FR2845744A1 - Dispositif et procede pour l'attenuation, voire l'annulation, des vibrations transmises par un moteur au chassis d'un vehicule - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un dispositif pour l'atténuation, voire l'annulation, des vibrations transmises par un moteur au châssis d'un véhicule, comportant n capteur(s) de vibration, n étant supérieur ou égal à 1, une pluralité de moteurs (5) équipés de masses excentrées (6), un moyen de commande desdits moteurs (5), caractérisé en ce que le nombre des susdits moteurs (5) est égal à 2n et qu'ils sont associés par paire, chaque paire étant également associée à au moins un capteur.
Description
DISPOSITIF ET PROC D POUR L'ATT NUATION, VOIRE
L'ANNULATION, DES VIBRATIONS TRANSMISES PAR UN MOTEUR AU CH SSIS D'UN VEHICULE
La présente invention concerne un dispositif et un
procédé pour l'atténuation, voire l'annulation, des vibrations transmises par un moteur au châssis d'un véhicule. Elle s'applique en particulier, mais non exclusivement, aux moteurs thermiques des véhicules 10 automobiles.
Les groupes motopropulseur des automobiles ou des véhicules motorisés actuels génèrent, dans une gamme de fréquence relativement large, des bruits dus aux vibrations 15 transmises entre le moteur du véhicule et son châssis. De manière commune, cette plage de fréquence, définie entre 25 et 200 Hz, est dénommée "bourdonnement" à cause de l'inconfort acoustique qu'elle crée dans l'habitacle du véhicule. L'art antérieur connaît déjà la production de vibrations par la mise en mouvement de masses excentrées dans les procédures de fabrications, les chaînes de montage/assemblage. Cette technique est ainsi décrite pour 25 des tables vibrantes destinées à la fabrication de briques, comme cela est divulgué dans le brevet européen NO
EP 0999020.
Dans le domaine de la compensation de vibrations, 30 les applications peuvent être l'isolation vibratoire des pales de rotor d'hélicoptère, divulguée dans le brevet européen NOEP 0840191, ou également l'équilibrage des vibrations dans un moteur de véhicule automobile, tel que
décrit dans la demande de brevet allemand NO DE 4006945.
On connaît également la demande de brevet européen NO EP 0337040 qui évoque des solutions pour la compensation de forces ou de couples vibratoires. Ainsi, ce dispositif 5 pour compenser une force vibratoire F créée par un corps comporte quatre masselottes tournantes, excentrées, situées dans un même plan P contenant le centre de gravité dudit corps vibrant, chaque masselotte étant entraînée par un moteur électrique, les axes de rotation des masselottes 10 étant parallèles, perpendiculaires au plan P et liés audit corps, les quatre masselottes comprenant une première paire de masselottes tournant en sens inverse l'une par rapport à l'autre. Les solutions divulguées dans les documents cidessus peuvent donner satisfaction dans leur application particulière, mais il n'existe aucun système ou dispositif performant apte à atténuer, voire même supprimer, le bourdonnement généré par les vibrations existant entre le 20 moteur et le châssis d'une automobile ou d'un véhicule motorisé. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer cette lacune. Elle propose à cet effet un 25 dispositif pour l'atténuation, voire l'annulation, des vibrations transmises par un moteur au châssis d'un véhicule, comportant n capteur(s) de vibration, n étant supérieur ou égal à 1, une pluralité de moteurs équipés de masses excentrées, un moyen de commande desdits moteurs, 30 caractérisé en ce que le nombre des susdits moteurs est égal à 2n et qu'ils sont associés par paire, chaque paire
étant également associée à au moins un capteur.
Grâce à ces particularités, l'invention permet donc de compenser les nuisances de plusieurs composantes spatiales selon le nombre de capteurs de vibrations du dispositif. Notamment, grâce à l'invention, il est 5 dorénavant possible de compenser les deux composantes, résidus de filtrage des supports de moteur, issues des
perturbations des mouvements du groupe motopropulseur.
Par ailleurs, comparativement aux principes des 10 supports moteur actifs, ce dispositif est plus simple à
mettre en place car il n'est pas intégré au support qui comporte de nombreux éléments aux comportements non linéaires, tels que les fluides, les caoutchoucs, les colonnes, etc.... Il s'agit ici d'un dispositif présentant 15 une structure autonome.
De préférence, le dispositif de l'invention comprendra deux capteurs de vibration et quatre moteurs équipés de masses excentrées. 20 Avantageusement, le(s) capteur(s) de vibration sera
un capteur accélérométrique ou un microphone.
De la même manière, le(s) capteur(s) de vibration 25 et/ou les susdits moteurs sera/seront situé(s) sur la caisse d'un véhicule, par exemple à la base d'un ou des
supports du moteur.
Selon un aspect de l'invention, la fréquence des 30 vibrations atténuées par ledit dispositif sera comprise
entre 25 et 200 Hz.
Selon une possibilité offerte par l'invention, les susdits moteurs seront de type électromagnétique, de
préférence des moteurs à courant continu sans balai.
Avantageusement, les moteurs comporteront un
capteur angulaire, par exemple de type codeur.
Selon un mode d'exécution, les susdits moteurs associés en paire seront placés contigus l'un par rapport à 10 l'autre. Selon un autre mode d'exécution, les susdits moteurs associés en paire sont placés à distance l'un de l'autre. Par ailleurs, selon un aspect de l'invention, les 15 susdits moteurs seront aptes à générer des forces
coplanaires, c'est-à-dire suivant des plans parallèles.
De la même manière, le moyen de commande agira comme une commande multivariables à boucle fermée. 20 Selon une possibilité offerte par l'invention, les
moteurs seront fixés de manière rigide sur la caisse, par exemple par vissage, ou seront fixés suspendus, via une interface par exemple en caoutchouc, de manière à profiter 25 d'une amplification à la résonance de la suspension.
La présente invention se rapporte également à un procédé pour l'atténuation, voire l'annulation, des vibrations transmises par un moteur au châssis d'un 30 véhicule, comportant n capteur(s) de vibration, n étant supérieur ou égal à 1, 2n moteurs équipés de masses excentrées et comportant chacun un capteur angulaire, un moyen de commande desdits moteurs, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - création d'un signal de référence basé sur le régime du moteur du véhicule, par exemple les signaux des "Point Mort Haut" issus du calculateur du moteur, - extraction des valeurs de la nuisance à la 5 fréquence du moteur du véhicule à partir des signaux des capteurs de vibrations, - comparaison entre les valeurs issues de l'extraction et celles obtenues avec la seule utilisation des moteurs à balourd; cette comparaison fournissant une 10 estimation de la nuisance des vibrations à atténuer, - calcul des consignes angulaires à fournir aux
susdits capteurs angulaires des moteurs.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la 15 description, faite ciaprès à titre purement explicatif,
d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées: - la figure 1 illustre un schéma bloc représentant 20 l'implantation du dispositif selon l'invention dans un groupe motopropulseur; - la figure 2 illustre une vue en perspective d'un moteur équipé de masses excentrées et comportant un capteur 25 angulaire; - les figures 3 à 5 illustrent différentes vues du dispositif de l'invention dans lequel sont présents quatre moteurs équipés chacun d'une masse excentrée 30 - la figure 6 illustre le fonctionnement d'un ensemble de deux moteurs, équipés de masses excentrées, selon l'invention; - la figure 7 illustre, tout comme la figure 6, le fonctionnement du dispositif selon l'invention dans le cas
o il comprend quatre moteurs.
La présente invention a pour objet de mettre en oeuvre le principe de mise en mouvement de masses excentrées pour la compensation des efforts vibratoires transmis depuis le moteur d'un véhicule vers son châssis. Ainsi, La plage de fréquence plus particulièrement ciblée, mais non 10 exclusive, est comprise entre 25 et 200 Hz, plus communément dénommée "bourdonnement" à cause de l'inconfort
acoustique qu'elle crée dans l'habitacle du véhicule.
Comme illustré sur la figure 1, des capteurs de 15 vibrations 1, de préférence accélérométriques, sont placés sur le châssis 2, ou la caisse, du véhicule au plus prés de la nuisance vibratoire à annihiler, par exemple à la base du ou des supports 3 de moteur. La nuisance à atténuer, ou à éliminer, est donc le résidu de vibration que les 20 supports 3 de moteur ne peuvent pas filtrer. Ce résidu a une forme sinusodale de fréquence identique à celle du
régime du Groupe MotoPropulseur 4 (GMP).
Contrairement aux applications usuelles des moteurs 25 à balourd, dans le dispositif de la présente invention, la perturbation n'est pas un couple mais une force de direction et d'amplitude faiblement variables avec le régime du GMP 4. On peut quantifier cette nuisance à l'aide de modèles ou de mesures sur le ou les supports 3 de 30 moteur. Durant les mesures sur banc d'expérimentation, il est aussi possible d'obtenir une estimation de cette nuisance sous forme d'efforts transmis. Ces valeurs seront utiles pour un pré-dimensionnement des caractéristiques des balourds. Chaque masse excentrée 6 est mise en mouvement par son propre moteur électromagnétique 5, ou électrique, comportant un capteur angulaire 7. Dans la suite, on pourra 5 éventuellement désigner l'ensemble moteur 5 / capteur 1 par
l'expression "moteur à balourd".
L'annulation, ou l'atténuation, de la mesure d'un capteur de vibration 1 nécessite une action combinée de 10 deux moteurs à balourds. Les moteurs à balourd seront donc placés par paires: pour n capteurs 1 on aura donc 2n
moteurs 5.
Durant le fonctionnement, on préférera utiliser des 15 capteurs de vibrations 1 de type accéléromètre facilement intégrables dans un véhicule et tout aussi représentatifs
de la nuisance.
Les moteurs 5 sont de type électromagnétique avec 20 une préférence pour les moteurs à courant continu sans
balai qui ont un bon rendement, une bonne montée en régime et des dimensions compactes. Les moteurs 5 peuvent être indifféremment à rotor intérieur ou rotor extérieur, sachant que dans l'exemple choisi pour illustrer 25 l'invention il s'agit d'un rotor extérieur.
Bien entendu, les moteurs 5 sont choisis en sorte qu'il puissent mettre en mouvement leur masse excentrée 6 dans la plage de fonctionnement. Ils seront ensuite placés 30 judicieusement de manière à générer des forces coplanaires
annulant les principales vibrations perturbatrices.
Chacun des moteurs 5 présents dans le système possède son propre capteur de position angulaire 7 intégré, donnant au maximum un top par tour. Dans l'exemple choisi pour illustrer l'invention, ce capteur est un codeur de 500 points par tour avec un top de référence pour la mesure angulaire. Par ailleurs, on a choisi d'illustrer la masse excentrée, ou balourd, sous la forme d'un secteur
angulaire, comme cela est visible sur les figures 2 à 5.
Quelle que soit la solution mécanique choisie pour créer ce balourd, les paramètres caractéristiques sont les suivants: - la masse: m, - la distance entre le centre d'inertie de la masse 15 et le centre de rotation: r, - la position angulaire du centre d'inertie par rapport à un repère commun: a, - la vitesse de rotation:, - le sens de rotation par rapport à un repère 20 commun:; avec e = 1 pour le sens trigonométrique et e =
-1 pour le sens inverse.
Pour le dimensionnement de ces paramètres, on peut prendre pour hypothèse que la nuisance à annuler est un 25 effort d'amplitude constante F. La force radiale générée par chacun des balourds k est donné par la relation Fk= mk rk W2. partir de ces informations, il est alors possible de calculer les mk et rk. pour compenser cette force dans la plage de fonctionnement. 30 Pour plus de simplicité de calcul et de réalisation, on pourra prendre comme hypothèse que les valeurs des mk et rksont identiques pour tous les moteurs à balourd. Les valeurs des ak, úk et sont issues du moyen de commande 8 qui contrôle le fonctionnement global du système. Pour un bon fonctionnement du système, il faut 5 placer les moteurs 5 de manière à générer des forces
coplanaires, c'est-à-dire suivant des plans parallèles.
Comme illustré sur les figures 3 à 5, le dispositif selon l'invention comportera idéalement un ensemble de 10 quatre moteurs 5 qui permettent de compenser au mieux les
perturbations présentes à la base d'un support 3. Dans ce cas, il est généré des efforts dans un même plan, comme illustré sur la figure 3, ou dans des plans parallèles, comme illustré sur les figures 4 et 5, afin d'avoir un gain 15 de place.
Une fois le nombre de moteurs 5 du système choisi, ils sont assemblés dans un boîtier rigide et fixé à la
caisse 2 du véhicule.
Dans le dispositif selon l'invention, le moyen de commande 8 pilote l'ensemble des moteurs 5 de manière à atténuer au mieux les valeurs issues des capteurs de
vibrations 1.
La stratégie de commande est séparée en deux parties complémentaires: - au niveau de chacun des moteurs 5, un asservissement de position est créé à partir du capteur de
position 7.
- de manière générale, une commande multivariables donnant une consigne de position angulaire pour chacun des moteurs 5 dans le but de minimiser les valeurs issues des
capteurs de vibrations 1.
En ce qui concerne l'asservissement de position, la
structure pourra être similaire pour chacun des moteurs 5.
Le choix des valeurs des régulateurs respectifs sera adapté à chacun des moteurs 5. La boucle de régulation de position 5 assure un suivi performant de la consigne de position angulaire et pourra éventuellement être agrémentée de
boucles internes (intensité électrique, vitesse,...).
Plus précisément, la construction de la consigne de 10 position pour chacun des moteurs 5 suit la logique suivante - création d'un signal de référence basé sur le régime du GMP 4, par exemple les signaux des "Point Mort Haut" issus du calculateur du moteur, - Extraction à partir des signaux des capteurs de vibrations 1 du gain complexe par rapport au signal de référence, - Comparaison entre les valeurs précédentes et ce qu'on aurait d obtenir avec la seule action des moteurs à 20 balourd. On utilise alors les modèles des transferts des moteurs entre les consignes angulaires et les mesures des capteurs de vibrations 1, cette comparaison fournissant une estimation de la nuisance qu'on cherche à annuler, Calcul des consignes angulaires nécessaires afin 25 d'annuler la nuisance estimée, par inversion des susdits modèles. Le moyen de commande 8 fournit une information sur
l'alimentation des moteurs en fonction des informations 30 recueillies.
Si on considère, par exemple, un ensemble minimal composé d'un capteur 1 et deux moteurs 5, le comportement sera alors le suivant: La mesure du capteur 1 étant mono-axiale (axe Z) on cherche à générer avec les deux moteurs 5 une force résultante suivant cet axe qui annulerait la mesure. Si on 5 se place dans la configuration représentée sur la figure 6, on aurait alors: +e a] +a2 1 OSl- E a Fx(t) = 2mrw2 cos(, - + t)cos( - + t+ a2)
2 2 2 2
Fz(t) = 2mr2 sin( +e t + a2)cos( - Eo + - a2)
2 2 2 2
Il est possible d'annuler la mesure lorsque les deux moteurs 5 tournent dans le même sens, c'est-à-dire 10 lorsque ú, = ú2 = 1 ou -1. Si l'on considère ú, = ú2 = 1, l'équation s'écrit alors: Fx(t) = 2mrO2 cos( a + a2) Cos(a - 2 2
2 2
Fz(t) = 2mro2 sin(y a+ (2)COS(ai - a2)
2 2
D'o, si on désire avoir une force résultante 15 sinusodale suivant l'axe du capteur d'amplitude désirée, égale et opposée à la nuisance, le déphasage angulaire entre les moteurs 5 sera ajusté suivant la fréquence en posant aX = - a2 et 2mr02cos(cl) égal à l'effort de perturbation. Si on se place dans le cadre de la configuration du dispositif selon l'invention représentée sur la figure 7, avec deux capteurs de vibrations 1 et quatre moteurs 5, les capteurs 1 peuvent être orientés indifféremment dans un 25 plan parallèle à celui formé par les efforts générés par les balourds. On aura alors la création de deux forces résultantes issues de chacune des deux paires de balourds, Fi et F2. Afin de créer une force résultante totale variable qui puisse annuler les mesures des capteurs de vibrations 1, on démontre qu'il est nécessaire que la paire de balourds tourne en sens inverse de l'autre paire de balourds. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre
d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour 10 autant sortir du cadre du brevet.
Claims (14)
1. Dispositif pour l'atténuation, voire l'annulation, des vibrations transmises par un moteur au 5 châssis d'un véhicule, comportant n capteur(s) de vibration (1), n étant supérieur ou égal à 1, une pluralité de moteurs (5) équipés de masses excentrées (6), un moyen de commande (8) desdits moteurs (5), caractérisé en ce que le nombre des susdits moteurs (5) est égal à 2n et qu'ils sont 10 associés par paire, chaque paire étant également associée à
au moins un capteur (1).
2. Dispositif selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'il comprend deux capteurs de vibration 15 (1) et quatre moteurs (5) équipés de masses excentrées (6).
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le(s) capteur(s) de vibration (1) est un capteur accélérométrique ou un microphone. 20
4. Dispositif selon la revendication 1,
caractérisé en ce que le(s) capteur(s) de vibration (1) et/ou les moteurs (5) est/sont situé(s) sur la caisse (2) d'un véhicule, par exemple à la base d'un ou des supports 25 (3) du moteur.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence des vibrations atténuées
par ledit dispositif est comprise entre 25 et 200 Hz.
6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits moteurs (5) sont de type électromagnétique, de préférence des moteurs à courant
continu sans balai.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moteurs (5) comporte un capteur
angulaire (7).
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits moteurs (5) associés en
paire sont placés contigus l'un par rapport à l'autre.
9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits moteurs (5) associés en
paire sont placés à distance l'un de l'autre.
10. Dispositif selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce que les moteurs (5) sont aptes à générer des forces coplanaires, c'est-à-dire suivant des plans parallèles.
11. Dispositif selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que le moyen de commande (8) agit comme
une commande multivariables à boucle fermée.
12. Dispositif selon les revendications 1 et 4,
caractérisé en ce que les moteurs (5) sont fixés de manière 25 rigide sur la caisse, par exemple par vissage.
13. Dispositif selon les revendications 1 et 4,
caractérisé en ce que les moteurs (5) sont fixés suspendus, via une interface par exemple en caoutchouc, de manière à 30 profiter d'une amplification à la résonance de la suspension.
14. Procédé pour l'atténuation, voire l'annulation, des vibrations transmises par un moteur au châssis d'un véhicule, comportant n capteur(s) de vibration (1), n étant supérieur ou égal à 1, 2n moteurs (5) équipés de masses excentrées (6) et comportant chacun un capteur angulaire, un moyen de commande (8) desdits moteurs (5), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - création d'un signal de référence basé sur le régime du moteur du véhicule, par exemple les signaux des "Point Mort Haut" issus du calculateur du moteur, - extraction des valeurs de la nuisance à la 10 fréquence du moteur du véhicule à partir des signaux des capteurs de vibrations (1), - comparaison entre les valeurs issues de l'extraction et celles obtenues avec la seule utilisation des moteurs à balourd; cette comparaison fournissant une 15 estimation de la nuisance des vibrations à atténuer, - calcul des consignes angulaires à fournir aux
susdits capteurs angulai.res des moteurs (5).
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