WO2017077111A1 - Rotule de decouplage solidien pour aeronef comprenant un coussin metallique - Google Patents

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WO2017077111A1
WO2017077111A1 PCT/EP2016/076849 EP2016076849W WO2017077111A1 WO 2017077111 A1 WO2017077111 A1 WO 2017077111A1 EP 2016076849 W EP2016076849 W EP 2016076849W WO 2017077111 A1 WO2017077111 A1 WO 2017077111A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cushion
armature
ball joint
metal
ball
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/076849
Other languages
English (en)
Inventor
Norbert GERMAIN
Christian MENGELLE-TOUYA
Original Assignee
Hutchinson
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.)
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Publication date
Application filed by Hutchinson filed Critical Hutchinson
Publication of WO2017077111A1 publication Critical patent/WO2017077111A1/fr

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Classifications

    • 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
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/36—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/362—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers made of steel wool, compressed hair, woven or non-woven textile, or like materials

Definitions

  • the invention relates to a ball joint for selectively frequency-selective solid-state decoupling in an aircraft, a mechanical link comprising such a ball joint and a related method.
  • the invention may in particular find application in a rotary wing aircraft, for example a helicopter.
  • frequencies that can be described as “noise” which are in the range of frequencies perceptible to the human ear, but also frequencies that go beyond the spectrum audible by a human ear ("high”).
  • noises can generally be of two types: noises that propagate by air from a wall of the aircraft and noises that propagate by solid route, namely on the structure of i 'aircraft. It is these last noises that are qualified as solidiens. These noises therefore correspond to the transmission of vibrations within the structure of the aircraft itself.
  • achieving a solid frequency decoupling consists of filtering certain frequencies to prevent their propagation within the structure of the aircraft.
  • a laminated patella that is to say a part comprising:
  • a central frame intended for example to be mounted on a suspension bar of a rotary wing aircraft
  • damping structure mounted between the reinforcements, said structure being formed of a laminate fastened to the reinforcements and comprising at least two layers damping (elastomer, for example) separated by a rigid interlayer (metal, for example),
  • damping layers are designed, by their shapes and / or their dimensions and / or their physical properties, to selectively decouple at least one frequency in a predetermined frequency band.
  • the predetermined frequency band is in practice between 1 Hz or a few Hz and 7 kHz.
  • This solution is applicable to different types of rotary wing aircraft.
  • the invention therefore aims to increase the service life of a solid-state coupling coupling.
  • the invention also aims to provide a ball joint to fulfill its function of decoupling for a wider range of rotary wing aircraft, in particular for rotary wing aircraft for which the stresses applied to the ball are more severe.
  • the invention also proposes a ball joint offering a better compromise between the constraints, the service life and the dynamic response.
  • the invention proposes a solid-state decoupling joint for an aircraft, for example a rotary-wing aircraft, comprising:
  • the damping structure comprises at least one cushion made of metal or with a metal alloy and having geometric, and therefore mechanical, characteristics for effecting selective decoupling at at least one frequency in a defined frequency band between 1 Hz and 7kHz.
  • the patella according to the invention may also include the following features, taken alone or in combination: -
  • the damping structure comprises a plurality of cushions, each made of metal or with a metal alloy, the cushions being arranged next to each other around the perimeter of the central frame;
  • the or each cushion is mounted prestressed between the central frame and the outer frame;
  • said at least one cushion is made of stainless steel
  • the central armature and the outer armature have a cylindrical shape with a common axis of symmetry, the ball comprising a plurality of abutments, called axial abutments, to block the movement of the movement of the at least one metal cushion in the direction defined by this axis;
  • At least one of the axial abutments is removable
  • the central frame and the outer frame each have a spherical shape with a common axis of symmetry.
  • the invention also relates to a solid-state decoupling mechanical connection between a gearbox of a rotary wing aircraft and a force recovery structure of this aircraft, this link comprising:
  • At least one suspension bar comprises a ball joint according to the invention disposed at at least one of the hinge ends of said at least one bar with the gearbox and / or with the force recovery structure.
  • This mechanical connection may be provided so that each of the suspension bars of the mechanical link is provided with a ball joint according to the invention.
  • FIG. 1 shows, schematically, a rotary wing aircraft in a perspective view
  • FIG. 2 schematically represents a main transmission gearbox (BTP) mounted on a structure of the rotary wing aircraft, as well as a mechanical link and ball joints according to the invention, in a perspective view. ;
  • BTP main transmission gearbox
  • - Figure 3 is a diagram, in a perspective view, of a ball joint according to the invention
  • - Figure 4 is a diagram of the ball of Figure 3, in an axial sectional view and in perspective;
  • FIG. 5 is a diagram of the ball of Figure 3, in an axial sectional view
  • FIG. 6, which comprises FIGS. 6 (a) to 6 (c), represents various intermediate structures obtained during the manufacture of a cushion used in a ball joint according to the invention
  • FIG. 7 is a view of the metal cushion, as it appears after a forming operation
  • FIG. 8 represents characteristics of the behavior of a ball joint according to the invention under static test conditions
  • FIG. 9 is a diagram of a reference ball (prior art), namely a spherical laminated spherical, in a longitudinal sectional view;
  • FIG. 10 shows characteristics of the behavior of a ball joint according to the invention and a reference ball joint.
  • FIG. 1 schematically represents a rotary wing aircraft 100, in this case a helicopter, in a perspective view.
  • This rotary wing aircraft 100 comprises a main rotor 101, whose axis of rotation is defined by the axis OZ, and blades 102 mounted on the main rotor 101.
  • the main rotor 101 comprises a main transmission box 103 (BTP) and a mast 104 secured to the main transmission box 103.
  • the main rotor 101 and more particularly the main transmission box 103, is mounted on the structure 110 of the rotary wing aircraft 100.
  • the rotary wing aircraft 100 also includes a rear rotor 105, connected to the main transmission box 103.
  • FIG. 2 is a more specific example of mounting the main transmission box 103 on the structure 110 of the rotary wing aircraft 100.
  • the main transmission box 103 comprises a casing 1 provided with a base 2 located on the structure 110 of the rotary wing aircraft 100.
  • the attachment of the main transmission box 103 to the structure 110 of the rotary wing aircraft 100 is effected by suspension bars 200.
  • Each suspension bar 200 is fixed on the one hand, to the casing 1 of the main transmission box 103 and on the other hand, to the structure 110 of the rotary wing aircraft 100.
  • the connection of each suspension bar 200 with the casing 1 of the main transmission box 103 is generally effected by means of a fitting 201 fixed to the housing 1 and connected to the suspension bar 200 by a pivot connection or ball joint.
  • the connection of each suspension bar 200 with the structure 110 of the rotary wing aircraft 100 is generally effected by means of a fitting 202, fixed on the structure 1 10 of the rotary-wing aircraft and re-assembled the suspension bar by a ball 0 according to the invention.
  • This ball 10 comprises a central armature 11, for example intended to be mounted on a bar 200 of suspension of the aircraft rotary wing.
  • This ball 10 also comprises an outer armature 12, intended according to this example to be mounted on the structure 10 of the rotary wing aircraft 100, in this case via a fitting 202.
  • This ball 10 also comprises a damping structure 13 mounted between the plates 11, 12.
  • the damping structure 13 comprises at least one metal cushion 130. It is made from a wire or metal alloy under conditions that will be specified later, in the case of an example.
  • the fii will generally have a diameter of between 0.03mm and 0.5mm, especially between 0.03mm and 0.3mm.
  • a damping structure 13 comprising at least one metal cushion 130 has many advantages over the use in the implementation of a laminate elastomer / metal (D1).
  • the temperature range of use of an elastomer does not exceed 120.degree. C. since, at low temperature, the elastomer stiffens and loses its frequency filtering performance and since, at high temperature, its service life is limited.
  • This range of use can be extended in temperature with a metal cushion or, for the same range of use in temperature, significantly limit the evolutions of the mechanical characteristics with the temperature.
  • a metal cushion made of stainless steel is particularly advantageous, the range of use being twice as wide, or even more depending on the grade of the stainless steel considered, compared to a natural rubber elastomer and the coefficient of thermal expansion of stainless steel being about ten times lower than this same elastomer.
  • the metal cushion 130 is fixed neither to the central armature 11 nor to the outer armature 12, and is only enclosed by these armatures 11, 12.
  • the elastomer layers between which is arranged a metal spacer or the like, are fixed to the central frame 11 and / or to the outer armature 12.
  • At least one metal cushion 130 also makes it possible to obtain a stop function, at least radially and angularly (for example, torsion), which is intrinsic to the metal cushion. Indeed, when the metal cushion 130 is strongly stressed in compression under these conditions, the density of the metal cushion increases (the dimensions of the pores of the metal cushion decrease) and the general shape of this cushion 130 tends to approach that of a solid metal part, which therefore has a very high rigidity. This is not the case with a laminated elastomer / metal, because of the presence of the elastomer.
  • Said at least one metal cushion 130 matches the shape of the space E left between the two armatures 11, 12 of the ball 10.
  • said at least one cushion 130 will be prestressed, in its thickness, namely in the radial direction of the ball 10.
  • a simple solution is to manufacture a cushion 130 thicker than the width (radial) of the annular space E formed between the two frames. When the cushion is mounted in this space E, (es armatures 11, 12 then exert this prestress on the cushion 130.
  • the ball 10 is a ball of cylindrical shape. More specifically, the central armature 11 and the outer armature 12 each have a cylindrical shape with a common axis of symmetry.
  • This axis of symmetry corresponds to the longitudinal axis AX (see Figure 4 for example). Also, since said at least one metal cushion 130 is not fixed to the armatures 11, 12 of the ball 10, it is necessary to provide axial stops.
  • the ball 10 could have a spherical shape.
  • the central armature and the outer armature have a spherical shape with a common axis of symmetry, defined by the longitudinal axis AX.
  • the shape of the reinforcements implies that the use of axial stops is not necessary.
  • the outer armature 12 comprises, at each of its inner ends, an axial abutment 121, 122, for example in the form of a peripheral collar, participating in the blocking axial structure of said at least one metal cushion 130.
  • the collars 121, 122 are advantageously integral part of the outer armature 12 and are therefore not inserts.
  • the central armature January 1 comprises, at each of its outer ends, an axial abutment 11 1, 112, for example in the form of a peripheral flange, participating in the axial locking of said at least one cushion
  • at least one of these flanges 1 11, 112 is removable to facilitate the introduction of the metal cushion 130, after its manufacture, in the space E located between the two frames 11, 12.
  • the flanges 11, 12, 121, 122 provide a stop function fors an axial bias of the cushion.
  • the characteristics of a cushion 130 and its manufacturing conditions are as follows.
  • the wire used to make a cushion 130 is stainless steel.
  • the wire diameter is 0.23mm.
  • Knit T has a width of 100mm and a mass of 28g.
  • the embossed knit TG is patterned into a matrix so that it has a closed shape on itself comparable to the shape of a TGC sock, as shown in Fig. 6 (c).
  • the forming carried out in this matrix then consists in applying a radial force on the sock. For this purpose, this force is greater than at least twice the maximum effort that the cushion 130 is likely to undergo during use. This improves the life of the cushion.
  • the cushion has a height similar to the height h of the annular space E formed between the two armatures January 1, 12.
  • This cushion 130 is shown in FIG.
  • the thickness e of the cushion 130 obtained after forming is greater, in this case of 1.4 mm, at the distance r defining the space E annular between the two frames 11, 12. This allows to preload the cushion 130 radially when installed between the two frames 1, 12,
  • a cushion thus manufactured has a given geometry and is made with a given material, in this case stainless steel, which allows to define its mechanical characteristics.
  • the five cushions were installed in the annular space E.
  • the patella 10 according to the invention was subjected to two tests.
  • the test device is conventional.
  • the first test is a "static" test.
  • the axial force is applied according to the following cycle: OkN, then transition up to 15kN, then transition to -15kN, and a last transition to return to OkN.
  • the curve C1 represents the evolution of the force (ordinate, on the left) measured on the rotor by the test device as a function of the displacement (abscissa) printed by this test device to the armature concerned.
  • This curve C1 has a hysteresis, whose level can be controlled by the prestress printed by the frames 11, 12 to the metal cushion. In the case in point, this hysteresis is relatively low because of the relatively large preload (2 mm, radially) imposed on the metal cushion.
  • the curve C2 represents the evolution of the stiffness (ordinate, right) obtained as a function of the displacement (abscissa) printed by the test device.
  • the second test is a "dynamic" test.
  • This test consists in applying an axial force on the central armature 11, the outer armature 12 remaining fixed.
  • the average force applied by the test device is 5 kN and dynamic stress is achieved by varying this effort over time by a value of ⁇ 30N.
  • the frequency of this dynamic soliicitation is controlled to cover a frequency range from 70Hz to 700Hz (limit of the test device).
  • FIG. 9 A diagram of the reference ball is provided in Figure 9, in a longitudinal sectional view.
  • This ball joint comprises a central armature AC, an external armature AE and a laminate L of elastomer / metai type inserted between the two armatures.
  • the laminate L comprises five layers of elastomer (thickness between 1.9mm and 2.5mm for each layer depending in particular on the azimuthal position of the portion of the layer concerned, average thickness of approximately 2.3mm), four metal spacers ( stainless steel 15-5 Ph; 0.7mm thick / interlayer), each of these spacers being disposed between two layers of elastomer.
  • the spherical shape of the laminate makes it possible to define an average height of this laminate of 38mm.
  • FIG. 10 represents the evolution of the stiffness (ordinates), as a function of the displacement frequency printed by the test device.
  • Curve C20 represents the behavior of the reference ball.
  • Curve C21 represents the behavior of the ball joint according to the invention.
  • the stiffness obtained under dynamic conditions is a little more important with the ball 10 according to the invention over the frequency range considered with a ball of the laminated type. However, this stiffness remains in ranges that meet the requirements for the intended applications.
  • the invention thus makes it possible to meet the various requirements in terms of mechanical behavior and as a result of solid state decoupling by providing a lifetime that will be greater than that of a ball joint comprising a laminate,
  • the thickness of the cushion after forming can be chosen depending on the desired radial prestressing, which will control the hysteresis. This thickness will depend on the width of the space between the two plates 1 1, 12 of the ball 10, that is to say the type of ball 10 (cylindrical or spherical for example) and its dimensions.
  • the height of the cushion will depend on that of the armatures of the patella.
  • the angular extent of a cushion can also be chosen according to the needs.
  • this parameter results in the number of cushions that will be installed in the space between the two frames, the cushions being arranged next to each other around the periphery of the central frame 11 or around the periphery of the frame. outer frame 12, which means the same thing.
  • it will be considered between 3 and 6 cushions distributed around the longitudinal axis AX of the ball 10. The provision of several cushions arranged in this way allows to obtain a more axisymmetric behavior of the damping structure 13. When several cushions will be considered, they may be identical.

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Abstract

L'invention concerne une rotule (10) de découplage solidien pour un aéronef, par exemple un aéronef à voilure tournante, comprenant : - une armature centrale (11), - une armature externe (12), et - une structure d'amortissement (13) montée entre l'armature centrale (11) et l'armature externe (12), caractérisée en ce que la structure d'amortissement (13) comprend au moins un coussin (130) réalisé en métal ou avec un alliage métallique et présentant des caractéristiques géométriques, et donc mécaniques, pour effectuer un découplage sélectif à au moins une fréquence comprise dans une bande de fréquences définie entre 1 Hz et 7kHz.

Description

ROTULE DE DECOUPLAGE SOLIDIEN POUR AERONEF COMPRENANT UN
COUSSIN METALLIQUE
L'invention concerne une rotule pour réaliser un découplage solidien sélectif en fréquences dans un aéronef, une liaison mécanique comportant une telle rotule et un procédé lié.
L'invention pourra en particulier trouver application dans un aéronef à voilure tournante, par exemple un hélicoptère.
Dans ce type d'aéronef, on rencontre des fréquences pouvant être qualifiées de « bruit » qui sont dans le domaine des fréquences perceptibles par l'oreille humaine, mais également des fréquences allant au-delà du spectre audible par une oreille humaine (« hautes fréquences » ou « ultrasonores ») ou encore des fréquences situées dans un spectre en-dessous (« infrasonores ») le spectre audible par l'oreiiîe humaine.
Par ailleurs, ces « bruits » peuvent généralement être de deux types : les bruits qui se propagent par voie aérienne à partir d'une paroi de l'aéronef et les bruits qui se propagent par voie solide, à savoir sur la structure même de i'aéronef. Ce sont ces derniers bruits qui sont qualifiés de solidiens. Ces bruits correspondent donc à la transmission de vibrations au sein de la structure même de l'aéronef.
Ainsi, réaliser un découplage solidien en fréquences consiste à filtrer certaines fréquences pour éviter leur propagation au sein de la structure de l'aéronef.
Ceci est d'intérêt, par exemple pour le confort des passagers d'un aéronef à voilure tournante ou pour éviter la fatigue prématurée de certaines pièces de cet aéronef.
Une solution de ce type a déjà été proposée dans le document FR
2 889 687 (D1 ).
Elle consiste à dimensionner une rotule lamifiée, c'est-à-dire une pièce comportant :
- une armature centrale destinée par exemple à être montée sur une barre de suspension d'un aéronef à voilure tournante ;
- une armature externe destinée par exemple à être montée sur une structure de reprise d'effort de cet aéronef à voilure tournante, et
- une structure d'amortissement montée entre les armatures, ladite structure étant formé d'un lamifié fixé aux armatures et comportant au moins deux couches d'amortissement (élastomère, par exempte) séparées par une couche intercalaire rigide (métal, par exemple),
dans laquelle les couches d'amortissement sont conçues, de par leur formes et/ou leurs dimensions et/ou leurs propriétés physiques, pour réaliser un découplage sélectif à au moins une fréquence dans une bande de fréquence prédéterminée.
Compte tenu de l'application envisagée à un aéronef à voilure tournante, la bande de fréquence prédéterminée est en pratique comprise entre 1Hz ou quelques Hz et 7kHz.
Cette solution est applicable à différents types d'aéronefs à voilure tournante.
Cependant, pour certains aéronefs à voilure tournante, les contraintes appliquées à la rotule lamifiée sont trop importantes si bien que cette rotule ne peut plus accomplir sa fonction de découplage solidien dans la gamme de fréquences considérée. En effet, sous des contraintes trop importantes, la durée de vie du lamifié est fortement réduite.
L'invention vise donc à augmenter la durée de vie d'une rotule de découplage solidien.
L'invention vise également à proposer une rotule permettant de remplir sa fonction de découplage solidien pour une gamme élargie d'aéronefs à voilure tournante, en particulier pour des aéronefs à voilure tournante pour lesquels les contraintes appliquées à la rotule sont plus sévères. Autrement dit, l'invention propose également une rotule offrant un meilleur compromis entre les contraintes, la durée de vie et la réponse dynamique.
A cet effet, l'invention propose une rotule de découplage solidien pour un aéronef, par exemple un aéronef à voilure tournante, comprenant :
- une armature centrale,
- une armature externe, et
- une structure d'amortissement montée entre l'armature centrale et l'armature externe,
caractérisée en ce que la structure d'amortissement comprend au moins un coussin réalisé en métal ou avec un alliage métallique et présentant des caractéristiques géométriques, et donc mécaniques, pour effectuer un découplage sélectif à au moins une fréquence comprise dans une bande de fréquences définie entre 1 Hz et 7kHz.
La rotule selon l'invention pourra également comprendre les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - la structure d'amortissement comprend une pluralité de coussins, chacun réalisé en métal ou avec un alliage métallique, les coussins étant agencés les uns à côté des autres sur le pourtour de l'armature centrale ;
- les coussins sont identiques ;
- le ou chaque coussin est monté précontraint entre l'armature centrale et l'armature externe ;
- ledit au moins un coussin est réalisé avec un acier inoxydable ;
- l'armature centrale et l'armature externe présentent une forme cylindrique avec un axe de symétrie commun, la rotule comprenant une pluralité de butées, dites butées axiales, pour bloquer le mouvement le mouvement dudit au moins un coussin métallique selon la direction définie par cet axe ;
- l'une au moins des butées axiales est amovible ;
- l'armature centrale et l'armature externe présentent chacune une forme sphérique avec un axe de symétrie commun.
L'invention concerne également une liaison mécanique de découplage solidien entre une boîte de transmission d'un aéronef à voilure tournante et une structure de reprise d'efforts de cet aéronef, cette liaison comportant :
- au moins trois barres de suspension étendues de façon évasée de bas en haut, suivant la direction d'éiévation,
- au moins deux dispositifs anti-couple négatif,
dans laquelle au moins une barre de suspension comporte une rotule selon l'invention disposée à l'une au moins des extrémités d'articulation de ladite au moins une barre avec la boîte de transmission et/ou avec la structure de reprise d'efforts.
Cette liaison mécanique pourra être prévue de sorte que chacune des barres de suspension de la liaison mécanique est pourvue d'une rotule selon l'invention.
L'invention sera décrite plus précisément en référence aux figures annexées, données à titre non limitatif :
- la figure 1 représente, de façon schématique, un aéronef à voilure tournante selon une vue en perspective ;
- la figure 2 représente, de façon schématique, une boîte de transmission principale (BTP) montée sur une structure de l'aéronef à voilure tournante, ainsi qu'une liaison mécanique et des rotules conformes à l'invention, selon une vue en perspective ;
- la figure 3 est un schéma, selon une vue en perspective, d'une rotule conforme à l'invention ; - la figure 4 est un schéma de la rotule de la figure 3, selon une vue en coupe axiale et en perspective ;
- la figure 5 est un schéma de la rotule de la figure 3, selon une vue en coupe axiale ;
- la figure 6, qui comprend les figures 6(a) à 6(c), représente différentes structures intermédiaires obtenues lors de la fabrication d'un coussin utilisé dans une rotule conforme à l'invention ;
- la figure 7 est une vue du coussin métallique, tel qu'il se présente après une opération de formage ;
- la figure 8 représente des caractéristiques du comportement d'une rotule selon l'invention dans des conditions de tests statiques ;
- la figure 9 est un schéma d'une rotule de référence (art antérieur), à savoir une rotule lamifiée sphérique, selon une vue en coupe longitudinale ;
- la figure 10 représente des caractéristiques du comportement d'une rotule selon l'invention et d'une rotule de référence.
Sur les figures annexées, on a représenté un repère orthogonal direct (O, X, Y, Z).
La figure 1 représente, de façon schématique, un aéronef à voilure tournante 100, en l'occurrence un hélicoptère, selon une vue en perspective.
Cet aéronef à voilure tournante 100 comprend un rotor principal 101, dont Taxe de rotation est défini par l'axe OZ, et des pales 102 montées sur le rotor principal 101. Le rotor principal 101 comprend une boîte 103 de transmission principale (BTP) ainsi qu'un mât 104, solidaire de la boîte 103 de transmission principale.
Le rotor principal 101 , et plus particulièrement ia boîte 103 de transmission principale, est montée sur la structure 110 de l'aéronef à voilure tournante 100.
L'aéronef à voilure tournante 100 comprend également un rotor arrière 105, relié à la boîte 103 de transmission principale.
Sur la figure 2, on a représenté plus précisément un exemple montage de la boîte 103 de transmission principale sur la structure 110 de l'aéronef à voilure tournante 100.
La boîte 103 de transmission principale comprend un carter 1 muni d'une embase 2 située sur ia structure 110 de l'aéronef à voilure tournante 100. La fixation de la boîte 103 de transmission principaie sur la structure 110 de l'aéronef à voilure tournante 100 s'effectue par des barres 200 de suspension.
Chaque barre 200 de suspension est fixée d'une part, au carter 1 de la boîte 103 de transmission principale et d'autre part, à la structure 110 de l'aéronef à voilure tournante 100. La liaison de chaque barre 200 de suspension avec ie carter 1 de la boîte 103 de transmission principaie s'effectue généralement par l'intermédiaire d'une ferrure 201, fixée sur te carter 1 et reliée à la barre de suspension 200 par une liaison pivot ou rotule. La liaison de chaque barre 200 de suspension avec la structure 110 de i'aéronef à voilure tournante 100 s'effectue généralement par l'intermédiaire d'une ferrure 202, fixée sur la structure 1 10 de l'aéronef à voiiure tournante et renée à !a barre de suspension par une rotule 0 conforme à l'invention.
Nous allons maintenant décrire plus précisément une rotule 10 selon l'invention, à l'appui des figures 3 à 5.
Cette rotule 10 comprend une armature centrale 11 , par exemple destinée à être montée sur une barre 200 de suspension de i'aéronef à voilure tournante. Cette rotule 10 comprend également une armature externe 12, destinée selon cet exemple à être montée sur la structure 10 de l'aéronef à voilure tournante 100, en l'occurrence par l'intermédiaire d'une ferrure 202.
Cette rotule 10 comprend également une structure d'amortissement 13 montée entre les armatures 11 , 12.
La structure d'amortissement 13 comporte au moins un coussin métallique 130. Il est réalisé à partir d'un fil métallique ou en alliage métallique dans des conditions qui seront précisées par la suite, dans le cas d'un exemple. Le fii présentera généralement un diamètre compris entre 0,03mm et 0,5mm, notamment entre 0,03mm et 0,3mm.
La mise en oeuvre d'une structure d'amortissement 13 comportant au moins un coussin métallique 130 présente de nombreux avantages par rapport à l'utilisation à la mise en oeuvre d'un lamifié élastomère/métal (D1 ).
Cela permet d'augmenter la plage d'utilisation en température (différence entre la température minimale acceptable et la température maximale acceptable). Généralement, la plage d'utilisation en température d'un élastomère ne dépasse pas 120°C puisque, à basse température, l'élastomère se rigidifie et perd ses performances de filtrage en fréquences et puisque, à haute température, sa durée de vie est limitée. On peut étendre cette plage d'utilisation en température avec un coussin métallique ou, pour une même plage d'utilisation en température, limiter significativement les évolutions des caractéristiques mécaniques avec la température.
Par exemple, un coussin métallique réalisé en acier inoxydable (inox) est particulièrement avantageux, la plage d'utilisation étant deux fois plus étendue, voire plus en fonction de la nuance de l'inox considéré, par rapport à un élastomère en caoutchouc naturel et le coefficient de dilation thermique de l'inox étant dix fois plus faible environ que ce même élastomère.
Cela permet également d'augmenter la durée de vie de la rotule 10 dans laquelle le coussin métallique 130 est monté. En effet, le coussin métallique 130 n'est fixé ni à l'armature centrale 11 ni à l'armature externe 12, et est seulement enfermé par ces armatures 11, 12. Avec un lamifié élastomère/métal, les couches en élastomère, entre lesquelles est agencé un intercalaire métallique ou assimilé, sont fixées à l'armature centrale 11 et/ou à i'armature externe 12. De ce fait, lorsque l'élastomère fatigue et décroche de l'une et/ou de l'autre des armatures 11, 12, il ne peut plus remplir sa fonction de filtrage correctement, ni d'aiileurs sa fonction d'amortissement au sein de la rotule. De plus, on risque alors de faire travailler le coussin en traction avec comme conséquence un fort impact négatif sur la durée de vie.
L'utilisation d'au moins un coussin métallique 130 permet également d'obtenir une fonction de butée, au moins radiaiement et angulairement (torsion, par exemple), intrinsèque au coussin métallique. En effet, lorsque le coussin métallique 130 est fortement sollicité en compression dans ces conditions, la densité du coussin métallique augmente (les dimensions des pores du coussin métallique diminuent) et la forme générale de ce coussin 130 tend à se rapprocher de celle d'une pièce métallique pleine, qui présente donc une très grande rigidité. Ce n'est pas le cas avec un lamifié élastomère/métal, du fait même de la présence de l'élastomère.
Ledit au moins un coussin métallique 130 épouse ta forme de l'espace E laissé entre ies deux armatures 11, 12 de la rotule 10.
Il s'étend avantageusement sur toute la hauteur de cet espace E.
Avantageusement, ledit au moins un coussin 130 sera précontraint, dans son épaisseur, à savoir selon la direction radiale de la rotule 10. A cet effet, une solution simple est de fabriquer un coussin 130 d'épaisseur plus importante que la largeur (radial) de l'espace E annulaire formé entre les deux armatures. Lorsque le coussin est monté dans cet espace E, (es armatures 11 , 12 exercent alors cette précontrainte sur le coussin 130.
Il convient de noter que, sur les figures annexées, la rotule 10 est un rotule de forme cylindrique. Plus précisément, l'armature centrale 11 et l'armature externe 12 présentent chacune une forme cylindrique avec un axe de symétrie commun.
Cet axe de symétrie correspond à l'axe longitudinal AX (cf. figure 4 par exemple). Aussi, du fait que ledit au moins coussin métallique 130 n'est pas fixé aux armatures 11, 12 de ia rotule 10, il convient de prévoir butées axiales.
La rotule 10 pourrait présenter une forme sphérique. Dans ce cas, l'armature centrale et l'armature externe présentent une forme sphérique avec un axe de symétrie commun, défini par l'axe longitudinal AX. La forme même des armatures implique que l'utilisation de butées axiales n'est pas nécessaire.
Si l'on revient aux figures annexées (rotule cylindrique), l'armature externe 12 comprend, à chacune de ses extrémités internes, une butée axiale 121 , 122, se présentent par exemple sous la forme d'une collerette périphérique, participant au blocage axiale de Sa structure dudit au moins un coussin métallique 130. Les collerettes 121 , 122 font avantageusement partie intégrante de l'armature externe 12 et ne sont donc pas des pièces rapportées.
De façon similaire, l'armature centrale 1 1 , comprend, à chacune de ses extrémités externes, une butée axiale 11 1 , 112, se présentant par exemple sous la forme d'une collerette périphérique, participant au blocage axiale dudit au moins un coussin métallique 130. Avantageusement, l'une 111 au moins de ces collerettes 1 11 , 112 est amovible pour faciliter l'introduction du coussin métallique 130, après sa fabrication, dans l'espace E situé entre les deux armatures 11 , 12.
Outre l'aspect blocage dudit au moins un coussin métallique 130, les collerettes 11, 1 12, 121 , 122 apportent une fonction butée fors d'une sollicitation axiale du coussin.
L'utilisation de quatre collerettes comme indiqué ci-dessus est avantageuse.
Pour autant, on pourrait ne prévoir que deux collerettes. Par exemple, il est envisageable de prévoir une collerette sur ia partie supérieure i'armature externe 12 et une collerette sur ia partie inférieure de l'armature centrale 1 . Le fait de disposer deux collerettes de cette façon peut être suffisant pour assurer un blocage du coussin métallique axialement. Une rotule 10 conforme à l'invention, cylindrique, a été fabriquée et testée.
L'armature centrale 1 1 présente un rayon externe R1 valant R1 = 23,9mm et l'armature externe 12 présente un rayon interne R2 valant R2 - 35mm {chaque rayon est pris à partir de l'axe longitudinal, de symétrie AX, comme cela est représenté sur la figure 5). L'espace E formé entre les deux armatures 1 1 , 12, en l'occurrence annulaire, présente donc une largeur correspondant à la différence r = R2-R1 de ces deux rayons, soit r = 11 ,1 mm. La hauteur h de cet espace E annulaire est de h = 25mm.
Les caractéristiques d'un coussin 130 et ses conditions de fabrication sont les suivantes.
Le fil utilisé pour fabriquer un coussin 130 est de l'acier inoxydable.
Le diamètre du fil est de 0,23mm.
Avec ce fil, on réalise tout d'abord un tricot, avec une tricoteuse. En sortie de tricoteuse, on obtient un tricot T, plat, tel que celui qui est représenté sur la figure 6(a). Le tricot T présente une largeur de 100mm et une masse de 28g.
Ensuite, on réalise un gaufrage du tricot T obtenu précédemment. On obtient alors un tricot gaufré TG, te! que représenté sur la figure 6(b). Après gaufrage, la largeur I du tricot gaufré est de 60mm. L'opération de gaufrage est donc effectuée de sorte que la largeur du tricot passe de I = 100mm (tricot plat) à I = 60mm (tricot gaufré).
Puis, on conforme le tricot gaufré TG dans une matrice pour qu'il présente une forme refermée sur lui-même assimilable à ia forme d'une chaussette TGC, comme cela est représenté sur la figure 6(c). Le formage réalisé dans cette matrice consiste alors à appliquer un effort radial sur la chaussette. A cet effet, cet effort est supérieur à au moins 2 fois l'effort maximum que le coussin 130 est susceptible de subir en cours d'utilisation. Cela permet d'améliorer la durée de vie du coussin.
A l'issue du formage, le coussin obtenu présente ainsi une épaisseur e = 12,5mm (radial). Le coussin présente une hauteur similaire à la hauteur h de l'espace E annulaire formé entre les deux armatures 1 1 , 12. Enfin, le coussin est défini sur un secteur angulaire d'angle a = 72°.
Ce coussin 130 est représenté sur la figure 7.
On note que l'épaisseur e du coussin 130 obtenu après le formage est supérieure, en l'occurrence de 1 ,4mm, à la distance r définissant l'espace E annulaire entre les deux armatures 11 , 12. Cela permet de précontraindre le coussin 130 radïalement lorsqu'il est installé entre les deux armatures 1 , 12,
Un coussin ainsi fabriqué présente une géométrie donnée et est réalisé avec un matériau donné, en l'occurrence de l'acier inoxydable, ce qui permet de définir ses caractéristiques mécaniques.
Cinq coussins ont été fabriqués de cette façon, afin de couvrir au total un angle de 360° correspondant à l'ensemble du pourtour de l'espace annulaire formé entre les deux armatures 1 1, 12 de la rotuie 10 (5 coussins ayant chacun un secteur angulaire de 72°),
Les cinq coussins ont été installés dans l'espace E annulaire.
La rotule 10 selon l'invention a été soumise à deux tests.
Le dispositif de test est classique.
Le premier test est un test « statique ».
li est réalisé à température ambiante.
Il consiste à appliquer un effort axial à l'armature centrale 11 de !a rotuie 10, et donc un déplacement, l'armature externe 12 restant fixe.
L'effort axial est appliqué selon le cycle suivant : OkN, puis transition jusqu'à 15kN, puis transition jusqu'à -15kN, et une dernière transition pour revenir à OkN.
On suit alors l'évolution du comportement mécanique de !a rotule, lequel est représenté sur la figure 8.
La courbe C1 représente l'évolution de la force (ordonnées, à gauche) mesurée sur !a rotuie par ie dispositif de test en fonction du déplacement (abscisses) imprimé par ce dispositif de test à l'armature concernée. Cette courbe C1 présente un hystérésis, dont le niveau peut être contrôlé par la précontraintes imprimée par les armatures 11 , 12 au coussin métailique. Dans le cas d'espèce, cet hystérésis est relativement faible du fait de la précontrainte relativement importante (2mm ; radialement) imposée au coussin métallique.
La courbe C2 représente l'évolution de la raideur (ordonnées, à droite) obtenue en fonction du déplacement (abscisses) imprimé par le dispositif de test.
Les valeurs obtenues sur la raideur en conditions statiques permettent de répondre aux requis pour les applications envisagées.
Le deuxième test est un test « dynamique ».
Il est réalisé à température ambiante. Ce test consiste à appliquer un effort axial sur l'armature centrale 11 , l'armature externe 12 restant fixe. L'effort moyen appliqué par ie dispositif de test est de 5kN et une sollicitation dynamique est réalisée en faisant varier cet effort dans le temps d'une valeur de ± 30N. La fréquence de cette soliicitation dynamique est contrôiée pour couvrir une gamme de fréquences allant de 70Hz à 700Hz (limite du dispositif de test).
Le test dynamique a été réalisé, dans les mêmes conditions décrites ci-dessus, pour la rotule conforme à l'invention et pour une rotule de référence.
Un schéma de îa rotule de référence est fourni en figure 9, selon une vue en coupe longitudinale.
Il s'agit d'une rotule lamifiée, de forme sphérique.
Cette rotule comprend une armature centrale AC, une armature externe AE et un lamifié L de type élastomère/métai inséré entre les deux armatures.
L'armature centrale AC, de forme sphérique, présente un rayon externe R'1 de valeur R'1 = 25,8mm (le rayon est pris à partir du point O situé sur l'axe de symétrie AX et à mi-hauteur de rotule).
L'armature externe AE, également de forme sphérique, présente un rayon interne R'2 de valeur R'2 = 40mm.
Le lamifié L comporte cinq couches d'élastomère (épaisseur comprise entre 1 ,9mm et 2,5mm pour chaque couche en fonction notamment de la position azimutale de la partie de couche concernée ; épaisseur moyenne de 2,3mm environ), quatre intercalaires métalliques (acier inoxydable 15-5 Ph; 0,7mm d'épaisseur/intercalaire), chacun de ces intercalaires étant disposé entre deux couches d'élastomère. La forme sphérique du lamifié permet de définir une hauteur moyenne de ce lamifié de 38mm.
La figure 10 représente l'évolution de la raideur (ordonnées), en fonction de la fréquence de déplacement imprimée par ie dispositif de test.
La courbe C20 représente le comportement de la rotule de référence.
La courbe C21 représente le comportement de la rotule conforme à l'invention.
Comme on peut le constater, la raideur obtenue en conditions dynamiques est un peu pius importante avec ta rotule 10 selon l'invention sur la gamme de fréquence considérée qu'avec une rotule de type lamifié. Pour autant, cette raideur reste dans des gammes répondant aux requis pour les applications envisagées.
L'invention permet donc de répondre aux différents requis en termes de comportement mécanique et par suite de découplage solidien en apportant une durée de vie qui sera supérieure à celle d'une rotule comportant un lamifié,
Le comportement mécanique d'un coussin 130, tant en statique qu'en dynamique, dépend du matériau choisi pour le réaliser et de sa géométrie,
A cet effet, il est proposé ici de réaliser un coussin 130 avec un matériau métallique ou en alliage métallique.
Quant aux caractéristiques géométriques du coussin 130, elles ne sont pas limitées à celles de l'exemple détaillé décrit précédemment.
Ainsi, l'épaisseur du coussin après formage pourra être choisie en fonction de la précontrainte radiale souhaitée, qui permettra de contrôler l'hystérésis. Cette épaisseur dépendra de la largeur de l'espace entre les deux armatures 1 1 , 12 de la rotule 10, c'est-à-dire du type de rotule 10 (cylindrique ou sphérique par exemple) et de ses dimensions.
La hauteur du coussin dépendra de celle des armatures de la rotule.
Par ailleurs, l'étendue angulaire d'un coussin peut également être choisie en fonction des besoins. En pratique, ce paramètre se traduit par le nombre de coussins qui seront installés dans l'espace séparant les deux armatures, les coussins étant agencés les uns à côté des autres sur le pourtour de l'armature centrale 11 ou sur le pourtour de l'armature externe 12, cela signifiant la même chose. Avantageusement, on envisagera entre 3 et 6 coussins répartis autour de l'axe longitudinal AX de la rotule 10. Le fait de prévoir plusieurs coussins agencés de cette façon permet d'obtenir un comportement plus axisymétrique de la structure d'amortissement 13. Lorsque plusieurs coussins seront envisagés, ils pourront être identiques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Rotule (10) de découplage solidien pour un aéronef, par exemple un aéronef à voilure tournante, comprenant :
- une armature centrale (11 ),
- une armature externe (12), et
- une structure d'amortissement (13) montée entre l'armature centrale (11 ) et l'armature externe (12),
caractérisée en ce que !a structure d'amortissement (13) comprend au moins un coussin (130) réalisé en métai ou avec un alliage métallique et présentant des caractéristiques géométriques, et donc mécaniques, pour effectuer un découplage sélectif à au moins une fréquence comprise dans une bande de fréquences définie entre 1Hz et 7kHz.
2. Rotule (10) selon la revendication 1 , dans laquelle la structure d'amortissement (13) comprend une pluralité de coussins, chacun réalisé en métai ou avec un alliage métallique, les coussins étant agencés les uns à côté des autres sur le pourtour de l'armature centrale (11 ).
3. Rotule ( 0) selon la revendication précédente, dans laquelle les coussins (130) sont identiques.
4. Rotule (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le ou chaque coussin (130) est monté précontraint entre l'armature centrale (11 ) et l'armature externe (12).
5. Rotule (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ledit au moins un coussin (130) est réalisé avec un acier inoxydable.
6. Rotule (10) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle l'armature centrale (11) et l'armature externe (12) présentent une forme cylindrique avec un axe de symétrie commun, la rotule comprenant une pluralité de butées (1 11, 1 12, 121, 122), dites butées axiales, pour bloquer le mouvement îe mouvement dudit au moins un coussin métallique selon la direction définie par cet axe.
7. Rotuie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle l'une (1 11 ) au moins des butées axiales (11 1 , 112, 121 , 122) est amovible.
8. Rotuie (10) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle l'armature centrale (1 1 ) et l'armature externe (12) présentent chacune une forme sphérique avec un axe de symétrie commun.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20060108727A1 (en) * 2004-11-23 2006-05-25 Honda Motor Co., Ltd. Composite bushing having dual damping capability
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DE102012013263A1 (de) * 2012-07-03 2014-01-09 Rhodius Gmbh Verfahren zur Herstellung eines aus Metalldraht gefertigten, ringförmigen Dämpfungselementes sowie Verfahren zur Herstellung eines Entkopplungselementes mit einem derartigen Dämpfungselement

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