879272 9 au voisinage de l'ouverture 20 (fig.3) au moyen de vis, ou par soudage, de préférence par application de points de soudure ou d'un cordon de soudure, ou encore par collage. La liaison entre chaque extrémité de plaque non reliée directement à la structure 36, respectivement 46, et le matériau d'amortissement intermédiaire 80 (ou 80' sur les figures 4a et 4b) s'effectue par voie naturelle lors de l'emploi d'un matériau viscoélastique auto-adhésif. Elle peut également être effectuée par application d'une colle de type époxy appropriée de part et d'autre du matériau viscoélastique, en respectant les consignes de collage propres au matériau viscoélastique utilisé, notamment la température et la durée de chauffe. Les figures 5a à 5e illustrent, très schématiquement, le fonctionnement du dispositif selon la présente invention, en particulier les déformations de ses composants. Au repos, les deux plaques rigides 30 et 40 présentent une forme et une position relative représentées sur le dessin de la figure 5a. Les vibrations de la structure, en provenance du moteur ou des roues, sollicitent le dispositif, en particulier les bandelettes (80, 80') de matériau viscoélastique en cisaillement de rotation, comme cela est très schématiquement représenté sur le dessin de la figure 5b (cisaillement dans un sens représenté par les flèches) et celui de la figure 5c (cisaillement dans l'autre sens représenté par les flèches). Les plaques sont suffisamment rigides pour transmettre l'intégralité des efforts et de la déformation aux bandelettes, qui se déforment fortement en cisaillement, et dissipent par échauffement moléculaire l'énergie de déformation. La déformation d'une bandelette de matériau viscoélastique, référencée 90, est également 2879272 10 illustrée de manière très schématique sur le dessin des figures 5d (bandelette au repos) et 5e (bandelette fortement déformée en cisaillement). Sur le dessin de la figure 6, on a représenté une extension du dispositif selon la présente invention à un noeud d'ossature à trois branches. Les références numériques sont identiques à celles des figures précédentes en ce qui concerne les éléments communs. L'ouverture, tenant compte de la branche ajoutée symétrique, est une ouverture 100 en forme de T , chaque branche du T étant dirigée selon une des trois branches x, y et z du noeud d'ossature. Aux plaques métalliques rigides 30 et 40 s'ajoute une troisième plaque métallique rigide 50 dont la partie principale s'étend dans la direction référencée z. Chaque plaque rigide 30, respectivement 40 et 50, présente une partie reliée rigidement à ladite structure 35, respectivement 45 et 55, et une partie non reliée directement à la structure 36, respectivement 46 et 56, qui fait saillie dans ladite ouverture 100, les trois parties faisant saillie dans l'ouverture 100 des trois plaques rigides étant fixées dans leur zone de chevauchement au dessus de l'ouverture, non pas directement les unes aux autres mais deux à deux et par l'intermédiaire et au moyen d'un matériau d'amortissement 80. Le matériau d'amortissement est celui décrit précédemment en regard de la description du dispositif destiné à un noeud d'ossature à deux branches. La liaison des plaques sur la structure, ainsi que la liaison des extrémités de plaque avec le matériau élastomère ou viscoélastique répond aux mêmes caractéristiques que celles décrites précédemment. 2879272 11 L'invention peut également s'appliquer à des noeuds d'ossature plus complexes, notamment à plus de trois branches, en ajoutant pour chaque branche additionnelle une nouvelle plaque rigide selon le principe exposé ci-dessus et en reliant les extrémités libres des plaques rigides en intercalant entre les plaques deux à deux le matériau d'amortissement. Sur le dessin de la figure 7, on a représenté un résultat de test du dispositif d'amortissement selon l'invention sous la forme d'un graphe montrant la réponse vibratoire d'une pièce de structure automobile munie du dispositif selon l'invention (courbe référencée I) et la réponse vibratoire en l'absence de dispositif d'amortissement (courbe référencée II). L'axe des abscisses figure les fréquences de vibration reçues en Hz tandis que l'axe des ordonnées figure les rapports accélération/forces d'excitation en m/s2/N de l'excitation mécanique transmise à la structure testée. La structure testée est un anneau arrière de caisse automobile, d'un poids approximativement égal à 24 kg. Le noeud traité, sur lequel le dispositif selon l'invention est monté, est le noeud supérieur de l'anneau arrière. Il s'agit d'un noeud à deux branches similaire à celui des figures 2 à 5, qui comprend deux plaques métalliques, chaque plaque étant vissée à la structure d'anneau arrière par deux vis. L'ossature est soumise à une excitation par pots vibrant pour avoir une sollicitation d'entrée d'amplitude constante, la réponse vibratoire est mesurée par 9 capteurs disposés autour de l'anneau. Il s'agit d'une excitation du mode de parallélogramme (représentative d'une déformée de l'anneau arrière lors d'une déformée en torsion d'une caisse nue fermée). Le matériau d'amortissement est collé en sandwich entre deux 2879272 12 plaques métalliques rigides, et son épaisseur est supérieure à lmm. La zone de collage et de chevauchement des plaques métalliques est de l'ordre de 100mm x 80 mm. Le découpage du matériau d'amortissement et sa répartition morcelée de quatre bandelettes aux coins extrêmes de la zone de collage avec également une bandelette centrale (cinq bandelettes de 40mm x 20mm), est similaire au mode de réalisation représenté sur le dessin de la figure 4a. La présence du dispositif d'amortissement selon l'invention répondant à ces caractéristiques a permis de constater un amortissement sensiblement égal à 8dB autour de la fréquence de 50Hz. D'autres essais identiques ont été réalisés avec d'autres géométries du découpage du matériau d'amortissement, en particulier une seule bandelette sensiblement carrée de 100mm x 80mm ou de 80mm x 50 mm ou encore deux bandelettes parallèles de 100mm x 20mm avec des résultats intéressants et voisins bien qu'inférieurs. 13 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'amortissement de vibrations d'un élément de structure d'un véhicule, dans une zone (10) de noeud d'ossature de ladite structure, ledit noeud d'ossature comprenant une pluralité de branches, caractérisé en ce qu'il comprend une ouverture (20) pratiquée dans la zone d'intersection desdites branches, et pour chaque branche une plaque rigide (30,40) ayant une partie (35, 45) reliée rigidement à ladite structure et une partie (36, 46) non reliée directement à la structure et faisant saillie dans ladite ouverture (20), les parties (36, 46) faisant saillie dans l'ouverture de toutes les plaques respectives étant superposées et fixées ensemble avec intercalation entre elles d'un matériau d'amortissement (80, 80') dans leur zone de superposition. 2. Dispositif selon la revendication 1, pour l'amortissement de vibrations d'un élément de structure d'un véhicule, dans une zone (10) de noeud d'ossature à deux branches, caractérisé en ce qu'il comprend une ouverture (20) pratiquée dans ladite zone (10), deux plaques rigides (30, 40) ayant chacune une partie reliée rigidement à ladite structure (35, 45) et une partie non reliée directement à la structure et faisant saillie dans ladite ouverture, les deux parties faisant saillie dans l'ouverture (36, 46) des deux plaques respectives étant fixées l'une à l'autre par l'intercalation entre elles d'un matériau d'amortissement (80, 80') dans leur zone de superposition. 2879272 14 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux plaques rigides (30, 40) sont montées avec leur partie principale disposées selon l'axe (x, y) de l'une et l'autre branche. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite ouverture (20) présente sensiblement la forme d'un L , les deux branches du L étant dirigées selon l'axe de l'une (x) et l'autre (y) branche du noeud d'ossature. 5.Dispositif selon la revendication 1, pour l'amortissement de vibrations d'un élément de structure d'un véhicule, dans une zone de noeud d'ossature à trois branches, caractérisé en ce qu'il comprend une ouverture (100) pratiquée dans la zone d'intersection des trois branches, trois plaques rigides (30, 40, 50) ayant chacune une partie reliée rigidement à ladite structure (35, 45, 55) et une partie non reliée directement à la structure et faisant saillie dans ladite ouverture, les trois parties faisant saillie dans l'ouverture (36, 46, 56) des trois plaques respectives étant superposées et fixées l'une à l'autre par l'intercalation entre elles d'un matériau d'amortissement (80, 80') dans leur zone de superposition. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les trois plaques rigides (30, 40, 50) sont montées avec leur partie principale disposée chacune selon l'un des trois axes (x, y, z) du noeud d'ossature. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que ladite ouverture (100) présente sensiblement la forme d'un T , les trois branches du T étant dirigées chacune selon l'un des trois axes (x, y, z) du noeud d'ossature. 2879272 15 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau d'amortissement (80, 80') est un matériau élastomère. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 5 caractérisé en ce que le matériau d'amortissement (80, 80') est un matériau polymère viscoélastique auto-adhésif. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le matériau d'amortissement (80, 80') intercalé entre les parties d'extrémité des plaques rigides est fixé auxdites plaques rigides au moyen d'un collage, en particulier d'un collage de type époxy. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit matériau d'amortissement (80, 80') se présente sous la forme de bandelettes (90) disposées dans la zone de chevauchement. 12. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit matériau d'amortissement (80') intercalé entre les parties d'extrémité de deux plaques rigides est constitué de cinq bandelettes (90) réparties, dans la zone de superposition desdites plaques, selon les angles d'un carré et au centre dudit carré. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les plaques rigides (30, 40, 50) sont des plaques métalliques. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, 25 caractérisé en ce que les parties d'extrémité (35, 45, 55) des 2879272 16 plaques rigides reliées rigidement à la structure sont fixées à ladite structure par des vis. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les parties d'extrémité (35, 45, 55) des plaques rigides reliées rigidement à la structure sont fixées à ladite structure par soudage. 16. Procédé de réalisation d'un élément de structure d'un véhicule selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - dans la zone d'intersection des branches d'au moins un noeud d'ossature de ladite structure, on réalise une ouverture (20, 100), - pour chaque branche (x, y, z) on monte une plaque rigide (30, 40, 50) ayant une partie reliée rigidement à ladite structure (35, 45, 55) et une partie non reliée directement à la structure et faisant saillie dans ladite ouverture, - les deux parties faisant saillie dans l'ouverture (36, 46, 56) sont fixées l'une à l'autre dans leur zone de chevauchement par l'intermédiaire d'un matériau d'amortissement (80, 80')