Brevet FR3023339A1 — publié le 20160108

DISPOSITIF D'AMORTISSEMENT DE VIBRATIONS AFFRANCHI DES EFFETS DE LA GRAVITÉ, POUR UN VÉHICULE L'invention concerne les véhicules ayant une structure subissant des vibrations, et plus précisément les dispositifs d'amortissement de vibration qui équipent de tels véhicules. Certains véhicules, comme par exemple ceux de type automobile, subissent, lorsqu'ils se déplacent, des vibrations qui peuvent provenir d'excitations du groupe motopropulseur (ou GMP) et/ou des défauts de la voie de circulation empruntée. Ces vibrations sont d'autant plus facilement transmises aux passagers, via la structure (ou caisse) du véhicule, lorsque cette structure présente des faiblesses de rigidité intrinsèques à son architecture, qui induisent notamment des torsions. C'est par exemple le cas des véhicules dits découvrables (comme par exemple les cabriolets) et de certains véhicules dits volumiques et comportant un anneau arrière. Ces faiblesses de rigidité induisent une augmentation de l'amplitude des vibrations en différents points du véhicule. Ainsi, la trépidation (correspondant à des vibrations aléatoires d'une route bosselée dans une plage allant de 5 à 40 Hz) peut facilement induire des déplacements maximaux de 1 mm du rétroviseur intérieur ou du volant. Lorsque la structure du véhicule n'est pas en mesure de pallier suffisamment les vibrations, on est contraint de lui adjoindre des dispositifs limitant les vibrations, comme par exemple des tirants (amortis ou non) ou bien des batteurs dynamiques linéaires dits « de Frahm » (ou « Tuned Mass Damper » (TMD)). Ces derniers dispositifs comportent généralement une masse et un élastomère travaillant en cisaillement en assurant l'élasticité et l'amortissement en liaison avec la structure (généralement un longeron, là où les déplacements sont généralement les plus importants) Ils permettent de diminuer la contribution du premier mode de torsion de la caisse, mais, dans le même temps, induisent une augmentation importante du poids du véhicule (typiquement 15 kg) et donc une augmentation de la consommation d'énergie. Une première mise en oeuvre d'un batteur dynamique non linéaire a déjà été proposée, notamment dans le document brevet FR 2951794. Elle comprend un balancier et des raideurs non linéaires réalisées par des ressorts en spirale. Hélas, elle s'avère encombrante et onéreuse du fait du nombre de pièces mobiles qu'elle comporte. L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation. Elle propose à cet effet un dispositif, dédié à l'amortissement de vibrations subies par une partie d'une structure d'un véhicule, et comprenant des moyens d'absorption présentant une raideur non linéaire suivant une première direction associée à un mode de vibration non linéaire appartenant à une bande de fréquences comprenant au moins une fréquence centrale des vibrations de cette partie de la structure, et propres à absorber une partie au moins de ces vibrations par résonance non linéaire avec ce mode de vibration. Ainsi, le pompage énergétique des vibrations peut se faire à la fois en régime stationnaire et transitoire du fait que la capture des vibrations se fait à l'intérieur d'une bande fréquentielle relativement large qui inclut leurs principales fréquences (et en particulier leur fréquence centrale). Le dispositif d'amortissement selon l'invention peut comporter 20 d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - ses moyens d'absorption peuvent comprendre, d'une part, une pièce en élastomère comprenant un premier logement interne sensiblement sphérique et propre à être solidarisée à la partie de la structure dans une 25 position d'équilibre en l'absence des vibrations, et, d'autre part, une coque sensiblement sphérique, logée étroitement dans le premier logement interne et comprenant un second logement interne sensiblement sphérique contenant une bille sensiblement sphérique et découplée en rotation de la pièce en élastomère ; 30 - le second logement interne peut contenir un liquide propre à assurer le découplage en rotation ; - le second logement interne peut contenir une quantité de liquide propre à entourer une partie au moins de la bille sur une épaisseur inférieure à 1 mm ; - la pièce en élastomère peut comprendre une partie principale présentant une forme ayant une dissymétrie suivant une première direction de manière à équilibrer le poids de la bille tout en induisant une raideur non linéaire autour d'un point d'équilibre statique, et comprenant une partie centrale dans laquelle est défini le second logement interne ; - la première direction peut être la direction verticale ; - la pièce en élastomère peut également comprendre deux bras sensiblement alignés suivant une même seconde direction de part et d'autre de la partie principale, et munis respectivement de parties terminales propres à être couplées à la partie de la structure ; - il peut comprendre des moyens de fixation propres à être solidarisés fixement aux parties terminales des deux bras et à la partie de la structure dans une position dans laquelle la seconde direction est parallèle à une direction longitudinale de la partie de la structure. L'invention propose également un véhicule comprenant une structure subissant des vibrations et un dispositif d'amortissement du type de celui présenté ci-avant et solidarisé à une partie de la structure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 illustre schématiquement, dans une vue en coupe dans un plan XZ, un exemple de réalisation d'un dispositif d'amortissement selon l'invention solidarisé à une partie d'une structure d'un véhicule, et la figure 2 illustre schématiquement, dans une vue en perspective, une partie du dispositif d'amortissement de la figure 1. L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif destiné à amortir des vibrations subies par une partie PS d'une structure d'un véhicule et présentant des fréquences dont au moins une fréquence centrale FC. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que le véhicule est de type automobile. Il s'agit par exemple d'une voiture cabriolet. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de véhicule. Elle concerne en effet tout type de véhicule ayant une structure qui subit des vibrations présentant au moins une fréquence centrale. Ainsi, elle concerne également les véhicules monospaces présentant un mode d'anneau arrière émergent. Sur les figures, la direction X est la direction longitudinale du véhicule, laquelle est sensiblement parallèle aux côtés latéraux comportant les portières latérales, la direction Y est la direction transversale du véhicule, laquelle est perpendiculaire à la direction X, et la direction Z est la direction verticale du véhicule, laquelle est perpendiculaire aux directions longitudinale X et io transversale Y. On a schématiquement représenté sur la figure 1 un exemple non limitatif de dispositif d'amortissement D selon l'invention, solidarisé à une partie PS d'une structure (ou caisse) d'un véhicule. Dans ce qui suit, on considère, à titre d'exemple non limitatif, que la 15 partie PS de la structure est un petit longeron dont le grand côté (longitudinal) est sensiblement parallèle à la direction longitudinale X. Comme illustré sur la figure 1, un dispositif d'amortissement D, selon l'invention, comprend au moins des moyens d'absorption MA. Ces derniers (MA) présentent une raideur non linéaire suivant une première direction dl 20 associée à un mode de vibration non linéaire appartenant à une bande de fréquences comprenant au moins la fréquence centrale FC des vibrations de la partie PS de la structure, et sont propres à absorber une partie au moins de ces vibrations par résonance non linéaire avec ce mode de vibration. On comprendra que le fait de faire travailler le dispositif 25 d'amortissement D sur le seul mode de vibration non linéaire permet d'assurer le pompage énergétique des vibrations subies par la partie PS de la structure. Ce pompage énergétique des vibrations peut donc se faire à la fois en régime stationnaire et transitoire du fait que la capture des vibrations se fait à l'intérieur d'une bande fréquentielle relativement large qui inclut leurs 30 principales fréquences (et en particulier leur fréquence centrale FC). Par exemple, et comme illustré non limitativement sur la figure 1, les moyens d'absorption MA peuvent comprendre une pièce en élastomère PE et une coque CS. La pièce en élastomère PE comprend un premier logement interne L1 sensiblement sphérique et est propre à être solidarisée à la partie PS de la structure dans une position d'équilibre en l'absence des vibrations. La coque CS est sensiblement sphérique, logée étroitement dans le premier logement interne L1 et comprend un second logement interne L2 sensiblement sphérique et contenant une bille BI sensiblement sphérique et découplée en rotation de la pièce en élastomère PE. Ce découplage en rotation est destiné à éviter d'exciter les modes de rotation de la bille BI. Ainsi, la pièce en élastomère PE travaille en traction et non pas en cisaillement. La coque CS peut, par exemple, être réalisée en plastique rigide. Par ailleurs, elle peut, par exemple, être solidarisée à la pièce en élastomère PE (dans son premier logement interne L1) par adhésion de contact ou bien par collage. Par exemple, la bille BI peut être réalisée en métal. Sa masse varie en fonction de l'intensité des vibrations qui doivent être amorties. Par exemple, sa masse peut être comprise entre environ 0,5 kg et environ 2 kg. De préférence, le second logement interne L2 contient un liquide qui est propre à assurer le découplage en rotation. On notera que ce liquide peut, par exemple, être injecté par un orifice prévu à cet effet dans la coque CS. Ce liquide peut, par exemple, être du glycol ou de l'éthanol ou encore de l'huile, l'important étant qu'il reste fluide dans des conditions climatiques froides. Le type du liquide dépend de la viscosité recherchée. On évitera une viscosité importante afin que la bille BI ne soit pas entraînée en rotation. L'espace entre la bille BI et la coque CS étant mince, un début de mouvement relatif entre la coque CS et la bille BI se traduit immédiatement par la création d'un film liquide sous la bille BI et donc d'une portance. L'interface devient donc glissante et l'entrainement de la bille BI par la pièce en élastomère PE cesse. Par exemple, la quantité de liquide, contenue dans le second logement interne L2, est propre à entourer une partie au moins de la bille BI (et en particulier sa partie située dans la partie inférieure du second logement interne L2) sur une épaisseur qui est de préférence inférieure à 1 mm. Par exemple, cette épaisseur peut être égale à environ 0,1 mm. On notera que cette épaisseur dépend de la viscosité du liquide utilisé. L'inertie de la bille BI étant élevée, la transmission de la quantité de mouvement à travers le contact coque CS / liquide / bille BI est maitrisé par la viscosité du liquide et l'établissement d'un film de liquide limitant les efforts de contact frottant et donc empêchant la transmission d'un couple de la bille BI vers la pièce en élastomère PE. Seule l'inertie en translation de la bille BI joue un rôle. Comme la bille BI constitue la masse majoritaire dans le dispositif d'amortissement D, les modes de torsion de ce dernier (D) sont négligeables l a en amplitude. On notera que la présence d'un liquide n'est pas une nécessité. On peut en effet envisager que le découplage en rotation résulte de traitements de surface destinés à rendre extrêmement lisses la face interne de la coque CS et la face externe de la bille BI. Dans ce cas, il faut cependant que les 15 fréquences des modes propres de torsion du dispositif d'amortissement D (ici rotation de la bille BI autour de l'axe vertical Z) soient positionnés à des fréquences qui sont plus élevées que la plage de fonctionnement ciblée du dispositif d'amortissement D. Par exemple, et comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 20 2, la pièce en élastomère PE peut comprendre une partie principale PP présentant une forme ayant une dissymétrie suivant la première direction dl de manière à équilibrer le poids de la bille BI tout en induisant une raideur non linéaire autour d'un point d'équilibre statique. Cette partie principale PP comprend une partie centrale PC dans laquelle est défini le second logement 25 interne L2. La forme de la partie principale PP est choisie de manière à compenser le poids propre du dispositif d'amortissement D et en particulier de sa bille BI, et donc permet de maîtriser la raideur dans le plan XY tout en assurant une raideur normale non linéaire bien maitrisée suivant la première 30 direction d1, sous gravité, pour éviter les translations suivant X ou Y grâce à un calage des modes transverses suffisamment haut en fréquence. Par exemple, la partie principale PP peut présenter une forme de discoïde axisymétrique suivant la direction verticale Z. Dans l'exemple non limitatif illustré sur les figures 1 et 2, la première direction dl est la direction verticale Z, car le dispositif d'amortissement D est ici destiné à amortir des mouvements vibratoires verticaux parallèles au vecteur poids de la bille BI. Mais on peut imaginer que le dispositif d'amortissement D soit destiné à amortir des mouvements vibratoires perpendiculaires au vecteur poids de la bille BI c'est-à-dire contenus dans le plan XY. Dans ce cas, la dissymétrie de la forme de la partie principale PP est dans le plan XY pour amortir des mouvements vibratoires suivant la direction longitudinale X ou suivant la direction transversale Y. Egalement comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, la pièce en élastomère PE peut également comprendre deux bras BR sensiblement alignés suivant une même seconde direction d2, de part et d'autre de la partie principale PP. Ces deux bras BR sont alors munis respectivement de parties terminales PT qui sont propres à être couplées à la partie PS de la structure. On notera que les deux bras BR et la partie principale PP peuvent être des sous-parties d'une pièce en élastomère PE monobloc, dont la dissymétrie peut être obtenue par extrusion. Mais cela n'est pas obligatoire. En effet, les deux bras BR peuvent être des éléments qui sont rapportés sur la partie principale PP, par exemple au moyen d'un cerclage, ou par collage, ou encore par simple adhésion. A titre d'exemple de réalisation, la coque CS avec sa bille BI, peut être placée dans un moule de la pièce en élastomère PE, de sorte que cette dernière (PE) soit moulée étroitement sur elle. En variante, la pièce en élastomère PE peut être réalisée en deux parties qui sont solidarisées fixement l'une à l'autre après interposition de la coque CS avec sa bille BI. Par exemple, et comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, le dispositif d'amortissement D peut comprendre des moyens de fixation MF qui sont propres à être solidarisés fixement aux parties terminales PT des deux bras BR et à la partie PS de la structure dans une position dans laquelle la seconde direction d2 est parallèle à la direction longitudinale X de la partie PS de la structure. Par exemple, les moyens de fixation MF peuvent comprendre deux tiges munies chacune d'une extrémité inférieure solidarisée fixement à une partie terminale PT de l'un des bras BR, par exemple par surmoulage, et d'une extrémité supérieure destinée à traverser une paroi de la partie PS de la structure et munie d'un filetage permettant son couplage (par vissage) à un écrou. On notera que les moyens de fixation MF peuvent présenter de nombreuses formes. Ainsi, et comme illustré non limitativement sur la figure 1, ils peuvent comprendre deux tiges indépendantes l'une de l'autre et sensiblement parallèles entre elles (suivant la direction verticale Z), ou bien deux tiges sensiblement parallèles entre elles (suivant la direction verticale Z) et solidarisées fixement à une barre destinée à être placée dans le plan XY (ici suivant la direction longitudinale X). En variante, ils peuvent comprendre deux éléments en forme de U, solidarisés fixement et respectivement aux parties terminales PT des bras BR, par exemple par surmoulage, et destinés à être placés dans le plan XY, et deux platines auxquelles sont respectivement solidarisées par vissage les deux éléments et elles-mêmes solidarisées fixement à la partie PS de la structure, par exemple par vissage ou soudage. L'invention offre plusieurs avantages, parmi lesquels : une insensibilité à l'effet de la gravité, un nombre très réduit de pièces mobiles, une réalisation simple et facilement maitrisable, une insensibilité à l'environnement, une grande fiabilité du fait de la quasi impossibilité de dérèglement en cas de maîtrise des jeux, une absence d'entretien et une importante robustesse, une possibilité d'implantation sur des structures de véhicule existantes, du fait d'un encombrement inférieur ou égal à celui offert par un dispositif de l'art antérieur, - un gain de masse par rapport à la masse d'un dispositif de l'art antérieur. REVENDICATIONS1. Dispositif (D) d'amortissement de vibrations pour une partie (PS) d'une structure d'un véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'absorption (MA) présentant une raideur non linéaire suivant une première direction associée à un mode de vibration non linéaire appartenant à une bande de fréquences comprenant au moins une fréquence centrale des vibrations de ladite partie (PS), et propres à absorber une partie au moins de ces vibrations par résonance non linéaire avec ledit mode de vibration. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'absorption (MA) comprennent i) une pièce en élastomère (PE) comprenant un premier logement interne (L1) sensiblement sphérique et propre à être solidarisée à ladite partie (PS) de la structure dans une position d'équilibre en l'absence desdites vibrations, et ii) une coque (CS) sensiblement sphérique, logée étroitement dans ledit premier logement interne (L1) et comprenant un second logement interne (L2) sensiblement sphérique contenant une bille (BI) sensiblement sphérique et découplée en rotation de ladite pièce en élastomère (PE). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit second logement interne (L2) contient un liquide propre à assurer ledit découplage en rotation. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit second logement interne (L2) contient une quantité de liquide propre à entourer une partie au moins de ladite bille (BI) sur une épaisseur inférieure à 1 mm. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite pièce en élastomère (PE) comprend une partie principale (PP) présentant une forme ayant une dissymétrie suivant ladite première direction de manière à équilibrer le poids de ladite bille (BI) tout en induisant une raideur non linéaire autour d'un point d'équilibre statique, et comprenant une partie centrale (PC) dans laquelle est défini ledit second logement interne (L2). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite première direction est une direction verticale. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que ladite pièce en élastomère (PE) comprend également deux bras (BR) sensiblement alignés suivant une même seconde direction de part et d'autre de ladite partie principale (PP), et munis respectivement de parties terminales (PT) propres à être couplées à ladite partie (PS) de la structure. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de fixation (MF) propres à être solidarisés fixement auxdites parties terminales (PT) des deux bras (BR) et à ladite partie (PS) de la structure dans une position dans laquelle ladite seconde direction est parallèle à une direction longitudinale de ladite partie (PS) de la structure. 9. Véhicule comprenant une structure subissant des vibrations, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif d'amortissement (D) selon l'une des revendications précédentes, solidarisé à une partie (PS) de ladite structure. 10. Véhicule selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est de type automobile.