FR3037184A1 - Procede de calcul de la position angulaire d’une machine hydraulique pour reduire les emissions sonores - Google Patents

Abstract

Procédé de calcul de la position angulaire autour de son axe principal de rotation d'une machine hydraulique (1) fixée sur une structure, comprenant des pistons (16) disposés parallèlement à l'axe principal (Z), ce procédé comportant pour la machine (1) fixée sur sa structure, une étape de définition d'un critère d'optimisation de la prestation acoustique pour un fonctionnement dans une plage de fréquence critique, une étape d'établissement de la fonction de transfert entre le fonctionnement de la machine et la réponse du critère d'optimisation, une étape de balayage en fréquence de l'excitation avec la fonction de transfert pour différentes positions angulaires de la machine, et enfin une étape de sélection de la position angulaire donnant la réponse du critère d'optimisation globalement la meilleure pour la plage de fréquence critique.

Description

1 PROCEDE DE CALCUL DE LA POSITION ANGULAIRE D'UNE MACHINE HYDRAULIQUE POUR REDUIRE LES EMISSIONS SONORES La présente invention concerne un procédé de calcul du positionnement angulaire d'une machine hydraulique à pistons axiaux sur une structure, en particulier sur un groupe motopropulseur d'un véhicule automobile. Un type de machine hydraulique à barillet connu, présenté notamment par le document US-A-5358388, comporte un arbre d'entrée motorisé qui entraîne en rotation un barillet disposant de cylindres parallèles à l'axe répartis autour de cet arbre. Chaque cylindre reçoit un piston prenant appui axialement d'un côté sur un plateau inclinable fixe en rotation, par l'intermédiaire d'un roulement formant une butée axiale. Un tour de rotation du barillet donne à chaque piston un mouvement suivant un cycle complet comprenant une course dépendant de l'angle d'inclinaison du plateau, qui est réglable par une commande d'inclinaison. On peut aller ainsi d'une cylindrée nulle avec le plateau inclinable perpendiculaire à l'arbre, à une cylindrée maximale avec la plus forte inclinaison de ce plateau.

Les machines hydrauliques de ce type émettent en fonctionnement des vibrations qui posent des problèmes acoustiques. En particulier pour les véhicules hybrides comportant une ou plusieurs machines hydrauliques fixées sur le groupe motopropulseur, on constate que les différentes vibrations générées par ces machines constituent des excitations transmises par l'environnement, qui génèrent suivant les fréquences des bruits affectant le confort du véhicule. Il en est de même pour d'autres types de pompe hydraulique fixés sur les groupes motopropulseur de véhicules, et comprenant des pistons axiaux répartis autour de l'arbre, comme les compresseurs de climatisation, qui posent des problèmes vibratoires et acoustiques.

3037184 2 En particulier les machines hydrauliques de ce type génèrent un couple d'excitation suivant son axe principal de rotation, qui correspond au couple d'entraînement de cette machine. Ces machines hydrauliques génèrent aussi des couples dynamiques 5 d'excitation suivant des axes disposés dans le plan perpendiculaire à l'axe principal, venant des variations de pression dans les cylindres en fonction de leur ouverture vers l'admission ou l'échappement. Ces couples dynamiques donnent des vibrations dépendant du nombre de pistons de la machine et de sa vitesse de rotation, qui sont transmises au milieu solide supportant ces 10 machines, ou directement par voie aérienne. La présente invention a notamment pour but à partir de machines hydrauliques existantes, de trouver un positionnement de montage de ces machines qui réduise leurs émissions acoustiques. Elle propose à cet effet un procédé de calcul de la position angulaire 15 autour de son axe principal de rotation d'une machine hydraulique fixée sur une structure, comprenant des pistons disposés parallèlement à l'axe principal, ce procédé comportant successivement pour la machine fixée sur la structure, une étape de définition d'un critère d'optimisation de la prestation acoustique pour un fonctionnement dans une plage de fréquence 20 critique, une étape d'établissement de la fonction de transfert entre le fonctionnement de la machine et la réponse du critère d'optimisation, une étape de balayage en fréquence de l'excitation avec la fonction de transfert pour différentes positions angulaires de la machine, et enfin une étape de sélection de la position angulaire donnant la réponse du critère d'optimisation 25 globalement la meilleure pour la plage de fréquence critique identifiée. Un avantage de ce procédé de calcul est que grâce à la fonction de transfert qui peut être modélisée à partir d'une simulation ou à partir d'une série de mesures physiques, on obtient un outil permettant d'analyser simplement et rapidement la réponse du critère d'optimisation pour un grand 30 nombre de positions angulaires de la machine hydraulique, ce qui permet de 3037184 3 déterminer de manière économique la meilleure position angulaire de cette machine. Le procédé de calcul de la position angulaire selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent 5 être combinées entre elles. En particulier le critère d'optimisation de la prestation acoustique peut concerner l'émission de bruits aériens générés par la machine hydraulique. Avantageusement, le critère d'optimisation défini est la puissance des vibrations injectées par la machine hydraulique sur la structure. Ce critère 10 permet de s'affranchir de l'identification de la zone d'émission sonore. Selon un mode de réalisation, la fonction de transfert est établie par une simulation du fonctionnement de la machine hydraulique fixée sur la structure. Dans ce cas la simulation de fonctionnement de la machine hydraulique 15 utilise avantageusement un modèle de la structure construit par éléments finis. Avantageusement, l'étape de balayage en fréquence de l'excitation et le traitement des résultats sont mis en oeuvre avec un calcul numérique utilisant un langage de programmation du type « Matrix Laboratory ».

20 En particulier, le procédé peut calculer la position angulaire d'une machine hydraulique fixée sur le groupe motopropulseur d'un véhicule automobile. On améliore ainsi de manière économique le confort du véhicule en gardant une même machine hydraulique. La machine hydraulique peut être notamment une machine de traction 25 d'un véhicule hybride, ou un compresseur de climatisation du véhicule L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : 30 - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une machine hydraulique à pistons axiaux ; 3037184 4 - la figure 2 présente une machine hydraulique formant un compresseur de climatisation, fixé sur un groupe motopropulseur ; - la figure 3 comporte deux graphiques présentant les décompositions harmoniques des moments générés par une machine hydraulique d'un 5 véhicule hybride, suivant deux axes perpendiculaires à l'axe principal de rotation ; - la figure 4 est un graphique présentant pour cette machine l'étape du procédé de calcul selon l'invention, comprenant la mesure de la puissance injectée pour un balayage de l'excitation, suivant différentes positions 10 angulaires de la machine ; - la figure 5 est un graphique présentant l'étape suivante du procédé de calcul, comprenant la sélection de la position angulaire en fonction du niveau du critère d'optimisation ; et - la figure 6 est un schéma du groupe motopropulseur vu de côté, 15 présentant l'orientation retenue de la machine hydraulique. La figure 1 présente une machine hydraulique 1 pouvant tourner dans les deux sens de rotation, comprenant un corps globalement cylindrique 2 fermé axialement par un couvercle 4, du côté arrière indiqué par la flèche notée « AR ». Le corps 2 et le couvercle 4 supportent chacun un roulement à 20 rouleaux 30, 32 qui guide un arbre d'entrée 6 disposé suivant l'axe Z de ce corps. Un barillet 12 lié en rotation à l'arbre d'entrée 6, comporte neuf cylindres 14 disposés parallèlement à l'axe, qui sont régulièrement répartis autour de cet axe.

25 Chaque cylindre 14 contient un piston 16 dont l'extrémité avant prend appui par une butée axiale 18 sur un plateau inclinable 20 qui peut pivoter autour d'un axe X perpendiculaire à l'arbre d'entrée 6, sous l'effet d'un vérin hydraulique de commande 22 et d'un ressort de rappel 26. La face arrière du barillet 12 prend appui sur une platine circulaire 30 transversale 24 maintenue par le couvercle 4, pour fermer l'ouverture arrière des cylindres 14. La platine 24 comporte un collecteur basse pression et un 303 71 84 5 collecteur haute pression formant chacun un arc de cercle couvrant un peu moins de la moitié des positions des cylindres 14. La machine hydraulique 1 pouvant fonctionner en moteur ou en pompe pour la traction du véhicule hybride, est prévue pour être fixée de manière 5 rigide sur une transmission liée à un moteur thermique de ce véhicule. On peut en particulier disposer deux machines hydrauliques sur la transmission, pour obtenir différents modes de fonctionnement améliorant les performances et réduisant la consommation d'énergie. Par convention on définit un repère orthonormé sur la machine 10 hydraulique, comprenant un centre O qui est à l'intersection de l'axe principal de rotation Z et de l'axe de pivotement X du plateau inclinable 20, l'axe Y étant le troisième axe complémentaire. La figure 2 présente une machine hydraulique 1 formant un compresseur de climatisation fixé sur la face avant d'un moteur thermique 15 40, qui est entraînée par une courroie 42 passant autour d'une poulie 44 fixée sur l'avant du vilebrequin, d'une poulie d'un alternateur 46 et d'une poulie d'une pompe à vide 48. D'une manière générale les machines hydrauliques peuvent comporter une cylindrée fixe ou variable.

20 Lors de leur fonctionnement, les machines hydrauliques à pistons axiaux génèrent des excitations venant des couples de réaction qui peuvent être décomposés suivant les trois axes du repère orthonormé. Ces excitations proviennent notamment des variations de pression appliquées sur les pistons, en fonction de la position de ces pistons.

25 Ces excitations dépendant du nombre de pistons de la machine et de sa vitesse de rotation, comportent une fréquence fondamentale donnée directement par le nombre de pistons, et des harmoniques multiples de cette fréquence fondamentale. La machine hydraulique génère des bruits transmis de différentes manières, notamment par émission aérienne, et par 30 transmission solide sur la structure qui la supporte.

3037184 6 La figure 3 présente la mesure de la composante dynamique du moment d'excitation suivant l'axe X « Mx » pour le premier graphique 50 et l'axe Y « My » pour le deuxième graphique 52, en fonction de la fréquence de rotation de la machine exprimée en Hertz. Cette composante du moment 5 d'excitation est indiquée pour la fréquence fondamentale H9, et pour la première H18, la deuxième H27, la troisième H36, la quatrième H45 et la cinquième harmonique H54. On constate que le moment d'excitation suivant l'axe X correspondant à l'axe de pivotement du plateau inclinable de la machine hydraulique, reste 10 toujours très faible pour toutes les fréquences, alors qu'il est nettement plus élevé suivant l'axe perpendiculaire Y. On a donc une absence de symétrie de ce moment d'excitation autour de l'axe principal de rotation Z. La réponse vibro-acoustique à ce moment d'excitation de la structure formée par le groupe motopropulseur sur lequel est fixée la machine hydraulique, ne sera 15 pas la même suivant l'orientation de cette machine autour de son axe principal. Le procédé suivant l'invention de calcul de la position angulaire de la machine hydraulique autour de son axe principal Z, comporte les étapes suivantes réalisées successivement.

20 Une première étape comporte l'identification de la prestation vibro- acoustique cible comprenant une voie particulière de transmission sonore, pour la machine hydraulique fixée sur sa structure. Dans cet exemple on choisit le rayonnement acoustique par voie aérienne du groupe motopropulseur soumis à l'excitation de la machine. On peut en variante 25 choisir une transmission sonore par voie solide, par exemple appliquée sur la caisse du véhicule. Une étape suivante comporte la définition d'un critère d'optimisation de la prestation acoustique pour la voie identifiée, et pour une plage de fréquence critique.

30 Le critère d'optimisation peut être en particulier la puissance injectée par la machine hydraulique sur la structure, qui est le produit de l'effort 3037184 7 appliqué sur cette structure par la vitesse de déplacement du point où est appliqué cet effort. La puissance injectée représente la capacité de la structure à absorber l'énergie de l'excitation, sans présumer de la manière dont cette structure va restituer l'excitation reçue. En pratique la puissance 5 injectée sur la structure est proportionnelle au risque vibro-acoustique, l'objectif est de réduire cette puissance injectée sur la plage de fréquence à traiter. Le choix de la puissance injectée comme critère d'optimisation a pour avantage de s'affranchir de l'identification de la zone d'émission acoustique, 10 ce qui simplifie la mise en oeuvre du procédé. Une étape suivante comporte la construction de la fonction de transfert entre la machine hydraulique représentant la source d'excitation, et le critère d'optimisation défini qui est la réponse de cette structure. Dans cet exemple la fonction de transfert a été établie par une 15 simulation, en utilisant un modèle réalisé par éléments finis du groupe motopropulseur complet. En variante on peut établir la fonction de transfert par une succession de mesures physiques. L'étape suivante comporte avec la fonction de transfert un balayage en fréquence de l'excitation sur la plage de fréquence à traiter, pour différentes 20 positions angulaires de la machine autour de son axe principal Z. La figure 4 présente les résultats donnés par la fonction de transfert, indiquant en fonction de la vitesse de rotation de la machine hydraulique la puissance injectée par cette machine exprimée en Watt, en fonction de la fréquence de rotation de la machine exprimée en Hertz, pour différentes 25 positions angulaires de cette machine. Dans cet exemple le balayage en fréquence de l'excitation et le traitement des résultats sont réalisés avec un calcul numérique utilisant un langage de programmation appelé « Matrix Laboratory » ou « MatLab », qui convient bien pour cette application.

30 On obtient différentes courbes de puissance injectée correspondant à neuf calages angulaires particuliers de la machine hydraulique autour de son 3037184 8 axe principal. Le calage angulaire correspondant à l'angle entre l'axe Y de la machine hydraulique et un axe horizontal du groupe motopropulseur, va de 0° à 180° avec un pas constant de 22,5°. La plage de fréquence critique identifiée est l'octave autour des 500Hz 5 ainsi que l'octave autour des 1000Hz. La figure 5 présente pour les différentes octaves, la valeur moyenne de la puissance injectée en fonction de chaque calage angulaire de la machine hydraulique, calculée à partir des courbes données par la fonction de transfert.

10 L'étape suivante comporte la sélection de la position angulaire donnant la réponse du critère d'optimisation globalement la meilleure pour la plage de fréquence critique identifiée. On constate que pour l'octave 500 et l'octave 1000, la courbe de puissance injectée globalement la plus basse est la courbe 60 présentée 15 figure 4, correspondant à un calage angulaire de 67,5°. La figure 6 présente le groupe motopropulseur vu dans l'axe du vilebrequin de centre O', formant une structure porteuse comportant une transmission 70 accouplée au moteur thermique 40, recevant la machine hydraulique 1 comprenant le centre O disposé sur son axe de rotation.

20 Suivant le calcul réalisé avec le procédé selon l'invention, on dispose l'axe Y perpendiculaire à l'axe X de pivotement du plateau incliné, suivant un angle de 67,5° par rapport à l'axe horizontal H. On obtient ainsi sans modifier la machine hydraulique ni sa position sur le groupe motopropulseur, avec un choix simple et rapide de sa position 25 angulaire qui peut être fait sans augmenter les coûts, le meilleur résultat acoustique possible. On évite ainsi dans certains cas des actions complémentaires de réduction des émissions sonores entraînant des coûts, comme des renforts ajoutés ou intégrés sur les carters supportant la machine hydraulique pour les rigidifier, ou des éléments complémentaires d'isolation 30 comme des capotages acoustiques.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS1 - Procédé de calcul de la position angulaire autour de son axe principal de rotation d'une machine hydraulique (1) fixée sur une structure, comprenant des pistons (16) disposés parallèlement à l'axe principal (Z), caractérisé en ce qu'il comporte successivement pour la machine (1) fixée sur la structure, une étape de définition d'un critère d'optimisation de la prestation acoustique pour un fonctionnement dans une plage de fréquence critique, une étape d'établissement de la fonction de transfert entre le fonctionnement de la machine et la réponse du critère d'optimisation, une étape de balayage en fréquence de l'excitation avec la fonction de transfert pour différentes positions angulaires de la machine, et enfin une étape de sélection de la position angulaire donnant la réponse du critère d'optimisation globalement la meilleure pour la plage de fréquence critique identifiée.
2. 2 - Procédé de calcul selon la revendication 1, caractérisé en ce que le critère d'optimisation de la prestation acoustique concerne l'émission de bruits aériens générés par la machine hydraulique (1).
3. 3 - Procédé de calcul selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le critère d'optimisation défini est la puissance des vibrations injectées par la machine hydraulique (1) sur la structure.
4. 4 - Procédé de calcul selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction de transfert est établie par une simulation du fonctionnement de la machine hydraulique (1) fixée sur la structure.
5. 5 - Procédé de calcul selon la revendication 4, caractérisé en ce que la simulation de fonctionnement de la machine hydraulique (1) utilise un modèle de la structure construit par éléments finis.
6. 6 - Procédé de calcul selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape de balayage en fréquence de l'excitation et le traitement des résultats sont mis en oeuvre avec un calcul 3037184 10 numérique utilisant un langage de programmation du type « Matrix Laboratory ».
7. 7 - Procédé de calcul selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il calcule la position angulaire d'une 5 machine hydraulique (1) fixée sur le groupe motopropulseur d'un véhicule automobile.
8. 8 - Procédé de calcul selon la revendication 7, caractérisé en ce que la machine hydraulique (1) est une machine de traction d'un véhicule hybride, ou un compresseur de climatisation du véhicule.