EP3803152A1 - Systeme et procede d'amortissement passif de vibrations mecaniques - Google Patents

Systeme et procede d'amortissement passif de vibrations mecaniques

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Publication number
EP3803152A1
EP3803152A1 EP19742849.3A EP19742849A EP3803152A1 EP 3803152 A1 EP3803152 A1 EP 3803152A1 EP 19742849 A EP19742849 A EP 19742849A EP 3803152 A1 EP3803152 A1 EP 3803152A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
axis
stack
support
vibrations
piezoelectric stack
Prior art date
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Pending
Application number
EP19742849.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gilles Grosso
Frédéric MOSCA
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Pytheas Technology SAS
Original Assignee
Pytheas Technology SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pytheas Technology SAS filed Critical Pytheas Technology SAS
Publication of EP3803152A1 publication Critical patent/EP3803152A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/005—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means
    • F16F15/007—Piezoelectric elements being placed under pre-constraint, e.g. placed under compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/04—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/181—Circuits; Control arrangements or methods
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/04—Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/02—Materials; Material properties solids
    • F16F2224/0283—Materials; Material properties solids piezoelectric; electro- or magnetostrictive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/34—Flexural hinges

Definitions

  • the invention relates to a system and a method for passive damping of mechanical vibrations.
  • Vibratory isolators are usually mounted between a vibration-producing structure on one side and a potentially vibration-sensitive part on the other. They absorb the vibrations of the vibrating structure and prevent them from being transmitted to the receiving part.
  • a vibratory isolator may be interposed between the support piece of a rotating machine and the rotating machine itself so that the vibrations generated by the rotating machine are not transmitted to the support piece.
  • Electromagnetic, magnetostrictive or piezoelectric suspensions which use electroactive materials to convert the mechanical energy of the vibrations into electrical energy. These technologies are efficient and allow a better adaptability to the context of use. However, they are not very widespread and are sometimes perceived as less robust than purely mechanical insulators mentioned above. Moreover, these solutions, when they are used in passive assemblies (the suspension does not have an actuator role), do not allow effective damping at low frequency of the relative rigidity of the electro-magnetic materials. assets used.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the attenuation that can be obtained with a piezoelectric stack.
  • the abscissas correspond to the frequency in Hertz of the vibrations and the ordinates correspond to the transmissibility in Decibels (ratio of the force transmitted on the force of excitation). Up to about 100 Hz, it is found that the transmissibility is zero, that is to say that the piezoelectric stack passes all the vibrations, without producing any attenuation.
  • a positive transmissibility peak of about 20 dB appears around 500 Hz, this rejection meaning that the piezoelectric stack amplifies the vibration phenomenon instead of attenuating it. It is only from this peak of frequencies that the transmissibility becomes negative.
  • the piezoelectric stack attenuates the vibrations of about 40 dB / decade over a frequency range from about 500 Hz to about 20 KHz, this frequency range (Z) corresponding to noise nuisances that it is particularly advantageous to mitigate.
  • Document WO2017 / 048906 (UNIV MICHIGAN) and JP 3790255 (TAIHEIYO CEMENT CORP) disclose mechanical vibration damping systems comprising a transducer. This transducer is in the form of a bi-blades operating only in bending. In practice, the performance of this type of system is limited in terms of damping and vibration mitigation, including static resistance.
  • an object of the invention is to propose a vibratory isolator having increased performances compared with those of vibratory isolators of the aforementioned prior art.
  • Another object of the invention is to provide a vibratory isolator to optimize the adaptability to the operating conditions.
  • Yet another object of the invention is to provide a robust vibration isolator whose design is simple, robust and inexpensive.
  • a further object of the invention is to provide a vibratory isolator for effective damping of vibrations, over a wide frequency band, particularly at low frequencies and with increased attenuation in the frequency band from about 500 Hz to about 20 KHz.
  • the solution proposed by the invention is a system for passive damping of mechanical vibrations generated by a vibrating structure supported by a support, the system comprising:
  • a transducer interposed between the vibrating structure and the support for transforming the mechanical energy of the vibrations into electrical energy and comprising:
  • a flextensional structure having a first axis and a second axis perpendicular to each other
  • piezoelectric elements stacked along the first axis so as to form a piezoelectric stack, which piezoelectric stack is adapted to produce electric energy when it is constrained, which stack is constrained in compression by the flextensional structure along the first axis of whereby a deformation of said structure modifies the compressive stress applied to said stack,
  • each of the fasteners is arranged along the second axis
  • At least one of the fasteners preferably incorporates an elastic suspension
  • means for modifying the electrical stiffness of the piezoelectric stack which means is a shunt connected to said piezoelectric stack so as to dissipate all or part of the electrical energy produced by the stress applied to said piezoelectric stack.
  • This damping system, or vibratory isolator comprises a piezoelectric transducer of flextensional type advantageously combined with an elastic suspension placed in series of said transducer.
  • This particularly robust vibratory isolator had increased performance compared to those vibration isolators of the aforementioned prior art. It notably allows effective damping of vibrations over a frequency range from about 50 Hz to 20 KHz, with an attenuation of 40 dB / Decade at 60 dB / Decade over the frequency band from about 500 Hz to about 20 Hz. KHz.
  • the shunt can furthermore be easily controlled to modify the stiffness of the piezoelectric stack according to the operating conditions, and in fact further improve the attenuation of the vibrations as well as, in general, improve the electromechanical coupling of the system.
  • the elastic suspension is integrated in the fastener which is furthest away from the vibrating structure.
  • the elastic suspension may be an elastomeric suspension, or a metal suspension or pneumatic or hydraulic.
  • the shunt may consist of an electrical resistance connected across the piezoelectric stack so as to thermally dissipate all or part of the electrical energy produced by the stress applied to said piezoelectric stack.
  • the shunt consists of an electrical resistance and an inductance connected to the terminals of the piezoelectric stack so as to form an RLC resonant electronic circuit tuned to a band of frequencies to attenuate.
  • an electronic management unit is connected to an accelerometer placed so as to capture the vibrations of the support and / or to an accelerometer placed so as to capture the vibrations of the vibrating structure, which electronic management unit controls the shunt to modify stiffness said piezoelectric stack according to the signals emitted by the accelerometer.
  • a part of the electrical energy produced by the stress applied to the piezoelectric stack, and which is not dissipated by the shunt, supplies one or more electronic components.
  • the flextensional structure has: - two opposite end pieces, arranged perpendicular to the first axis and symmetrically on either side of the second axis; - two opposite transverse flanges arranged perpendicular to the second axis and symmetrically on either side of the first axis; identical longitudinal arms which extend along the first axis and which connect the lateral end pieces to the transverse soles.
  • connections between the longitudinal arms on the one hand and on the other hand the lateral tips and the transverse flanges advantageously consist of joints, which joints are formed by hinge-less zones formed at the ends of each arm .
  • an elastomeric pad is interposed between the transverse flanges so as to limit the deflection of the flextensional structure along the second axis.
  • the piezoelectric stack is prestressed, the prestressing force applied to said stack being produced: - by the cooperation of a rod installed along the first axis and on which is mounted the piezoelectric stack, with hardware elements installed in the flextensional structure; - or directly by the flextensional structure.
  • Yet another aspect of the invention relates to a method for damping mechanical vibrations in a frequency band of 50 Hz ⁇ 10 HZ at 20 KHz ⁇ 100 HZ, which vibrations are generated by a vibrating structure supported by a support, said method comprising using the damping system according to one of the preceding characteristics, by interposing the transducer between said vibrating structure and said support.
  • Yet another aspect of the invention relates to a method for damping mechanical vibrations, with attenuation of 40 dB / decade ⁇ 10 dB / decade at 60 dB / decade ⁇ 10 dB / decade, in a frequency band of 500 Hz ⁇ 100 HZ at 20 KHz ⁇ 100 HZ, which vibrations are generated by a vibrating structure supported by a support, said method of using the damping system according to one of the preceding features, by interposing the transducer between said vibrating structure and said support.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the attenuation that can be obtained with a piezoelectric stack
  • FIG. 2 is a perspective view of a transducer according to the invention showing a flextensional structure
  • FIG. 3 is a side view of the transducer of FIG. 2,
  • FIG. 4a is a sectional view along A-A of the transducer of FIG. 3,
  • FIG. 4b is a sectional view along A-A of the transducer of FIG. 3, according to an alternative embodiment
  • FIG. 5 illustrates the transducer of FIGS. 2 to 4a-4b interposed between a vibrating structure and a support, the piezoelectric stack being connected to a shunt,
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the attenuation that can be obtained with a damping system according to the invention.
  • This vibrating structure 2 is for example a rotating machine or a wiper motor of a motor vehicle.
  • the support 3 may correspond to the linkage which supports the windscreen wiper or to a chassis element of the vehicle.
  • the function of the transducer 1 is to transform the mechanical energy of the vibrations generated by the vibrating structure 2 into electrical energy, so that these vibrations are not or only slightly transmitted to the support 3.
  • the transducer 1 has a flextensional structure 10.
  • "Flextensional structure” means a combined flexural and tension structure. This mechanical structure is deformable and forms a mechanical amplifier, transmitting and amplifying the vibratory forces of the vibrating structure 2 towards a piezoelectric stack 4.
  • the structure 10 has a first axis A-A and a second axis B-B perpendicular to each other.
  • the axis A-A is a horizontal longitudinal axis and the axis B-B is a vertical transverse axis.
  • the structure 10 has a generally octagonal shape, elongated along the first axis A-A. It can be written in an envelope whose length is between 5 cm and 30 cm, the width between 2 cm and 10 cm and the height between 2 cm and 10 cm.
  • the structure 10 preferably has:
  • the structure 10 has:
  • each pair of arms 14a, 14b, 15a, 15b is replaced by a single arm.
  • each pair of arms 14a, 14b, 15a, 15b is replaced by a combination of three or more arms.
  • end pieces 12a, 12b, the flanges 13a, 13b and the arms 14a, 14b, 15a, 15b preferentially form a rigid one-piece piece made of steel, stainless steel, aluminum, or composite and obtained by machining or injection. These elements may however be in the form of separate parts assembled together for example by welding, screwing or bolting.
  • the links between on the one hand the arms 14a, 14b, 15a, 15b and on the other hand the end pieces 12a, 12b and the flanges 13a, 13b advantageously consist of articulations.
  • these joints consist of thinner areas 140, 150 forming a hinge which are arranged at the ends of each arm 14a, 14b, 15a, 15b. This limits the number of mechanical parts, which provides significantly improved maintenance of the transducer.
  • the mechanical structure 10 is thus elastically deformable. When it undergoes compression (bending) stress along the axis BB, the flanges 13a, 13b tend to get closer. This approximation of the flanges 13a, 13b increases the distance separating the end pieces 12a, 12b.
  • a stack 4 of piezoelectric elements is installed in the structure 10. It is adapted to produce electrical energy when it is forced.
  • the piezoelectric elements of the stack 4 are advantageously in the form of washers or piezocomposite discs adapted to be electrically polarized under the action of a mechanical stress.
  • the number of washers can vary from 3 to 20 depending on the length of the structure 10. For example, we use 8 hard ceramic washers PZT (Titano-Lead Zirconate), the stack 4 having a stiffness of 16 MN / m and a Young's modulus of about 50 GPa. This stack 4 is capable of delivering a voltage of 73 volts under a force of 100 newtons.
  • the stack 4 is installed along the first axis AA, between the end pieces 12a, 12b, so that a deformation of the structure 10 modifies the compressive stress applied to said stack. More particularly, and as explained in the preceding paragraph, when the vibrating structure 2 vibrates, the structure 10 deforms along the axis BB, By a pinch effect, a compressive stress is applied to the stack 4.
  • the structure 10 thus plays the role of mechanical amplifier, transmitting and amplifying the vibratory forces of the vibrating structure 2 to the stack 4.
  • the stack 4 is advantageously prestressed to improve the tensile strength of the transducer 1.
  • the stack 4 is mounted on a rod 40 installed along the first axis A-A.
  • Fastening elements 40a, 40b, installed in the end pieces 12a, 12b, are engaged with the threaded ends of the rod 40.
  • the cooperation of the fastener elements 40a, 40b with the rod 40 makes it possible to apply prestressing on the stacking 4.
  • FIG. 4b it is the structure 10 that directly produces the prestressing force applied on the stack 4.
  • the structure 10 is elastically deformed to allow the stack 4 to be put in place.
  • a constraint of compression along the axis BB is applied on the flanges 13a, 13b so that the end pieces 12a, 12b move away so as to allow the insertion of the stack 4.
  • the end pieces 12a, 12b approach and compress the stack 4 which is thus prestressed.
  • it is mounted on a guide rod 400 held in position along the axis A-A by fastener elements 400a, 400b installed in the end pieces 12a, 12b.
  • the transducer 1 is mounted very simply and very rapidly in the following manner: the rod 40 is inserted into the stack 4; the stack 4 is installed in the structure 10, between the end pieces 12a, 12b; the fastener elements 40a, 40b are positioned in the end pieces 12a, 12b so that said elements engage with the threaded ends of the rod 40; the hardware elements 40a, 40b are screwed with a dedicated tool (eg torque wrench) so as to pre-force the stack 4 according to a desired prestressing force.
  • a dedicated tool eg torque wrench
  • the upper sole 13a and / or the lower sole 13b can be made in two parts so as to provide a day of passage.
  • Two peripheral fasteners 5a, 5b are secured to the structure 10.
  • the upper attachment 5a is secured to the upper sole 13a and the lower attachment 5b to the lower sole 13b.
  • the fasteners 5a, 5b are thus arranged along the second axis B, B.
  • the fastening of the fasteners 5a, 5b on the flanges 13a, 13b can for example be obtained by welding, screwing or bolting.
  • the shape of the fasteners 5a, 5b is complementary to that of the flanges 13a, 13b.
  • the fasteners 5a, 5b are in the form of parallelepipedal and rigid flat flanges, steel, stainless steel, aluminum, or composite, obtained for example by machining. Their dimensions in length and width correspond to those of the flanges 13a, 13b. Their thickness can vary from 1 cm to 10 cm.
  • the upper attachment 5a is used to secure the structure 10 to the vibrating structure 2, by screwing or bolting.
  • the lower attachment 5b is used to secure the structure 10, also by screwing or bolting.
  • At least one of the fasteners 5a and / or 5b incorporates an elastic suspension.
  • integral is meant that the attachment 5b and the suspension 6 may be two separate parts assembled together or on the contrary formed a single piece.
  • this suspension 6 which incorporates this suspension 6. This serves as an interface between the lower fastener 5b and the support 3.
  • the lower fastener 5b can be constituted by this single suspension 6
  • the suspension 6 can, however, be integrated only in the upper attachment 5a, between the vibrating structure 2 and said attachment.
  • the two fasteners 5a and 5b could also each incorporate an elastic suspension. The best results in terms of damping are however obtained when the elastic suspension is integrated in the attachment 5b which is furthest away from the vibrating structure 2.
  • this suspension 6 is preferably in the form of an elastomer sole, for example natural or synthetic rubber, whose shape is complementary to that of fixing 5b.
  • FIG. 2 to 5 it is in the form of a parallelepipedal sole whose dimensions in length and width correspond to those of the lower attachment 5b. Its thickness can vary from 1 cm to 10 cm.
  • a natural rubber sole having a stiffness of 250 kN / m and a Young's modulus of about 1.5 MPa.
  • the stiffness of the suspension 6 is chosen as a function of the frequency band of the vibrations to be attenuated.
  • the assembly of the elastomer sole 6 on the sole 5b is done by gluing, screwing or bolting.
  • the suspension 6 may also be in the form of one or more elastomeric pads assembled between the lower fastener 5b and the support 3.
  • the suspension 6 may also be in the form of a metal suspension, for example a helical spring or blades, or pneumatic or hydraulic suspension.
  • a shunt 7 is connected to the piezoelectric stack 4. This shunt 7 is used to modify the electrical stiffness of the stack 4 and more generally, to improve the electromechanical coupling of the system. Electromechanical coupling reflects the efficiency of the system to the conversion of mechanical energy into electrical energy and vice versa. It is characterized by a coefficient of electromechanical coupling (CCEM) which can be defined by the ratio below:
  • Electric energy + Mechanical energy where the electrical energy is that produced by the stack 4 and the mechanical energy is that applied to the flextensional structure 10.
  • the shunt 7 serves in particular to dissipate all or part of the electrical energy produced by the stress applied to the stack 4 during the deformation of the structure 10.
  • the stack 4 produces an electrical signal transmitted to the shunt 7.
  • the shunt 7 provides resistance to the electrical signal.
  • the stack 4 resists the deformation of the structure 10, so that its electrical stiffness is changed.
  • the stack 4 then serves as a damper.
  • the electrical stiffness of the stack 4 (and more generally the electromechanical coupling coefficient of the system) can thus be modified as a function of the frequency band to be attenuated.
  • the inventors have found that the electromechanical coupling of the system was improved with the shunt 7 (the CCEM coefficient of the shunt system is greater than the CCEM coefficient of an equivalent system without shunt).
  • the shunt 7 may consist of an electrical resistance connected in parallel or in series to the terminals of the stack 4, dissipating thermally (that is to say in the form of heat) all or part of the electrical energy. Knowing that the piezoelectric stack 4 is equivalent to an electric capacitor, an electronic circuit RC is obtained making it possible to produce a low-pass or high-pass filter tuned to the frequency band to be attenuated.
  • the shunt 7 may also consist of an electrical resistance and an inductance (coil) connected to the terminals of the stack 4 so as to form a resonant electronic circuit RLC, parallel or series, tuned to the frequency band to be attenuated.
  • This type of shunt 7 resistive or resistive-inductive
  • a shunt 7 with a negative capacitance is used which further improves the electromechanical coupling of the system.
  • This shunt 7 comprises a resistor and a synthetic negative capacitor having a real and imaginary impedance tuned to the frequency band to be attenuated.
  • the electrical impedance of the negative capacitance modifies the stiffness of the piezoelectric stack 4 to increase the damping and to optimize the electromechanical coupling of the system.
  • an electronic management unit 70 is connected to an accelerometer 71 placed so as to capture the vibrations of the support 3 and / or to an accelerometer placed so as to capture the vibrations of the vibrating structure 2.
  • management 70 is then adapted to drive the shunt 7 so as to modify the electrical stiffness of the stack 4 as a function of the signals emitted by the accelerometer 71.
  • the shunt 7 can integrate a variable resistor or a variable impedance whose value is modified by the management unit 70 according to the signals emitted by the accelerometer 71.
  • Part of the electrical energy produced by the stress applied to the piezoelectric stack 4, and which is not dissipated by the shunt 7, can be used to power one or more electronic components.
  • This electrical energy can for example be used to supply the management unit 70 and / or the accelerometer 71.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the attenuation that can be obtained with a damping system according to the invention.
  • the abscissae correspond to the frequency in Hertz of the vibrations and the ordinates correspond to the transmissibility in Decibels.
  • Curve 1 in dashed lines shows the attenuation curve of FIG. 1 (piezoelectric stack alone).
  • Curve 2 in solid line is the attenuation curve obtained with the piezoelectric stack 4 combined with the elastic suspension. Up to about 50 Hz ( ⁇ 10 HZ), the transmissibility remains virtually nil. Compared to curve 1, the system According to the invention, the inflection point of the attenuation curve of about 50 dB ⁇ 10 HZ can be retracted.
  • the transmissibility becomes negative, with attenuation of 40 dB / decade ( ⁇ 10 dB / decade) up to a frequency of 500 Hz ( ⁇ 100 HZ).
  • a peak of transmissibility of about 20 dB appears, the attenuation of the vibrations being less important.
  • the setting of the shunt 7 (for example the value of the resistor, the inductance or the negative capacitance) however makes it possible to treat and attenuate this rejection.
  • the attenuation is 40 dB / decade ⁇ 10 dB / decade at 60 dB / decade ⁇ 10 dB / decade over the frequency range z ranging from 500 Hz ⁇ 100 HZ to 20 KHz ⁇ 100 HZ.
  • the system according to the invention allows vibration damping over a wider frequency range (50 Hz - 20 KHz) than that obtained by a piezoelectric stack alone (100 Hz - 20 KHz).
  • the attenuation of noise is better (more than 40 dB / decade).

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Abstract

L'invention concerne un système d'amortissement passif de vibrations mécaniques générées par une structure vibrante supportée par un support, le système comprenant un transducteur interposé entre la structure vibrante et le support pour transformer l'énergie mécanique des vibrations en énergie électrique, se caractérisant par le fait que : - le transducteur comporte : - une structure flextensionnelle présentant un premier axe (et un second axe perpendiculaires entre eux, - un empilement d'éléments piézoélectriques adapté pour produire de l'énergie électrique lorsqu'il est contraint, lequel empilement est contraint en compression par la structure flextensionnelle selon le premier axe de sorte qu'une déformation de ladite structure modifie la contrainte en compression appliquée sur ledit empilement, - deux fixations périphériques sont solidaires de la structure flextensionnelle, chacun des fixations étant disposée selon le second axe, - une première fixation pour la solidarisation de la structure flextensionnelle à la structure vibrante, - une seconde fixation pour la solidarisation de la structure flextensionnelle au support, - au moins une des fixations intègre une suspension élastique, - un shunt est relié à l'empilement piézoélectrique de manière à dissiper tout ou partie de l'énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur ledit empilement piézoélectrique.

Description

SYSTEME ET PROCEDE D’AMORTISSEMENT PASSIF DE
VIBRATIONS MECANIQUES
Description
Domaine technique de l’invention.
L’invention a pour objet un système et un procédé d’amortissement passif de vibrations mécaniques.
Elle concerne le domaine technique des isolateurs vibratoires passifs, c’est- à-dire qui ne fonctionnent pas comme des actionneurs transformant des vibrations électriques en vibrations mécaniques agissant en opposition de phase avec les vibrations à atténuer.
État de la technique.
Les isolateurs vibratoires sont généralement montés entre, d’un côté une structure produisant des vibrations et, de l’autre côté une pièce potentiellement susceptible de recevoir ces vibrations. Ils permettent d’absorber les vibrations de la structure vibrante et empêcher ainsi qu’elles ne soient transmises à la pièce réceptrice. Par exemple, un isolateur vibratoire peut être interposé entre la pièce support d’une machine tournante et la machine tournante elle-même de sorte que les vibrations générées par la machine tournante ne soient pas transmises à la pièce support.
Il existe différents types d’isolateurs vibratoires basés sur différentes techniques. On connaît notamment des isolateurs à chambre fluide et orifice ou des suspensions élastomères ou métalliques. Ces isolateurs purement mécaniques transforment l’énergie mécanique des vibrations en énergie thermique (chaleur). Ces technologies sont matures et éprouvées mais peuvent présenter un certain nombre de limitations en termes de performance et d’adaptabilité aux conditions de fonctionnement (température, régime de fonctionnement de la structure vibrante, transmission d’un effort statique, ...).
On connaît également des suspensions électromagnétiques, magnétostrictives ou piézoélectriques qui utilisent des matériaux électro-actifs pour convertir l’énergie mécanique des vibrations en énergie électrique. Ces technologies sont performantes et permettent une meilleure adaptabilité au contexte d’utilisation. Elles sont toutefois peu répandues et sont parfois perçues comme moins robustes que les isolateurs purement mécaniques précités. De plus, ces solutions, lorsqu’elles sont mises en oeuvre dans des montages passifs (la suspension n’ayant pas un rôle d’actionneur), ne permettent pas un amortissement efficace en basse fréquence de fait de la relative rigidité des matériaux électro-actifs utilisés.
La figure 1 est un diagramme illustrant l’atténuation susceptible d’être obtenue avec un empilement piézoélectrique. Les abscisses correspondent à la fréquence en Hertz des vibrations et les ordonnées correspondent à la transmissibilité en Décibels (rapport de la force transmise sur la force d’excitation). Jusqu’à environ 100 Hz, on constate que la transmissibilité est nulle, c’est-à-dire que l’empilement piézoélectrique laisse passer toutes les vibrations, sans produire aucune atténuation. Un pic positif de transmissibilité d’environ 20 dB apparaît aux alentours de 500 Hz, cette réjection signifiant que l’empilement piézoélectrique amplifie le phénomène vibratoire au lieu de l’atténuer. Ce n’est qu’à partir de ce pic de fréquences que la transmissibilité devient négative. L’empilement piézoélectrique atténue les vibrations d’environ 40 dB/décade sur une plage de fréquences allant d’environ 500 Hz à environ 20 KHz, cette plage de fréquence (Z) correspondant à des nuisances sonores qu’il est particulièrement avantageux d’atténuer. On connaît par les documents WO2017/048906 (UNIV MICHIGAN) et JP 3790255 (TAIHEIYO CEMENT CORP) des systèmes d’amortissement de vibrations mécaniques comprenant un transducteur. Ce transducteur se présente sous la forme d’une bi-lames fonctionnant uniquement en flexion. En pratique, les performances de ce type de système sont limitées en termes d’amortissement et d’atténuation des vibrations, notamment en tenue statique.
On connaît également par le document US 2005/134149 (DENG KEN K) un système d’amortissement de vibrations mécaniques comprenant un transducteur de type cymbale. Un élément piézoélectrique est comprimé radialement par les cymbales. Ici encore, les performances de ce système ne sont pas optimales en termes d’amortissement et d’atténuation des vibrations.
Face à cet état des choses, un objectif de l’invention est de proposer un isolateur vibratoire ayant des performances accrues par rapport à celles des isolateurs vibratoires de l’art antérieur précité.
Un autre objectif de l’invention est de proposer un isolateur vibratoire permettant d’optimiser l’adaptabilité aux conditions de fonctionnement.
Encore un autre objectif de l’invention est de proposer un isolateur vibratoire robuste, dont la conception est simple, robuste et peu onéreuse.
Un objectif supplémentaire de l’invention est de proposer un isolateur vibratoire permettant un amortissement efficace des vibrations, sur une large bande de fréquences, en particulier en basses fréquences et avec une atténuation accrue sur la bande de fréquences allant d’environ 500 Hz à environ 20 KHz.
Divulgation de l’invention. La solution proposée par l’invention est un système d’amortissement passif de vibrations mécaniques générées par une structure vibrante supportée par un support, le système comprenant :
- un transducteur interposé entre la structure vibrante et le support pour transformer l’énergie mécanique des vibrations en énergie électrique et comportant :
o une structure flextensionnelle présentant un premier axe et un second axe perpendiculaires entre eux,
o des éléments piézoélectriques empilés selon le premier axe de manière à former un empilement piézoélectrique, lequel empilement piézoélectrique est adapté pour produire de l’énergie électrique lorsqu’il est contraint, lequel empilement est contraint en compression par la structure flextensionnelle selon le premier axe de sorte qu’une déformation de ladite structure modifie la contrainte en compression appliquée sur ledit empilement,
- deux fixations périphériques sont solidaires de la structure flextensionnelle, chacun des fixations étant disposée selon le second axe,
o une première fixation pour la solidarisation de la structure flextensionnelle à la structure vibrante,
o une seconde fixation pour la solidarisation de la structure flextensionnelle au support,
o au moins une des fixations intègre préférentiellement une suspension élastique,
- un moyen pour modifier la raideur électrique de l’empilement piézoélectrique, lequel moyen est un shunt relié audit empilement piézoélectrique de manière à dissiper tout ou partie de l’énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur ledit empilement piézoélectrique.
Ce système d’amortissement, ou isolateur vibratoire, comporte un transducteur piézoélectrique de type flextensionnel avantageusement combiné à une suspension élastique placée en série dudit transducteur. La demanderesse a constaté que cet isolateur vibratoire particulièrement robuste avait des performances accrues par rapport à celles des isolateurs vibratoires de l’art antérieur précités. Elle permet notamment un amortissement efficace des vibrations sur une plage de fréquences allant d’environ 50 Hz à 20 KHz, avec une atténuation de 40 dB/Décade à 60 dB/Décade sur la bande de fréquences allant d’environ 500 Hz à environ 20 KHz. Le shunt peut en outre être aisément contrôlé pour modifier la raideur de l’empilement piézoélectrique en fonction des conditions de fonctionnement, et de fait, améliorer davantage l’atténuation des vibrations ainsi que, de manière générale, améliorer le couplage électromécanique du système.
D’autres caractéristiques avantageuses de l’invention sont listées ci- dessous. Chacune de ces caractéristiques peut être considérée seule ou en combinaison avec les caractéristiques remarquables définies ci-dessus, et faire l’objet, le cas échéant, d’une ou plusieurs demandes de brevet divisionnaires :
Avantageusement, la suspension élastique est intégrée dans la fixation qui est la plus éloignée de la structure vibrante.
- La suspension élastique peut être une suspension élastomère, ou une suspension métallique ou pneumatique ou hydraulique.
- Le shunt peut consister en une résistance électrique connectée aux bornes de l’empilement piézoélectrique de manière à dissiper thermiquement tout ou partie de l’énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur ledit empilement piézoélectrique.
- Selon une variante de réalisation, le shunt consiste en une résistance électrique et une inductance connectées aux bornes de l’empilement piézoélectrique de manière à former un circuit électronique résonant RLC accordé sur une bande de fréquences à atténuer.
- Avantageusement, une unité de gestion électronique est connectée à un accéléromètre placé de manière à capter les vibrations du support et/ou à un accéléromètre placé de manière à capter les vibrations de la structure vibrante, laquelle unité de gestion électronique pilote le shunt pour modifier la raideur électrique dudit empilement piézoélectrique en fonction des signaux émis par l’accéléromètre.
- Avantageusement, une partie de l’énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur l’empilement piézoélectrique, et qui n’est pas dissipée par le shunt, alimente un ou plusieurs composants électroniques.
- Avantageusement, la structure flextensionnelle présente : - deux embouts latéraux opposés, disposés perpendiculairement au premier axe et symétriquement de part et d’autre du second axe ; - deux semelles transversales opposées, disposées perpendiculairement au second axe et symétriquement de part et d’autre du premier axe ; - des bras longitudinaux identiques qui s’étendent selon le premier axe et qui relient les embouts latéraux aux semelles transversales.
- Les liaisons entre d’une part les bras longitudinaux et d’autre part les embouts latéraux et les semelles transversales, consistent avantageusement en des articulations, lesquelles articulations sont formées par des zones de moindre épaisseur formant charnière aménagés au niveau des extrémités de chaque bras.
- Avantageusement, un tampon en élastomère est interposé entre les semelles transversales de manière à limiter le débattement de la structure flextensionnelle selon le second axe.
- Avantageusement, l’empilement piézoélectrique est précontraint, l’effort de précontrainte appliqué sur ledit empilement étant produit : - par la coopération d’une tige installée selon le premier axe et sur laquelle est monté l’empilement piézoélectrique, avec des éléments de visserie installés dans la structure flextensionnelle ; - ou directement par la structure flextensionnelle.
Un autre aspect de l’invention concerne un procédé pour amortir des vibrations mécaniques d’un moteur d’essuie-glace d’un véhicule automobile, lequel moteur est supporté par un support, ledit procédé consistant à utiliser le système d’amortissement selon l’une des caractéristiques précédentes, en interposant le transducteur entre ledit moteur d’essuie-glace et ledit support. Encore un autre aspect de l’invention concerne un procédé pour amortir des vibrations mécaniques générées par une structure vibrante supportée par un support (3), ledit procédé comprenant les étapes consistant à :
- utiliser le système d’amortissement selon l’une des caractéristiques précédentes, en interposant le transducteur entre ladite structure vibrante et ledit support,
- modifier la raideur électrique de l’empilement piézoélectrique au moyen du shunt, en fonction de la bande de fréquences à atténuer.
Encore un autre aspect de l’invention concerne un procédé pour amortir des vibrations mécaniques sur une bande de fréquences de 50 Hz ± 10 HZ à 20 KHz ± 100 HZ, lesquelles vibrations sont générées par une structure vibrante supportée par un support, ledit procédé consistant à utiliser le système d’amortissement selon l’une des caractéristiques précédentes, en interposant le transducteur entre ladite structure vibrante et ledit support.
Encore un autre aspect de l’invention concerne un procédé pour amortir des vibrations mécaniques, avec une atténuation de 40 dB/décade ± 10 dB/décade à 60 dB/décade ± 10 dB/décade, sur une bande de fréquences allant de 500 Hz ± 100 HZ à 20 KHz ± 100 HZ, lesquelles vibrations sont générées par une structure vibrante supportée par un support, ledit procédé consistant à utiliser le système d’amortissement selon l’une des caractéristiques précédentes, en interposant le transducteur entre ladite structure vibrante et ledit support.
Description des figures.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d’un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence aux dessins annexés, réalisés à titre d’exemples indicatifs et non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 précitée est un diagramme illustrant l’atténuation susceptible d’être obtenue avec un empilement piézoélectrique,
- la figure 2 est une vue en perspective d’un transducteur conforme à l’invention montrant une structure flextensionnelle,
- la figure 3 est une vue de côté du transducteur de la figure 2,
- la figure 4a est une vue en coupe selon A-A du transducteur de la figure 3,
- la figure 4b est une vue en coupe selon A-A du transducteur de la figure 3, selon une variante de réalisation,
la figure 5 illustre le transducteur des figures 2 à 4a-4b interposé entre une structure vibrante et un support, l’empilement piézoélectrique étant connecté à un shunt,
- la figure 6 est un diagramme illustrant l’atténuation susceptible d’être obtenue avec un système d’amortissement conforme à l’invention.
Modes préférés de réalisation de l’invention.
Les termes droite/gauche, supérieur/inférieur, haut/bas, horizontal/vertical susceptibles d’être utilisés dans la présente description font essentiellement références à la position des éléments illustrés sur les dessins annexés. Ils ne sont utilisés qu’à titre d’exemples indicatifs et non limitatifs.
Sur la figure 5, le système d’amortissement objet de l’invention comporte un transducteur 1 interposé entre une structure vibrante 2 et un support 3 supportant ladite structure vibrante. Cette structure vibrante 2 est par exemple une machine tournante ou un moteur d’essuie-glace d’un véhicule automobile. Dans ce dernier cas, le support 3 peut correspondre à la tringlerie qui supporte l’essuie- glace ou à un élément de châssis du véhicule. Le transducteur 1 a pour fonction de transformer l’énergie mécanique des vibrations générées par la structure vibrante 2 en une énergie électrique, de sorte que ces vibrations ne soient pas ou peu transmises au support 3.
En se rapportant aux figures 2 à 5, le transducteur 1 comporte une structure flextensionnelle 10. Par « structure flextensionnelle » , on entend une structure en flexion et en tension combinées. Cette structure mécanique est déformable et forme un amplificateur mécanique, transmettant et amplifiant les efforts vibratoires de la structure vibrante 2 vers un empilement piézoélectrique 4.
La structure 10 présente un premier axe A-A et un second axe B-B perpendiculaires entre eux. Sur les figures annexées, l’axe A-A est un axe longitudinal horizontal et l’axe B-B est un axe transversal vertical. La structure 10 a une forme générale octogonale, allongée selon le premier axe A-A. Elle peut être inscrite dans une enveloppe dont la longueur est comprise entre 5 cm et 30 cm, la largeur comprise entre 2 cm et 10 cm et la hauteur comprise entre 2 cm et 10 cm.
La structure 10 présente préférentiellement :
- deux petits côtés ou embouts latéraux 12a, 12b identiques (ou pas) opposés, disposés perpendiculairement au premier axe A-A et symétriquement de part et d’autre du second axe B-B ; ces embouts ont une forme générale parallélépipédique ou cylindrique,
- deux petites semelles transversales 13a, 13b identiques (ou pas) opposées, disposées perpendiculairement au second axe B-B et symétriquement de part et d’autre du premier axe A-A ; ces semelles ont une forme générale parallélépipédique ou cylindrique ;
- des bras longitudinaux identiques 14a, 14b, 15a, 15b qui s’étendent selon le premier axe A-A et qui relient les embouts 12a, 12b aux semelles transversales 13a, 13b ; ces bras peuvent être de section carrée, rectangulaire, ronde, ovale, etc. Plus particulièrement, la structure 10 présente :
- une paire de bras supérieurs 14a qui relient la semelle supérieure 13a à un bord supérieur de l’embout latéral gauche 12b,
- une paire de bras inférieurs 14b qui relient la semelle supérieure 13a à un bord inférieur de l’embout latéral gauche 12b,
- une paire de bras supérieurs 15a qui relient la semelle supérieure 13a à un bord supérieur de l’embout latéral droit 12a,
- une paire de bras inférieurs 15b qui relient la semelle supérieure 13a à un bord inférieur de l’embout latéral droit 12a.
Dans une variante de réalisation non représentée, chaque paire de bras 14a, 14b, 15a, 15b est remplacée par un seul bras. L’utilisation de paires de bras permet toutefois de mieux répartir les contraintes mécaniques dans lesdits bras. Dans une autre variante de réalisation non représentée, chaque paire de bras 14a, 14b, 15a, 15b est remplacée par une combinaison de trois bras ou plus.
Les embouts 12a, 12b, les semelles 13a, 13b et les bras 14a, 14b, 15a, 15b forment préférentiellement une pièce monobloc rigide réalisée en acier, inox, aluminium, ou composite et obtenue par usinage ou injection. Ces éléments peuvent toutefois se présenter sous la forme de pièces distinctes assemblées entre elles par exemple par soudage, vissage ou boulonnage.
Les liaisons entre d’une part les bras 14a, 14b, 15a, 15b et d’autre part les embouts 12a, 12b et les semelles 13a, 13b, consistent avantageusement en des articulations. Pour simplifier la conception de la structure 10, ces articulations consistent en des zones de moindre épaisseur 140, 150 formant charnière qui sont aménagées au niveau des extrémités de chaque bras 14a, 14b, 15a, 15b. On limite ainsi le nombre de pièces mécaniques, ce qui offre une maintenance nettement améliorée du transducteur. La structure mécanique 10 est ainsi déformable élastiquement. Lorsqu’elle subit une contrainte de compression (flexion) selon l’axe B-B, les semelles 13a, 13b ont tendance à se rapprocher. Ce rapprochement des semelles 13a, 13b augmente la distance séparant les embouts 12a, 12b. A l’inverse, lorsque la contrainte de compression selon l’axe B-B s’inverse (extension), les semelles 13a, 13b s’éloignent, et la distance séparant les embouts 12a, 12b diminue. Il est entendu que ces contraintes de compression sont générées par les vibrations de la structure vibrante 2.
Pour limiter le débattement de la structure 10 selon l’axe B-B, on peut prévoir un tampon en élastomère 8 interposé entre les deux semelles 13a, 13b. Ce tampon 8 évite un déplacement trop important de la structure 10 susceptible de l’endommager.
Un empilement 4 d’éléments piézoélectriques est installé dans la structure 10. Il est adapté pour produire de l’énergie électrique lorsqu’il est contraint. Les éléments piézoélectriques de l’empilement 4 se présentent avantageusement sous la forme de rondelles ou disques pièzocéramiques ou piezocomposites adaptés pour se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte mécanique. Le nombre de rondelles peut varier de 3 à 20 selon la longueur de la structure 10. A titre d’exemple, on utilise 8 rondelles céramiques dures PZT (Titano-Zirconate de Plomb), l’empilement 4 présentant une raideur de 16 MN/m et un module de Young d’environ 50 GPa. Cet empilement 4 est susceptible de délivrer une tension de 73 Volts sous un effort de 100 Newtons.
Sur les figures 2 à 5, l’empilement 4 est installé selon le premier axe A-A, entre les embouts 12a, 12b, de sorte qu’une déformation de la structure 10 modifie la contrainte en compression appliquée sur ledit empilement. Plus particulièrement, et comme expliqué au paragraphe précédent, lorsque la structure vibrante 2 vibre, la structure 10 se déforme selon l’axe B-B, Par effet de pincement, une contrainte en compression est appliquée sur l’empilement 4. La structure 10 joue ainsi le rôle d’amplificateur mécanique, transmettant et amplifiant les efforts vibratoires de la structure vibrante 2 vers l’empilement 4.
L’empilement 4 est avantageusement précontraint pour améliorer la tenue mécanique en traction du transducteur 1. Sur la figure 4a, l’empilement 4 est monté sur une tige 40 installée selon le premier axe A-A. Des éléments de visserie 40a, 40b, installés dans les embouts 12a, 12b, sont en prise avec les extrémités filetées de la tige 40. La coopération des éléments de visserie 40a, 40b avec la tige 40 permet d’appliquer une précontrainte sur l’empilement 4.
Sur la figure 4b, c’est la structure 10 qui produit directement l’effort de précontrainte appliqué sur l’empilement 4. La structure 10 est déformée élastiquement pour permettre la mise en place de l’empilement 4. En pratique, une contrainte de compression selon l’axe B-B est appliquée sur les semelles 13a, 13b de sorte que les embouts 12a, 12b s’éloignent de manière à permettre l’insertion de l’empilement 4. En relâchant les semelles 13a, 13b, les embouts 12a, 12b se rapprochent et compriment l’empilement 4 qui est ainsi précontraint. Pour faciliter l’insertion de l’empilement 4, celui-ci est monté sur une tige de guidage 400 maintenu en position selon l’axe A-A par des éléments de visserie 400a, 400b installés dans les embouts 12a, 12b.
Le montage du transducteur 1 est réalisé très simplement et très rapidement de la façon suivante : on insère la tige 40 dans l’empilement 4 ; on installe l’empilement 4 dans la structure 10, entre les embouts 12a, 12b ; on positionne les éléments de visserie 40a, 40b dans les embouts 12a, 12b de sorte que lesdits éléments viennent en prise avec les extrémités filetées de la tige 40 ; on visse les éléments de visserie 40a, 40b avec un outil dédié (ex : clé dynamométrique) de manière à pré-contraindre l’empilement 4 selon un effort de précontrainte souhaité. Pour faciliter l’installation de l’empilement 4 à l’intérieur de la structure 10, la semelle supérieure 13a et/ou la semelle inférieure 13b peuvent être réalisées en deux parties de manière à ménager un jour de passage. Deux fixations périphériques 5a, 5b sont solidarisées à la structure 10. La fixation supérieure 5a est solidarisée à la semelle supérieure 13a et la fixation inférieure 5b à la semelle inférieure 13b. Les fixations 5a, 5b sont ainsi disposées selon le second axe B, B. La solidarisation des fixations 5a, 5b sur les semelles 13a, 13b peut par exemple être obtenue par soudage, vissage ou boulonnage. La forme des fixations 5a, 5b est complémentaire de celle des semelles 13a, 13b. Sur les figures 2 à 5, les fixations 5a, 5b se présentent sous la forme de brides plates parallélépipédiques et rigides, en acier, inox, aluminium, ou composite, obtenues par exemple par usinage. Leurs dimensions en longueur et largeur correspondent à celles des semelles 13a, 13b. Leur épaisseur peut varier de 1 cm à 10 cm.
Sur la figure 5, la fixation supérieure 5a est utilisée pour solidariser la structure 10 à la structure vibrante 2, par vissage ou boulonnage. Et la fixation inférieure 5b est utilisée pour solidariser la structure 10, également par vissage ou boulonnage.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, au moins une des fixations 5a et/ou 5b intègre une suspension élastique. Par « intégrer », on entend que la fixation 5b et la suspension 6 peuvent être deux pièces distinctes assemblées entre elles ou au contraire formées une seule et même pièce.
Sur les figures 2 à 5, c’est la fixation inférieure 5b qui intègre cette suspension 6. Celle-ci fait office d’interface entre la fixation inférieure 5b et le support 3. La fixation inférieure 5b peut être constituée par cette seule suspension 6. La suspension 6 peut toutefois être intégrée uniquement dans la fixation supérieure 5a, entre la structure vibrante 2 et ladite fixation. Les deux fixations 5a et 5b pourraient également intégrer chacune une suspension élastique. Les meilleurs résultats en termes d’amortissement sont toutefois obtenus lorsque la suspension élastique est intégrée dans la fixation 5b qui est la plus éloignée de la structure vibrante 2. Pour simplifier la conception, améliorer la robustesse et s’affranchir de solutions complexes et coûteuses, cette suspension 6 se présente préférentiellement sous la forme d’une semelle en élastomère, par exemple en caoutchouc naturel ou synthétique, dont la forme est complémentaire de celle de la fixation 5b. Sur les figures 2 à 5, elle se présente sous la forme d’une semelle parallélépipédique dont les dimensions en longueur et largeur correspondent à celles de la fixation inférieure 5b. Son épaisseur peut varier de 1 cm à 10 cm. A titre d’exemple, on utilise une semelle en caoutchouc naturel présentant une raideur de 250 kN/m et un module de Young d’environ 1.5 MPa. En pratique, la raideur de la suspension 6 est choisie en fonction de la bande de fréquences des vibrations à atténuer. L’assemblage de la semelle élastomère 6 sur la semelle 5b se fait par collage, vissage ou boulonnage. La suspension 6 peut également se présenter sous la forme d’un ou plusieurs plots en élastomères assemblés entre la fixation inférieure 5b et le support 3. La suspension 6 peut encore se présenter sous la forme d’une suspension métallique, par exemple un ressort hélicoïdal ou à lames, ou d’une suspension pneumatique ou hydraulique.
En se rapportant à la figure 5, un shunt 7 est relié à l’empilement piézoélectrique 4. Ce shunt 7 est utilisé pour modifier la raideur électrique de l’empilement 4 et de façon plus générale, pour améliorer le couplage électromécanique du système. Le couplage électromécanique traduit l’efficacité du système à la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique et inversement. Il se caractérise par un coefficient de couplage électromécanique (CCEM) pouvant se définir par le ratio ci-dessous :
Energie électrique
CCEM = -
Energie électrique + Energie mécanique où l’énergie électrique est celle produite par l'empilement 4 et l’énergie mécanique est celle appliquée à la structure flextensionnelle 10.
Le shunt 7 permet notamment de dissiper tout ou partie de l’énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur l’empilement 4 lors de la déformation de la structure 10. L’empilement 4 produit un signal électrique transmis au shunt 7. A la réception du signal, le shunt 7 fournit une résistance au signal électrique. Suite à cette résistance, l’empilement 4 résiste à la déformation de la structure 10, de sorte que sa raideur électrique est modifiée. L’empilement 4 fait alors office d'amortisseur.
La raideur électrique de l’empilement 4 (et de manière plus général le coefficient de couplage électromécanique du système) peut ainsi être modifiée en fonction de la bande de fréquences à atténuer. Les inventeurs ont pu constater que le couplage électromécanique du système était amélioré avec le shunt 7 (le coefficient CCEM du système avec shunt est supérieur au coefficient CCEM d’un système équivalent sans shunt).
Le shunt 7 peut consister une résistance électrique connectée en parallèle ou en série aux bornes de l’empilement 4, dissipant thermiquement (c’est-à-dire sous forme de chaleur) tout ou partie de l'énergie électrique. Sachant que l’empilement piézoélectrique 4 est équivalent à un condensateur électrique, on obtient un circuit électronique RC permettant de réaliser un filtre passe-bas ou passe-haut accordé sur la bande de fréquences à atténuer.
Le shunt 7 peut également consister en une résistance électrique et une inductance (bobine) connectées aux bornes de l’empilement 4 de manière à former un circuit électronique résonant RLC, parallèle ou série, accordé sur la bande de fréquences à atténuer. Ce type de shunt 7 (résistif ou résistif-inductif) est passif, stable, simple et peu encombrant. Dans une variante de réalisation, on utilise un shunt 7 à capacité négative qui améliore davantage le couplage électromécanique du système. Ce shunt 7 comporte une résistance et un condensateur négatif synthétique présentant une impédance réelle et imaginaire accordée sur la bande de fréquences à atténuer. L’impédance électrique de la capacité négative modifie la raideur de l’empilement piézoélectrique 4 pour augmenter l’amortissement et pour optimiser le couplage électromécanique du système.
Sur la figure 5, une unité de gestion électronique 70 est connectée à un accéléromètre 71 placé de manière à capter les vibrations du support 3 et/ou à un accéléromètre placé de manière à capter les vibrations de la structure vibrante 2. L’unité de gestion 70 est alors adaptée pour piloter le shunt 7 de manière à modifier la raideur électrique de l’empilement 4 en fonction des signaux émis par l’accéléromètre 71. Par exemple, le shunt 7 peut intégrer une résistance variable ou une impédance variable dont la valeur est modifiée par l’unité de gestion 70 en fonction des signaux émis par l’accéléromètre 71.
Une partie de l’énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur l’empilement piézoélectrique 4, et qui n’est pas dissipée par le shunt 7, peut servir à alimenter un ou plusieurs composants électroniques. Cette énergie électrique peut par exemple servir à alimenter l’unité de gestion 70 et/ou l’accéléromètre 71.
La figure 6 est un diagramme illustrant l’atténuation susceptible d’être obtenue avec un système d’amortissement conforme à l’invention. Les abscisses correspondent à la fréquence en Hertz des vibrations et les ordonnées correspondent à la transmissibilité en Décibels. La courbe 1 en trait pointillés reprend la courbe d’atténuation de la figure 1 (empilement piézoélectrique seul). La courbe 2 en trait plein est la courbe d’atténuation obtenue avec l’empilement piézoélectrique 4 combiné à la suspension élastique. Jusqu’à environ 50 Hz (± 10 HZ), la transmissibilité reste quasiment nulle. Comparé à la courbe 1 , le système selon l’invention permet de reculer le point d’inflexion de la courbe d’atténuation d’environ 50 dB ± 10 HZ. A partir de cette zone de fréquence, la transmissibilité devient négative, avec une atténuation de 40 dB/décade (± 10 dB/décade) jusqu’à une fréquence de 500 Hz (± 100 HZ). Aux alentours de cette fréquence, un pic de transmissibilité d’environ 20 dB apparaît, l’atténuation des vibrations étant moins importante. Le réglage du shunt 7 (par exemple la valeur de la résistance, de l’inductance ou de la capacité négative) permet toutefois de traiter et d’atténuer cette réjection. A partir de ce pic, l’atténuation est de 40 dB/décade ± 10 dB/décade à 60 dB/décade ± 10 dB/décade sur la plage de fréquences z allant de 500 Hz ± 100 HZ à 20 KHz ± 100 HZ. En résumé, le système selon l’invention permet un amortissement des vibrations sur une plage de fréquences plus large (50 Hz - 20 KHz) que celle obtenue par un empilement piézoélectrique seul (100 Hz - 20 KHz). En outre, l’atténuation des nuisances sonores est meilleure (supérieure à 40 dB/Décade).
L’agencement des différents éléments et/ou moyens et/ou étapes de l’invention, dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, ne doit pas être compris comme exigeant un tel agencement dans toutes les implémentations. En tout état de cause, on comprendra que diverses modifications peuvent être apportées à ces éléments et/ou moyens et/ou étapes, sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l’invention.

Claims

Revendications
1. Système d’amortissement passif de vibrations mécaniques générées par une structure vibrante (2) supportée par un support (3), le système comprenant un transducteur (1) interposé entre la structure vibrante et le support pour transformer l’énergie mécanique des vibrations en énergie électrique, se caractérisant par le fait que :
- le transducteur (1) comporte :
o une structure flextensionnelle (10) présentant un premier axe (A-A) et un second axe (B-B) perpendiculaires entre eux,
o des éléments piézoélectriques empilés selon le premier axe (A-A) de manière à former un empilement piézoélectrique (4), lequel empilement piézoélectrique est adapté pour produire de l’énergie électrique lorsqu’il est contraint, lequel empilement est contraint en compression par la structure flextensionnelle selon le premier axe (A-A) de sorte qu’une déformation de ladite structure modifie la contrainte en compression appliquée sur ledit empilement,
- deux fixations périphériques (5a, 5b) sont solidaires de la structure flextensionnelle (10), chacun des fixations étant disposée selon le second axe (B, B),
■ une première fixation (5a) pour la solidarisation de la structure flextensionnelle (10) à la structure vibrante (2),
■ une seconde fixation (5b) pour la solidarisation de la structure flextensionnelle (10) au support (3),
■ au moins une des fixations (5b) intègre une suspension élastique (6),
- un moyen pour modifier la raideur électrique de l’empilement piézoélectrique (4), lequel moyen est un shunt (7) relié audit empilement piézoélectrique de manière à dissiper tout ou partie de l’énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur ledit empilement piézoélectrique.
2. Système selon la revendication 1 , dans lequel la suspension élastique est intégrée dans la fixation (5b) qui est la plus éloignée de la structure vibrante (2).
3. Système selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la suspension élastique (6) est une suspension élastomère.
4. Système selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel la suspension élastique (6) est une suspension métallique ou pneumatique ou hydraulique.
5. Système selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le shunt (7) consiste en une résistance électrique connectée aux bornes de l’empilement piézoélectrique (4) de manière à dissiper thermiquement tout ou partie de l’énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur ledit empilement piézoélectrique.
6. Système selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le shunt (7) consiste en une résistance électrique et une inductance connectées aux bornes de l’empilement piézoélectrique (4) de manière à former un circuit électronique résonant RLC accordé sur une bande de fréquences à atténuer.
7. Système selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel une unité de gestion électronique (70) est connectée à un accéléromètre (71) placé de manière à capter les vibrations du support et/ou à un accéléromètre placé de manière à capter les vibrations de la structure vibrante, laquelle unité de gestion électronique pilote le shunt (7) pour modifier la raideur électrique dudit empilement piézoélectrique en fonction des signaux émis par l’accéléromètre (71).
8. Système selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel une partie de l’énergie électrique produite par la contrainte appliquée sur l’empilement piézoélectrique (4), et qui n’est pas dissipée par le shunt (7), alimente un ou plusieurs composants électroniques (70, 71).
9. Système selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la structure flextensionnelle (10) présente :
- deux embouts latéraux (12a, 12b) opposés, disposés perpendiculairement au premier axe (A-A) et symétriquement de part et d’autre du second axe (B-B),
- deux semelles transversales (13a, 13b) opposées, disposées perpendiculairement au second axe (B-B) et symétriquement de part et d’autre du premier axe (A-A) ;
- des bras longitudinaux identiques (14a, 14b, 15a, 15b) qui s’étendent selon le premier axe (A-A) et qui relient les embouts latéraux (12a, 12b) aux semelles transversales (13a, 13b).
10. Système selon la revendication 9, dans lequel les liaisons entre d’une part les bras longitudinaux (14a, 14b, 15a, 15b) et d’autre part les embouts latéraux (12a, 12b) et les semelles transversales (13a, 13b), consistent en des articulations, lesquelles articulations sont formées par des zones de moindre épaisseur (140, 150) formant charnière aménagés au niveau des extrémités de chaque bras.
11. Système selon l’une des revendications 9 ou 10, dans lequel un tampon en élastomère (8) est interposé entre les semelles transversales (13a, 13b) de manière à limiter le débattement de la structure flextensionnelle (10) selon le second axe (B-B).
12. Système selon l’une des revendications 9 à 11 , dans lequel l’empilement piézoélectrique (4) est précontraint, l’effort de précontrainte appliqué sur ledit empilement étant produit :
- par la coopération d’une tige (40) installée selon le premier axe (A-A) et sur laquelle est monté l’empilement piézoélectrique (4), avec des éléments de visserie (40a, 40b) installés dans la structure flextensionnelle (10), ou
- directement par la structure flextensionnelle (10).
13. Procédé pour amortir des vibrations mécaniques d’un moteur d’essuie- glace (2) d’un véhicule automobile, lequel moteur est supporté par un support (3), ledit procédé consistant à utiliser le système d’amortissement selon la revendication 1 en interposant le transducteur (1) entre ledit moteur d’essuie-glace et ledit support.
14. Procédé pour amortir des vibrations mécaniques générées par une structure vibrante (2) supportée par un support (3), ledit procédé comprenant les étapes consistant à :
- utiliser le système d’amortissement selon la revendication 1 en interposant le transducteur (1) entre ladite structure vibrante et ledit support,
- modifier la raideur électrique de l’empilement piézoélectrique (4) au moyen du shunt (7), en fonction de la bande de fréquences à atténuer.
15. Procédé pour amortir des vibrations mécaniques sur une bande de fréquences de 50 Hz ± 10 HZ à 20 KHz ± 100 HZ, lesquelles vibrations sont générées par une structure vibrante (2) supportée par un support (3), ledit procédé consistant à utiliser le système d’amortissement selon la revendication 1 en interposant le transducteur (1) entre ladite structure vibrante et ledit support.
16. Procédé pour amortir des vibrations mécaniques, avec une atténuation de 40 dB/décade ± 10 dB/décade à 60 dB/décade ± 10 dB/décade, sur une bande de fréquences allant de 500 Hz ± 100 HZ à 20 KHz ± 100 HZ, lesquelles vibrations sont générées par une structure vibrante (2) supportée par un support (3), ledit procédé consistant à utiliser le système d’amortissement selon la revendication 1 en interposant le transducteur (1) entre ladite structure vibrante et ledit support.
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