FR3114626A1 - Virole auto-amortie - Google Patents

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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Abstract

Titre : Virole auto-amortie Virole (10) comprenant un corps (100) en un premier matériau, le corps (100) comprenant une paroi interne (11), orientée vers l’intérieur de la virole (10) et délimitant en partie au moins, un espace interne (12), la paroi interne (11) s'étendant selon un axe principal (121) de la virole (10), une paroi externe (13) orientée vers l'extérieur de la virole (10), dans lequel le corps (100) comprend au moins une cavité (20), située entre la paroi interne (11) et la paroi externe (13) et entièrement entourée, au moins selon une coupe prise dans un plan perpendiculaire à l'axe principal (121), par le premier matériau, la cavité (20) comprend un élément amortissant (200). Figure pour l’abrégé : Fig.1A

Description

Virole auto-amortie
La présente invention concerne une virole. Elle trouve une application particulièrement avantageuse : les viroles destinées à être intégrées au sein de structures soumises à des sollicitations vibratoires et plus généralement des sollicitations dynamiques. L’invention trouve de multiples applications, par exemple dans le domaine des transports, du génie civil ou encore dans l’aérospatiale.
ETAT DE LA TECHNIQUE
De manière bien connue, les viroles, également désignées carters cylindriques, sont des pièces structurantes destinées à contenir un ou plusieurs sous-ensembles. Une virole s’étend généralement selon un axe principal et permet habituellement une organisation en son sein des différents sous-ensembles selon cet axe principal. Ainsi, si la virole s’étend principalement selon l’axe vertical, elle peut par exemple supporter ou contenir plusieurs sous-ensembles répartis verticalement.
Dans la plupart des domaines tels que les transports, le génie civil ou l’aérospatial, ces sous-ensembles sont susceptibles de subir des sollicitations dynamiques vibratoires. Ces sollicitations dynamiques vibratoires peuvent altérer sérieusement les sous-ensembles. Afin de s’en protéger, il est nécessaire de les isoler d’un point de vue dynamique. A ce jour, il existe deux solutions principales.
La première solution consiste à insérer un filtre dynamique entre la source d’excitation et la virole supportant le sous-ensemble. Deux classes de filtres se distinguent : les filtres non-dissipatifs et les filtres dissipatifs.
Un filtre non-dissipatif est souvent constitué d’un simple ressort, architecturé de manière rectiligne, cylindrique ou de manière plus complexe. Le principe d’un filtre dissipatif repose sur la dissipation d’énergie permettant d’amortir les vibrations. Ces dissipations peuvent s’effectuer par frottement, en utilisant l’énergie de frottement de pièces mécaniques ou encore en utilisant le frottement d’un fluide visqueux.
Il existe également des filtres dont la dissipation est directement obtenue par le comportement dynamique d’un matériau, tels les élastomères. Ces solutions se retrouvent dans les silentblocs™ ou les amortisseurs dynamiques.
La seconde solution permettant de réduire les sollicitations dynamiques appliquées à un sous-ensemble intégré dans une virole est l’utilisation d’un batteur dynamique, également appelé puits d’énergie non-linéaire (habituellement désigné par l’acronyme NES, du vocable anglais Nonlinear Energy Sink). Le principe de cette solution repose sur l’ajout d’un puits d’énergie, généralement sur la pièce structurante, qui va absorber une grande partie de l’énergie dynamique. Le puits d’énergie est classiquement un système oscillant de type {masse+ressort} qui va absorber de l’énergie dynamique. Le principe repose sur une redistribution de l’énergie dynamique entre les sous-ensembles à protéger et le puits d’énergie.
En pratique, les solutions connues s’avèrent bien souvent complexes, onéreuses et manquent parfois de fiabilité.
Un objet de la présente invention est donc de proposer une solution qui permette de supprimer ou de limiter au moins l’un des inconvénients précités. En particulier, un objet de la présente invention est de proposer une virole présentant une conception simple et fiable.
Les autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à l'examen de la description suivante et des dessins d'accompagnement. Il est entendu que d'autres avantages peuvent être incorporés.
RESUME
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation, on prévoit une virole qui comprend un corps en un premier matériau, le corps comprenant :
  1. une paroi interne, orientée vers l’intérieur de la virole et délimitant en partie au moins, un espace interne, la paroi interne s'étendant selon un axe principal de la virole,
  2. une paroi externe orientée vers l'extérieur de la virole.
Le corps comprend, en outre, au moins une cavité située entre la paroi interne et la paroi externe. De préférence, cette cavité est entièrement entourée, au moins selon une coupe prise dans un plan perpendiculaire à l'axe principal, par le premier matériau. Avantageusement, la cavité comprend au moins un élément amortissant en un deuxième matériau différent du premier matériau, le premier matériau et le deuxième matériau présentant un rapport R=E1/E2 ≥ 100, et de préférence R=E1/E2 ≥ 1000 avec E1 le module de Young du premier matériau et E2 le module de Young du deuxième matériau.
Ainsi, la virole telle que proposée par la présente invention permet une meilleure dissipation dynamique en combinant à la fois la fonction de structuration mais également la fonction d’isolation dynamique. Le corps assure la fonction de structuration avec notamment la résistance des efforts appliqués à la virole, le maintien des éventuels sous-ensembles contenus dans la virole. L’élément amortissant assure la dissipation d’une partie au moins des sollicitations dynamiques et typiquement des vibrations. La virole proposée peut ainsi être qualifiée de virole auto-amortie. Cette solution permet d’éviter l’ajout d’un composant supplémentaire dans l’architecture d’un système complet.
Sans la présente invention et en suivant les enseignements de l’état de la technique, il faudrait concevoir une pièce structurante s’accompagnant d’un «puits d’énergie » ou d’un « filtre dynamique ».
La présente invention permet une conception d’une pièce mécanique dont les performances sont optimisées et dont le comportement dynamique est amélioré.
Le choix des premier et deuxième matériaux peut être fonction de la masse des sous-ensembles ainsi que des contraintes technologiques propres à l’application. La rigidité globale de la virole est notamment fonction du ratio entre le module de Young du premier matériau et le module de Young du deuxième matériau. Plus le ratio est important, plus la rigidité globale est élevée.
La présente invention permet donc avantageusement d’optimiser le nombre de composants, le volume et le poids du système complet.
Par conséquent, cette virole présente une robustesse et une fiabilité améliorées. En outre, son coût de fabrication peut être réduit.
Selon un autre aspect, l’invention comprend un procédé de fabrication d’une virole comprenant les étapes suivantes :
  • réalisation d’un corps en un premier matériau, le corps comprenant :
    • une paroi interne, orientée vers l’intérieur de la virole et délimitant en partie au moins, un espace interne, la paroi interne s'étendant selon un axe principal de la virole,
    • une paroi externe orientée vers l'extérieur de la virole,
    • une cavité située entre la paroi interne et la paroi externe et entièrement entourée, au moins selon une coupe prise dans un plan perpendiculaire à l'axe principal par le premier matériau,
  • remplissage de la cavité avec un deuxième matériau différent du premier matériau, le premier matériau et le deuxième matériau présentant un rapport R=E1/E2≥ 100, et de préférence R=E1/E2 ≥ 1000, avec E1le module de Young du premier matériau et E2le module de Young du deuxième matériau.
Selon un autre aspect, l’invention comprend un appareil comprenant une virole selon la présente invention, l’appareil étant pris parmi : un propulseur de fusée, une fusée, un moteur d’avion, un robot multiaxes.
Selon un autre aspect, l’invention comprend un système comportant une virole ainsi qu’une bride solidaire de la virole, la bride comportant au moins une ouverture de fixation destinée à coopérer avec au moins un élément de fixation, tel qu’une vis.
De manière préférée la bride et la virole forment une pièce monolithique. La bride est formée en partie au moins par ledit premier matériau. De préférence, la bride est venue de matière avec la virole.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels :
La représente une vue isométrique avec une coupe partielle d’un exemple de système comprenant une virole et une bride selon l’invention.
La représente une vue isométrique du système représenté en .
La est une vue en coupe du système illustré aux figures 1A et 1B, selon un plan comprenant à l’axe principal orienté dans la direction verticale.
La est une vue en coupe du système illustré aux figures 1A, 1B et 1C, selon un plan perpendiculaire à l’axe principal.
La est un modèle rhéologique de l’auto-amortissement d’une virole selon la présente invention.
La est un schéma principe de la virole comprenant deux sous-ensembles, la virole étant soumise à une sollicitation.
La représente, de manière schématique et en vue en coupe selon un plan comprenant l’axe principal, un exemple de virole selon l’invention intégrant plusieurs sous-ensembles.
La représente un mode de réalisation particulier de la présente invention selon un plan comprenant l’axe principal, orienté verticalement et selon un plan perpendiculaire à l’axe principal.
La est un tableau des valeurs numériques correspondant au mode de réalisation de la .
Les figures 5A et 5B sont des représentations graphiques de fonctions de transfert entre la réponse dynamique au centre de gravité du sous-ensemble et la sollicitation à la base du système pour une virole selon l’état de la technique ( ) et pour un exemple de virole selon l’invention ( ).
Les figures 6A à 7 illustrent d’autres exemples de viroles selon l’invention.
La représente un mode de réalisation particulier de la présente invention dans lequel le corps de la virole comprend plusieurs, ici au moins quatre, cavités distinctes réparties de manière homogène autour de l’axe principal.
La représente un mode de réalisation particulier de la présente invention dans lequel le corps de la virole comprend une seule cavité répartie selon une portion angulaire autour de l’axe principal.
La représente un mode de réalisation particulier de la présente invention dans lequel le corps de la virole comprend au moins une cavité dont l’espacement avec la paroi interne est fluctuant autour de l’axe principal.
La représente un mode de réalisation particulier de la présente invention dans lequel le corps de la virole comprend au moins deux cavités distinctes réparties de manière concentrique autour de l’axe principal.
La représente un mode de réalisation particulier de la présente invention dans lequel le corps de la virole comprend au moins une cavité remplie par au moins un élément amortissant de sorte à ce que l’élément amortissant soit accessible depuis la face supérieure de la virole.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Avant d’entamer une revue détaillée des modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement.
Selon un exemple, la virole comprend au moins deux cavités distinctes. Cela permet, par exemple, une configuration optimisée des cavités avantageusement remplies en différentes proportions et en différents matériaux. De plus, la répartition en plusieurs cavités distinctes peut préférentiellement permettre une optimisation de la répartition du premier matériau qui compose le corps par rapport au deuxième matériau qui compose l’élément amortissant.
On entend par deux cavités distinctes, deux cavités qui ne communiquent pas au sein d’un même corps. Elles ne présentent ainsi pas de passage de communication aménagé au sein du corps qui pourrait permettre la circulation, par exemple, d’un fluide.
La composition chimique du premier matériau diffère de celle du deuxième matériau. De préférence, le premier et le deuxième matériau différent par au moins l’une des espèces chimiques les composant. Au moins une espèce chimique est présente dans l’un, parmi le premier et le deuxième matériau et est absente de l’autre, parmi le premier et le deuxième matériau.
L’utilisation de deux matériaux dont la composition chimique n’est pas la même permet de préférence l’utilisation d’une multitude de couples de matériaux pouvant avantageusement s’adapter à un grand nombre de configurations géométriques et d’applications industrielles.
Le choix des matériaux est avantageusement fonction de la masse des sous-ensembles ainsi que des contraintes technologiques propres à l’application.
Le premier matériau est un matériau plus rigide que le deuxième matériau dont la forme est configurée de sorte à présenter au moins une cavité dans laquelle est intégré un élément amortissant, de préférence en un matériau élastomère, de sorte à permettre l’amélioration des propriétés dynamiques de la virole de la présente invention.
Selon un exemple, E1≥1000 MPa.
Selon un exemple, E2≤100 MPa.
Selon un exemple, dans une coupe prise selon un plan perpendiculaire à l'axe principal, le premier matériau du corps occupe une première surface S1 et le deuxième matériau occupe une deuxième surface S2, la virole étant conformée de sorte que le rapport S1/S2 ≤1/3 et de préférence S1/S2 ≤1/4.
Selon un exemple, le deuxième matériau présente des propriétés amortissantes telles que son facteur d’amortissement tan(δ) ≥ 0,10 et de préférence tan(δ) ≥ 0,05. En effet, le facteur d’amortissement traduit avantageusement une mesure d'amortissement durant une déformation dynamique. Plus il est élevé, plus l'amortissement des vibrations est important.
Selon un exemple, le deuxième matériau est un élastomère, de préférence du silicone. Le deuxième matériau n’est pas de l’air ou du vide.
Selon un exemple, dans une coupe prise dans un plan perpendiculaire à l'axe principal, le premier matériau du corps occupe une première surface S1 et le deuxième matériau occupe une deuxième surface S2, la virole étant conformée de sorte que le rapport S1/S2 ≤1/3 et de préférence S1/S2 ≤1/4.
Cela permet de contrôler préférentiellement une proportion entre un premier matériau avantageusement plus rigide qu’un deuxième matériau. En effet, la rigidité globale de la virole peut être, par exemple, fonction du ratio entre le volume du premier matériau par rapport au volume du deuxième matériau. Par conséquent, la rigidité globale de la virole peut également être préférentiellement fonction du rapport surfacique entre la première surface S1 et la deuxième surface S2.
Selon un exemple, le premier matériau est un métal, de préférence pris parmi l’acier, aluminium, le titane ou encore il peut s’agir d’une matière plastique comme du PEEK (polyétheréthercétone ou encore PolyEtherEtherKetone) ou du PMMA (polyméthacrylate de méthyle).
Selon un exemple, la virole comprend plusieurs ouvertures d’injection, réparties autour de l’axe principal, de préférence réparties de manière équidistante les unes des autres.
Selon un exemple, le corps peut être partiellement ou entièrement recouvert d’un revêtement ou de plusieurs revêtements superposés. Le revêtement peut être fait dans un matériau dont le module d’Young est inférieur à celui du premier matériau.
Selon un exemple, l’au moins une cavité est entièrement fermée.
Selon un exemple, la paroi interne au moins présente une forme de révolution.
Selon un exemple, la paroi externe présente une forme de révolution.
Selon un exemple la virole forme une partie au moins de l’un parmi: une coiffe de fusée, un carter de moteur d’avion, un bras de robot multiaxes.
Selon un exemple, le corps composé du premier matériau présente des épaisseurs constantes autour d’au moins une cavité.
De manière préférée, l’épaisseur du corps située entre l’insert amortissant et la paroi interne est constante le long de l’axe principal et/ou selon une rotation autour de l’axe principal.
Selon un exemple, l’épaisseur du premier matériau autour d’au moins une cavité est constante. Cela permet, de manière avantageuse, une optimisation de la répartition de masse du premier matériau. En effet, le premier matériau a une fonction de préférence structurelle de par sa rigidité supérieure au deuxième matériau. Une épaisseur constante permet davantage l’obtention d’une pièce homogène.
Selon un exemple, au moins la paroi interne présente une forme de révolution. Cela permet, par exemple, l’intégration optimisée de la virole au sein d’un mécanisme comprenant des mouvements de rotation.
Selon un exemple, au moins la paroi externe présente une forme de révolution.
Selon un exemple, le corps présente une face supérieure comprenant au moins une ouverture d’injection permettant d’accéder à l’au moins une cavité, de sorte à laisser le deuxième matériau accessible depuis l’extérieur de la virole. Cela permet notamment de simplifier la configuration structurelle du corps de la virole et, de ce fait, en optimiser son procédé de réalisation et ainsi permettre la réalisation d’une pièce ne nécessitant pas de trous d’injection qui sont habituellement nécessaires à l’étape de remplissage de l’au moins une cavité.
En effet, suivant l’application industrielle, le corps peut laisser apparent sur sa face supérieure, une ouverture de cavité, de sorte à permettre un remplissage optimisé de la cavité par l’élément amortissant.
Selon un exemple, la virole comprend plusieurs ouvertures d’injection, réparties autour de l’axe principal, de préférence réparties de manière équidistante les unes des autres. Ainsi, cette disposition des ouvertures facilite l’injection du deuxième matériau dans l’au moins une cavité et/ou permet préférentiellement une meilleure répartition du deuxième matériau lors de l’étape de remplissage.
Selon un exemple, au moins une cavité est entièrement fermée. Cela permet un enfermement total de l’élément amortissant au sein du corps de la virole. Ainsi, le deuxième matériau n’est pas accessible depuis l’extérieur de la virole. Ce mode de réalisation est par exemple obtenu par fabrication additive bi-matière. Dans ce type de procédé, le dépôt additif comprend le dépôt de deux matériaux différents, l’un étant le premier matériau, l’autre le deuxième matériau sur une même ligne de niveau.
Ce mode de réalisation présente pour avantage de protéger le deuxième matériau, par exemple lorsque l’environnement de la virole est susceptible de dégrader le deuxième matériau, par exemple dans le cas où la virole est soumise à une température ou à une composition chimique qui pourrait altérer l’état de l’élément amortissant.
Selon un exemple, l’espace interne est destiné à accueillir un ou plusieurs sous-ensembles, tels que des systèmes ou organes mécaniques, électriques etc. De manière préférée, l’espace interne et la paroi interne présentent un axe de symétrie commun.
Selon un exemple, la paroi interne est configurée de sorte à permettre la fixation d’au moins un sous-ensemble dans l’espace interne. Cela permet, par exemple, de venir fixer un ou plusieurs sous-ensembles à l’intérieur de l’espace formé par la paroi interne. En effet, des sous-ensembles sont susceptibles d’être fixés sur la paroi interne de la virole. Dans le cas où la virole est soumise à des sollicitations dynamiques, la virole permet avantageusement l’auto-amortissement du dispositif.
Selon un exemple, la virole forme une partie au moins de l’un parmi les ensembles suivants : une coiffe de fusée, un carter de moteur d’avion, un bras de robot multiaxes, par exemple un robot industriel de fabrication.
Selon un exemple, la bride comprend au moins deux ouvertures de fixation répartie de manière équidistante à l’axe principal et sont configurées de sorte à permettre le maintien en position du système comprenant la virole et la bride par rapport à l’environnement de l’application. De manière préférée, les ouvertures de fixations sont configurées pour pouvoir collaborer avec au moins un élément de boulonnerie comme, par exemple, des vis, des boulons ou encore des goujons d’ancrage. Cela permet avantageusement le maintien en position de la virole dans son environnement d’application. En effet, la transmission des efforts et l’efficacité de l’auto-amortissement sont préférentiellement dépendantes de la solidarisation de la virole à un bâti.
Selon un exemple, la virole est réalisée par fabrication additive et/ou par moulage.
Cela permet notamment la réalisation de formes complexes.
Il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, le terme « virole » ne limite aucunement les dimensions relatives de la virole, notamment le rapport entre sa dimension maximale prise selon l’axe principal et sa dimension maximale prise selon une direction perpendiculaire à l’axe principal.
On entend par « rigide », une aptitude de résistance qu’un matériau solide oppose aux efforts mécaniques de traction, de torsion ou encore de cisaillement. Dans la présente invention, la rigidité d’un matériau sera préférentiellement caractérisée par son module de Young. De manière préférée, dans la présente invention, il convient de considérer une rigidité globale de la virole comprenant un corps et au moins une cavité remplie d’un élément amortissant.
Le mot « amortissement » correspond à la caractérisation visqueuse, qui participe à la dissipation d’énergie dynamique.
Il convient de considérer « constant » en ce qui concerne les épaisseurs constantes comme pouvant accepter une variation inférieure à 5 %.
Des modes de réalisation de la présente invention vont maintenant être décrits en référence aux figures.
Un premier mode de réalisation d’un système intégrant une virole selon l’invention va être détaillée en référence aux figures 1A à 1D.
Comme illustré sur ces figures, la présente invention comprend un système 1 comprenant une virole 10. La virole 10 présente un corps 100 qui comprend au moins une paroi interne 11 et une paroi externe 13.
La paroi interne 11, orientée vers l’intérieur de la virole 10 et délimitant en partie au moins, un espace interne 12. Cet espace interne 12 est, par exemple, destiné à accueillir des sous-ensembles 2 (illustrés en figures 3) portés par la virole 10. La paroi interne 11 s'étend selon un axe, désigné par la suite axe principal 121 de la virole 10. Il est parfaitement envisageable que la paroi interne 11 ne présente pas une symétrie de révolution ou que cette symétrie de révolution ne soit pas constante tout le long de l’axe principal 121. Ainsi, la section définie par la paroi 11 interne peut varier ou non le long de l’axe principal 121.
La paroi externe 13 du corps 10 est orientée vers l'extérieur de la virole 10. La paroi externe 13 peut s’étendre selon l’axe principal 121. Il est encore possible que la paroi externe 13 présente ou non une symétrie de révolution le long de l’axe principal 121. Selon un exemple, la paroi externe 13 présente une forme cylindrique.
Le corps 100 comprend au moins une cavité 20. Cette cavité 20 est située entre la paroi interne 11 et la paroi externe 13. La cavité 20 est remplie au moins partiellement et de préférence entièrement d’un élément amortissant 200. La cavité 20 est donc une forme ménagée dans le corps 100 de la virole 10. Le corps 100 est fait d’au moins un premier matériau et l’élément amortissant 200 est fait d’au moins un deuxième matériau, différent du premier matériau.
Le premier matériau est plus rigide que le deuxième matériau. Typiquement, les modules de Young E1et E2, respectivement du premier et du deuxième matériau, sont choisis de sorte à ce que le rapport R=E1/E2≥ 100. De préférence R=E1/E2≥ 1000.
À titre d’exemple, E1≥ 1000 MPa. À titre d’exemple également E2≤ 100 MPa .
Pour le premier matériau, on pourra, par exemple, utiliser de l’aluminium, du titane ou de l’acier. Pour le deuxième matériau, on pourra, par exemple, utiliser un élastomère qui peut être compressible ou incompressible. On pourra, par exemple, utiliser du silicone.
Avantageusement, le deuxième matériau présente des propriétés amortissantes telles que son facteur d’amortissement tan(δ) ≥ 0,1, de préférence tan(δ) ≥ 0,05.
En présentant cette structure combinant corps 1000 rigide et matériau amortissant 200 logé dans une ou des cavités 20 du corps rigide, la virole 10 selon l’invention permet à la fois d’assurer la fonction de structuration et à la fois d’améliorer considérablement la dissipation dynamique des sollicitations vibratoires. Ainsi, la virole proposée est auto-amortie.
Dans cet exemple non limitatif, la virole 10 présente, de plus, une face supérieure 16. Cette face supérieure 16 peut présenter au moins une ouverture d’injection 30. De manière préférée, il peut s’agir de plusieurs ouvertures d’injection 30, de préférence quatre ouvertures d’injection 30 sont réparties à 90° autour de l’axe principal 121. Au moins une ouverture d’injection 30 est configurée de sorte à permettre préférentiellement l’injection ou le passage de l’élément amortissant 200 à l’intérieur de la ou des cavités 20 de la virole 10. De manière préférée, le corps 100 comprend au moins deux ouvertures d’injection 30, réparties de manière équidistante entre elles autour de l’axe principal 121.
La virole 10 peut également être équipée, par exemple, à sa base 14, d’une bride 40 permettant la fixation de la virole 10 à tout autre ensemble mécanique, pouvant éventuellement être une source de sollicitations dynamiques. De manière préférée, la virole 10 et la bride 40 forment une pièce monolithique. Au moins une ouverture de fixation 41 présente sur la bride 40 est configurée de sorte à permettre préférentiellement la fixation du système 1 à un autre ensemble extérieur. La bride 40 peut comprendre au moins deux ouvertures de fixation 41 réparties de manière équidistante autour de l’axe principal 121. De manière préférée, il peut s’agir de quatre ouvertures de fixation 41 répartie à 90° autour de l’axe principal 121. Les ouvertures de fixation 41 sont configurées de sorte à permettre l’insertion d’éléments de fixations comme, par exemple, des éléments de boulonnerie, de préférence des vis, des boulons ou des goujons.
Comme illustré en , le système 1 est avantageusement compris entre un plan supérieur P1 et un plan inférieur P2 de sorte à ce qu’une base 14 de la bride 40 repose sur le plan inférieur P2 et que la face supérieure 16 de la virole 10 se confonde avec le plan supérieur P1. La cavité 20 de la virole 10 est remplie de l’élément amortissant 200 de sorte à ce que l’espacement entre l’élément amortissant 200 et l’espace interne 12 corresponde à une épaisseur e10 du corps. L’épaisseur e10 entre la cavité 20 et la paroi interne 11 est par exemple constante le long d’un cercle passant par l’axe principale 121. Il convient, selon un exemple, d’envisager la base 14 du système 1 comme une face inférieure parallèle à la face supérieure 16. Dans ce mode de réalisation, on observe que la face supérieure 16 recouvre la cavité 20 et l’élément amortissant 200. Ainsi, l’élément amortissant 200 n’est pas accessible sauf, au droit des éventuelles ouvertures d’injection 30. Cela permet de confiner l’élément amortissant 200 à l’intérieur des cavités 20. L’élément amortissant 200 est alors protégé de l’environnement extérieur ce qui peut réduire voire empêcher son altération.
À cet effet, on prévoit, selon un exemple, que la virole 10 soit configurée de sorte à ce que :
  • le corps 100 soit contenu entre deux plans P1et P2et s’étendant selon la direction de l’axe principal 121,
  • l’au moins un élément amortissant 200 soit contenu entre les deux plans P1 et P2 est ne forme pas une saillie au-delà de l’un de ces plans.
La permet de visualiser le corps 100 et l’élément amortissant 200 selon une coupe perpendiculaire à l’axe principal 121. Dans cet exemple non limitatif, le corps 100 présente deux portions, ou anneaux, concentriques enserrant l’élément amortissant 200. L’élément amortissant 200 forme un anneau fermé, de forme circulaire. Sur cette vue en coupe, la surface occupée par le corps 100 est notée S1 et la surface occupée par l’élément amortissant 200 est notée S2.
La première surface S1 présente deux portions réparties avantageusement de manière concentrique entre un cercle intérieur formé par la section du plan de coupe avec la paroi interne 11 et un cercle extérieur formé par la section du plan de coupe avec la paroi externe 13. Entre ces deux portions qui forment la première surface S1, se situe la deuxième surface S2telles que le rapport RS= S1/S2≤ 1/3 et de préférence RS= S1/S2≤ ¼.
De manière préférée, la virole 10 présente une rigidité globale qui est fonction :
  • du ratio des modules d’élasticité, entre le module de Young E1 du premier matériau et le module de Young E2 du deuxième matériau,
  • de la proportion en surface, dans une coupe de la virole 10 selon un plan perpendiculaire à l’axe principal 121 entre la première surface S1 et la deuxième surface S2.
A la est illustré un schéma rhéologique qui permet de représenter le comportement dynamique d’une virole 10 auto-amortie située de préférence entre une source de sollicitations dynamiques 3 et au moins un sous-ensemble 2 porté à l’intérieur de la virole 10. L’élément amortissant 200 ajoute ainsi à la virole 10, initialement plus rigide, une fonction d’amortissement dynamique. Le corps 100, assure une fonction de structuration mécanique. Il permet ainsi de supporter et de contenir les sous-ensembles 2 portés par la virole 10. L’élément amortissant permet de dissiper au sein même de la virole 10 une partie, voire toutes les vibrations de cette dernière. La virole ainsi proposée peut être qualifiée de virole auto-amortie.
Avantageusement, le matériau amortissant dissipe l’énergie lorsqu’il est sollicité dynamiquement en cisaillement. La combinaison du premier et du deuxième matériaux permet de maximiser le cisaillement du deuxième matériau amortissant lors d’une sollicitation dynamique dans la virole. Et cela, quelle que soit la direction des sollicitations dynamiques à sa base 14, qu’il s’agisse de sollicitations axiales ou radiales, et des déformations induites principalement en cisaillement. Ce constat permet de structurer la virole auto-amortie de manière axisymétrique.
Contrairement à une structure multicouche classique dans laquelle les matériaux de différentes natures se succèdent les uns sur les autres, la ligne de transmission des efforts est assurée par le premier matériau du corps 100. La virole 10 n’est pas configurée pour que l’élément amortissant 200 intervienne dans la ligne de transmission des efforts. Cela assure avantageusement une tenue de la virole 10 en cas d’usure du deuxième matériau, généré dans l’exemple d’un vieillissement.
L’association du premier matériau du corps 100 rigide et de l’élément amortissant 200 s’apparente plutôt à un assemblage en parallèle, comme cela est illustré par le modèle rhéologique en . Sur ce modèle, une source de sollicitations dynamiques 3 soumet la virole 10 à des sollicitations dynamiques au niveau de la base 14 de la virole 10.
De préférence, le premier matériau, entoure ou emprisonne sous forme de « sandwich » l’élément amortissant 200 de sorte à permettre un maintien de la continuité d’une ligne de transmission des efforts au sein du corps 100. Cela permet avantageusement d’assurer une tenue du système 1 en cas de dégradation du deuxième matériau pouvant être, par exemple, causé par la dégradation de la virole 10 au cours du temps.
Ainsi, un élément extérieur à la virole, typiquement une source de sollicitations dynamiques, qui vient s’appuyer sur la virole 10, transmet des sollicitations au corps 100 sans passer directement par l’élément amortissant 200. Au moins une partie de ces sollicitations dynamiques est transmise à l’élément amortissant 200 uniquement via le corps 100.
Comme illustré à la , la protection dynamique de sous-ensembles 2 soumis à une source de sollicitations 3, nécessite avantageusement l’ajout d’un système 1. Le système 1 remplissant le rôle d’un filtre dynamique tel un puit d’énergie en combinant une fonction de structuration mais également une fonction d’isolation dynamique,
La illustre la virole des figures 1A à 1D associée à des sous-ensembles 2. Plus précisément, ces sous-ensembles 2 sont fixés et maintenus dans l’espace interne 12 de la virole 10. Ces sous-ensembles 2 sont représentés de manière très schématique. Il est également possible d'envisager des sous-ensembles 2 de dimensions variables et faits de matériaux différents. Les sous-ensembles 2 peuvent être en contact direct avec le corps 100. Ils peuvent être entièrement solidaires du corps 100 ou, selon les applications, être fixés à ce dernier en conservant un certain degré de mobilité. Dans cet exemple illustré, les sous-ensembles 2 sont de préférence compris entre le plan inférieur P1 et le plan supérieur P2 définis à la .
Le comportement de la virole 10 face aux sollicitations dynamiques qu’elle reçoit d’une source va donc dépendre par exemple :
  • du poids des sous-ensembles 2,
  • du choix du premier matériau,
  • du choix du deuxième matériau,
  • du dimensionnement de la virole.
De préférence et de manière générale, les performances et l’efficacité de la virole 10 vont également dépendre d’une fréquence de coupure visée au-delà de laquelle les sollicitations externes ne sont plus transmises au système 1 définissant ainsi un seuil d’amortissement maximal.
Description détaillée d’un mode de réalisation particulier
Un exemple de réalisation non limitatif va maintenant être décrit en détail en référence aux figures 4A et 4B. Dans cet exemple, le système 1 comprend la virole 10 et la bride 40.
On peut prévoir que la hauteur H1 5 0du corps 100 de la virole 10 soit supérieure à la hauteur H2 5 0de l’élément amortissant 200. De préférence, l’au moins une cavité 20 du corps 100 s’étend sur une portion importante de la hauteur H1 5 0du corps. Les hauteurs H150et H250sont mesurées selon une direction parallèle à l’axe principal 121. À titre d’exemple avantageux, H2 5 0≥0.8 * H1 5 0et de préférence H2 5 0≥0.8 * H1 5 0, tout en respectant H2 5 0<H1 5 0 .
De préférence, l’élément amortissant 200 présente une largeur L200inférieure à la hauteur H2 5 0. Par exemple, L200≤0.5*H2 5 0. La largeur L200est mesurée selon une direction perpendiculaire à l’axe principal 121.
La donne un exemple de valeurs en millimètres des dimensions référencées à la . Il s’agit d’un exemple d’un mode de réalisation d’une virole 10 de la présente invention.
Dans cet exemple, le premier matériau est de l’aluminium avec un module de Young de 71 GPa, un coefficient de Poisson de 0,3 et une densité de 2450 kg/m3. Le deuxième matériau est, par exemple, un silicone incompressible 72 Shore échelle A, d’un module de Young 51 MPa et un facteur de perte de 0,10 dans la gamme de fréquence considérée et une densité de 1400 kg/m3.
Les figures 5A et 5B sont des graphes illustrant les comportements, face à des sollicitations dynamiques, respectivement d’une virole selon l’exemple particulier décrit ci-dessus ( ) et de la même virole mais sans cavité et sans élément amortissant ( ).
Plus précisément, ces graphes représentent la fonction de transfert de l’accélération de la virole en fonction des fréquences des sollicitations vibratoires.
Pour réaliser les graphes des figures 5A et 5B, un seul sous-ensemble 2 d’une masse de 5 kg est fixé dans l’espace interne 12 des viroles. Des accélérations dynamiques sinusoïdales sont générées au niveau de la face inférieure de la virole 10, pour des fréquences comprises entre 100 Hz et 700 Hz. L’enregistrement de l’accélération au centre de gravité du sous-ensemble 2 permet d’obtenir la fonction de transfert du système 1 comme illustré en figures 5A et 5B.
La représentation graphique obtenue permet de déterminer ;
  • qu’avec la virole 10 selon l’invention (figure 5A), on observe une fréquence de coupure de 393 Hz avec un facteur d’amplification maximal de 18,
  • qu’avec une virole classique (figure 5B), on observe pour cette même fréquence un pic dont la valeur tend vers l’infini. Ce pic reflète l’absence d’amortissement.
Il ressort de manière particulièrement claire sur ces graphes que la virole selon l'invention permet un amortissement considérable par rapport à une virole classique. Son efficacité en termes d’amortissement et de protection des sous-ensembles est donc particulièrement efficace.
Exemple de procédé de fabrication
Il pourra être particulièrement avantageux de réaliser la virole 10 intégrant au moins une cavité 20 à l’aide d’un procédé de fabrication additive notamment lorsque la forme du corps 100 est trop complexe à obtenir par des méthodes liées à des procédés classiques de soustraction de matière ou de moulage. La fabrication du corps 100 peut être effectuée de préférence à l’aide d’un dispositif d’impression tridimensionnelle (3D).
Le deuxième matériau est préférentiellement coulé ou injecté au sein du corps 100 afin de former l’élément amortissant 200. L’étape de remplissage par le deuxième matériau peut avoir lieu en aval de l’étape de fabrication du corps 100 de la virole 10. Pour cela, on peut injecter le deuxième matériau au travers des ouvertures d’injection 30.
La fabrication de la virole 10 s’effectue donc de préférence en deux étapes distinctes pouvant correspondre à deux procédés de fabrication différents:
  • la réalisation d’un corps 100 comprenant au moins une cavité 20,
  • une deuxième étape concernant le remplissage de l’au moins une cavité 20.
Selon un autre mode de réalisation, on peut prévoir que le matériau amortissant soit également formé par fabrication additive. Pour cela on peut recourir aux machines d’impression 3D qui permettent de déposer deux matériaux différents (i.e., le premier et le deuxième matériau), au cours de la fabrication de la virole 10. Ainsi, le corps 100 et l’élément amortissant 200 sont avantageusement fabriqués et assemblés simultanément. Ce procédé permet avantageusement une optimisation du temps de réalisation de la virole 10 de la présente invention.
Les procédés de réalisation comprenant basés sur une fabrication additive permettent avantageusement la réalisation de formes complexes comme, par exemple, des cavités 20 ou des formes nécessitant habituellement par moulage des contre-dépouilles et des noyaux. Ces formes étant obtenues généralement par des procédés de fabrication complexes. De plus, ce mode de fabrication 3D associé à une stratégie d’impression bien établie comme la disposition précise des pièces dans une imprimante permet une optimisation avantageuse des coûts de fabrication. En outre, un procédé de fabrication additive offre préférentiellement un plus large choix de matériaux que les procédés classiques de fabrication de pièces creuses comme, par exemple, le moulage.
Exemples de modes de réalisation alternatifs
Le mode de réalisation décrit ci-dessus en référence aux figures 1A à 1D n’est pas limitatif et de nombreuses variantes peuvent être envisagées. Les figures 6A à 7 illustrent quelques-unes de ces variantes.
Toutes les caractéristiques structurelles et fonctionnelles ainsi que les avantages techniques et procédés de réalisation décrits ci-dessus sont parfaitement applicables et combinables aux modes de réalisation qui vont être détaillés ci-dessous en référence aux figures 6A à 7. Par ailleurs, sauf mention contraire, les caractéristiques des variantes décrites ci-dessous peuvent être combinées entre elles.
Dans l’exemple illustré à la , la virole 10 comprend plusieurs cavités 20, remplies au moins partiellement de l’élément amortissant 200. Ces cavités 20 peuvent être parfaitement distinctes, c’est-à-dire qu’elles ne communiquent pas entre elles. Alternativement, ces cavités peuvent être en communication fluidique vias des passages. Ces passages peuvent faciliter le remplissage de plusieurs cavités à partir d’une même ouverture d’injection. Dans cet exemple, la virole 10 comprend quatre cavités 20. Les cavités 20 peuvent être identiques et réparties de manière symétrique par rapport au centre du cercle formé par l’intersection de la paroi interne 11 avec un plan perpendiculaire à l’axe principal 121. De manière préférée, ce mode de réalisation peut s’étendre à d’autres configurations similaires comprenant 2, 3, 5 ou davantage cavités réparties de manière équidistante autour de l’axe principal 121. Il est également possible d’envisager le fait que la virole 10 peut, par exemple, comprendre une ou plusieurs cavités 20 réparties de manière non régulière autour de l’axe principal 121.
Ce mode de réalisation permet de garantir un équilibre de la répartition des masses au sein du corps 100 afin d’obtenir un amortissement homogène. Il est encore possible d’envisager un remplissage des cavités par des matériaux différents . Cela peut permettre de moduler avec une grande précision le comportement de la virole en termes de réponse aux sollicitations dynamiques et à transmission de charge.
Sur l’exemple illustré à la , le corps 100 comprend une seule cavité 20 remplie au moins partiellement par l’élément amortissant 200. La cavité 20 ainsi que l’élément amortissant 200 ne présentent pas un contour fermé dans une coupe selon un plan perpendiculaire à l’axe principal 121. La cavité 20 ainsi que l’élément amortissant 200 s’étendent sur une portion seulement d’anneau. Elles forment ainsi chacune un anneau ouvert. Dans cet exemple, la section de la cavité 20, correspondant à la deuxième surface S2, représentée dans un plan de coupe, s’étend radialement selon secteur angulaire de 270°. Il est parfaitement possible d’envisager un secteur angulaire plus faible ou plus grand, en fonction du comportement que l’on souhaite donner à la virole. Cette variation peut s’avérer plus efficace lorsque la virole est soumise à des sollicitations réparties de manière non homogène. Ce mode de réalisation permet une grande adaptabilité du système à un large champ d’applications.
Sur l’exemple illustré à la , la répartition du premier matériau entourant la cavité 20 peut être non constante radialement. Ainsi, les contours de la surface S2 ne sont pas circulaires et présentent des irrégularités. Cela permet une plus grande adaptabilité du système à un large champ d’applications. Cette configuration ne se limite pas à ce seul mode de réalisation et peut s’étendre par combinaison aux autres modes de réalisation représentés aux figures 1D, 6A, 6B et 6D.
Sur l’exemple illustré en , la virole 10 présente au moins deux cavités 20 successives selon direction radiale. Sur cet exemple, selon une coupe perpendiculaire à l’axe principal 121, la section de la virole 10 révèle deux cavités 20 concentriques, séparés par une portion du corps 100. Il est possible d’envisager d’étendre ce mode de réalisation à des cavités à des contours non circulaires, pouvant par exemple présenter des irrégularités comme dans le mode de réalisation illustré à la . Le fait d’inclure de manière concentrique plusieurs cavités 20 permet une alternance structurelle entre le premier matériau et le deuxième matériau. Il convient ainsi d’étendre ce mode de réalisation particulier à un corps comprenant au moins deux cavités. Cette configuration ne se limite pas à ce seul mode de réalisation et peut s’étendre par combinaison de formes aux autres modes de réalisation représentés aux figures 1D, 6A, 6B et 6C.
Comme illustré à la , la virole 10 peut être configurée de sorte à ce que le corps 100 comprenne une face supérieure 16 partiellement ou entièrement ouverte de sorte à laisser le deuxième matériau 200 en partie accessible. De manière préférée, le corps 100 et l’élément amortissant 200 sont configurés de sorte à former un alignement de plan selon la face supérieure 16. Il est également possible d’envisager un mode de réalisation dans lequel au moins l’une des cavités est entièrement fermée. Cela permet un enfermement total de l’élément amortissant au sein du corps de la virole. Ainsi, le deuxième matériau de cette cavité fermée au moins est protégé par le premier matériau de l’environnement extérieur car il n’est pas accessible depuis l’extérieur de la virole.
Selon un mode de réalisation particulier, la virole 10 peut comprendre plusieurs parties configurées pour être assemblées entre elles. Cet assemblage comprend par exemple des d’éléments de boulonnerie et/ou de la colle.
Exemples d’applications
La virole selon la présente invention trouve des applications avantageuses dans de nombreux domaines industriels et scientifiques. Par exemple elle trouve des applications dans l’aéronautique ou l’aérospatiale. La virole pourra par exemple former une partie au moins de la structure d’un propulseurs de fusée, d’un booster de fusée ou encore d’une coiffe de fusée. Ainsi, la virole amortie peut protéger les équipements ou sous-ensembles situés sous la coiffe par exemple.
Une virole selon l’invention peut également former entièrement ou en partie le carter d’un moteur d’avion. Dans ce cas, la virole amortie peut dissiper la transmission des vibrations depuis le moteur jusqu’aux ailes de l’avion.
Une virole selon l’invention peut également former entièrement une partie du manchon d’un bras de robot industriel, typiquement un robot multiaxes. La virole amortie peut alors diminuer efficacement les vibrations du bras sur son bâti ou sa table d’accroche.
Dans tous ces domaines, la virole selon l’invention permet de dissiper les vibrations qui peuvent endommager la virole ou les sous-ensembles qu’elle contient.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
REFERENCES NUMERIQUES
1. système
10. virole
100. corps
11. paroi interne
12. espace interne
121. axe principal
13. paroi externe
14. base
e10. épaisseur du corps
16. face supérieure
20. cavité
30. ouverture d’injection
40. bride
41. ouverture de fixation
200. élément amortissant
S1. première surface
S2. deuxième surface
P1. plan supérieur
P2. plan inférieur
H150. hauteur du système
H250. hauteur de la cavité
L200 .largeur de la cavité
2. sous-ensemble
3. source de sollicitation

Claims (17)

  1. Virole (10) comprenant :
    • un corps (100) fait d’un premier matériau, le corps (100) comprenant :
      1. une paroi interne (11), orientée vers l’intérieur de la virole (10) et délimitant en partie au moins, un espace interne (12), la paroi interne (11) s'étendant selon un axe principal (121) de la virole (10),
      2. une paroi externe (13) orientée vers l'extérieur de la virole (10),
    caractérisée en ce que le corps (100) comprend au moins une cavité (20), située entre la paroi interne (11) et la paroi externe (13) et entièrement entourée, au moins selon une coupe prise dans un plan perpendiculaire à l'axe principal (121), par le premier matériau, la virole (10) comprenant dans la cavité (20) un élément amortissant (200) en un deuxième matériau différent du premier matériau, le premier matériau et le deuxième matériau présentant un rapport R=E1/E2≥ 100, et de préférence R=E1/E2≥ 1000, avec E1le module de Young du premier matériau et E2le module de Young du deuxième matériau.
  2. Virole (10) selon la revendication précédente dans laquelle E1≥ 1000 MPa et/ ou E2≤100 MPa.
  3. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle, dans une coupe prise selon un plan perpendiculaire à l'axe principal (121), le premier matériau du corps (100) occupe une première surface S1 et le deuxième matériau occupe une deuxième surface S2, la virole (10) étant conformée de sorte que le rapport S1/S2 ≤1/3 et de préférence S1/S2 ≤1/4.
  4. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le deuxième matériau présente des propriétés amortissantes telles que son facteur d’amortissement tan(δ) ≥ 0,10 de préférence tan(δ) ≥ 0,05.
  5. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le deuxième matériau est un élastomère, de préférence du silicone.
  6. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle le premier matériau est un métal, de préférence pris parmi l’acier, aluminium, le titane ou encore il peut s’agir d’une matière plastique comme du PEEK (polyetheretherketone) ou du PMMA (Polyméthacrylate de méthyle).
  7. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins deux cavités (20, 20) distinctes.
  8. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le corps (100) présente une face supérieure (16) comprenant au moins une ouverture d’injection (30) permettant d’accéder à l’au moins une cavité (20), de sorte à laisser le deuxième matériau accessible.
  9. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant plusieurs ouvertures d’injection (30), réparties autour de l’axe principal (121), de préférence réparties de manière équidistante les unes des autres.
  10. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle l’au moins une cavité (20) est entièrement fermée.
  11. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la paroi interne (11) est configurée de sorte à permettre la fixation d’au moins un sous-ensemble (2) dans l’espace interne (12).
  12. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans laquelle la paroi interne (11) au moins présente une forme de révolution et de préférence dans laquelle la paroi externe (13) présente une forme de révolution.
  13. Virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, formant une partie au moins de l’un parmi: une coiffe de fusée, un carter de moteur d’avion, un bras de robot multiaxes.
  14. Appareil comprenant une virole (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’appareil étant pris parmi les ensembles suivants : un propulseur de fusée, une fusée, un moteur d’avion, un robot multiaxes.
  15. Système (1) comportant une virole (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13 ainsi qu’une bride (40), solidaire de la virole (10), la bride (40) comportant au moins une ouverture de fixation (41) destinée à coopérer avec au moins un élément de fixation (31), tel qu’une vis.
  16. Procédé de fabrication d’une virole (10) comprenant les étapes suivantes :
    • réalisation d’un corps (100) en un premier matériau, le corps (100) comprenant :
      1. une paroi interne (11), orientée vers l’intérieur de la virole (10) et délimitant en partie au moins un espace interne (12), la paroi interne (11) s'étendant selon un axe principal (121) de la virole (10),
      2. une paroi externe (13) orientée vers l'extérieur de la virole (10),
      3. une cavité (20), située entre la paroi interne (11) et la paroi externe (13) et entièrement entourée, au moins selon une coupe prise dans un plan perpendiculaire à l'axe principal (121), par le premier matériau,
    • remplissage de la cavité (20) avec un deuxième matériau différent du premier matériau, le premier matériau et le deuxième matériau présentant un rapport R=E1/E2 ≥100et de préférence R=E1/E2 ≥1000 , avec E1 le module de Young du premier matériau et E2 le module de Young du deuxième matériau.
  17. Procédé selon la revendication précédente dans lequel au moins le corps (10) est réalisé par fabrication additive et/ou par moulage.
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