Domaine technique de l’invention

L’invention concerne un dispositif d’absorption de vibrations. En particulier, l’invention concerne un dispositif d’absorption de vibrations pouvant être utilisé pour amortir les amplitudes de vibrations et installé sur un composant que l’on cherche à protéger.

Arrière-plan technologique

Un dispositif d’absorption de vibrations installé sur un composant permet de protéger ce composant des amplitudes de vibrations qui peuvent s’exercer sur lui. Ces problématiques de vibrations sont notamment rencontrées pour des composants embarqués dans des véhicules, par exemple automobile, ferroviaire ou aéronautique, du fait des mouvements auxquels les composants embarqués dans ces véhicules sont soumis.

Plusieurs types de dispositifs d’absorption de vibrations sont connus actuellement.

Un premier type de dispositif d’absorption de vibrations est par exemple un dispositif à puits énergétique non-linéaire ou NES pour Nonlinear Energy Sink en anglais. Le principe de base du NES est de déclencher une instabilité sur le résonateur secondaire, ladite instabilité tendant vers un cycle limite de relaxation qui va permettre la dissipation d’énergie. Le NES est un dispositif simple constitué d’une masse utile, d’un élément présentant une raideur non-linéaire et d’un élément dissipatif.

Le principal inconvénient des dispositifs de type NES est que les éléments qui le composent, en particulier des élastomères, ne sont pas résistants aux hautes températures. A titre d’exemple, la plupart des élastomères utilisés dans les NES actuels fondent aux alentours des 200°C. Ces élastomères sont les éléments qui remplissent la fonction d’amortissement du NES et sont donc indispensables dans les dispositifs de l’état de l’art. Il n’est pas possible dans le cas général de remplacer ces matériaux, car aucun matériau résistant aux hautes températures a des propriétés amortissantes suffisamment importantes pour être utilisé dans un dispositif d’absorption de vibrations.

Un deuxième type de dispositif d’absorption de vibration est par exemple un amortisseur visqueux non-linéaire ou NVD pour Nonlinear Viscous Damper en anglais. Le principe de base du NVD est de relier deux points vibrants en opposition de phase par un piston dont le mouvement va être freiné par un fluide. Le dispositif NVD est simple, a un bon comportement en fatigue.

Il présente divers inconvénients : par exemple le NVD peut poser des problèmes de fuites selon le fluide utilisé. Le fluide utilisé est généralement visqueux, par exemple de l’huile, ce qui peut provoquer des problèmes à hautes températures, par exemple une explosion si l’huile est sous pression. Enfin, un inconvénient majeur est que le NVD nécessite deux points d’attaches : chaque point d’attache est relié d’une part à un des deux points vibrants en opposition et d’autre part au piston ou au cylindre entourant le piston. Le NVD ne peut ainsi pas être utilisé avec un seul point d’attache sur le composant à protéger.

Le NVD peut fonctionner en théorie avec n’importe quel fluide. Cependant, les NVD ont un mécanisme de piston astreint à bouger selon une vitesse relative faible entre deux équipements (un équipement par point d’attache). Ainsi, le NVD fonctionne généralement avec un fluide visqueux qui dissipe l’énergie aux basses vitesses.

Les inventeurs ont cherché à proposer un nouveau type de dispositif d’absorption de vibrations combinant plusieurs avantages des NES et des NVD, notamment pour un usage dans un véhicule automobile, ferroviaire, aéronautique, etc.

Objectifs de l’invention

L’invention vise à fournir un dispositif d’absorption de vibrations permettant de pallier au moins un des inconvénients des dispositif d’absorptions de l’art antérieur.

L’invention vise en particulier à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un dispositif d’absorption de vibrations passif, efficace et résistants aux hautes températures. L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l’invention, un dispositif d’absorption de vibrations pouvant être attaché sur le composant à protéger avec un seul point d’attache.

Exposé de l’invention

Pour ce faire, l’invention concerne un dispositif d’absorption de vibrations comprenant :

- un boitier,

- une membrane encastrée dans le boitier et formant ainsi deux chambres dans le boitier, lesdites chambres étant remplies d’un fluide,

- au moins un lest, agencé sur la membrane afin qu’un mouvement du lest entraîne un mouvement de la membrane,

- au moins un conduit configuré pour permettre la circulation du fluide entre les deux chambres en cas de mouvement de la membrane et du lest.

Un dispositif d’absorption de vibrations selon l’invention permet donc de combiner les principes élémentaires des dispositifs de type NES et NVD, en combinant un lest qui déclenche une instabilité de résonance pour capter l’énergie des vibrations, et une mise en mouvement de fluide pour la dissipation de l’énergie via le mouvement de la membrane et le déplacement du fluide d’une chambre à l’autre. En particulier, la membrane et le lest permettent notamment au dispositif d’absorption de vibrations de mettre en œuvre les principes élémentaires d’un dispositif absorbeur de vibration non linéaire à puits d’énergie de type NES. En particulier, le lest forme la masse utile et la membrane forme l’élément présentant une raideur non-linéaire. Le conduit accompagné du mouvement de la membrane permet la circulation du fluide de sorte dissiper l’énergie et ainsi mettre œuvre les principes élémentaires d’un dispositif amortisseur visqueux non-linéaire de type NVD.

La présence du lest permet le réglage de la fréquence de résonance linéaire.

En particulier, le lest permet de diminuer la fréquence de résonance linéaire du système, afin de s’assurer que la fréquence de résonance linéaire du dispositif d’absorption de vibrations est inférieure à la fréquence de résonance linéaire du composant à protéger. En effet, le dispositif d’absorption est configuré, de façon passive, pour augmenter sa fréquence de résonance lorsque l’intensité des vibrations augmente. Cela lui permet ainsi de toujours pouvoir atteindre la fréquence de résonance linéaire du système à protéger, lorsque le niveau d’intensité de vibration augmente suffisamment. Lorsque l’intensité des vibrations est faible, la fréquence de résonance linéaire du lest est inférieure à la fréquence de résonance linéaire du composant à protéger et il n’y a donc que peu de dissipation d’énergie, ce qui n’est pas problématique car l’intensité des vibrations est faible. Lorsque l’intensité des vibrations devient élevée, les fréquences de résonances linéaires du lest et du composant à protéger s’accordent et la captation d’énergie par le lest est importante, ce qui permet une bonne dissipation de l’énergie par le dispositif d’absorption de vibrations.

La fréquence de résonance linéaire désigne la fréquence à laquelle un système soumis à des vibrations a son pic d’excitation.

Le dispositif d’absorption de vibrations permet donc, grâce à ce lest, le transfert d’une partie de l’énergie vibratoire du composant à protéger lorsque les fréquences de résonance des deux systèmes sont égales.

Le lest et la membrane ont une masse de préférence entre 0,5% et 2% de la masse du composant à protéger, et une partie structurale (formée notamment par le boitier délimitant les chambres) dont la masse peut varier entre 1 et 10 % du système à protéger.

De préférence, le lest est agencé au centre de la membrane, pour maximiser l’effet de réduction de la fréquence de résonance du système.

Contrairement au NES de l’art antérieur dans lequel les ressorts en élastomères permettaient l’absorption de l’énergie, la dissipation de l’énergie est ici permise par le déplacement du fluide entre les deux chambres via le ou les conduits. Lors de son déplacement, la membrane met en pression ou dépression chacune des deux chambres, ce qui provoque le déplacement du fluide dans le ou les conduits, et donc la dissipation de l’énergie par le frottement du fluide contre la paroi. Le fluide peut être un liquide ou un gaz, et peut être visqueux ou non. Le dispositif d’absorption de vibration selon l’invention est ainsi passif, car il ne nécessite pas de contrôle ou de commande pour son fonctionnement. Le dispositif selon l’invention est ainsi particulièrement utile dans un contexte où l’élastomère ne peut pas être utilisé comme matériau pour former la membrane, par exemple lorsque les contraintes thermiques sont fortes, en particulier des environnements à hautes températures.

Les volumes des chambres sont suffisamment grands pour permettre le mouvement de la membrane et du lest et suffisamment faibles pour que le mouvement de la membrane entraine une variation suffisamment importante de la pression dans chaque chambre afin d’entraîner le déplacement du fluide dans le ou les conduits. En particulier, la hauteur de chaque chambre est de préférence comprise entre 100% et 500% du déplacement maximum de la membrane et du lest dans ladite chambre. Le volume, la forme et les dimensions d’une chambre peuvent être différents ou identiques du volume, de la forme et des dimensions de l’autre chambre.

Le fluide utilisé peut par exemple être de l’air qui dissipe bien à très haute vitesse, car la force de traînée aérodynamique est proportionnelle au carré de la vitesse. Le fluide en déplacement dans le fluide peut atteindre des vitesses jusqu’à environ 0,8 mach, ce qui améliore d’autant plus la dissipation d’énergie.

La membrane a une épaisseur constante ou non : une membrane d’épaisseur constante a comme avantage une facilité de modélisation et de fabrication et est moins coûteuse. Une membrane d’épaisseur variable peut être conçue pour optimiser les performances du dispositif d’absorption de vibration. L’épaisseur de la membrane est comprise entre 50 pm et quelques millimètres, par exemple entre 50 pm et une dizaine de millimètre dans une application aéronautique.

Pour les mêmes raisons, la membrane peut être isotrope ou non : une membrane isotrope a comme avantage une facilité de modélisation et de fabrication et est moins coûteuse. Une membrane anisotrope peut être conçue pour optimiser les performances du dispositif d’absorption de vibration.

Le lest est fixé à la membrane, par exemple en insérant le lest dans un trou percé dans la membrane et en le solidarisant à la membrane par des moyens de fixation (par exemple vis-écrou) ou par soudage ou brasage.

Le dispositif d’absorption de vibration selon l’invention se distingue des dispositifs de type NVD car il permet de dissiper l’énergie par l’utilisation d’un fluide mais en utilisant un seul point d’attache, donc sans nécessiter deux points d’attaches en opposition de phase. Ce mécanisme est rendu possible car le dispositif d’absorption parvient à caler sa fréquence de résonance sur celle du système à protéger, entraînant ainsi l’échange énergétique. Le dispositif d’absorption de vibrations ne nécessite donc pas la présence de deux points d’attache pour entraîner le déplacement du fluide ou la dissipation de l’énergie.

On entend par point d’attache un point ou un ensemble de points rapprochés dans une zone restreinte permettant de relier le dispositif d’absorption de vibrations au composant à protéger. Le point d’attache peut être un ensemble de points dans le sens où plusieurs moyens d’attache (vis, clous, rivets, etc.) peuvent être utilisé pour relier le dispositif d’absorption de vibrations au composant tout en formant, au vu du comportement mécanique du dispositif d’absorption de vibrations, un seul point d’attache du moment que ces moyens d’attache sont agencés dans une zone restreinte. En particulier, les vibrations du composant ne sont transmises au dispositif d’absorption de vibrations qu’au niveau de ce point d’attache. Cette transmission peut être représentée par une force ponctuelle.

L’ajout de masse que constitue le dispositif d’absorption de vibrations est négligeable par rapport au composant qu’il protège. Ainsi, le dispositif a un faible impact masse sur le système et sa modularité permet de l’installer très facilement sur le système à protéger.

Le choix du type de fluide, des dimensions de la membrane, des dimensions des chambres contenant le fluide, de la masse du lest, des formes des conduits et les matériaux utilisés vont être fonction du système qu’on cherche à protéger, des niveaux de sollicitations, de la température et de la fréquence du mode propre du composant qu’on cherche à protéger.

Avantageusement et selon l’invention, la membrane est fabriquée dans un matériau parmi la liste des matériaux suivants : - aluminium,

- acier,

- Inconel®, en particulier Inconel® X750.

Selon cet aspect de l’invention, la membrane peut assurer sa fonction dans le dispositif d’absorption de vibrations dans une grande plage de température, en particulier aux hautes températures (par exemple de -55 °C °C à des températures supérieures à 200°C, de préférence au moins jusqu’à 750°C).

La membrane peut être fabriqué dans d’autres matériaux répondant aux critères de résistance mécanique et thermique nécessaires à l’obtention de l’effet technique de la membrane dans le dispositif d’absorption de vibrations.

Avantageusement et selon l’invention, le lest comprend un conduit pour permettre la circulation du fluide entre les deux chambres.

Selon cet aspect de l’invention, le conduit est directement percé dans le lest, ce qui permet un gain important en encombrement, car il n’y a pas de nécessité d’ajouter des conduits qui contournerait la membrane pour relier les deux chambres séparées par la membrane.

De préférence, le conduit du lest est percé au centre du lest.

Avantageusement et selon l’invention, la membrane comprend un conduit pour permettre la circulation du fluide entre les deux chambres.

Selon cet aspect de l’invention, le conduit est directement percé dans la membrane, ce qui permet un gain important en encombrement, car il n’y a pas de nécessité d’ajouter des conduits qui contournerait la membrane pour relier les deux chambres séparées par la membrane.

Lorsqu’un conduit et percé dans la membrane et/ou dans le lest, le diamètre est de préférence de l’ordre de grandeur du millimètre, par exemple entre 0,1 mm et 10 mm. Ce diamètre peut être supérieur ou inférieur selon les applications, en fonction de la taille et/ou de la masse du composant à protéger, de la taille et/ou de la masse du dispositif d’absorption de vibrations, du fluide utilisé, etc. Dans le domaine des véhicules aéronautiques, ferroviaire ou automobile, le diamètre est de préférence inférieur à 5 cm.

En particulier, avantageusement et selon l’invention, le diamètre du conduit est généralement compris entre 1% et 10% du diamètre de la membrane si celle-ci est sensiblement circulaire, plus généralement entre 1% et 10% tel qu’une longueur ou une diagonale de la membrane si celle-ci a une forme différente. On appelle longueur principale ce diamètre, cette longueur ou cette diagonale selon la forme de la membrane.

Plusieurs conduits peuvent être percés dans le lest et/ou la membrane.

Avantageusement et selon l’invention, le fluide est de l’air.

Selon cet aspect de l’invention, l’utilisation de l’air comme fluide dissipant l’énergie a pour avantage de ne poser aucun problème de fuite dans le système et aucun risque de surchauffe ou d’explosion aux hautes températures (au-dessus de 200°C). La dissipation de l’énergie par l’air est effectuée par frottement, par la trainée de l’air dans les conduits. Les dispositifs d’absorption d’énergie de type NVD nécessitent un fluide visqueux car les vitesses de déplacement sont faibles et l’énergie dissipée uniquement par frottement seraient trop faibles avec de l’air. Dans le dispositif d’absorption de vibration selon l’invention, la captation d’énergie par la membrane et le lest est hautement énergétique, ce qui entraîne des déplacements de l’air à des vitesses pouvant atteindre environ 0,8 mach, permettant ainsi une grande dissipation d’énergie sans nécessiter de fluide visqueux comme de l’huile qui pose des problèmes de fuites et de comportement à haute température.

L’invention concerne également un composant susceptible d’être soumis à des vibrations, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif d’absorption de vibrations selon l’invention configuré pour absorber au moins en partie les vibrations auquel est soumis le composant.

L’invention concerne également un dispositif d’absorption de vibrations et un composant, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.

Liste des figures

D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :

[Fig. 1] est une vue schématique d’un dispositif d’absorption de vibrations selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig. 2] est une vue schématique d’un dispositif d’absorption de vibrations selon un mode de réalisation de l’invention.

[Fig.3] est un schéma modélisant le comportement mécanique d’un composant protégé par un dispositif d’absorption de vibration selon un mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention

Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.

En outre, les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.

Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement le principe de base d’un dispositif 10 d’absorption de vibrations selon un mode de réalisation de l’invention, respectivement en vue latérale en coupe et en perspective en coupe.

Le dispositif 10 d’absorption de vibration comprend un boitier 12, une membrane 14, un lest 16.

La membrane 14 est encastrée dans le boitier 12 et forme ainsi deux chambres, une première chambre dite chambre 18a supérieure et une deuxième chambre dite chambre 18b inférieure. Les termes « supérieure » et « inférieure » sont utilisés uniquement à but illustratif en référence avec le schéma en coupe de la figure 1 et ne restreignent pas l’orientation du dispositif d’absorption de vibrations sur le composant.

La membrane 14 est circulaire dans ce mode de réalisation, et peut aussi prendre d’autres formes dans d’autres modes de réalisation, par exemple rectangulaire, carrée, etc. En particulier, la membrane prend la forme du boitier de sorte à former les deux chambres dans le boîtier, quelle que soit la forme du boitier.

La membrane 14 est de préférence d’épaisseur constante et isotrope. La membrane est par exemple fabriquée avec un des matériaux suivants : aluminium, acier, Inconel®, en particulier Inconel X750®.

Le boitier 12 est configuré pour être fixé à un composant 20 de sorte à absorber les vibrations auquel le composant 20 est soumis. Pour ce faire, le boitier 12 comprend un point d’attache 22.

L’absorption des vibrations par le dispositif 10 d’absorption de vibrations se fait grâce à la mise en mouvement de la membrane 14 et du lest 16 qui créent une instabilité de résonance pour capter l’énergie de vibration. Le lest 16 est agencé sur la membrane, de préférence proche du centre de la membrane ou au centre de la membrane.

Les mouvements de la membrane 14 et du lest 16 entraînent une surpression dans une des chambres et une dépression dans l’autre chambre. Une partie du fluide contenu dans la chambre en suppression se déplace alors vers la chambre en dépression en circulant par au moins un conduit 24. Le déplacement du fluide dans le conduit 24 permet la dissipation de l’énergie par frottement du fluide contre la paroi du conduit 24.

Dans ce mode de réalisation, le conduit 24 est percé dans le lest pour un gain d’espace. Dans d’autres modes de réalisation, le conduit peut s’étendre en dehors du boitier de sorte à relier les deux chambres. Le conduit est configuré pour mettre en communication de fluide les deux chambres.

Sur la figure 1, le lest 16 est représenté dans une position de repos, en l’absence de vibrations.

Sur la figure 2, le lest 16 est représenté en dehors de sa position de repos, et la membrane 14 est déformée suite à la captation de l’énergie de vibration, par rapport à la ligne 114 en pointillés représentant la position de la membrane 14 au repos. Dans cette configuration, la chambre 18a supérieure est en surpression et la chambre 18b inférieure est en dépression, ce qui entraine une circulation du fluide de la chambre 18a supérieure à la chambre 18b inférieure. Du fait de la quantité d’énergie captée autour de la fréquence de résonance linéaire, la circulation du fluide peut attendre des grandes vitesses, par exemple 0,8 mach pour de l’air, ce qui entraine une forte dissipation d’énergie de par la trainée de l’air et les frottements sur les parois du conduit.

La figure 3 représente schématiquement un modèle du comportement mécanique d’un composant protégé par un dispositif d’absorption de vibration selon un mode de réalisation de l’invention. Le composant est représenté par une masse ml, reliée à autre élément, par exemple un châssis 300 par un ressort de raideur kl et un amortisseur d’amortissement cl. Le ressort et l’amortisseur sont des modélisations du comportement mécanique de la liaison entre le composant et le châssis et ne présume en rien de la réalité physique des composants formant cette liaison, qui peut être de nature diverse et non explicité ici.

Le lest et la membrane du dispositif d’absorption de vibrations sont représentés par une masse m2, reliée au composant par un ressort de raideur k2 et un amortisseur d’amortissement c2. La raideur k2 est composée majoritairement de la raideur de la membrane et de la raideur de l’air comprimé par la membrane dans les deux chambres lors du déplacement du lest et de la membrane. L’amortissement c2 provient de l’écoulement du fluide entre les deux chambres par le conduit, la membrane n’ayant pas ou très peu d’amortissement propre.

L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits précédemment. En particulier, les dimensions du dispositif, la forme du boitier, les dimensions et l’épaisseur de la membrane, les dimensions et la masse du lest, etc. peuvent varier pour s’adapter au composant à protéger, à l’encombrement limite que ne doit pas dépasser le dispositif, à la configuration du composant et du dispositif dans le véhicule qui les embarque, etc.