Brevet FR2964808A1 — publié le 20120316

SYSTEME DE FILTRAGE DES BRUITS ET DES VIBRATIONS GENERES PAR UNE MACHINE ELECTRIQUE Domaine de l'invention L'invention concerne un système de filtrage des bruits et des vibrations provenant d'une machine électrique tel qu'un groupe électromoteur d'un véhicule. L'invention concerne, en outre, un véhicule équipé d'un groupe électromoteur de traction et d'un système de filtrage des bruits et vibrations générés par ce groupe électromoteur. L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines techniques et, en particulier, dans le domaine des véhicules automobiles, dans lesquels on cherche à réduire les bruits et les vibrations ressentis par le conducteur et les passagers du véhicule afin d'améliorer leur confort. Etat de la technique Il est connu que de nombreuses machines électriques génèrent des bruits et des vibrations. Lorsque ces machines électriques sont situées à proximité de personnes, le bruit et les vibrations peuvent être gênants pour ces personnes. C'est le cas, en particulier, des véhicules automobiles où la machine électrique, pourtant installée en extérieur de l'habitacle du véhicule, génère des bruits et des vibrations qui se transmettent à l'intérieur de l'habitat, gênant ainsi le conducteur et les passagers. En effet, les véhicules classiques dits « à traction avant » ont un moteur thermique couplé au train avant du véhicule pour assurer l'entraînement dudit véhicule. D'autres véhicules, dits hybrides, ont un moteur électrique associé à un moteur thermique. Dans ces véhicules hybrides, le système d'hybridation peut-être déporté sur le train arrière du véhicule. Dans ce cas, le système d'hybridation est généralement fixé sur la caisse du véhicule, sous le plancher. Un tel système d'hybridation comporte généralement un moteur électrique et un réducteur de vitesse couplé au rotor du moteur électrique. Le réducteur de vitesse permet d'adapter la vitesse du moteur électrique au couple demandé aux roues du véhicule. L'ensemble constitué du moteur électrique et du réducteur de vitesse est appelé groupe électromoteur. Ainsi, dans les véhicules hybrides, la machine électrique est un groupe électromoteur de traction fixé sur la caisse du véhicule. Or, l'installation directe du groupe électromoteur sur la caisse du véhicule entraine des remontées importantes de bruits et de vibrations dans l'habitacle, dues au débattement important de la machine électrique. Les bruits et les vibrations générées par le groupe électromoteur se transmettent à l'habitacle par l'intermédiaire de la caisse et du plancher du véhicule, ce plancher constituant le sol de l'habitacle. De façon plus précise, avec un système d'attache classique d'un groupe électromoteur sur la caisse d'un véhicule hybride, les bruits et vibrations générées par ledit groupe électromoteur sont très peu filtrés. Le filtrage, réalisé naturellement par le système d'attache du groupe électromoteur sur la caisse, est de l'ordre de 12dB/Octave. Sur la figure 1, on a représenté de façon schématique un groupe électromoteur fixé sur la caisse d'un véhicule au moyen d'un système d'attache classique. Sur cette figure, le groupe électromoteur 1 est fixé par une fixation 2 du type ressort sur la caisse 3 du véhicule. Avec un tel système d'attache classique, du type ressort, l'atténuation des bruits et vibrations est la suivante : Mx+Kx=F F x= (K -w2M ) Où F est l'effort du ressort, M est la masse du groupe électromoteur (GEM), K est la raideur du ressort, x est le déplacement du GEM et w est la pulsation. L'effort Ft transmis à la caisse est le suivant : Ft=Kx KF Ft = (K -w2M ) 30 En posant wo2 = M (pulsation propre du système), on obtient : 5 Ft = F En calculant le rapport de l'effort F à la pulsation w avec l'effort F à la pulsation 2w : 1-4 w F(2w) wo F(w) , 2 1 w wo Puis le logarithmique de cette expression : i i 2 3 2 2010g/F(2W) = 20log F(w) 1-4 wo 1 Et en posant le changement de variable suivant : SZ = On obtient la formule simplifiée ci-dessous : /F(2w) =201og/1-4522 201og F(w) 10 Quand S I 2devient grand, on a donc => 20log F(2w) _ _201og(4) _ -12dB . F(w) Selon ce calcul, lorsque la fréquence monte, notamment au-delà de la fréquence propre du système, l'atténuation obtenue est de 12dB par 15 doublement de fréquence, soit 12dB/Octave. On comprend donc que les bruits et vibrations ressentis par les occupants du véhicule sont seulement atténués de 12 dB par rapport aux bruits et vibrations générés par le groupe électromoteur. Ainsi, lorsque les bruits et vibrations générés par le groupe électromoteur sont hauts en 20 fréquence, ce qui est le cas en particulier des bruits de sirènes du groupe électromoteur (dont la gamme de fréquence est large et élevée), l'atténuation par le système d'attache classique est insuffisante pour assurer le confort des occupants du véhicule. Or, ces vibrations et ces bruits peuvent être particulièrement gênants pour les occupants du véhicule, notamment pour le conducteur. En effet, il est connu que les bruits et les vibrations peuvent entraîner, à plus ou moins longue échéance, une fatigue physique et une déconcentration des occupants du véhicule, en particulier lors de longs trajets, cette fatigue et cette déconcentration pouvant avoir des conséquences dangereuses sur la conduite du conducteur. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux problèmes des techniques exposées précédemment. Pour cela, l'invention propose un système de filtrage des bruits et vibrations générés par une machine électrique et, en particulier, par un groupe électromoteur d'un véhicule. Ce système de filtrage comporte deux étages de filtrage, un premier étage réalisé au moyen d'un premier ensemble d'attache assurant la suspension du groupe électromoteur sur un support, et un second étage réalisé au moyen d'un second ensemble d'attache assurant la suspension du support sur un cadre. Dans ce système, les deux étages de filtrage sont combinés, assurant une atténuation significative des bruits et des vibrations ressenties à l'intérieur de l'habitacle. De façon plus précise, l'invention concerne un système de filtrage de bruits et de vibrations générés par une machine électrique installée dans un cadre, caractérisé par le fait que : - la machine électrique est montée en suspension sur un support par l'intermédiaire d'un premier ensemble d'attache de façon à former un premier étage de filtrage des bruits et vibrations, et - le support est monté en suspension sur le cadre par l'intermédiaire d'un second ensemble d'attache de façon à former un second étage de filtrage des bruits et vibrations, - le premier et le second étage de filtrage se combinant pour atténuer la transmission des bruits et vibrations de la machine électrique vers le cadre. Le système de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - il comporte au moins une masse positionnée sur le support pour augmenter le gain d'atténuation des premier et second étages de filtrage combinés. - la machine électrique est un groupe électromoteur de traction d'un véhicule. - la masse est constituée d'au moins un module d'alimentation électrique du groupe électromoteur de traction. - le support est un châssis de véhicule et le cadre est une caisse de véhicule. - le premier ensemble d'attache comporte au moins trois fixations élastiques. - le second ensemble d'attache comporte au moins trois liaisons élastiques. - la combinaison des premier et second étages de filtrage assure une atténuation des bruits et vibrations de l'ordre de 24 dB/octave. L'invention concerne également un véhicule équipé d'un système de filtrage de bruits et de vibrations tel que décrit précédemment. Ce véhicule peut comporter la caractéristique suivante : - le châssis comporte une plateforme positionnée au-dessus du groupe électromoteur et apte à supporter le module d'alimentation électrique du groupe électromoteur. Brève description des dessins La figure 1, déjà décrite, représente un schéma de l'atténuation des bruits et vibrations dans un véhicule, avec un système de filtrage classique. La figure 2 représente un schéma de l'atténuation des bruits et vibrations dans un véhicule, avec un système de filtrage selon l'invention. La figure 3 représente une vue de dessous d'une partie arrière d'un véhicule comportant un système de filtrage selon l'invention. La figure 4 représente une vue en perspective d'un châssis de véhicule comportant un système de filtrage selon l'invention. La figure 5 représente une courbe d'atténuation obtenue par un système de filtrage classique (courbe Cl) et une courbe d'atténuation obtenue avec un système selon l'invention (courbe C2). La figure 6 représente les courbes de la figure 5 ainsi qu'une courbe d'atténuation obtenue avec un mode de réalisation préféré de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention L'invention propose un système de filtrage des bruits et des vibrations générés par une machine électrique. Ce système de filtrage de l'invention peut être appliqué à toute sorte de machine électrique générant des vibrations et des bruits. Ce système comporte un double système d'attache de la machine électrique, chaque système d'attache formant un étage de filtrage. Plus précisément, l'invention propose de suspendre la machine électrique à un support par l'intermédiaire d'un premier ensemble d'attache. Ce premier ensemble d'attache comporte au moins deux éléments de fixation. Chaque élément de fixation est réalisé de façon à absorber une partie des vibrations et des bruits transmis de la machine électrique vers le support. Par exemple, ces éléments de fixation peuvent être des ressorts ou tout type de fixation permettant d'absorber des efforts. Le support, sur lequel est suspendue la machine électrique, est lui-même suspendu à un cadre, ou second support, par l'intermédiaire d'un second ensemble d'attache. Ce second ensemble d'attache comporte au moins deux éléments de fixation réalisés de façon à absorber une partie des vibrations et des bruits transmis du support vers le cadre. Ces éléments peuvent ou non être identiques à ceux du premier ensemble d'attache. Le premier ensemble d'attache constitue un premier étage de filtrage apte à absorber des bruits et des vibrations générés par la machine électrique et transmis mécaniquement au support. Le second ensemble d'attache constitue un second étage de filtrage apte à absorber des bruits et des vibrations transmis du support au cadre. Le premier et le second étage de filtrage se combinent et agissent en série pour atténuer les bruits et les vibrations générés par la machine et transmis, via le support, au cadre. Sur la figure 2, on a représenté, de façon schématique, les deux étages de filtrage du système de l'invention. Le premier étage de filtrage 4 est situé entre la machine électrique 1 et le support 5 ; le second étage de filtrage 6 est situé entre le support 5 et le cadre 3. Le premier étage de filtrage offre un premier niveau d'atténuation des bruits et vibrations. Le second étage de filtrage offre un second niveau d'atténuation de ces bruits et vibrations. Ces deux étages de filtrage se combinent en série, ce qui permet d'augmenter l'atténuation des bruits et vibrations. Dans un tel cas, le système de filtrage est décrit par le système d'équation ci-dessous : M1 1 + KI (x1 -x2)= F M2Z2 + (KI + K2) )x2 - K1x1 = 0 De la première équation, on obtient xl = K1(F + Klx2) (KI -w2M1)1K1 +K2 -w2M2 De cette expression, on peut déduire celle de l'effort Ft transmis à la caisse : Ft = K2x2 En posant wl2 = K MI F + K1x2 w2M1,/ Et par substitution dans la deuxième équation, on obtient : x2 première pulsation propre du système, 2 = K2 M2' deuxième pulsation propre et n1 = w W 2 et 2 = w1 2 on obtient : 25 Ft= (MIM2)2(F+KIX2) (1-ç 1)(1-Q.2) En calculant le rapport de l'effort à la pulsation w avec l'effort à la pulsation 2w: Ft(2w) (1- 521)(1- Q. 2 Ft(w) (1- 4521 X1- 4522 Puis le logarithmique de cette expression, on obtient : 20log/ F(2w) = 20 log (1-521)(1-522) F (w) , - 452,1)(1- 452 2 ), Quand 5212 devient grand, on a donc => 20log F(2w) = -201og(16) _ -24dB F(w) On comprend ainsi que, lorsque l'on monte en fréquence, au-delà des fréquences propres du système, l'atténuation obtenue au moyen de ces deux étages de filtrage est de l'ordre de 24 dB par doublement de fréquence, soit 24dB/Octave. De cette façon, les bruits et les vibrations générés par la machine électrique sont doublement atténués par rapport à un système classique à simple étage de l'art antérieur. L'invention qui vient d'être décrite peut être appliquée au domaine de l'automobile. Dans ce cas, la machine électrique est un groupe électromoteur constitué d'un moteur électrique et de son réducteur, le support est le châssis du véhicule et le cadre est la caisse dudit véhicule. Dans ce mode de réalisation, le groupe électromoteur est suspendu au châssis, lui-même suspendu à la caisse du véhicule. La fixation du groupe électromoteur sur le châssis constitue alors le premier étage de filtrage, la fixation du châssis sur la caisse constituant le second étage de filtrage. Ces deux étages de filtrage assurent une atténuation des vibrations et des bruits telle que décrite précédemment, soit une atténuation d'environ 24 dB. On a représenté, sur la figure 3, un exemple d'une partie arrière d'un véhicule automobile, selon une vue de dessous. Sur cette figure 3, l'avant du véhicule est repéré par les lettres AV et l'arrière du véhicule par les lettres AR. Dans cet exemple, le véhicule représenté peut être un véhicule automobile hybride (thermique/électrique) ou tout électrique, de type rechargeable ou non. Un groupe électromoteur est monté sous ce véhicule avec le système de filtrage de l'invention. Le dessous de caisse 10 supporte différents organes qui sont décrits ci-après. Sur cette figure, le pare-choc n'a pas été représenté par mesure de simplification de la figure. Par contre, les amortisseurs de choc arrière 13 et 14 qui prolongent les longeronnets de la structure de la caisse 1 sont représentés. On distingue également le train arrière 15 du véhicule. Ce train 15 est un train arrière à traverse déformable en forme de H. Il est fixé à la caisse 10 du véhicule par l'intermédiaire de deux liaisons pivots 16 et 17 solidaires, respectivement, des deux extrémités des bras longitudinaux avant 18 et 19. Les extrémités des deux bras arrière 11 et 12 sont, quant à elles, reliées respectivement aux deux roues arrière droite ARD et gauche ARG, dont seule la roue arrière droite ARD est représentée. Ces extrémités supportent également, respectivement, deux coupelles 22 et 23 recevant les amortisseurs du train arrière 15. Une traverse déformable 24, de section en forme de U, relie les deux bras longitudinaux 18, 11 et 19, 12 entre eux. La traverse 24 intègre une barre anti-revers 25. On distingue, en avant du train 15, une partie d'un réservoir de carburant 26 avec son système de fixation 27 à la caisse 10. On distingue également, à l'arrière de la traverse déformable 24, un châssis tubulaire 28 de forme générale rectangulaire. Ce châssis 28 est fixé à la caisse 10 par quatre fixations élastiques 29 à 32. Ces quatre fixations élastiques 29, 30, 31 et 32 constituent un second ensemble d'attache 60 de l'invention. Le châssis 28 supporte le groupe électromoteur 33. Ce groupe électromoteur 33 comporte un moteur électrique 34 et son réducteur de vitesse 35 couplé au rotor dudit moteur électrique 34. Les roues arrière ARG, ARD, sont reliées mécaniquement au réducteur de vitesse 35 par l'intermédiaire d'un différentiel 36, couplé en sortie du réducteur 35. Le différentiel 36 est lui-même couplé aux deux bras de transmission 37 et 38 et à leurs joints homocinétiques respectifs 39 et 40 appelés joints de cardan. Le groupe électromoteur 33 est fixé au châssis 28 par l'intermédiaire de trois liaisons élastiques 41, 42 et 43 agencées de manière à garantir l'isostatisme du groupe électromoteur 33 par rapport au châssis 28. Ces trois liaisons élastiques 41, 42, 43 constituent un premier ensemble d'attache 70 de l'invention. La figure 4 représente de façon plus précise un châssis tubulaire 28 apte à recevoir un groupe électromoteur 33 et son module d'alimentation 80. Ce châssis 28 comporte un assemblage d'éléments tubulaires de section circulaires ou sensiblement circulaires. Quatre éléments tubulaires 52 à 55 sont assemblés entre eux pour définir une plateforme apte à recevoir et supporter le groupe électromoteur 33. Ces tubes 52 à 55 sont parallèles deux à deux. Les éléments tubulaires 53 et 55 sont parallèles entre eux et sont de longueur sensiblement identique ; ils constituent deux éléments tubulaires longitudinaux. Les éléments tubulaires 52 et 54 définissent des éléments tubulaires transversaux : un élément tubulaire arrière 52 plus long que l'élément tubulaire avant 54. Les extrémités des éléments tubulaires 52 à 55 supportent chacune une fixation élastique 29 à 32. Ces fixations élastiques sont des éléments d'attache de type liaison-pivot élastique, dont l'axe de pivot s'étend suivant un axe en Z. Le châssis 28 comporte au moins trois fixations élastiques. De préférence, il comporte quatre fixations élastiques 29 à 32, ou éléments d'attache, qui assurent une fixation souple du châssis 28 sur la caisse 10. Le châssis tubulaire 28 comporte, en outre, au moins trois liaisons élastiques aptes à supporter le groupe électromoteur 33 de manière isostatique. Dans l'exemple des figures 3 et 4, le châssis tubulaire 28 comporte trois liaisons élastiques 41, 42, 43. Ces liaisons élastiques 41 à 43 assurent un maintien souple du groupe électromoteur 33 sur le châssis. Ces liaisons élastiques 41 à 43 reliant le groupe électromoteur au châssis forment un premier étage de filtrage des bruits et vibrations générés par ledit groupe électromoteur. Les fixations élastiques 29 à 32 reliant le châssis à la caisse forment un second étage de filtrage des bruits et vibrations. Ces deux étages de filtrage se combinent en série, comme expliqué précédemment. Ils permettent ainsi une atténuation des bruits et vibrations issus du groupe électromoteur de l'ordre de 24 dB/Octave. On a représenté, sur la figure 5, un exemple de comparaison de deux courbes d'atténuation des bruits et vibrations montrant l'Effort transmis, en Newtons (N), en fonction de la Fréquence, en Hertz (Hz). Plus précisément, cette figure 5 montre une courbe Cl correspondant à l'atténuation obtenue par un système d'attache classique et une courbe C2 correspondant à l'atténuation obtenue par un système de filtrage selon l'invention. On voit sur cette figure que, au-delà d'une fréquence propre f2 du système de l'invention, on bénéficie d'une décroissance d'ordre 2 à 24dB/Octave. Ainsi, vis-à-vis des bruits de sirène du groupe électromoteur, dont la gamme de fréquence est large et élevée, l'atténuation supplémentaire apportée par le second étage de filtrage est particulièrement intéressant. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, on choisit d'installer une masse sur le support afin d'augmenter encore le gain de filtrage obtenu en combinant les premier et second étages de filtrage. En effet, l'ajout de cette masse permet de filtrer encore une partie des bruits et vibrations provenant du groupe électromoteur car la décroissance (pente de filtrage) de 24dB est liée au double étage de filtrage. Le fait d'ajouter une masse sur le support permet de baisser la fréquence propre de l'ensemble constitué du support et de la masse, ce qui permet d'obtenir une décroissance de 24dB plus tôt en fréquence. Dans une application à un véhicule automobile, la masse peut être le module d'alimentation électrique 80 du groupe électromoteur 33 ou bien un onduleur ou tout autre élément offrant une certaine masse. Dans le cas où la masse est un bloc de batterie, la masse ajoutée est de l'ordre de 60 kg, ce qui porte l'ensemble support et masse à 75 voir 80 kg. Dans un véhicule hybride, le groupe électromoteur est associé à un module d'alimentation électrique lui assurant l'alimentation électrique nécessaire. Ce module d'alimentation électrique 80 comporte un bloc de batterie d'accumulateur électrique et/ou une unité électronique de puissance, cette unité de puissance pouvant être solidaire du bloc de batterie ou déportée de ce dernier. Dans ce mode de réalisation de l'invention, le châssis tubulaire 28 définit une plateforme 90 apte à supporter le module d'alimentation électrique 80. Cette plateforme 90 est positionnée au-dessus du groupe électromoteur 33. Elle comporte au moins une tablette fixée solidairement aux éléments tubulaires 52 à 55 du châssis et affleurant la partie supérieure desdits éléments tubulaires de manière à présenter une surface d'accueil pour la base du module d'alimentation électrique 80. Comme on peut le voir sur la figure 4, le groupe électromoteur 33 est installé sous la plateforme 90 recevant le module d'alimentation électrique 80. Dans une variante, la plateforme 90 comporte trois tablettes : une première tablette reliant les éléments tubulaires 55 et droit 53 en longeant l'élément tubulaire 54 et des deuxième et troisième tablettes disposées dans les angles formés, respectivement, par les éléments tubulaires 55 et 52 et les éléments tubulaires 53 et 52. La longueur et la largeur de ces tablettes sont déterminées pour offrir une assise optimale au module d'alimentation électrique 80, dont la forme est généralement parallélépipédique avec une base rectangulaire. On a représenté, sur la figure 6, les courbes Cl et C2 de la figure 5 ainsi qu'une courbe d'atténuation C3 correspondant à l'atténuation obtenue avec le système de filtrage de l'invention lorsque le module d'alimentation électrique 80 est installé au-dessus du châssis. Cette courbe C3 montre qu'en ajoutant la masse du module d'alimentation électrique, sur le châssis, on obtient un gain supplémentaire en filtrage. En effet, dans ce cas, la deuxième fréquence propre f2' se trouve diminuée par rapport à la fréquence propre f2 ; le bénéfice de l'atténuation à 24dB/Octave apparaît donc plus bas en fréquence, ce qui décale la pente de filtrage vers le bas. Les efforts du groupe électromoteur sont atténués d'autant. Le module d'alimentation électrique 80 peut être installé selon des orientations différentes en fonction de la forme dudit module et de la forme du châssis afin que sa masse soit répartie le plus favorablement possible pour atténuer au mieux les bruits et vibrations du groupe électromoteur. Cette variante avec module d'alimentation électrique embarqué a l'avantage d'offrir, en outre, un ensemble particulièrement compact, ce qui répond aux critères de compacité recherchés par les constructeurs automobiles afin d'améliorer l'espace habitacle et l'espace coffre du véhicule. De plus, l'ensemble constitué du groupe électromoteur et du module d'alimentation électrique est modulaire ; il peut donc être monté rapidement sous la caisse et s'adapter facilement sous la caisse d'un véhicule non préalablement prévu pour supporter une machine électrique de traction destinée à entraîner les roues arrières du véhicule. REVENDICATIONS1 - Système de filtrage de bruits et de vibrations générés par une machine électrique (33) installée dans un cadre (10), caractérisé en ce que : - la machine électrique (33) est montée en suspension sur un support (28) par l'intermédiaire d'un premier ensemble d'attache (70) de façon à former un premier étage de filtrage des bruits et vibrations, et - le support (28) est monté en suspension sur le cadre (10) par l'intermédiaire d'un second ensemble d'attache (60) de façon à former un second étage de filtrage des bruits et vibrations, - le premier et le second étage de filtrage se combinant pour atténuer la transmission des bruits et vibrations de la machine électrique (33) vers le cadre (10). 2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une masse (80) positionnée sur le support (28) pour augmenter le gain d'atténuation des premier et second étages de filtrage combinés. 3 - Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la machine électrique est un groupe électromoteur de traction (33) d'un véhicule. 4 - Système selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la masse est constituée d'au moins un module d'alimentation électrique (80) du groupe électromoteur de traction. 5 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le support est un châssis de véhicule (28) et le cadre est une caisse de véhicule (10). 6 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second ensemble d'attache (60) comporte quatre fixations élastiques (29, 30, 31, 32).35 7 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier ensemble d'attache (70) comporte au moins trois liaisons élastiques (41, 42, 43). 8 - Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la combinaison des premier et second étages de filtrage assure une atténuation des bruits et vibrations de l'ordre de 24 dB/octave. 9 - Véhicule comportant au moins une caisse (10), un châssis (28), un groupe électromoteur de traction (33) et un module d'alimentation électrique (80) apte à alimenter le groupe électromoteur, caractérisé en ce qu'il comporte un système de filtrage des bruits et vibrations selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10 - Véhicule selon la revendication 9, caractérisé en ce que le châssis comporte une plateforme (90) positionnée au-dessus du groupe électromoteur (33) et apte à supporter le module d'alimentation électrique (80) du groupe électromoteur.20