FR3165478A1 - Système d’amortissement linéaire à aire d’écoulement variable selon le déplacement du piston dans sa chambre d’amortissement - Google Patents

Abstract

Amortisseur à piston à coefficient d’amortissement variable, l’amortisseur à piston étant formé : - D’une tige d’amortisseur [50] translatant le long d’un cylindre creux [71] ; la tige [50] étant en partie creuse, accueillant une tige de guidage [30] ; - D’un ensemble piston composé d’un demi-piston inférieur [20] et d’un demi-piston supérieur [21] maintenus ensemble; le volume généré par l’assemblage des demi-pistons [20] et [21] permettant d’accueillir un palet [10] maintenu en appui-plan par rapport à l’ensemble [20] [21], caractérisé en ce que les demi-pistons [20] et [21] et le palet [10] présentent des ouvertures et en ce que la rotation du palet [10] par rapport à la tige [30] et par rapport à l’assemblage des demi-pistons est réalisée via une ou plusieurs tranchées suivant une trajectoire hélicoïdale sur la surface extérieure de la tige de guidage [30] et dont la forme coïncide avec une extrusion de matière réalisée sur le palet [10] » Figure pour l'abrégé : Figure 5

Description

Système d’amortissement linéaire à aire d’écoulement variable selon le déplacement du piston dans sa chambre d’amortissement

La présente invention concerne une architecture d’amortisseur linéaire impliquant une variation de l’aire d’écoulement du fluide interne en fonction de la position du piston sur son axe de déplacement.

Traditionnellement, l’architecture d’un amortisseur linéaire (ressort exclus) implique un volume cylindrique fermé d’huile dans lequel un ensemble piston/tige se déplace longitudinalement sur l’axe du cylindre. Ce déplacement linaire est possible via le passage du fluide interne d’une chambre à l’autre via la déformation élastique de lamelle (clapet) situé de part et autre du piston. À noter que les systèmes d’ouverture hydraulique de type ressort-bille sont aussi considérés ici comme des clapets à ouverture via la déformation élastique du ressort. Cette déformation élastique des clapets est dû à la différence de pression entre les deux chambres. Une fois les clapets pleinement ouverts (buté ou limite élastique), l’aire de passage du fluide est constante, amenant à un coefficient d’amortissementcconstant pour une architecture d’amortisseur et un fluide donnés. Un coefficient d’amortissement statique et spécifique à chaque type d’amortisseur réduit leur profil d’utilisation et implique l’ajout d’un ressort afin d’obtenir un système d’amortissement complet en présence de phénomène vibratoire. LaFIG. 2illustre ce principe d’ouverture d’une chambre haute pression [Pi] vers une chambre basse pression [Pj] via la déformation élastique d’une membrane. La circulation relative du fluide d’une chambre à l’autre permet la translation de l’ensemble tige/piston dans un mouvement dont l’amortissement est proportionnel à cette aire d’ouverture.

D’autres systèmes d’amortissement se basent sur les propriétés magnétorhéologique du fluide utilisé afin de faire varier ses propriétés physiques via l’application d’un champ magnétique. Cette solution permet de faire varier la fluidité de l’huile, et donc le coefficient d’amortissement c selon l’intensité du champ magnétique appliquée. Cette solution implique toutefois l’ajout d’équipements électromagnétiques complexes en plus d’un asservissement externe afin de piloter au mieux le coefficient d’amortissement selon les cas d’utilisation. Ici aussi, l’ajout d’un ressort est imposé afin de couvrir tout phénomène en position lors de phénomène vibratoire.

D’autres systèmes d’amortisseur ont été conçus afin d’obtenir la variation de l’aire d’écoulement via le déplacement hélicoïdal d’une valve le long de l’axe de tige. Cette rotation, uniquement causée par la différence de pression agissant sur le mécanisme, permet d’exposer le fluide à une aire de passage plus ou moins important, faisant varier l’amortissement du mouvement tige/piston. La position du piston dans ce genre de mécanisme n’impacte pas la cinématique en présence [cf. brevet CN110319142B – 2019 – Université de Jiangsu].

Le présent système permet une nouvelle approche permettant la variation du coefficient d’amortissement, indépendamment du différentiel de pression, et ce sans variation des propriétés rhéologique du fluide utilisé. Cette variation du coefficient d’amortissement est provoquée par la variation de l’aire de passage du fluide d’une chambre à l’autre uniquement selon la position du piston sur son axe de déplacement. Cette solution purement mécanique offre une nouvelle approche dans la conception de système d’amortissement permettant, sans s’y limiter, de :

• Réduire l’apport dynamique du ressort en augmentant l’effort résistant du vérin au fur et à mesure que le piston se déplace dans la chambre (cf.FIG. 8).
• Augmenter la polyvalence d’utilisation de l’amortisseur selon le type de palet [10] utilisé (cf.FIG. 6).
• Permettre un auto-blocage du piston avant qu’il ne rentre en conflit géométrique avec les coussins d’amortissement situés de part et d’autre de la course du piston.

L’architecture se présente sous la forme d’une tige [50] translatant le long d’un cylindre étanche [71] et étant relié à son extrémité par un ensemble piston [20]-[21] via un maintien [202]. L’autre extrémité du cylindre [71] est relié, via un maintien étanche [61], à une liaison pivot [60]. L’autre extrémité du cylindre [71] est également fermée par un ensemble [70] assurant l’étanchéité de la chambre du cylindre ainsi que le guidage en translation de la tige [50]. Cette même tige [50] est en partie creuse afin d’accueillir l’élément [30] traversant ainsi l’ensemble piston [20]-[21] puis rentrant à l’intérieur de la tige [50] sans jamais y produire de contact.

Les pièces [20] et [21] sont maintenues ensemble via des vises de fixation à filetage étanche [41] associées à un joint étanche torique [42]. L’étanchéité du contact entre le piston [20]-[21] et le cylindre [71] est assuré par un joint [40] faisant office de segment. Le volume généré par l’assemblage des pièces [20] et [21] permet d’accueillir un palet cylindre [10] relié aux pièces [20] et [21] via un appuie plan via l’utilisation de joint élastique [101] et [102]. Ce palet [10] est aussi relié à la tige de guidage [30] via une liaison hélicoïdale permettant la mise en rotation du palet [10] par rapport à l’ensemble [20]-[21] lorsque l’ensemble piston-palet-tige translate par rapport au guide [30].

Le cylindre fermé [71] étant remplie d’un fluide comme de l’huile hydraulique, la seule façon pour ce fluide de passer d’une chambre à une autre, et ainsi permettre la translation de l’ensemble tige-piston-palet ([50]-[20]-[21]-[10]), est d’autorisé le passage du fluide à travers le piston [20]-[21] via la mise en place d’aires d’ouverture. Afin d’assurer que le fluide traverse le piston sans y créer des zones de pressions hydrauliques internes, les pièces élastiques [101] et [102], en plus d’assurer l’appui-plan entre le palet [10] et le piston, assurent l’étanchéité du piston face aux pressions hydrauliques externe. Ces pièces élastiques [101] et [102] sont maintenue en position fixe par rapport au piston [20]-[21] via des logements appropriés représenté par des extrusions de matière à l’intérieure des demi-piston [20] et [21]. À noter qu’un joint cylindre [43] finalise l’étanchéité interne de l’ensemble [20]-[21].

Le palet [10] est composé d’un cylindre avec en son centre une extrusion cylindrique associé à deux guides, sous forme d’extrusion, suivant une trajectoire d’hélice circulaire. Cette même trajectoire d’hélice est le même suivi par deux tranchées présentes sur la pièce cylindrique [30]. Cette association de trajectoire permet au palet [10] d’effectuer une rotation le long de l’axe de [30] grâce au guidage généré par la liaison hélicoïdale [30]-[10]. Aussi, le palet [10] est percé sur sa périphérie par un ensemble de lumières (extrusion « au travers » d’un volume selon une géométrie quelconque). Ces lumières sont en phase variable avec le même nombre et même disposition de lumière sur les demi-pistons [20] et [21].

La rotation relative du palet [10], provoqué le guidage en hélice de [30], par rapport au piston [20]-[21], permet aux ouvertures présentent sur [10] de coïncider de manière plus ou moins importante avec les mêmes types d’ouverture présentent sur [21] et [20]. Cette variation d’alignement entre ces ouvertures permet d’agir directement sur l’aire de passage du fluide entre les deux chambres du cylindre. Cette variation étant causé par la rotation de [10] par rapport à [30], il est donc possible de faire varier l’aire d’ouverture, et donc de faire varier le coefficient d’amortissement uniquement selon la position de l’ensemble [10]-[20]-[21] par rapport à [30], et par extension l’ensemble fixe de l’amortisseur ([71], [70], [60], etc.).

La rotation relative de [10] par rapport à [20]-[21] n’est contrôlable que si l’ensemble [20]-[21] est considérer comme étant bloqué en rotation par rapport à [30], et par extension à l’ensemble du corp fixe de l’amortisseur. Ceci permettant de s’assurer que l’élément [10] soit le seul à effectuer une rotation lors de son déplacement le long de l’axe de guidage [30]. Afin de garantir cette suppression de degrés de liberté en rotation de [20]-[21] sur l’axe de translation, il est nécessaire que l’ensemble de sa classe d’équivalence (201,202,50,51, etc.) soit bloqué en rotation sur son axe de translation par rapport au corps de l’amortisseur. Pour ce faire, l’élément [51] doit être le siège d’une liaison rotule-annulaire afin de garantir l’isostatisme du système tout en garantissant un fonctionnement nominal du mécanisme.

Le guidage en rotation de [10] par rapport [20]-[21] se faisant via une tige à guidage hélicoïdale [30], cette même tige, pour permettre une translation complète de la tige de l’amortisseur, doit s’insérer dans le piston [20]-[21] puis parcourir un volume creux situé le long de l’axe de la tige de l’amortisseur [50]. Ceci permettant à la tige [50] et le reste de sa classe d’équivalence, de translater librement le long de son axe sans rentrer en conflit géométrique avec l’élément [30]. Cette architecture implique un volume variable situé dans l’espace creux de l’élément [50] et fermé par l’extrémité de la tige [30]. Tout volume étant remplis d’huile, il est donc nécessaire que l’huile présente dans ce volume ne soit pas comprimée lors de la diminution de ce volume via la translation de [30] dans [50] (à supposer que la liaison hélicoïdale [30]-[10] soir complétement étanche, cela reviendrait à bloquer complétement l’amortisseur en translation). Il est donc nécessaire de permettre à cette huile de s’échapper lors de la diminution de ce volume. Une architecture est proposée via une extrusion de matière le long de l’axe de l’élément [30] jusqu’à sa base. Un réseau de canaux à la base de [30] est ensuite mis en place afin d’évacuer, ou aspirer, l’huile selon la variation du volume induit par [30] et [50]. À noter que ces canaux doivent être aussi large que possible afin que les frottements du fluide le long de ces conduit ne soit propice à un quelque conque phénomène d’amortissement.

Description des figures

FIG. 1représente le schéma cinématique du mécanisme avec ces principale liaisons.

FIG. 2représente le phénomène physique traditionnellement utilisé dans les amortisseurs afin de permettre au fluide de passer d’une chambre haute-pression à une chambre basse-pression, à savoir la déformation élastique d’une ou plusieurs membranes.

FIG. 3représente une vue en coupe d’un exemple de conception basé sur le schéma cinématique présenté en figureFIG. 1et présenter les éléments principaux du mécanisme (tige de guidage [30], piston [20]-[21], tige d’amortisseur [50], etc.).

FIG. 4représente une vue en coupe détaillé de la conception présentée enFIG. 3et présentant les éléments du piston [20]-[21], le palet [10], les éléments d’étanchéité [40], [43], [101], [102].

FIG. 5représente les mêmes éléments détaillés enFIG. 4mais cette fois en vue isométrique.

FIG. 6Exemple de géométrie d’ouverture du palet [10], incluant les courbes de variation de l’aire de passage selon la rotation θ de [10] par rapport au piston [20]-[21].

FIG. 7représente une vue éclatée de l’ensemble de conception basé sur le schéma cinématique de principe présenté enFIG. 1.

FIG. 8représente les différents phénomènes dynamiques entre un amortisseur classique à coefficient constant c, et la nouvelle dynamique proposée illustrant (à vitesse constante) une résistance à l’avancement en fonction d’un coefficient d’amortissement lui-même fonction du déplacement ( c’= c(x) ). À noter que ces graphiques sont purement à des fins d’illustration, et que la géométrie des orifices du palet [10] ainsi que le type de trajectoire qu’il effectue le long de son axe de translation [30] influencent de manière significative l’évolution de cette résistance à l’avancement selon le déplacement.

Liste des pièces de l’assemblage :

• 10 : Palet
• 101 : Joint élastique supérieure entre [10] et [20]
• 102 : Joint élastique inférieure entre [10] et [20]
• 20 : Demi-piston inférieure
• 21 : Demi-piston supérieure
• 201 : Joint d’étanchéité entre [50] et [20]
• 202 : Pièce de maintien position de [50] par rapport à [20]
• 30 : Ensemble de guidage hélicoïdal du palet
• 40 : Joint d’étanchéité entre le piston et la cylindre
• 41 : Vise d’assemblage à filetage étanche
• 42 : Joint torique associé à [41]
• 43 : Joint cylindre associé à [20] et [21]
• 50 : Tige de l’amortisseur
• 51 : Pièce associée à la liaison rotule annulaire de [50] avec le bâtit
• 60 : Embase de l’amortisseur avec liaison pivot
• 61 : Pièce d’alignement de [30] par rapport à l’axe de pivot en [60]
• 70 : Couvercle supérieure de l’amortisseur
• 71 : Corps du cylindre de l’amortisseur

Liste des figures :

• FIG. 1: Schéma cinématique
• FIG. 2: Illustration d'une ouverture hydraulique via déformation d'une membrane
• FIG. 3: Vue en coupe - Amortisseur complet
• FIG. 4: Vue en coupe - composition interne du piston
• FIG. 5: Vue isométrique en coupe partielle - composition interne piston+palet
• FIG. 6: Vue éclatée - ensemble partiel
• FIG. 7: variation de l'ouverture A, B ou C en fonction de l'angle de rotation θ
• FIG. 8: implication du paramètre positionnel dans la variation de la résistance à l'avancement F

Mode de réalisation du mécanisme

En référence aux figures 3, 4, 5 et 7, le dispositif d’amortisseur comporte une tige d’amortisseur [50], un piston composé de deux coupoles [20] et [21] maintenues à [500 via l’élément d’assemblage [202]. L’élément [60] accueille une liaison pivot. L’élément [51] accueille une liaison rotule-annulaire. L’ensemble [50]-[20]-[21] translate par rapport au corps de l’amortisseur [71]-[70]-[60]-[61].

Le palet [10] est maintenu en appui-plan par rapport à l’ensemble [20]-[21] via les éléments déformables (ex : joint en élastomère) [101] et [102]. L’étanchéité de la cavité créée par l’assemblage des éléments [20] et [21] est assurer par la mise en place de joints en élastomère [42] et [43] ainsi que l’utilisation de vis d’assemble avec pas de vis étanche.

la rotation du palet [10] par rapport à l’axe de guidage [30] est réalisé via la conception d’une ou plusieurs tranchées sur la surface extérieure de [30] et suivant une trajectoire hélicoïdale le long de l’axe du cylindre [30]. La forme de cette tranchée doit coïncider avec une extrusion de matière réalisé sur le palet [10] afin que le palet puisse s’emboiter axialement sur [30]. Ainsi les extrusions de [10] sont en place dans les tranchés de [30] et permettent un guidage complet de [10] lorsque celui-ci translate le long de [30]. À noter que la trajectoire hélicoïdale de guidage imposée par [30] peut être constante ou variable selon les besoins.

L’ensemble des éléments représentés sur les figures 3, 4, 5, 6 et 7 peuvent être conçus à partir de matériaux traditionnellement utilisés dans la conception d’amortisseur industriel (acier, aluminium, laiton, bronze, etc.). L’utilisation de techniques et d’éléments d’étanchéité traditionnellement utilisés dans le domaine hydraulique peuvent être utilisés pour assurer à ce mécanisme l’étanchéité nécessaire.

Claims (2)

1. Amortisseur à piston à coefficient d’amortissement variable, l’amortisseur à piston étant formé :
   - D’une tige d’amortisseur [50] translatant le long d’un cylindre étanche [71] dont une extrémité est fermée par un couvercle supérieur d’amortisseur [70] assurant l’étanchéité de la chambre du cylindre ainsi que le guidage en translation de la tige d’amortisseur [50] et l’autre extrémité par un maintien étanche [61] relié à une liaison pivot [60] ; la tige d’amortisseur [50] étant en partie creuse et accueillant une tige de guidage [30] ;
   - D’un ensemble piston composé d’un demi-piston inférieur [20] et d’un demi-piston supérieur [21] maintenus ensemble par des vis de fixation à filetage étanche [41] ; l’ensemble piston étant maintenu à une extrémité de la tige d’amortisseur [50] via un élément d’assemblage [202] ; le volume généré par l’assemblage des demi-piston inférieur [20] et supérieur [21] permettant d’accueillir un palet [10] maintenu en appui plan par à l’ensemble [20] [21] via des joints élastiques [101] et [102]
   caractérisé en ce que le demi-piston inférieur [20], le demi-piston supérieur [21] et le palet [10] présentent des ouvertures et en ce que la rotation du palet [10] par rapport à la tige de guidage [30] et par rapport aux demi-piston supérieur [20] et inférieur [21] est réalisée via une ou plusieurs tranchées suivant une trajectoire hélicoïdale sur la surface extérieure de la tige de guidage [30] et dont la forme coïncide avec une extrusion de matière réalisée sur le palet [10]
2. Amortisseur à piston à coefficient d’amortissement variable selon la revendication 1 caractérisé en ce que le nombre et la disposition des ouvertures du palet [10] sont les mêmes que celles des demi-piston inférieur [20] et supérieur [21].