Brevet FR3081954A1 — publié le 20191206

DISPOSITIF DE PIEGE VIBRATOIRE DE TORSION [0001] La présente invention concerne le domaine des pièges à bruits et vibrations, notamment les dispositifs permettant de réduire bruits et vibrations lorsqu'ils sont considérés comme des nuisances. [0002] Plus particulièrement, l'invention porte sur un dispositif permettant de piéger des vibrations de torsion au sein de systèmes en rotation à l'aide de plusieurs résonateurs. Dans une application particulière non limitative, ces vibrations de torsion peuvent se produire par exemple dans les chaînes cinématiques de traction d'un véhicule automobile utilisant, par exemple, un moteur thermique à pistons, le dispositif de piégeage selon l'invention permettant plus particulièrement de réduire les vibrations au niveau d'un volant d'inertie placé vers la sortie d'un moteur thermique du véhicule automobile et un système de transmission, par exemple un embrayage ou une boîte de vitesses. [0003] La catégorie des dispositifs de piège vibratoire selon l'invention se limite préférentiellement à des dispositifs dits passifs, étant entendu que ces dispositifs passifs n'embarquent pas ou ne nécessitent pas en supplément un système de contrôle, de rétroaction ou de régulation électrique. [0004] Un grand nombre de dispositifs de piège vibratoire passifs existent pour faire office de pièges à vibrations qui sont localisés à un endroit d'une structure à traiter avec avantageusement une interface de couplage entre la structure à traiter et le dispositif de piège vibratoire de faible étendue comparée à l'étendue totale de la structure. [0005] Ces dispositifs de piège vibratoire sont fréquemment appelés batteurs, étouffeurs, ou encore résonateurs de Helmholtz dans le domaine acoustique. Ils sont aussi connus sous l'appellation anglo-saxonne 2 de « tuned mass damper » en étant aussi dénommés TMD. Ils se réduisent généralement, fonctionnellement, au premier ordre, à un système masseressort-amortisseur, que l'on vient positionner et accorder au mieux possible sur la structure vibrante qui est à traiter. 5 [0006] De tels dispositifs de piège vibratoire du type batteur sont connus et utilisés depuis fort longtemps. Un exemple parmi beaucoup d'autres, utilisant ce principe classique et proposant des intégrations et des moyens de réalisation particulièrement adaptés au problème des injecteurs haute pression est illustré par le document W02008/003879. La majeure partie des dispositifs 10 de piège vibratoire connus dans l'art antérieur peut avoir les inconvénients suivants. Le premier désavantage est que ces dispositifs comprennent généralement un ou éventuellement deux résonateurs qui ont des fréquences dites d'accord qui sont fixées une fois pour toutes ou difficilement changeables sans faire appel à un système de contrôle dit actif. Cela limite leur efficacité au 15 voisinage d'une fréquence bien déterminée et donc limitative. Il en résulte par exemple un manque voire une absence d'efficacité lorsque les conditions de fonctionnement de la structure à piéger évoluent de par le fonctionnement, ou lorsque les propriétés du piège dérivent de par les aléas de production en série, par rapport à celles prises en compte pour le dimensionnement nominal 20 du piège. [0007] Un deuxième désavantage est que ces dispositifs doivent nécessairement intégrer, en pratique, en plus d'une fonction de flexibilité, une capacité d'amortissement vibratoire assez significative afin de dissiper les vibrations qui ont été piégées en leur sein. Généralement cette fonction est 25 assurée par l'emploi plus ou moins important d'une matière organique présentant un facteur d'amortissement important, comme par exemple les élastomères. [0008] Or ces matières qui ont des tenues et durées de vie limitées dans le temps ne peuvent de surcroît pas toujours être employées du 30 fait de conditions défavorables régnant dans l'environnement de la structure à 3 piéger, par exemple une pression ou une température trop élevée. De plus, les élastomères ont des caractéristiques variant avec la température et les précontraintes, etc., ce qui peut être en pratique très handicapant pour la mise au point des dispositifs de piège vibratoire. Enfin, ces matières susceptibles 5 d'endommagement précoce sont souvent utilisées comme des structures porteuses d'autres constituants du piège, auquel cas leur rupture peut provoquer des dommages importants. [0009] Un troisième désavantage est que ces dispositifs de piège vibratoire qu'on ajoute à la structure à traiter représentent enfin 10 nécessairement une masse non négligeable, souvent de l'ordre de 10% ou plus de la masse de la structure à traiter, si l'on souhaite avoir une bonne efficacité. Or, dans un contexte dans lequel l'allégement des véhicules reste une priorité dans leur conception, ceci représente un inconvénient important. [0010] Enfin, en tant que quatrième désavantage notoire, ces 15 dispositifs de piège vibratoire ont une efficacité parfois discutable car s'ils permettent d'éliminer ou réduire une résonance nuisible ils produisent d'autres résonances secondaires, ou résonances parasites, qui sont très souvent dommageables au final et limitent le potentiel de ces dispositifs. [0011] Il existe aussi des pièges vibratoires à plusieurs 20 résonateurs aussi connus sous l'abréviation anglaise de MTMD signifiant batteurs à plusieurs masses accordées. De tels pièges vibratoires se distinguent des pièges vibratoires à une masse accordée par le fait qu'ils utilisent plusieurs résonateurs vibratoires ou oscillateurs élémentaires pour fonctionner comme pièges à vibrations. Cela a entre autres potentialités 25 positives l'extension de la gamme de fréquences pour lesquelles le piège peut être efficace. [0012] Un point important est que, pour bien fonctionner, le piège vibratoire à multiples masses accordées ne doit pas juste être une juxtaposition de pièges vibratoires à une unique masse pris isolément. Il est nécessaire de 30 précisément régler les couplages vibratoires entre les résonateurs 4 élémentaires du système à multiples masses, le but étant que leurs effets se cumulent de manière optimale. En termes d'architecture organique, les pièges vibratoires à plusieurs résonateurs peuvent par exemple prendre l'aspect de structures à forme de peignes ou encore d'étoiles. 5 [0013] Le document FR3035939 décrit un dispositif de piève vibratoire destiné à venir se fixer sur une structure tournante sujette à des vibrations. Le dispositif comprend plusieurs résonateurs vibratoires pour le piégeage des vibrations. Chaque résonateur est longiforme avec une extrémité reliée à la structure tournante. Selon ce document, le dispositif présente au 10 moins partiellement une forme d'étoile avec chaque résonateur formant une branche de l'étoile, la distribution spatiale des masses des résonateurs du dispositif satisfaisant l'équilibrage inertiel relativement à l'axe de rotation. Même si ce dispositif résout un certain nombre d'inconvénient précités, l'efficacité en termes d'amortissement des vibrations peut être améliorée. Il 15 faut en effet toujours, même si cela est dans une moindre mesure, apporter un peu d'amortissement au piège pour qu'il fonctionne de façon optimale. [0014] Par conséquent, le problème à la base de l'invention est de concevoir un dispositif de piège vibratoire pouvant fonctionner notamment mais pas exclusivement dans des conditions se rapprochant de conditions 20 stationnaires pour une baisse significative du niveau vibratoire sur une structure sujette à une excitation entretenue au cours du temps occasionnant des vibrations. [0015] Pour cela un premier aspect de l'invention concerne un dispositif de piège vibratoire destiné à venir se fixer sur une structure tournante 25 sujette à des vibrations, le dispositif étant monté sur un axe de rotation destiné à être celui de la structure tournante et comprenant plusieurs résonateurs vibratoires pour le piégeage des vibrations, les résonateurs vibratoires étant voisins spatialement les uns des autres en étant liés à la structure tournante directement, ou indirectement par un support commun, chaque résonateur étant de forme allongée avec une extrémité reliée au support ou à la structure 5 tournante, chaque résonateur générant des fréquences et des modes propres de vibration, chaque résonateur étant réalisé en un matériau métallique, le dispositif présentant au moins partiellement une forme d'étoile avec chaque résonateur formant une branche de l'étoile, la distribution spatiale des masses 5 du dispositif satisfaisant l'équilibrage inertiel relativement à l'axe de rotation caractérisé en ce que chaque résonateur d'au moins une partie de tous les résonateurs est formé par au moins deux éléments allongés et comprend des moyens de maintien en contact desdits au moins deux éléments allongés sur au moins une portion de leur longueur. Fabriquer au moins une partie des 10 résonateurs avec deux éléments allongés maintenus en contact permet de mieux calibrer le piégeage des vibrations, en choisissant des dimensions relatives ou des matières particulières. [0016] Avantageusement, les moyens de maintien exercent une contrainte, notamment une pression de contact, sur lesdits au moins deux 15 éléments allongés de sorte que le mouvement relatif d'un élément allongés par rapport à l'autre génère une friction au niveau d'une surface de contact entre lesdits au moins deux éléments allongés. Le frottement entre les éléments allongés provoque une dissipation de l'énergie vibratoire, ce qui permet d'atténuer efficacement les vibrations. 20 [0017] Avantageusement, les moyens de maintien comprennent une pluralité de zones de fixation ou de placage répartie sur la longueur desdits au moins deux éléments allongés. [0018] Avantageusement, les au moins deux éléments allongés sont aimantés et les moyens de maintien consistent en la force magnétique 25 générées par lesdits au moins deux éléments allongés. [0019] Avantageusement, les moyens de maintien comprennent un assemblage par rivetage et/ou vissage et/ou collage. [0020] Avantageusement, chaque élément allongé est formé par l'assemblage d'au moins deux portions allongées selon l'axe longitudinal de 30 l'élément. 6 [0021] Avantageusement, chaque portion allongée a des caractéristiques mécaniques et/ou géométriques différentes. [0022] Avantageusement, chaque élément allongé a des caractéristiques mécaniques et/ou géométriques différentes 5 [0023] Un deuxième aspect de l'invention concerne une chaîne de traction de véhicule comprenant un dispositif de piège vibratoire selon l'invention. [0024] Un dernier aspect de l'invention concerne un véhicule équipé de la chaine de traction de véhicule selon l'invention. 10 [0025] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, dans lesquels : [0026] la figure 1 représente une vue schématique un dispositif 15 de piège vibratoire avec plusieurs résonateurs selon l'invention. [0027] la figure 2 représente une vue schématique de détails d'un résonateur selon l'invention, [0028] la figure 3 représente une vue schématique de détails d'un élément allongé formant un résonateur selon l'invention. 20 [0029] La présente invention concerne un dispositif de piège vibratoire, aussi appelé batteur, comportant de multiples résonateurs selon une architecture distribuée permettant de piéger au mieux, sur une structure ou un système tournant sujet aux vibrations, tout ou une partie des vibrations qu'on juge néfastes. Elle se caractérise notamment par un agencement 25 particulier des résonateurs vibratoires sur le dispositif, ces résonateurs pouvant avoir des caractéristiques mécaniques, par exemple sans être limitatif des dimensions, des matériaux constitutifs, un agencement ou une forme tels que le dispositif de piège vibratoire puisse réaliser un absorbeur efficace et robuste pour les vibrations néfastes. 7 [0030] La présente invention s'applique préférentiellement à la réduction des vibrations de torsion sur des structures en rotation, par exemple en rotation autour d'un axe déterminé. De tels dispositifs de piège vibratoire trouvent une application particulière pour des véhicules automobiles, plus 5 particulièrement à proximité de l'interface du moteur et de la transmission dans ces véhicules et spécialement à proximité d'un ou dans un volant d'inertie associé à un moteur à piston, ou d'une chaîne de traction sujette à des vibrations acycliques. [0031] Les conditions d'utilisation du dispositif selon la présente 10 invention sont entre autres celles pour lesquelles la structure tournante est soumise à une excitation entretenue, par exemple, dans le cas de véhicules automobiles, par le fonctionnement acyclique du moteur équipant ces véhicules. [0032] Un tel dispositif est décrit notamment dans le document 15 FR3035939. L'invention constitue notamment une amélioration de ce dispositif. [0033] En se référant aux figures 1 à 3 pour les diverses caractéristiques du dispositif de piège vibratoire, le dispositif 1, destiné à venir se fixer sur une structure tournante sujette à des vibrations, est monté sur un 20 axe 2 de rotation destiné à être celui de la structure tournante et comprend plusieurs résonateurs 3 vibratoires pour le piégeage des vibrations. [0034] Le dispositif 1 de piège à vibrations est positionné à un endroit de la structure tournante dite à traiter, cette structure tournante pouvant avoir une géométrie et un comportement complexe, ainsi qu'être comprise 25 dans un système couplé également complexe. Les résonateurs 3 vibratoires sont voisins spatialement les uns des autres en étant liés rigidement ou quasi-rigidement à la structure tournante directement. En alternative, les résonateurs 3 peuvent être liés rigidement par un support 4 commun intermédiaire, visible à la figure 1, donc indirectement liées à la structure tournante. 8 [0035] Chaque résonateur 3 est longiforme avec une extrémité reliée au support 4 commun ou à la structure tournante. Dans le cas d'une utilisation d'un support 4, ce support 4 commun peut être un organe tel qu'un arbre de rotation, bien plus rigide que les résonateurs 3, voire indéformable. 5 [0036] Chaque résonateur 3 présente des fréquences et des modes propres de vibration. Il peut être modélisé au premier ordre par un système masse-ressort amorti équivalent, présentant un degré de liberté. Les fréquences et modes propres de vibration de chaque résonateur sont définis dans la situation où ce dernier est fixé à la structure tournante ou au support 4 10 commun. [0037] Chaque résonateur 3 est réalisé en un matériau métallique, le dispositif 1 présentant au moins partiellement une forme d'étoile avec chaque résonateur 3 formant une branche de l'étoile, avec une extrémité libre plus éloignée de l'axe 2 de rotation que l'extrémité fixée, la distribution 15 spatiale des masses des résonateurs 3 et de l'éventuel support 4 étant équilibrée tout autour de l'axe 2 de rotation de manière à éviter des effets néfastes de balourd. Le matériau métallique est préférentiellement de l'acier ou de l'aluminium. [0038] Chacun des résonateurs 3 possède plusieurs fréquences 20 et modes propres de vibration. Le spectre de chaque résonateur comprend ainsi plusieurs fréquences propres en dessous d'une fréquence maximale d'intérêt pour le cas à traiter. Les fréquences propres des résonateurs 3 peuvent être différentes en couvrant un intervalle fréquentiel destiné à s'étendre autour de la fréquence de résonance néfaste de la structure 25 tournante, chaque résonateur 3 ayant son spectre de fréquences propres légèrement décalé par rapport à celui des autres résonateurs 3. De préférence, la première des fréquences propres (c'est-à-dire la plus basse, appelée fondamentale) est autour de la fréquence de résonance néfaste à traiter. [0039] Les résonateurs 3 peuvent présenter un volume, un poids 30 ou une matière différents les uns des autres. 9 [0040] Comme il est visible aux figures 1 à 3, chaque résonateur 3 peut être sous la forme d'une lame, les oscillations de flexion des tiges formant résonateurs 3 s'effectuant préférentiellement dans un plan orthogonal à l'axe 2 de rotation du dispositif 1, lorsque la structure tournante est en 5 rotation. Dans ce cas, les lames présentent une forme de lame fixée sensiblement dans le sens de l'axe 2 de rotation, autrement dit dont la direction de la plus grande dimension de section transversale est alignée avec l'axe 2 de rotation, avec par exemple une section transversale de forme rectangulaire ou elliptique plutôt que carrée ou ronde. 10 [0041] La distribution spatiale de masse des résonateurs 3 est sous forme de lames pour minimiser les balourds dynamiques du dispositif 1 de piège à vibrations. [0042] Selon l'invention, chaque résonateur 3 d'au moins une partie de tous les résonateurs 3 est formé par un assemblage d'au moins 2 15 lames, 31, 32 ou éléments allongés. Au moins une portion des faces de ces lames sont maintenues en contact les unes avec les autres par des moyens de maintien 33. Ces moyens de maintien exercent une contrainte perpendiculaire à la surface des lames 31 32 sorte que le mouvement relatif d'une lame par rapport à l'autre lors du fonctionnement du dispositif génère 20 une friction au niveau de la surface 35 de contact des lames 31, 32. Selon l'invention, le travail mécanique de ces forces de friction assure au système de piège une dissipation supérieurement optimale de l'énergie vibratoire de torsion générée par le support, par rapport au dispositif décrit dans le document FR3035939. 25 [0043] Selon la figure 2, un seul point de maintien ou de placage 33 est représenté. Toutefois, on peut prévoir plusieurs points de maintien ou de placage le long des lames. Par exemple, si au moins 3 lames sont utilisées dans un résonateur 3, les lames peuvent être maintenues 2 par 2 en décalant les points de fixation 33 sur la longueur des lames de sorte que le point de - 10 - fixation de 2 premières lames ne soit pas situé au même niveau que le point de fixation de 2 autres lames. [0044] Par ailleurs, à titre d'exemple les lames 31, 32 peuvent être aimantées. La force d'attraction magnétique jouant alors le rôle de moyen 5 de maintien des lames. Selon une autre variante, la force d'attraction magnétique maintenant les lames 31, 32 plaquée est généré par des aimants solidaires des lames 31, 32. Tout autre dispositif de maintien tel que le boulonnage à travers un évidement plus ou moins large, le soudage, le rivetage et/ou le collage peut être employé pour plaquer deux lames 31, 32 10 l'une contre l'autre afin d'assurer une pression de contact optimale pour la génération de la meilleure dissipation par friction lors du déplacement relatif des 2 lames. [0045] Selon un mode de réalisation chaque lame 31, 32 du résonateur 3 est de forme différente. On peut également prévoir des matériaux 15 dont les propriétés mécaniques sont différentes. Les choix des dimensions, matériaux ainsi que le niveau de contraintes appliquées sur la surface de contact des lames est déterminé pour obtenir la meilleure dissipation vibratoire en fonction des caractéristiques du système à traiter. [0046] Selon un autre mode de réalisation (non représenté), 20 chaque lame peut être formée par un assemblage d'une pluralité de portions allongées. Chaque portion allongée d'une lame peut avoir des propriétés mécaniques différentes de par le matériau choisi, sa forme ou ses dimensions. Ainsi, plusieurs surfaces de contact de caractéristiques différentes sont créées pour dissiper par friction l'énergie des phénomènes vibratoires de 25 caractéristiques différentes. [0047] Les paramètres principaux de mise au point des résonateur 3 selon l'invention sont notamment : - la pression de contact entre les lames de chaque résonateur généré par les moyens de maintien ; -11- - le coefficient de frottement, caractérisant au premier ordre le comportement frottant de l'interface commune à deux lames ; - la surface de frottement ; - consécutivement, le nombre, la position et les propriétés mécaniques 5 locales des points de de fixation qui permettent de plaquer l'une contre l'autre les lames d'un résonateur. [0048] Le dispositif de piège selon la présente invention est efficace sur une assez large gamme de fréquences autour de la et/ou des fréquences où se produisent des résonances à traiter sur la structure 10 tournante. Le dispositif peut potentiellement suivre un ou plusieurs ordres du moteur en s'adaptant alors à la vitesse de rotation du moteur ou du régime moteur qui varie. La masse globalement ajoutée au système à traiter à travers le dispositif selon la présente invention est réduite en comparaison de la masse ajoutée que représenterait un dispositif de piège sous forme d'un batteur 15 classique ne comportant qu'un résonateur. [0049] Par son architecture, le dispositif de piège vibratoire selon la présente invention peut dissiper les vibrations supplémentaires indésirables sans avoir recours à des matériaux organiques fortement amortis, comme par exemple les caoutchoucs ou polymères, pour réaliser la fonction principale de 20 raideur des résonateurs. Cela rend le dispositif notamment plus robuste et fiable dans le temps. [0050] On comprendra que diverses modifications et/ou améliorations évidentes pour l'homme du métier peuvent être apportées aux différents modes de réalisation de l'invention décrits dans la présente description sans 25 sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de piège vibratoire destiné à venir se fixer sur une structure tournante (4) sujette à des vibrations, le dispositif étant monté sur un axe de rotation (2) destiné à être celui de la structure tournante et comprenant plusieurs résonateurs (3) vibratoires pour le piégeage des vibrations, les résonateurs (3) vibratoires étant voisins spatialement les uns des autres en étant liés à la structure tournante (4) directement, ou indirectement par un support commun, chaque résonateur (3) étant de forme allongée avec une extrémité reliée au support ou à la structure tournante (4), chaque résonateur (3) générant des fréquences et des modes propres de vibration, chaque résonateur (3) étant réalisé en un matériau métallique, le dispositif présentant au moins partiellement une forme d'étoile avec chaque résonateur (3) formant une branche de l'étoile, la distribution spatiale des masses du dispositif satisfaisant l'équilibrage inertiel relativement à l'axe de rotation (2) caractérisé en ce que chaque résonateur (3) d'au moins une partie de tous les résonateurs (3) est formé par au moins deux éléments allongés (31, 32) et comprend des moyens de maintien (33) en contact desdits au moins deux éléments allongés sur au moins une portion de leur longueur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de maintien (33) exercent une contrainte sur lesdits au moins deux éléments allongés (31, 32) de sorte que le mouvement relatif d'un élément allongé par rapport à l'autre génère une friction au niveau d'une surface de contact (35) entre lesdits au moins deux éléments allongés (31, 32). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de maintien (33) comprennent une pluralité de zones de fixation ou de placage répartie sur la longueur desdits au moins deux éléments allongés (31, 32). -13- 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits au moins deux éléments allongés (31, 32) sont aimantés et les moyens de maintien (33) consistent en la force magnétique générées par lesdits au moins deux éléments allongés. 5 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de maintien comprennent un assemblage par rivetage et/ou vissage et/ou collage et/ou boulonnage. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque élément allongée (31, 32) est formé par 10 l'assemblage d'au moins deux portions allongées selon l'axe longitudinal de l'élément. 7. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque portion allongée a des caractéristiques mécaniques et/ou géométriques différentes. 15 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque élément allongé a des caractéristiques mécaniques et/ou géométriques différentes. 9. Chaine de traction de véhicule comprenant un dispositif selon l'une des revendications précédentes. 20 10. Véhicule automobile comprenant une chaine de traction selon la revendication précédente.