Brevet FR3087861A1 — publié le 20200501

PIECE DE STRUCTURE ATTENUANT LES VIBRATIONS, ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE PIECE DE STRUCTURE DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rattache au domaine mécanique, comprenant les véhicules, les équipements industriels, les structures de bâtiments, etc. Plus précisément, la présente invention concerne une pièce de structure, conçue pour relier plusieurs sous-ensembles mécaniques. En particulier, la présente invention se rattache aux secteurs des véhicules, comprenant les secteurs automobile, aéronautique, ferroviaire, naval, travaux publics. Plus particulièrement, la présente invention concerne une pièce de structure de véhicule automobile, reliant plusieurs sous-ensembles mécaniques dudit véhicule, tels que le moteur, les suspensions, la transmission... ART ANTERIEUR Une pièce de structure d'un véhicule automobile participe à former le squelette de ce véhicule automobile, en liant plusieurs sous-ensembles mécaniques dudit véhicule. Par exemple, ce terme peut désigner le châssis du véhicule, son berceau, ou encore toute pièce reliant ces deux éléments au moteur, aux organes de transmission, de direction, ou au système de suspension. 11 est connu de l'art antérieur plusieurs façons de créer une pièce de structure automobile. Une pièce de structure peut être constituée d'une seule pièce, ou d'un assemblage de plusieurs pièces, généralement métalliques. Chacune des pièces composant la pièce de structure peut provenir d'une multitude de procédés industriels permettant la mise en forme des métaux, par exemple : - Découpe, emboutissage, hydroformage et pliage de tôles métalliques - Procédés de fonderie avec utilisation de noyaux Dans la plupart des cas, la pièce de structure est très majoritairement métallique. Son armature est réalisée en matériau choisi parmi les nuances d'aluminium ou d'acier les plus courantes dans l'industrie automobile. 2 Il existe également des pièces de structure non métalliques, utilisant majoritairement les matériaux composites. Ce type de pièce de structure est relativement peu répandu, en raison de la complexité de fabrication de pièces composites de grande dimension à une cadence industrielle. Dans ce cas, la pièce de structure a une armature constituée essentiellement de matériaux composites, préférentiellement à renfort en fibres de carbone. Il est également possible que les pièces de structure en matériaux composites intègrent à l'armature des inserts métalliques, notamment dans le but d'assurer une liaison mécanique avec lesdits autres éléments dudit véhicule. 10 Une pièce de structure bien connue de l'art antérieur est par exemple un berceau du véhicule automobile, faisant la liaison entre le châssis du véhicule et plusieurs autres systèmes mécaniques, comme le moteur ou le système de suspension. Le berceau est une pièce soumise à de nombreuses contraintes mécaniques. D'une part, il est soumis à de nombreuses forces et couples inhérents à son rôle de liaison entre différentes 15 pièces mécaniques. Mais aussi, d'autre part, le berceau est soumis à de nombreuses contraintes vibratoires, provoquées par de multiples facteurs. Par exemple, le mouvement de l'automobile met en vibration le système de suspension, qui est lui-même fixé au berceau. Aussi, le châssis est le support de multiples machines tournantes, telles que le moteur de l'automobile, qui est source de vibrations. Ainsi, le berceau 20 est soumis à de nombreuses sources vibratoires, qui le font vibrer à son tour. Ces vibrations, si elles sont trop importantes, peuvent créer une gêne pour l'utilisateur de ladite automobile. En effet, les vibrations du berceau peuvent être transmises à l'habitacle dudit véhicule, sous la forme de vibrations mécaniques ou de bruits parasites. Egalement, les vibrations du berceau peuvent affecter sa durée de vie en fatigue si le berceau entre en 25 résonnance à l'une de ses fréquences propres. Ainsi, il est nécessaire d'éviter que le berceau entre en résonnance à l'une de ses fréquences propres et/ou de réduire l'amplitude des vibrations auxquelles est soumis ledit berceau. Plusieurs critères essentiels entrent donc en jeu lors de la conception d'un berceau automobile afin de maîtriser son comportement vibratoire. Sa résistance mécanique et sa rigidité doivent être étudiées de sorte à présenter, en interaction avec les autres systèmes du véhicule, des 3 fréquences propres différentes des fréquences excitatrices critiques. Ces fréquences critiques étant difficiles à déterminer théoriquement lors de la phase de conception, le berceau est, dans la plupart des cas, dimensionné de telle sorte que la fréquence propre du premier mode de vibration soit la plus élevée possible. 5 Plusieurs solutions sont actuellement utilisées pour réduire l'amplitude des vibrations. Nous pouvons par exemple citer l'utilisation de plots absorbants, qui sont des pièces de matériau élastomérique réalisant l'interface entre le berceau et les autres éléments mécaniques auxquels il est relié. Les plots absorbants permettent, par leur capacité à se déformer, d'absorber une partie des vibrations qui les traverse, selon les caractéristiques dudit matériau élastomérique 10 qui les compose. Une autre solution pour modifier la fréquence propre du premier mode de vibration d'un berceau est de modifier sa géométrie, et plus spécifiquement la répartition des masses de la pièce. En effet, en déplaçant le barycentre de différentes parties constitutives du berceau, le comportement vibratoire dudit berceau s'en trouve modifié. 15 11 est ainsi courant de rectifier le comportement vibratoire dudit berceau avant son montage sur ladite automobile, par adjonction de masses ponctuelles, par exemple sous la forme de tôles soudées ou de vis lestées. Ceci est particulièrement avantageux lorsqu'un même berceau est utilisé dans l'assemblage de différents modèles d'automobiles. Selon les modèles, le berceau sera sollicité de différentes 20 manières, il est donc nécessaire d'adapter son comportement vibratoire à chaque cas d'utilisation. Dans tous les cas, les solutions de modification du comportement vibratoire du berceau impliquent une augmentation de la masse du berceau. De plus, la difficulté de prédiction du niveau de vibrations et de bruits parasites lors du 25 dimensionnement du berceau, du fait de sa part subjective dû au ressenti humain du confort, nécessite de disposer de solutions de modification des fréquences propres de vibration dudit berceau pouvant être mise en oeuvre lors des dernières phases de développement du véhicule. Cette problématique vibratoire, qui a beaucoup été étudiée sur les berceaux automobiles, est aussi de plus en plus présente sur d'autres types de pièces de structure, comme par exemple 30 les triangles de suspension, ou encore le châssis du véhicule. 4 EXPOSE DE L'INVENTION L'un des buts de l'invention est donc de remédier aux inconvénients précités en proposant une pièce de structure conçue pour atténuer ses vibrations et/ou déplacer ses fréquences propres de vibration lorsque la pièce de structure est en service. 5 En particulier, Fun des buts de l'invention est de proposer une pièce de structure d'un véhicule automobile, permettant d'atténuer ses vibrations et/ou déplacer ses fréquences propres de vibration lorsque le véhicule est en service (lorsque le moteur tourne, à l'arrêt ou en mouvement), d'une manière simple, pouvant notamment être mise en oeuvre lors des dernières phases de développement du véhicule. 10 A cet effet, il est proposé une pièce de structure, permettant de lier au moins deux sous- ensembles mécaniques, la pièce de structure étant constituée d'une armature, au moins en partie métallique, comportant une surface externe et entrant en vibration lorsque la pièce de structure est en service. Selon l'invention, l'armature comprend au moins un empiècement appliqué sur la surface 15 externe et réalisé dans un matériau composite constitué d'au moins : - un premier matériau apte à modifier la raideur mécanique de l'armature pour déplacer les fréquences propres de vibrations de l'armature , et - un second matériau apte à absorber au moins en partie les vibrations pour diminuer l'amplitude ou la transmission des vibrations. 20 Ainsi, les modes propres de vibration de la pièce de structure sont modifiés et absorbés en appliquant des empiècements en matériaux composites sur la surface de la pièce de structure. Les empiècements composites augmentent la raideur mécanique de la pièce de structure et, par conséquent, décalent les fréquences propres de vibration vers des fréquences plus élevées. Dans un mode de réalisation particulier, ledit premier matériau comprend des fibres de verre 25 et/ou des fibres de carbone. Dans un mode de réalisation particulier, le second matériau comprend une résine, de préférence une résine polymère. 5 Généralement, l'armature de ladite pièce de structure est formée de plusieurs pièces métalliques, assemblées entre elles par tous moyens adaptés. En alternative, l'armature peut être formée d'une unique pièce métallique Dans des modes de réalisation particuliers, ledit premier matériau est apte à modifier d'au 5 moins 10% la première fréquence propre de vibration de l'armature de ladite pièce de structure, et de préférence à modifier d'au moins 10% la deuxième fréquence propre de vibration de l'armature. Dans le cadre de l'invention, le premier matériau ne peut pas être mise en oeuvre sans le second. Dans un mode de réalisation particulier, ladite pièce de structure constitue un berceau de 10 véhicule automobile, permettant de lier un châssis à au moins un autre sous-ensemble mécanique dudit véhicule. Il a également été mis au point un procédé de fabrication d'une pièce de structure, permettant de lier au moins deux sous-ensembles mécaniques, le berceau étant constitué d'une armature, par exemple au moins en partie métallique, entrant en vibration lorsque la pièce de structure 15 est en service. Selon un mode de réalisation particulier, le procédé concerne une pièce de structure d'un véhicule automobile, permettant de lier au moins deux sous-ensembles mécaniques du véhicule automobile, le berceau étant constitué d'une armature, par exemple au moins en partie métallique, entrant en vibration lorsque le véhicule est en mouvement. 20 Selon l'invention, le procédé est remarquable en ce qu'il comprend au moins les étapes successives suivantes : a) fabriquer l'armature ; b) appliquer sur une surface externe de l'armature au moins un empiècement en matériau composite constitué d'au moins : 25 o un premier matériau apte à modifier la raideur mécanique de l'armature pour décaler les fréquences propres de vibrations de l'armature ; et o un second matériau apte à absorber au moins en partie les vibrations pour diminuer l'amplitude ou la transmission des vibrations. Selon un mode de réalisation préféré, l'armature est fabriquée, au moins partiellement, 30 suivant une double opération de fonderie et de forge. 6 DESCRIPTION SOMMAIRE DES FIGURES La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l'appui de l'unique figure annexée illustrant, vu de dessus, un berceau automobile comportant deux 5 empiècements de matériau composite. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION L'invention concerne une pièce de structure d'un véhicule automobile dont le comportement vibratoire a été modifié par l'adjonction d'empiècements composites sur sa surface, permettant ainsi de modifier les fréquences de vibration de ladite pièce de structure, et de 10 réduire l'amplitude d'une partie des modes de vibration. La figure 1 illustre un berceau 1 d'un véhicule automobile vu dans un plan P défini par le repère créé par les droites orthogonales Ox, Oy. Ledit berceau est composé d'une armature, par exemple métallique et monobloc, qui est symétrique selon l'axe A-A'. L'armature peut être constituée d'éléments métalliques creux ou pleins en aluminium, obtenus à partir de 15 procédés de fonderie, d'extrusion et de formage de tubes, assemblés par soudure. L'armature comporte un cadre 10 défini par quatre côtés : - un côté 10a s'étendant entre un sommet A et un sommet B, et étant parallèle à l'axe Oy , et - un côté 10b s'étendant entre le sommet B et un sommet C, et étant parallèle à l'axe 20 Ox , et - un côté 10c s'étendant entre le sommet C et un sommet D, et étant parallèle à l'axe Oy , et - un côté 10d s'étendant entre les sommets D et A, et étant parallèle à l'axe Ox , Les côtés 10a et 10c étant de même longueur et de section circulaire de même diamètre ; de la 25 même manière, les côtés I Ob et 10d ont la même longueur et la même section. Un point E est défini par l'intersection entre l'axe AA' et la fibre neutre du côté 10c. Le côté 10c porte deux alésages de mêmes dimensions 40, 41 symétriques par rapport à l'axe AA'. Les axes de ces alésages 40, 41 sont situés dans un plan parallèle au plan P, et sont parallèles à l'axe Ox. Le diamètre de ces alésages 40, 41 est sensiblement égal à celui de la 7 section circulaire dudit côté 10c Aussi, au droit de chaque sommet A et B, se trouvent deux alésages 42, 43 symétriques par rapport audit axe AA'. Les axes de ces alésages 42, 43 sont situés dans un plan parallèle au plan P, et sont parallèles à l'axe Ox. Quatre bras 11, 12, 13, 14, situés dans le plan P s'étendent vers l'extérieur du cadre à partir 5 respectivement de chacun des sommets A, B, C, D. Les bras 11 et 12 sont en tous points symétriques par rapport à l'axe AA', de même que les bras 13 et 14. Le bras 11, de longueur égale à celle du côté 10d et de section rectangulaire, s'étend depuis le sommet A vers l'extérieur dudit cadre 10, dans la direction d'une droite passant par les points A et E. L'extrémité extérieure dudit bras 11 comporte un alésage lla dont l'axe est 10 perpendiculaire au plan P, et dont le diamètre est sensiblement égal à la largeur dudit bras 11 dans le plan P, permettant avantageusement de lier mécaniquement ledit berceau 1 à un autre système mécanique du véhicule. Le bras 13, de longueur égale à celle du côté 10a et de section rectangulaire, s'étend depuis le sommet C vers l'extérieur dudit cadre 10, dans la direction d'une droite passant par les points 15 A et C. L'extrémité extérieure dudit bras 13 comporte un alésage 13a dont l'axe est perpendiculaire au plan P, et dont le diamètre est sensiblement égal à la largeur dudit bras 13 dans le plan P, permettant avantageusement de lier mécaniquement ledit berceau 1 à un autre système mécanique du véhicule. Le berceau 1 comporte des zones de montage 21, 22 définies sur la surface externe de 20 l'armature. Ces zones de montage 21, 22 servent de support à au moins un empiècement composite, et de préférence deux empiècements composites 30, 31, par exemple de forme sensiblement parallélépipédique. La forme des empiècements 30, 31, dépend de la forme des zones 21, 22. Les empiècements composites 30, 31 sont composés d'un premier matériau formant un 25 renfort des empiècements composites 30, 31, et d'un second matériau formant une matrice des empiècements composites 30, 31. Les empiècements composites 30, 31 sont appliqués de toute manière appropriée sur la surface externe du berceau 1, et par exemple par collage. Bien entendu, ces empiècements composites 30, 31 peuvent être appliqués à un quelconque endroit de la surface externe du berceau 1 sans sortir du cadre de l'invention. 8 Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le second matériau est une résine, et le premier matériau est composé d'au moins un pli de fibre de carbones, imprégné de la résine. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le premier matériau peut comprendre des fibres de verre. 5 Avantageusement, la résine permet l'adhérence des empiècements composites 30, 31 avec la surface des zones de montage 21, 22. D'autre part, la résine présente des caractéristiques mécaniques lui permettant d'absorber une partie de l'amplitude des vibrations subies par le berceau 1. Enfin, le premier matériau présente des caractéristiques mécaniques aptes à rigidifier les empiècements 30, 31, et ainsi d'ajouter une raideur mécanique sur les zones de 10 montage 21, 22 permettant de décaler la fréquence des modes de vibration du berceau 1 vers des fréquences plus élevées par rapport à un berceau de l'art antérieur ne comportant aucun empiècement composite. Le tableau ci-dessous illustre les résultats d'un essai de comportement vibratoire d'un berceau automobile selon l'art antérieur avec le comportement vibratoire du berceau 1 selon la 15 présente invention, décrit sur la figure 1, en notant que le berceau 1 de la présente invention diffère du berceau automobile classique en ce qu'il comporte les empiècements composites 30, 31. Berceau de l'art Berceau selon Ecart antérieur l'invention avec empiècements composites Masse 9,761 kg 10,091 kg Epaisseur des 2,24 mm - - empiècements composites Fréquence du 198 Hz 224 Hz +26 Hz +13% premier mode de vibration Fréquence du 250 Hz 279 Hz +29 Hz +12% second mode de vibration 9 Dans la seconde colonne du tableau, intitulée « Berceau de l'art antérieur », il est à noter que la masse du berceau classique est de 9,761kg, et que les fréquences de ses premier et deuxième modes propres de vibration sont respectivement de 198 Hz et 250 Hz. La troisième colonne du tableau, intitulée « Berceau selon l'invention avec empiècements 5 composites », démontre que les empiècements 30, 31 appliqués sur la surface externe du berceau t permettent d'augmenter les fréquences des premier et deuxième modes propres de vibration du berceau 1 à respectivement 224 Hz et 279 Hz. Il est à noter que les empiècements 30, 31 présentent une masse supplémentaire de 0,330 kg par rapport à la masse du berceau classique, celle-ci passant de 9,761 kg à 10,091 kg. 10 Les quatrième et cinquième colonnes de ce tableau, rassemblées sous le titre « Ecart », présentent les écarts de fréquence entre les premier et deuxième modes propres de vibration du berceau classique et du berceau 1. Dans l'exemple illustré, l'ajout des empiècements composites 30, 31 augmente la fréquence du premier mode propre de vibration de 13%, et augmente la fréquence du second mode propre de vibration de 12%. 15 De ce qui précède, l'invention permet d'augmenter la fréquence des premier et deuxième modes propres de vibration du berceau 1 d'au moins 10%. Dans le cas du berceau 1, les empiècements 30, 31 ont par exemple une surface de quelques cm2 à plusieurs dizaines de cm2. Les empiècements 30, 31 ont une épaisseur la plus fine possible, de préférence inférieure à 10 mm. Les empiècements 30, 31 peuvent recouvrir 20 partiellement ou entièrement une section de l'armature. Selon d'autres modes de réalisation, la forme et les dimensions des empiècements, recouvrant partiellement ou entièrement la pièce de structure, dépendent de l'application visée. Selon un mode de réalisation particulier, une pièce de structure peut être entièrement recouverte par un empiècement. Par exemple, la pièce peut être une petite pièce enveloppée 25 de matériau composite. De préférence, l'empiècement est entièrement appliqué sur la surface externe du corps principal de l'armature, pas sur des nervures ou des formes extrudées. Un autre aspect de l'invention définit un procédé de fabrication d'une pièce de structure, par exemple le berceau 1. Le procédé comprend en premier lieu une étape de fabrication d'une 10 armature, l'armature correspondant au cadre 10 et tous éléments qui y sont rattachés, tels que les bras 11, 12, 13, 14. L'armature peut être fabriquée, au moins partiellement, par une double opération de fonderie et de forge. En alternative, l'armature peut être fabriquée par tous moyens adaptés, en plusieurs pièces ou une seule pièce. 5 Ensuite, dans un second temps, au moins un empiècement composite 30, 31 est appliqué sur la surface externe de l'armature, l'empiècement composite 30, 31 étant constitué des premiers et seconds matériaux. Il ressort de ce qui précède que l'invention fournit bien une pièce de structure, telle que le berceau 1, et son procédé de fabrication, permettant d'atténuer ses vibrations et de modifier 10 ses fréquences propres de vibration, d'une manière simple, REVENDICATIONS1/ Pièce de structure (1), permettant de lier au moins deux sous-ensembles mécaniques, la pièce de structure étant constituée d'une armature, au moins en partie métallique, comportant une surface externe et entrant en vibration lorsque la pièce de structure est en service, caractérisée en ce que l'armature comprend au moins un empiècement (30, 31) appliqué sur la surface externe et réalisé dans un matériau composite constitué d'au moins : - un premier matériau apte à modifier la raideur mécanique de l'armature pour déplacer les fréquences propres de vibrations de l'armature ; et - un second matériau apte à absorber au moins en partie les vibrations pour diminuer l'amplitude ou la transmission des vibrations. 2/ Pièce de structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le premier matériau comprend des fibres de verre. 3/ Pièce de structure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le premier matériau comprend des fibres de carbone. 4/ Pièce de structure selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le second matériau comprend une résine. 5/ Pièce de structure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le premier matériau est apte à modifier d'au moins 10% la première fréquence propre de vibration de l'armature. 12 6/ Pièce de structure selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le premier matériau est apte à modifier d'au moins 10% la deuxième fréquence propre de vibration de l'armature. 5 7/ Pièce de structure selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle constitue un berceau de véhicule automobile, permettant de lier un châssis à au moins un autre sous-ensemble mécanique dudit véhicule automobile. 8/ Procédé de fabrication d'une pièce de structure (1), permettant de lier au moins deux sous- 10 ensembles mécaniques, la pièce de structure étant constituée d'une armature, au moins en partie métallique, entrant en vibration lorsque la pièce de structure est en service, caractérisé en ce que le procédé comprend au moins les étapes successives suivantes : a) fabriquer l'armature b) appliquer sur une surface externe de l'armature au moins un empiècement (30, 31) en 15 matériau composite constitué d'au moins : o un premier matériau apte à modifier la raideur mécanique de l'armature pour décaler les fréquences propres de vibrations de l'armature ; et o un second matériau apte à absorber au moins en partie les vibrations pour diminuer l'amplitude ou la transmission des vibrations. 20 9/ Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'armature est fabriquée, au moins partiellement, suivant une double opération de fonderie et de forge.