Brevet FR3017157A1 — publié le 20150807

PROCEDE DE DIMENSIONNEMENT DE MACHINES HYDRAULIQUES COMPORTANT LA DEFINITION DE PLAGES DE NIVEAU ENERGETIQUE ELEVE DE L'ARBRE ET DU CARTER La présente invention concerne un procédé de dimensionnement d'une machine hydraulique, ainsi qu'une machine hydraulique dimensionnée avec ce procédé, et un véhicule hybride équipé d'une telle machine hydraulique. Un type de machine hydraulique à barillet connu, présenté notamment par le document US-A-5358388, comporte un arbre d'entrée motorisé qui entraîne en rotation un barillet disposant d'une succession de neuf cylindres parallèles régulièrement répartis autour de l'axe de cet arbre. Chaque cylindre reçoit un piston prenant appui axialement d'un côté sur un plateau inclinable qui est fixe en rotation, par l'intermédiaire d'un roulement formant une butée axiale. Un tour de rotation du barillet donne à chaque piston un mouvement suivant un cycle complet comprenant une course dépendant de l'angle d'inclinaison du plateau, qui est réglable par une commande d'inclinaison. La face arrière du barillet, opposée au plateau inclinable, est en appui sur une platine circulaire fixe fermant l'extrémité des cylindres, qui comporte des collecteurs basse et haute pression. Un problème qui se pose est que ce type de machine hydraulique génère des vibrations liées au nombre de piston et à la vitesse de rotation de l'arbre, qui sont transmises au carter extérieur de cette machine. On a notamment pour ces machines hydrauliques une flexion de son arbre entre les deux paliers d'extrémité, se produisant à la fréquence de fonctionnement des pistons, générant une vibration qui se transmet au carter. On peut alors obtenir des excitations des modes propres du carter qui se trouvant à l'extérieur, émet des bruits aériens. Ces machines hydrauliques généralement conçues pour des applications industrielles, peuvent être inadaptées pour une utilisation dans un véhicule automobile, en particulier pour la chaîne de traction de véhicules hybrides hydrauliques, où les contraintes de bruit sont importantes pour assurer le confort des passagers. De plus pour ce type de machine hydraulique les harmoniques d'ordre deux, trois et quatre de l'excitation des machines ont des niveaux énergétiques élevés, ce qui donne d'autant plus de chance d'accrocher un mode propre lors de balayages de plages de vitesse de rotation, qui sont nécessaires pour les fonctionnements des véhicules hybrides. Par ailleurs différents procédés connus permettent de réduire les niveaux d'excitation de ces machines hydrauliques, comprenant par exemple des formes d'ouverture particulières des collecteurs sur la platine circulaire fixe. Toutefois ces solutions augmentent les coûts des machines. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un procédé de dimensionnement de machines hydrauliques comportant un arbre tournant pour actionner des pistons, et un carter extérieur, caractérisé en ce qu'à partir du calcul du premier mode de flexion de l'arbre, il définit des coefficients de marge proportionnels à la fréquence de ce premier mode d'arbre, correspondant à des plages de niveau énergétique élevé de l'amplification modale de cet arbre, et des coefficients de marge proportionnels pour les premiers modes propres du carter, correspondant à des plages de niveau énergétique élevé de l'amplification modale de ces premiers modes propres, afin d'obtenir en évitant un recouvrement de ces plages, les fréquences possibles dans lesquels doivent préférentiellement se positionner les premiers modes propres du carter. Un avantage de ce procédé de dimensionnement est que de manière simple et efficace, avec des coefficients de marge adaptés, on obtient un guide de conception du carter donnant pour chacun de ses premiers modes propres, une zone énergétique entourant sa fréquence maximale qui est en majorité disjointe de la zone énergétique entourant le premier mode de l'arbre. On facilite la conception de machines hydrauliques ne comportant pas de risque de couplage de modes entre les modes propres de flexion de son arbre, et les modes propres du carter. Le procédé de dimensionnement selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. En particulier pour chaque mode propre, le procédé peut prendre une même valeur absolue de coefficient de marge proportionnel pour définir la plage de chaque côté du maximum d'amplification de ce mode. En particulier, les coefficients de marge proportionnels du carter peuvent être identiques à ceux de l'arbre. Avantageusement, les coefficients de marge proportionnels ont une valeur d'environ 25%. Avantageusement, le procédé de dimensionnement définit un coefficient de marge réduit par rapport au coefficient de marge proportionnel initial, permettant un rapprochement des premiers modes propres du carter par rapport à celui de l'arbre avec un croisement limité des plages de niveau énergétique élevé, ce procédé comportant une étape supplémentaire d'essais ou de mesures pour vérifier que ce coefficient de marge réduit ne donne pas de vibration et de bruit notoire dans l'application concernée. L'invention a aussi pour objet une machine hydraulique comportant un arbre tournant pour actionner des pistons, et un carter extérieur, cette machine étant dimensionnée avec un procédé comprenant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. L'invention a de plus pour objet un véhicule hybride hydraulique comportant une chaîne de traction équipée d'une machine hydraulique comprenant la caractéristique précédente. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux 30 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma présentant en fonction de la fréquence, deux zones énergétiques de l'arbre et du carter qui sont éloignées ; - la figure 2 est un schéma présentant les deux zones énergétiques qui sont aux limites l'une de l'autre ; et - la figure 3 est un schéma présentant les deux zones énergétiques qui sont en interférence. Pour le dimensionnement d'une machine hydraulique à pistons, on calcule généralement d'abord la cylindrée nécessaire en fonction du couple à fournir et de la pression du fluide, puis on établit le nombre de pistons, la section et la course de ces pistons, et le rayon d'implantation des pistons. Le nombre de pistons peut être ajusté en fonction de critères comprenant notamment le coût et la prestation acoustique. Pour cela, on choisit souvent sept ou neuf pistons. La longueur de l'arbre entre ses deux paliers d'extrémité résulte des différents choix faits précédemment. Suivant la rigidité de l'arbre, on obtient un mode principal de flexion de cet arbre entre ses deux paliers. De manière connue ces différents dimensionnement de l'arbre et de la partie hydraulique résultent généralement de règles de conception liées au fonctionnement de l'hydraulique, sans tenir compte de l'impact du mode propre de l'arbre sur le carter extérieur contenant la machine. On notera que le carter peut comporter un élément unique, ou plusieurs éléments fixés entre eux, le procédé de dimensionnement pour ce carter assemblé s'appliquant alors de la même manière. Il en résulte alors avec le balayage en fréquence imposé par une grande plage de vitesse de fonctionnement nécessaire pour une application dans une chaîne de traction de véhicule hybride, comportant des vitesses variables du moteur thermique et du véhicule, une excitation possible du mode propre de flexion de la ligne d'arbre qui est très énergétique. Le mode propre de l'arbre transmet alors une énergie au carter avec un 30 risque d'excitation de ses premiers modes propres. Ce phénomène appelé un couplage de modes entre les modes du carter et les modes de l'arbre, 301 7 1 5 7 5 donne alors des niveaux très énergétiques, et donc des intensités acoustiques et vibratoires importantes. De plus on constate pour l'arbre et pour le carter une zone énergétique relativement large autour de chaque mode, qui est généralement de l'ordre 5 de 25% de la valeur de ce mode. Le procédé de dimensionnement selon l'invention prend en compte le premier mode propre de flexion de la ligne d'arbre comme valeur de base, et des marges proportionnelles supérieure et inférieure pour définir les limites du niveau d'énergie élevé autour de ce premier mode de l'arbre, les niveaux 10 d'énergie élevés des premières modes propres du carter devant être positionnés au moins en grande partie à l'extérieur de ces limites. La figure 1 présente les amplifications modales en fonction de la fréquence F exprimée en Hertz. La ligne d'arbre comporte un mode propre de flexion Fa donnant une zone énergétique d'arbre 2 centrée autour de 15 cette fréquence, et le carter comporte un mode vibratoire propre Fc donnant aussi une zone énergétique de carter 4 centrée autour de cette fréquence. Le procédé prend en compte la fréquence du mode propre de la ligne d'arbre Fa, ainsi qu'un coefficient de marge proportionnel X%, -X% appliqué à la fois vers le haut et vers le bas à cette fréquence, qui dans cet exemple 20 comporte la même valeur absolue X% de chaque côté, pour obtenir respectivement une limite supérieure 6 et inférieure 8 de zone énergétique de l'arbre. De la même manière le procédé prend en compte les premiers modes propres du carter comportant une fréquence Fc, ainsi que le même 25 coefficient de marge Y% appliqué à la fois vers le haut et vers le bas à cette fréquence, pour obtenir respectivement une limite supérieure 10 et inférieure 12 de zone énergétique du carter. Dans cet exemple de la figure 1, on a un coefficient global entre un premier mode propre du carter Fc et le mode propre de l'arbre Fa comprenant une distance D entre eux, donnant un écart positif entre la limite supérieure 6 de zone énergétique de l'arbre et la limite inférieure 12 de zone énergétique du carter. On ne peut alors pas obtenir d'excitation du carter. La conception de ce carter est sécurisée en respectant cette règle de dimensionnement. En pratique, des coefficients de marge X et Y de +/-25% correspondent généralement à la limite de zone énergétique, à la fois pour la ligne d'arbre et pour le carter. La figure 2 présente une distance Dmin entre le mode propre de l'arbre Fa et un premier mode propre du carter Fc, qui donne une coïncidence entre la limite supérieure 6 de zone énergétique de l'arbre 2 et la limite inférieure 12 de zone énergétique du carter 4. On a alors dans ce cas l'équation suivante avec X et Y = 25% : 1.25 x Fa = 0.75 x Fc. Ce qui donne Fc = 1.67 Fa, soit un coefficient global de 1.67 qui intervient en multiplicateur entre le mode propre du carter Fc et le mode propre de l'arbre Fa. De la même manière pour un mode propre du carter Fc présentant une fréquence plus petite que celle de l'arbre Fa, non représenté sur la figure, et avec une coïncidence entre la limite supérieure 10 de zone énergétique du carter 4 et la limite inférieure 8 de zone énergétique de l'arbre 2, on a alors dans ce cas l'équation suivante avec X et Y = 25% : 0.75 x Fa = 1.25 x Fc. Ce qui donne Fa = 1,67 Fc, soit le même coefficient global de 1.67 qui intervient en multiplicateur entre le mode propre de l'arbre Fa et le mode propre du carter Fc. En respectant la distance minimum Dmin correspondant au coefficient global, on évite tout risque d'amplification d'un des premiers modes propres du carter. En variante on peut avoir des coefficients de marge X et Y différents pour l'arbre et le carter. On peut aussi avoir pour un même composant, suivant ses courbes énergétiques propres, des coefficients de marge positif et négatif qui sont différents. La figure 3 présente une distance D entre le mode propre de l'arbre Fa et un premier mode propre du carter Fc, qui est inférieure à la distance Dmin, la limite inférieure 12 de zone énergétique du carter 4 étant en dessous de la limite supérieure 6 de zone énergétique de l'arbre 2. On a alors un risque d'émission sonore par le carter dans le cas de fonctionnement de l'arbre dans sa zone énergétique. Toutefois si les coefficients de marge X, Y de 25% assure la sécurité dans tous les cas, quand il donne une distance minimum Dm qui n'est pas tenable lors de la conception du carter, on peut alors utiliser un coefficient de marge réduit, en prenant notamment une valeur de 15%. Il faut alors ensuite faire des essais et des mesures pour vérifier que ce coefficient de marge réduit ne donne pas de vibration et de bruit notoires dans l'application concernée. On obtient ainsi de manière simple et efficace, un procédé qui permet d'assurer les résultats des performances acoustiques d'une machine hydraulique, en particulier pour des applications sur les chaînes de traction d'un véhicule hybride. D'une manière générale ce procédé est applicable pour dimensionner tous types de machines hydrauliques, utilisées notamment sur des autobus, des camions, des engins de levages, des véhicules de travaux publics ou agricoles, des avions ou des bateaux.20 REVENDICATIONS1 - Procédé de dimensionnement de machines hydrauliques comportant un arbre tournant pour actionner des pistons, et un carter extérieur, caractérisé en ce qu'à partir du calcul du premier mode de flexion de l'arbre (Fa), il définit des coefficients de marge (X%, -X%) proportionnels à la fréquence de ce premier mode d'arbre (Fa), correspondant à des plages de niveau énergétique élevé de l'amplification modale de cet arbre, et des coefficients de marge (Y%, -Y%) proportionnels pour les premiers modes propres du carter (Fc), correspondant à des plages de niveau énergétique élevé de l'amplification modale de ces premiers modes propres, puis il redimensionne le carter de la machine en évitant un recouvrement de ces plages qui donne des fréquences dans lesquels doivent préférentiellement se positionner les premiers modes propres de ce carter redimensionné (Fc). 2 - Procédé de dimensionnement de selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour chaque mode propre (Fa, Fc), il prend une même valeur absolue de coefficient de marge proportionnel (X, Y) pour définir la plage de chaque côté du maximum d'amplification de ce mode. 3 - Procédé de dimensionnement selon la revendication 1 ou 2, 20 caractérisé en ce que les coefficients de marge proportionnels du carter (Y%, +Y%) sont identiques à ceux de l'arbre (-X%, +X%). 4 - Procédé de dimensionnement selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les coefficients de marge proportionnels ont une valeur d'environ 25%. 25 5 - Procédé de dimensionnement selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il définit un coefficient de marge réduit par rapport au coefficient de marge proportionnel initial (X%, Y%), permettant un rapprochement des premiers modes propres du carter (Fc) par rapport à celui de l'arbre (Fa) avec un croisement limité des 30 plages de niveau énergétique élevé, et en ce qu'il comporte une étape supplémentaire d'essais ou de mesures pour vérifier que ce coefficient demarge réduit ne donne pas de vibration et de bruit notoire dans l'application concernée. 6 - Machine hydraulique comportant un arbre tournant pour actionner des pistons, et un carter extérieur, caractérisée en ce qu'elle est 5 dimensionnée avec un procédé réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7 - Véhicule hybride hydraulique comportant une chaîne de traction équipée d'une machine hydraulique, caractérisé en ce que cette machine est réalisée selon la revendication 6. 10