Brevet FR2954432A1 — publié le 20110624

La présente invention concerne un dispositif antivibratoire pour un système générateur de vibrations, dit système vibrant, d'un aéronef. On sait que les aéronefs, notamment les avions de transport, comportent des systèmes vibrants, en particulier de type « machines tour- nantes », tels que des moteurs électriques ou des pompes fluides, qui engendrent des niveaux vibratoires, ces niveaux vibratoires pouvant se propager dans l'aéronef vers différents éléments de ce dernier, et notamment vers d'autres systèmes et/ou des éléments structurels (fuselage, parois, ...). 1 o Ces niveaux vibratoires sont hétérogènes en fréquence et en amplitude, et ils dépendent des phases de fonctionnement (par exemple démarrage, changements de régime, fonctionnement continu, arrêt, ...) des systèmes générateurs de vibrations, des zones considérées sur l'aéronef et des modes d'installation. 15 Ces niveaux vibratoires impactent les systèmes voisins ainsi que les systèmes vibrants eux-mêmes, en terme de diminution de la durée de vie des pièces mécaniques, des cartes électroniques, des composants électroniques et des structures, qui sont soumis ainsi à des cycles de fonctionnement et à de la fatigue. 20 Les effets induits par ces niveaux vibratoires sur les différents sys- tèmes sont les suivants : ù diminution de la fiabilité des systèmes ; et ù augmentation des tâches de maintenance préventive ou corrective. Les vibrations engendrées sur un aéronef par des systèmes vi- 25 brants influencent donc négativement les performances, la durée de vie et la maintenance des différents systèmes qui subissent ces vibrations. Les solutions actuellement mises en oeuvre, pour remédier à ces inconvénients, sont essentiellement basées sur : le choix de l'emplacement des systèmes dans des zones à niveaux vibratoires acceptables ; des pièces mécaniques de support/amortissement ajoutées en série ou en parallèle, afin de contrôler passivement les fréquences et amplitudes des vibrations sur les systèmes ; le choix de composants et de techniques d'assemblage, tolérants à ces niveaux vibratoires ; et une maintenant , adaptée. Ces solutions ne sont pas satisfaisantes, en particulier car elles ne permettent pas de réaliser une atténuation adaptative des niveaux vibratoires, notamment lorsque ces niveaux sont variables dans le temps en terme de fréquence et d'amplitude. La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle concerne un dispositif antivibratoire pour un système générateur de vibrations dit système vibrant d'un aéronef, en particulier de type « machine tournante », dispositif antivibratoire qui permet d'atténuer de manière adaptative la transmission des niveaux vibratoires (générés par ce système vibrant) vers un ou plusieurs éléments (structure, système, ...) de l'aéronef. A cet effet, selon l'invention, ledit dispositif antivibratoire qui est destiné à atténuer la transmission vers au moins un élément (structure, système, ...) de l'aéronef des vibrations engendrées par le système vibrant pendant au moins une phase de fonctionnement de ce dernier, est remar- quable en ce qu'il comporte : û au moins un amortisseur magnéto-rhéologique qui est agencé (directe-ment ou indirectement) entre ledit système vibrant et ledit élément de l'aéronef, et dont la raideur est susceptible d'être modifiée en fonction de la valeur d'un courant de contrôle électrique reçu ; au moins un capteur de vibration qui réalise, en temps réel, des mesures relatives au niveau vibratoire actuel dudit élément de l'aéronef ; et une unité de contrôle qui, pendant toute ladite phase de fonctionnement (démarrage, ...) dudit système vibrant, détermine en temps réel un ni-veau vibratoire actuel en fonction des mesures réalisées par ledit capteur de vibration, et engendre en temps réel un courant de contrôle électrique actuel, en fonction du niveau vibratoire actuel ainsi déter- miné, ce courant do contrôle étant tel qu'il engendre, lorsqu'il est appliqué à l'amortisseur magnéto-rhéologique, une raideur de ce dernier susceptible d'atténuer ledit niveau vibratoire actuel, ladite unité de contrôle transmettant en temps réel ce courant de contrôle audit amortisseur magnéto-rhéologique. Ainsi, grâce à l'invention et notamment grâce à l'utilisation d'au moins un amortisseur magnéto-rhéologique qui est contrôlé en temps réel, on obtient un dispositif antivibratoire particulièrement efficace et performant, qui permet d'atténuer de manière adaptative, en temps réel, les ni-veaux vibratoires engendrés par un système vibrant de l'aéronef. Ceci permet d'améliorer significativement les performances, la durée de vie et la maintenance des éléments (structure, systèmes,...) de l'aéronef, qui sont soumis à ces vibrations. De façon avantageuse, chaque amortisseur magnéto-rhéologique du dispositif antivibratoire conforme à l'invention comprend : un fluide magnéto-rhéologique qui comporte des particules ferromagnétiques en suspension dans un solvant liquide ; un tube dans lequel coulisse un piston associé à une tige, et qui contient ledit fluide magnéto-rhéologique ; û au moins une bobine qui est susceptible d'être alimentée par ledit courant de contrôle électrique et qui engendre, lorsqu'elle est alimentée, un champ magnétique qui agit sur les particules ferromagnétiques dudit fluide magnéto-rhéologique pour qu'elles forment des chaînes qui exer- cent un effet sur le passage du fluide au niveau du piston de manière à pouvoir régler la raideur dudit amortisseur magnéto-rhéologique ; et un accumulateur de gaz pour engendrer une force de retour. Les amortisseurs magnéto-rhéologiques permettent de réaliser des suspensions semi-actives. Ces suspensions pilotées sont capables de faire 1 o varier, en quelques millisecondes, et en continu, la raideur de l'amortissement. Cette technologie d'amortisseurs magnéto-rhéologiques permet ainsi de contrôler, précisément et en temps réel, les fréquences d'excitation. Les avantages induits par l'emploi d'un ou plusieurs amortisseurs 15 magnéto-rhéologiques dans le dispositif antivibratoire conforme à l'invention, sont notamment les suivants : une diminution des contraintes d'installation des autres systèmes (meilleure optimisation de l'installation des systèmes dans l'aéronef) ; la suppression des pièces mécaniques de support/amortissement instal- 20 Zées en série/parallèle afin de contrôler passivement les fréquences et amplitudes des vibrations sur les autres systèmes (gain de masse) ; la capacité à utiliser des composants ou des techniques d'assemblage moins exigeants en terme de tolérance aux niveaux vibratoires (diminution des coûts, meilleure gestion des obsolescences de compo- 25 sants, ...) ; et une diminution des tâches de maintenance (diminution des coûts opérationnels). Dans un mode de réalisation préféré, l'unité de contrôle du dispositif antivibratoire conforme à l'invention est formée de manière à transmet- tre, au début d'une phase de fonctionnement particulière (par exemple le démarrage ou un changement de régime) du système vibrant, à chaque amortisseur magnéto-rhéologique dudit dispositif antivibratoire, un courant de contrôle initial prédéterminé permettant d'atténuer un niveau vibratoire initial qui est représentatif de ladite phase de fonctionnement particulière. Dans ce mode de réalisation préféré, lorsque le système vibrant comporte une pluralité de phases de fonctionnement successives, de façon avantageuse, ladite unité de contrôle est formée de manière à transmettre, au début de chaque phase de fonctionnement du système vibrant, un courant de contrôle initial prédéterminé permettant d'atténuer un ni-veau vibratoire initial qui est représentatif de ladite phase de fonctionne-ment. Ainsi, le niveau vibratoire est anticipé d'une phase de fonctionne-ment à l'autre. L'avantage de cette anticipation réside dans l'augmentation de la réactivité des amortisseurs magnéto-rhéologiques, ce qui se traduit par une meilleure atténuation des vibrations (en fréquence et en amplitude) et donc une moindre sollicitation du système vibrant, ainsi que d'autres systèmes de l'aéronef. Les phases de fonctionnement à prendre en compte sont, de préférence, les phases critiques (par exemple le démarrage ou des changements de régime) en terme de niveaux vibratoires générés par le système vibrant. La présente invention concerne également : un système générateur de vibrations d'un aéronef, en particulier de type « machine tournante » (par exemple un moteur électrique ou une pompe fluide) qui comporte au moins un dispositif antivibratoire tel que celui précité ; et/ou un aéronef, en particulier un avion de transport, qui comprend au moins un tel dispositif antivibratoire. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 est le schéma synoptique d'un dispositif antivibratoire conforme à l'invention. La figure 2 montre schématiquement un amortisseur magnéto-rhéologique d'un dispositif antivibratoire conforme à l'invention. La figure 3 est un schéma permettant d'expliquer le fonctionne-ment d'un amortisseur magnéto-rhéologique. 1 o Les figures 4 à 7 illustrent différentes architectures possibles d'installation d'amortisseurs magnéto-rhéologiques. Le dispositif 1 conforme à l'invention et représenté schématique-ment sur la figure 1 est destiné à être installé à bord d'un aéronef, en particulier d'un avion de transport, dans le but d'atténuer la transmission vers 15 un ou plusieurs éléments E de ce dernier, et notamment vers des systèmes et/ou des éléments structurels (fuselage, parois, ...), des vibrations engendrées par un système vibrant SV, en particulier de type « machine tournante », tel qu'un moteur électrique (pour un actionneur, ventilateur, ...) ou une pompe fluide (liquide ou gaz) par exemple. 20 Selon l'invention, ledit dispositif antivibratoire 1 comporte, comme représenté sur la figure 1 : û au moins un, mais de préférence une pluralité d'amortisseurs magnéto-rhéologiques 2. Ce ou ces amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 sont agencés (directement ou indirectement) entre ledit système vibrant SV 25 et ledit élément E à protéger de l'aéronef. Comme précisé ci-dessous, la raideur de chaque amortisseur magnéto-rhéologique 2 est susceptible d'être modifiée en fonction de la valeur d'un courant de contrôle électrique reçu ; au moins un, mais de préférence une pluralité de capteurs de vibration 3 précisés ci- dessous, qui réalisent, en temps réel, des mesures relatives au niveau vibratoire actuel (c'est-à-dire courant) transmis vers ledit élément E de l'aéronef. Sur la figure 1, on a représenté un ensemble 4 de capteurs de vibration 3 ; et une unité de contrôle 5 qui est reliée par l'intermédiaire de liaisons 6, 7 et 8 respectivement aux amortisseurs magnéto-rhéologiques 2, à l'ensemble 4 et à une source d'alimentation électrique 20 qui fait partie, de préférence, d'une source de puissance usuelle (générateur, batte- rie, ...) de l'aéronef. Selon l'invention, ladite unité de contrôle 5 engendre en temps réel un courant de contrôla électrique actuel, en fonction du niveau vibratoire actuel qui est déterminé à partir des mesures réalisées par lesdits capteurs de vibration 3, et elle transmet en temps réel ce courant de contrôle aux- dits amortisseurs magnéto-rhéologiques 2. De plus, selon l'invention, ce courant de contrôle est tel qu'il crée, lorsqu'il est appliqué à un amortisseur magnéto-rhéologique 2, de la manière précisée ci-dessous, une raideur de ce dernier qui permet d'atténuer ledit niveau vibratoire actuel. De préférence, le dispositif 1 conforme à l'invention comporte une pluralité d'amortisseurs magnéto-rhéologiques 2, et ladite unité de contrôle 5 engendre et transmet un courant de contrôle électrique à chacun desdits amortisseurs magnéto-rhéologiques 2. Les amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 sont à installer au niveau du système vibrant SV, afin d'atténuer les vibrations qu'il génère sur d'autres systèmes ou sur la structure de l'aéronef. Ces amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 sont dimensionnés pour atténuer les vibrations, en fonction notamment : û des types de vibrations (sinusoïdales, aléatoires, transitoires) ; û des spectres associés (temporels et fréquentiels) ; et û de phénomènes de résonance. Ainsi, grâce notamment à l'utilisation d'amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 qui sont contrôlés en temps réel, on obtient un dispositif antivibratoire 1 particulièrement efficace et performant, qui permet d'atténuer de manière adaptative, en temps réel, les niveaux vibratoires engendrés par un système vibrant SV de l'aéronef. Ceci permet d'améliorer significativement les performances, la durée de vie et la maintenance des éléments E (structure, systèmes, ...) de l'aéronef, qui sont soumis à ces vibrations. Par ailleurs : l'unité de contrôle 5 détermine les niveaux vibratoires à l'aide des mesures (de position de déplacement, d'accélération, ...) réalisées par les capteurs de vibration 3. Concernant ces capteurs de vibration 3, il peut s'agir, notamment, de capteurs à large bande de fréquence de type piézo-électrique, capacitance, jauge de contraintes, piézo-résisti- vité, induction magnétique, ... ; et ladite unité de contrôle 5 comporte des moyens (non représentés) pour réaliser les fonctions suivantes : enregistrement de la phase de fonctionnement du système vibrant SV, acquisition des niveaux vibratoires, enregistrement des mesures, analyse des données en temps réel, com- mande des amortisseurs magnéto-rhéologiques 2. En particulier, l'unité de contrôle 5 peut réaliser le traitement des mesures via : un échantillonnage ; l'utilisation d'une fenêtre d'apodisation pour préparer les données avant une transformée de Fourier par exemple. Cette apodisation s'effectue en multipliant le signal temporel par une fonction du temps (le résultat dans le spectre est la convolution de toutes les raies par la transformée de Fourier de la fonction d'apodisation, c'est-à-dire le filtrage) ; une conversion analogique / numérique ; et une phase de calcul en temps réel (par exemple par processeur de signal numérique de type DSP) pour l'analyse fréquentielle. Dans un mode de réalisation préféré, on tient compte d'au moins certaines des phases de fonctionnement successives du système vibrant SV, qui sont transmises par un moyen 9 à l'unité de contrôle 5 via une liaison 10. Dans ce mode de réalisation préféré, ladite unité de contrôle 5 est formée de manière à transmettre aux amortisseurs magnéto-rhéologiques 2, avant le début de chacune desdites phases de fonctionnement du 1 o système vibrant SV, un courant de contrôle initial pré-programmé permet-tant d'atténuer un niveau vibratoire initial qui est représentatif de ladite phase de fonctionnement. Ensuite, l'unité de contrôle 5 réalise un contrôle en temps réel de la manière précisée ci-dessus. Ainsi, le niveau vibratoire est anticipé d'une phase de fonctionne- 15 ment à l'autre. L'avantage de cette anticipation réside dans l'augmentation de la réactivité des amortisseurs magnéto-rhéologiques 2, ce qui se traduit par une meilleure atténuation des vibrations (en fréquence et en amplitude) et donc une moindre sollicitation du système vibrant SV, ainsi que d'autres systèmes de l'aéronef. Les phases de fonc- 20 tionnement à prendre en compte sont, de préférence, les phases critiques en terme de niveaux vibratoires générés par le système vibrant SV (par exemple le démarrage ou un changement de régime de moteurs électriques, pompes fluides, ...). Par ailleurs, un amortisseur magnéto-rhéologique 2 du dispositif 25 antivibratoire 1 conforme à l'invention comporte les éléments suivants, comme représenté sur la figure 2 : un fluide magnéto-rhéologique 11 qui est composé de fines particules ferromagnétiques (présentant un diamètre de quelques dizaines de micromètres) en suspension dans un solvant liquide, de type huile de syn- thèse. Le fluide 1 1 contient environ 20 à 40% de telles particules ferromagnétiques, ainsi que des additifs pour éviter la sédimentation et l'agglomération des particules dans le fluide ; un tube 12, dans lequel coulisse un piston 13 associé à une tige 14. Ce tube 1 2 contient ledit fluide 1 1 qui est susceptible de passer, au niveau du piston 13, à travers des orifices 1 5 de passage de fluide. Les matériaux les mieux adaptés au fluide magnéto-rhéologique 1 1 doivent être à faible teneur en carbone avec une perméabilité et une saturation magnétique élevées (de préférence, une teneur en carbone de l'acier inférieure à environ 0,15%) ; une ou plusieurs bobines 16 qui sont alimentées par un courant électrique continu (contrôlé par ladite unité de contrôle 5) et qui génèrent un champ magnétique Sous l'action de ce champ magnétique, les parti-cules ferromagnétiques du fluide 11 forment des chaînes 17 dans le 15 sens des lignes de champ 18, de raideur et résistance proportionnelles à l'intensité du champ ; et un accumulateur de gaz 19 pour créer une force de retour en position de l'amortisseur. Le principe de fonctionnement d'un amortisseur magnéto-rhéologi- 20 que 2 est donc le suivant : lorsque les bobines 16 sont alimentées, un champ magnétique est créé (de l'ordre de quelques centaines de kA/m) qui force les particules à s'aligner perpendiculairement au flux magnétique, comme représenté sur la figure 3 ; 25 les particules ainsi alignées limitent le flux (illustré par une flèche 21) du fluide au travers des orifices de passage 15 situés au niveau du piston 13, entre les deux chambres de l'amortisseur magnéto-rhéologique 2. Pour décrire le comportement mécanique des amortisseurs ma- gnéto-rhéologiques 2, différents modèles sont utilisés, comme par exem- ple le modèle de Bingham (comportant une force de Coulomb en parallèle avec un amortisseur visqueux), le modèle de Bouc-Wen (prenant en compte l'hystérésis), ou le modèle de Bouc-Wen modifié par Spencer, Dyke et Carlson. II faut noter qu'en l'absence d'alimentation des bobines 16, le fluide magnéto-rhéologique 11 se comporte comme un fluide newtonien. Pour être performant en terme d'amortissement, le fluide magnéto-rhéologique 1 1 doit principalement : û présenter un temps de réponse très rapide ; posséder une grande résistance sous contrainte ; 1 o être compatible avec une large plage de température de fonctionne-ment ; et être non abrasif. Les avantages des amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 sont essentiellement les suivants : 15 pas de pièce mobile, de vanne à ouvrir ou à fermer ; faible puissance électrique requise pour alimenter les bobines 16 (20W environ) avec des niveaux de courant peu élevés (1 à 2A environ) ; û les fluides magnéto-rhéologiques 11 existants présentent une large plage de température opérationnelle (entre -40°C et + 150°C environ) ; 20 le choix d'additifs (dispersants, surfactants, modificateurs de friction, ...) pour les fluides magnéto-rhéologiques 11 est étendu, car l'électrochimie n'affecte pas les mécanismes de polarisation magnétique au sein de l'amortisseur magnéto-rhéologique 2 ; et les cartes de contrôle existantes (avec DSP par exemple) permettent de 25 contrôler les amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 à une fréquence relativement élevée (de l'ordre de 1000 Hz). Les amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 sont donc compatibles avec l'environnement (tenue à une large plage de température, à des va- riations de pression, à l'humidité, aux poussières, aux sels, ...) d'un aéronef et avec les objectifs opérationnels (fiabilité, disponibilité, accessibilité). Suivant les niveaux vibratoires à considérer (en terme de fréquence, amplitude, durée) et les caractéristiques du système vibrant SV (masse, dimensions, localisation, accessibilité, ...), différentes architectures d'amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 peuvent être installées sur l'aéronef. Les figures 4 à 7 présentent, à titre d'exemple, différentes architectures possibles avec un élément E représentant un support qui correspond à un élément structurel ou un support d'un système de l'aéronef. Plus précisément : la figure 4 montre un système vibrant SV de type « machine tournante » qui est posé sur le support E en série avec des amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 ; la figure 5 montre un système vibrant SV qui est suspendu en série avec des amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 ; la figure 6 montre un système vibrant SV qui est posé en parallèle avec des amortisseurs magnéto-rhéologiques 2 ; et û la figure 7 montre un système vibrant SV qui est suspendu en parallèle avec des amortisseurs magnéto-rhéologiques 2. REVENDICATIONS1. Dispositif antivibratoire pour un système générateur de vibra- tions dit système vibrant d'un aéronef, ledit dispositif antivibratoire (1) étant destiné à atténuer la transmission vers au moins un élément (E) de l'aéronef des vibrations engendrées par ledit système vibrant (SV) pendant au moins une phase de fonctionnement de ce dernier, caractérisé en ce qu'il comporte : au moins un amortisseur magnéto-rhéologique (2) qui est agencé entre ledit système vibrant (SV) et ledit élément (E) de l'aéronef, et dont la raideur est susceptible d'être modifiée en fonction de la valeur d'un courant de contrôle électrique reçu ; au moins un capteur de vibration (3) qui réalise, en temps réel, des mesures relatives au niveau vibratoire actuel dudit élément (E) de l'aéronef ; et une unité de contrôle (5) qui, pendant toute ladite phase de fonctionne-ment dudit système vibrant (SV), détermine en temps réel un niveau vibratoire actuel en fonction des mesures réalisées par ledit capteur de vibration (3), et engendre en temps réel un courant de contrôle électrique actuel, en fonction du niveau vibratoire actuel ainsi déterminé, ce courant de contrôle étant tel qu'il engendre, lorsqu'il est appliqué à l'amortisseur magnéto-rhéologique (2), une raideur de ce dernier susceptible d'atténuer ledit niveau vibratoire actuel, et qui transmet en temps réel ce courant de contrôle audit amortisseur magnéto-rhéologique (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'amortisseurs magnéto-rhéologiques (2), et en ce que ladite unité de contrôle (5) engendre et transmet un courant de contrôle électrique à chacun desdits amortisseurs magnéto-rhéologiques (2). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque amortisseur magnéto-rhéologique (2) comprend : un fluide magnéto-rhéologique (11) qui comporte des particules ferromagnétiques en suspension dans un solvant liquide ; un tube (12) dans lequel coulisse un piston (13) associé à une tige (14), et qui contient ledit fluide magnéto-rhéologique (Il) ; au moins une bobine (16) qui est susceptible d'être alimentée par ledit courant de contrôle électrique et qui engendre, lorsqu'elle est alimentée, un champ magnétique qui agit sur les particules ferromagnétiques dudit fluide magnéto-rhéologique (Il) pour qu'elles forment des chaînes qui exercent un effet sur le passage du fluide au niveau du piston (13) de manière à pouvoir régler la raideur dudit amortisseur magnéto-rhéologique (2) ; et û un accumulateur de gaz (19) pour engendrer une force de retour. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite unité de contrôle (5) est formée de manière à transmettre, au début d'une phase de fonctionnement particulière dudit système vibrant (SV), à chaque amortisseur magnéto-rhéologique (2) du dispositif antivibratoire (1) un courant de contrôle initial prédéterminé permettant d'atténuer un niveau vibratoire initial qui est représentatif de ladite phase de fonctionnement particulière. 5. Dispositif selon la revendication 4, pour un système vibrant (SV) présentant une pluralité de phases de fonctionnement successives, caractérisé en ce que ladite unité de contrôle (5) est formée de manière à transmettre, au début de chaque phase de fonctionnement du système vibrant (SV), un courant de contrôle initial prédéterminé permettantd'atténuer un niveau vibratoire initial qui est représentatif de ladite phase de fonctionnement. 6. Système générateur de vibrations d'un aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif antivibratoire (1) 5 tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 5. 7. Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif antivibratoire (1) tel que celui spécifié sous l'une quelconque des revendications 1 à 5.