FR3119000A1 - Pendulum damping device and associated design method - Google Patents
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Abstract
Dispositif d’amortissement pendulaire (100) pour engin de mobilité comprenant : - un support (1) , - une pluralité de N pendules (5 ) caractérisé en ce que au moins un pendule (5) vérifie l’équation suivante : Figure pour l’abrégé : Figure 2Pendulum damping device (100) for mobility device comprising: - a support (1), - a plurality of N pendulums (5) characterized in that at least one pendulum (5) verifies the following equation: Figure for the abstract: Figure 2
Description
Le domaine de la présente invention concerne les systèmes d’accouplement destinés à coupler un organe générateur d’énergie d’un engin de mobilité à un organe distributeur de cette énergie, tels que les mécanismes d’embrayage ou les convertisseurs de couple.The field of the present invention relates to coupling systems intended to couple an energy-generating member of a mobility device to a distributing member of this energy, such as clutch mechanisms or torque converters.
Les machines rotatives sont souvent sujettes à des fluctuations de couple, engendrant des vibrations du rotor et provoquant en fin de compte une fatigue prématurée et une pollution sonore. Dans l’industrie automobile, des vibrations du système de transmission générées par les fluctuations de couple d’un moteur thermique peuvent être réduites en utilisant des dispositifs d’amortissement pendulaire (en anglais « centrifugal pendulum vibration absorbers »CPVA). Ces dispositifs passifs sont constitués de plusieurs masses oscillant le long d’une trajectoire donnée par rapport au rotor à leur support. Des études précédentes ont révélé que la dynamique de ces dispositifs est sujette à des instabilités. Il existe un besoin pour améliorer la stabilité dynamique des dispositifs d’amortissement pendulaire..Rotating machinery is often subject to torque fluctuations, causing rotor vibration and ultimately causing premature fatigue and noise pollution. In the automotive industry, vibrations of the transmission system generated by the torque fluctuations of a heat engine can be reduced by using pendulum damping devices (in English “centrifugal pendulum vibration absorbers” CPVA). These passive devices consist of several masses oscillating along a given trajectory with respect to the rotor at their support. Previous studies have revealed that the dynamics of these devices are subject to instabilities. There is a need to improve the dynamic stability of pendular damping devices.
Pour répondre à ce besoin, l’invention selon une de ses aspects propose un dispositif d’amortissement pendulaire pour engin de mobilité, ledit dispositif comprenant :To meet this need, the invention according to one of its aspects proposes a pendular damping device for a mobility device, said device comprising:
- un support,,- a support,,
- une pluralité de pendules- a plurality of pendulums
et caractérisé en ce que au moins un pendule vérifie l’équation suivante :and characterized in that at least one pendulum verifies the following equation:
Selon les variantes le dispositif d’amortissement pendulaire selon l’invention présente tout ou partie des caractéristiques suivantes:According to the variants, the pendular damping device according to the invention has all or part of the following characteristics:
- au moins un pendule présente un profil pour rouler sans glisser sur un rouleau du dispositif.at least one pendulum has a profile for rolling without slipping on a roller of the device.
- le rouleau est fixe par rapport au supportthe roller is fixed relative to the support
- la réponse d’ordre d’au moins un pendule vérifie l’équation suivante :the order response of at least one pendulum verifies the following equation:
- le dispositif d’amortissement pendulaire comporte deux pendules monofilairesthe pendulum damping device comprises two single-wire pendulums
- le dispositif d’amortissement pendulaire comporte deux pendules bifilairesthe pendular damping device comprises two bifilar pendulums
- le dispositif d’amortissement pendulaire présente des paramètres vérifiant au moins une des relations ci-dessous :the pendular damping device has parameters verifying at least one of the relationships below:
η est positif, voire 0< η <2, η représentantη is positive, even 0< η <2, η representing
0.05 < µ < 0.2 , µ représentant0.05 < µ < 0.2 , µ representing
α[1]est positif, voire 0< α[1]<1, µ représentantα [1] is positive, even 0< α [1] <1, µ representing
np<1, µ représentantn p <1, µ representing
-5<x[4]<5), µ représentant-5<x [4] <5), µ representing
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système de transmission pour engin de mobilité comportant un dispositif d’amortissement pendulaire tel que décrit.Another subject of the invention, according to another of its aspects, is a transmission system for a mobility device comprising a pendular damping device as described.
Avantageusement, les pendules selon l’invention admettent un mouvement de rotation significatif par rapport au support, en plus du mouvement de translation traditionnel. Le rendement de tels dispositifs est optimal pour un mouvement synchrone parfait de masses oscillantes. Néanmoins, en raison de non-linéarités, l’unisson de masses peut être rompu au profit d’une localisation d’énergie sur un amortisseur donné, ce qui engendre une perte d’efficacité d’atténuation. Pour évaluer la stabilité de tels dispositifs, un modèle dynamique basé sur une méthode de perturbation analytique est établi. Le but de ce modèle est de prédire analytiquement une localisation et des sauts de la réponse. La validité du modèle a été confirmée par comparaison à la fois à une résolution numérique de la dynamique du système et à une étude expérimentale.Advantageously, the pendulums according to the invention admit a significant rotational movement with respect to the support, in addition to the traditional translational movement. The efficiency of such devices is optimal for a perfect synchronous movement of oscillating masses. Nevertheless, due to non-linearities, the unison of masses can be broken in favor of an energy localization on a given damper, which generates a loss of attenuation efficiency. To assess the stability of such devices, a dynamic model based on an analytical perturbation method is established. The purpose of this model is to analytically predict a localization and response jumps. The validity of the model was confirmed by comparison with both a numerical resolution of the system dynamics and an experimental study.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’exemples de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :The invention can be better understood on reading the following description of examples of its implementation and on examining the appended drawing in which:
- la
- la
- la
- la
- la
- la figure 6 illustre un exemple de dispositif d’amortissement pendulaire schématisé à la
Dans le cadre de la réduction d’émissions polluantes et de la consommation de carburant de véhicules à moteurs thermiques, des fabricants automobiles essaient de réduire la cylindrée et le régime du moteur. Ces évolutions conduisent à une augmentation significative d’irrégularités de rotation appelées « acyclismes », principalement en raison d’une pression de combustion supérieure. L’une des caractéristiques principales de ces moteurs alternatifs est la dépendance linéaire de la fréquence d’acyclisme au régime moyen du moteur. Le coefficient de proportionnalité est appelé l’ordre de moteur (ou d’allumage) et dépend uniquement de l’architecture du moteur. Pour les moteurs à quatre temps, l’ordre de moteur est la moitié du nombre de cylindres. Au cours de la phase d’accélération, le moteur balaye une large plage de fréquences contenant certains modes de torsion de chaîne cinématique. Cette situation peut engendrer des niveaux significatifs de bruit et de vibrations dans l’habitacle et une usure prématurée des composants de chaîne cinématique. Des dispositifs d’amortissement pendulaires sont utilisés depuis de nombreuses années pour minimiser les acyclismes de groupes motopropulseurs automobiles au niveau de l’ordre de moteur. Ces dispositifs passifs se composent de masses oscillantes (pendules) en mouvement le long de trajets particuliers par rapport à une inertie primaire (support) comme cela est représenté sur la
Le système étudié est représenté sur la figure 1. Il est constitué d’un volant d’inertie Jrtournant autour de son centre O et servant de support 1 à une pluralité de N pendules 5, avec ici N = 2 pendules. Sa position angulaire totale estoù t est le temps, Ω est la vitesse de rotation moyenne du volant et θ correspond à la partie de fluctuation de la rotation. Un coupleest appliqué à ce volant, oùreprésente la position angulaire totale du volant, c’est-à-dire.peut être décomposé en un couple constantet un couple périodique. Le couple constant s’équilibre avec le couple découlant de l’amortissement du volant, en donnant ainsi la vitesse de rotation moyenne Ω.The system studied is represented in FIG. 1. It consists of a flywheel J r rotating around its center O and serving as a support 1 for a plurality of N pendulums 5, with here N=2 pendulums. Its total angular position is where t is time, Ω is the average rotational speed of the flywheel, and θ is the fluctuation part of the rotation. A couple is applied to this steering wheel, where represents the total angular position of the steering wheel, i.e. . can be decomposed into a constant torque and a periodic couple . The constant torque balances with the torque resulting from the damping of the flywheel, thus giving the average rotational speed Ω.
Dans le modèle, un amortissement visqueux linéaire équivalentest utilisé pour le volant. N pendules de masseet d’inertie(autour de leur centre de gravité) oscillent sur leur trajectoire. Leur position sur ces trajectoires est donnée par l’abscisse curviligneet leur distance du centre de rotation du volant est. La dimension caractéristiquereprésente la position des pendules au repos (lorsquede sorte qu’ils soient parfaitement centrifugés). En plus du mouvement de translation traditionnel, la présente étude considère que les pendules tournent par rapport au volant selon la fonction de rotation. Comme pour le volant, un amortissement visqueux linéaire équivalentest utilisé pour modéliser l’amortissement entre le volant et le ièmependule. Les pendules et leurs fonctions associées de trajectoire et de rotation sont considérés ci-après comme étant identiques et l’indice « i » est donc abandonné en ce qui concerne les paramètres des pendules. En utilisant la relation entre le couple moyen, l’amortissement du support et la vitesse de rotation moyenne,, en introduisant les paramètres et variables non dimensionnelsIn the model, an equivalent linear viscous damping is used for the steering wheel. N mass pendulums and inertia (around their center of gravity) oscillate on their trajectory . Their position on these trajectories is given by the curvilinear abscissa and their distance from the center of rotation of the steering wheel is . The characteristic dimension represents the position of the pendulums at rest (when so that they are perfectly centrifuged). In addition to the traditional translational movement, the present study considers that the pendulums rotate relative to the flywheel according to the rotation function . As with the flywheel, an equivalent linear viscous damping is used to model the damping between the flywheel and the i th pendulum. The pendulums and their associated functions of trajectory and rotation are considered hereafter to be identical and the index "i" is therefore dropped with regard to the parameters of the pendulums. Using the relationship between average torque, support damping and average rotational speed, , by introducing the non-dimensional parameters and variables
et en changeant la variable indépendante de t par, les équations de mouvement peuvent être écrites comme suit :and changing the independent variable of t by , the equations of motion can be written as follows:
oùreprésente une dérivation par rapport à. Ainsi les fonctions de trajectoire et de rotation peuvent s’exprimer sous forme de polynômes tels que :where represents a derivation from . Thus the functions of trajectory and rotation can be expressed in the form of polynomials such as:
oùest l’ordre d’accord des pendules etsont des coefficients de trajectoire et de rotation. A noter que, dans le cas de, les trajectoires des pendules sont des épicycloïdes, qui correspondant à la trajectoire tautochrone pour.where is the tuning order of the pendulums and are trajectory and rotation coefficients. Note that, in the case of , the trajectories of the pendulums are epicycloids, which correspond to the tautochrone trajectory for .
On peut supposer que la fluctuation de couple appliquée au support ne contient qu’une harmonique dont la forme non dimensionnelle est, où n est l’ordre de moteur. Pour un moteur de voiture, n correspond au nombre de courses par tour du vilebrequin. A ce stade,n’est pas un terme de forçage périodique mais un terme non linéaire car il dépend de θ. Deux méthodes sont proposées ci-après pour le transformer en un terme de forçage périodique.It can be assumed that the torque fluctuation applied to the support contains only one harmonic whose non-dimensional form is , where n is the motor order. For a car engine, n is the number of strokes per revolution of the crankshaft. At this stage, is not a periodic forcing term but a nonlinear term because it depends on θ. Two methods are proposed below to transform it into a periodic forcing term.
Méthode 1. Il est connu d’utiliser le changement de variable indépendanteproposé par S. Shaw et al [10] pour transformer directementen un terme de forçage périodique. Method 1 . It is known to use the change of independent variable proposed by S. Shaw et al [10] to directly transform into a periodic forcing term.
Méthode 2. Une autre méthode consiste à exprimer la fluctuation de couple en fonction depour écrireoùest la fréquence angulaire de l’acyclisme. Pour un moteur de voiture, la fréquence d’excitation doit correspondre au nombre de courses par seconde, ce qui donneoùfait référence à une dérivation par rapport au temps. On peut supposer que la fluctuation de vitesse de rotation du vilebrequin est largement inférieure à la vitesse de rotation moyenne, c’est-à-dire. Il s’ensuit que, ce qui engendre une transformation banale du couple en un terme de forçage périodique. Method 2 . Another method is to express the torque fluctuation as a function of for writing where is the angular frequency of the acyclism. For a car engine, the excitation frequency must correspond to the number of strokes per second, which gives where refers to a derivation with respect to time. It can be assumed that the crankshaft rotational speed fluctuation is much lower than the average rotational speed, i.e. . It follows that , which generates a banal transformation of the torque into a periodic forcing term.
Une analyse linéaire du système est effectuée. Après la transformation du couple externe en un terme de forçage périodique selon la méthode 2 (ci-dessus, on peut linéariser les équations (1) et (2) puis utiliser une propriété connue de matrices en pointe de flèche pour trouver que les valeurs propres et les vecteurs propres du système sont :A linear analysis of the system is performed. After transforming the external torque into a periodic forcing term according to method 2 (above, one can linearize equations (1) and (2) and then use a known property of arrowhead matrices to find that the eigenvalues and the eigenvectors of the system are:
est l’ordre d’accord efficace,est le coefficient de rotation linéaire et l’exposant T indique la transposition.est un mode de corps rigide pour lequel uniquement le support est excité.sont N - 1 modes dégénérés pour lesquels les pendules i et i + 1 sont déphasés alors que les autres modules sont immobiles (i = 1, …, N-1). Ils sont associés à la valeur propre n10, qui a une multiplicité N – 1 et le support est un nœud de ces modes. A noter que, dans le cas N = 2,n’est pas dégénéré et correspond simplement à un mouvement déphasé des pendules.est un mode pour lequel les pendules se déplacent à l’unisson mais en opposition de phase par rapport au support.correspond à l’ordre propre des pendules dans le cas, et il est lié à l’ordre d’accordde sorte que : is the efficient chord order, is the linear rotation coefficient and the exponent T indicates the transposition. is a rigid body mode for which only the support is excited. are N - 1 degenerate modes for which the pendulums i and i + 1 are out of phase while the other modules are stationary (i = 1, …, N-1). They are associated with the eigenvalue n 10 , which has a multiplicity N – 1 and the support is a node of these modes. Note that, in the case N = 2, is not degenerate and simply corresponds to an out-of-phase motion of the pendulums. is a mode for which the pendulums move in unison but in phase opposition with respect to the support. corresponds to the proper order of the pendulums in the case , and it is related to the chord order so that :
Lorsqu’une fluctuation de couple est appliquée au support, les pendules génèrent une antirésonance à l’ordre(dans le cas conservateur). Ainsi, pour une fluctuation de couple d’ordre n, il faut choisirpour minimiser les vibrations du support (ce qui peut être étendu au cas non conservateur puisque l’amortissement est faible).When a torque fluctuation is applied to the support, the pendulums generate an antiresonance on order (in the conservative case). Thus, for a torque fluctuation of order n, one must choose to minimize support vibrations (which can be extended to the non-conservative case since the damping is low).
La présente demande propose une analyse linéaire des dispositif d’amortissement pendulaire. Néanmoins, on peut constater à partir des équations (1) et (2) que la dynamique du système est sujette à plusieurs sources de non-linéarité. Un modèle analytique permettant la visualisation et la prédiction de phénomènes non linéaires va être dérivé ci-après.This application proposes a linear analysis of the pendular damping device. Nevertheless, it can be seen from equations (1) and (2) that the dynamics of the system is subject to several sources of nonlinearity. An analytical model allowing the visualization and prediction of nonlinear phenomena will be derived hereafter.
Il est connu que la construction du modèle peut commencer par une mise à l’échelle des paramètres. Ceci permet une simplification des équations de mouvement de sorte que la dynamique des pendules devienne découplée de celle du support. Puisqu’il est considéré que le déplacement des pendules est faible, les fonctions de trajectoire et de rotation (3) sont tronquées de sorte que :It is known that the construction of the model can start with a scaling of the parameters. This allows a simplification of the equations of motion so that the dynamics of the pendulums become decoupled from that of the support. Since it is considered that the movement of the pendulums is small, the trajectory and rotation functions (3) are truncated so that:
soit utilisé dans les calculs suivants. Ces fonctions sont censées être symétriques (respectivement antisymétriques) par rapport à si= 0 comme tel est le cas en pratique en raison de contraintes de conception. La fluctuation de la rotation du support est a priori constituée de plusieurs harmoniques de sorte qu’elle puisse être étendue comme suit :be used in the following calculations. These functions are assumed to be symmetric (respectively antisymmetric) with respect to s i = 0 as is the case in practice due to design constraints. The fluctuation of the rotation of the support is a priori made up of several harmonics so that it can be extended as follows:
Oùetsont respectivement les première et deuxième harmoniques, et HOT correspond aux termes d’ordre supérieur( « Higher Order Terms » en anglais).Where and are the first and second harmonics respectively, and HOT stands for Higher Order Terms.
Mise à l’échelleScaling
Dans le présent paragraphe, le but est de mettre à l’échelle le poids de certains paramètres et de certaines variables afin de capturer les phénomènes physiques souhaités. Les hypothèses et les remarques suivantes régissent la mise à l’échelle :In this paragraph, the goal is to scale the weight of certain parameters and variables in order to capture the desired physical phenomena. The following assumptions and remarks govern scaling:
• la configuration optimale du système correspond à un faible amortissement (à la fois du support et des pendules) ; de cette manière, l’amplitude de vibration du support à son antirésonance est très faible ;• the optimal configuration of the system corresponds to low damping (both of the support and of the pendulums); in this way, the vibration amplitude of the support at its antiresonance is very low;
• la fluctuation de coupleest faible par rapport à l’énergie cinétique du support (qui està l’équilibre) ; cela implique queest petit ;• torque fluctuation is small compared to the kinetic energy of the support (which is equilibrium) ; that implies that is small ;
• l’inertie géométrique totale des pendules autour du point O,, est considérée comme étant faible par comparaison à l’inertie du système de rotation total,, de sorte que µ soit petit ;• the total geometric inertia of the pendulums around the point O, , is considered to be small compared to the inertia of the total rotational system, , so that µ is small;
• l’inertie du support étant significative, la fluctuation de vitesse de rotationest faible par comparaison à la vitesse de rotation moyenne ; à noter que cette hypothèse a déjà été adoptée au chapitre 3 pour transformer le couple externe en une excitation périodique ;• the inertia of the support being significant, the fluctuation in rotation speed is low compared to the average rotational speed; note that this assumption has already been adopted in chapter 3 to transform the external torque into a periodic excitation;
• l’amplitude de mouvement des pendules est faible par comparaison à leur distance du centre de rotation O, de sorte quesoit petit ;• the amplitude of motion of the pendulums is small compared to their distance from the center of rotation O, so that be small;
• la fonction de trajectoire choisie (cf. équation (6)) est une épicycloïde perturbée par; la perturbation étant considérée comme étant faible,est a priori petit ;• the trajectory function chosen (cf. equation (6)) is an epicycloid perturbed by ; the disturbance being considered to be weak, is a priori small;
• la fonction de rotation choisie (cf. équation (6)) diffère d’une rotation linéaire par le terme; la rotation étant considérée comme étant principalement linéaire,est a priori petit.• the chosen rotation function (cf. equation (6)) differs from a linear rotation by the term ; the rotation being considered to be mainly linear, is a priori small.
D’après ce qui précède, en introduisant le petit paramètre, les paramètres mis à l’échelle suivants sont introduits :From the above, by introducing the small parameter , the following scaled parameters are introduced:
oùetsont des coefficients de mise à l’échelle à déterminer. Pour donner une signification physique à, on peut choisir de régler.where and are scaling coefficients to be determined. To give physical meaning to , we can choose to set .
Dynamique du supportSupport dynamics
Le but ici est d’obtenir une équation régissant la dynamique du support en fonction du couple du pendule et du couple externe. En introduisant les fonctions de trajectoire et de rotation (6), la forme étendue de θ (7) et les paramètres mis à l’échelle (8) dans l’équation (1) du support et en réglant, on peut écrire :The goal here is to obtain an equation governing the dynamics of the support as a function of the pendulum torque and the external torque. By introducing the trajectory and rotation functions (6), the extended form of θ (7) and the scaled parameters (8) into the support equation (1) and setting , we can write :
A noter que le couple externe a été transformé en un terme de forçage périodique en utilisant la méthode 2 (cf. chapitre 2). L’équation (9) utilise l’équation du pendule au premier ordre(en supposant).Note that the external torque has been transformed into a periodic forcing term using method 2 (see chapter 2). Equation (9) uses the first-order pendulum equation (supposing ).
L’équation (9) est similaire à celle obtenue si le changement de variable indépendantea été utilisé. Les deux différences sont que (•)’ représente une dérivation par rapport àet que le terme de couple est. Néanmoins, en utilisant la règle de la chaîne, on peut observer que :Equation (9) is similar to that obtained if the change in independent variable has been used. The two differences are that (•)' represents a derivation from and that the torque term is . Nevertheless, using the chain rule, we can observe that:
de sorte que, à l’ordre retenu à l’équation (9), des dérivées par rapport àetsont équivalentes. En outre, en étendant le terme de couple, on peut remarquer que :so that, at the order retained in equation (9), derivatives with respect to and are equivalent. In addition, by extending the term torque, we can notice that:
Cela signifie que, à l’ordre retenu à l’équation (9) et en supposant que, il est équivalent de transformer le couple en un terme de forçage périodique en utilisant le changement de variables indépendantes(cf. méthode 1 au chapitre 2) ou en supposant que(cf. méthode 2 au chapitre 2).This means that, at the order retained in equation (9) and assuming that , it is equivalent to transform the torque into a periodic forcing term using the change of independent variables (cf. method 1 in chapter 2) or assuming that (see method 2 in chapter 2).
Dynamique du pendulePendulum dynamics
Le but ici est de découpler la dynamique du pendule de celle du support. Pour cela, l’équation (9) réduite du support est introduite dans l’équation (2) du pendule. Ensuite, en utilisant les fonctions de trajectoire et de rotation (6) et en choisissant l’ensemble de coefficients de mise à l’échelle suivant :The goal here is to decouple the dynamics of the pendulum from that of the support. For this, the reduced equation (9) of the support is introduced into the equation (2) of the pendulum. Then, using the trajectory and rotation functions (6) and choosing the following set of scaling coefficients:
l’équation du pendule se réduit à :the pendulum equation reduces to:
L’ensemble de paramètres de mise à l’échelle a été choisi pour découpler l’équation du pendule de la dynamique du support tout en conservant l’effet des non-linéarités découlant des fonctions de trajectoire et de rotation. L’équation (13) comprend l’influence du couple externe, le couplage entre les pendules à travers la somme sur N, et les non-linéarités découlant à la fois de la trajectoire et de la rotation. Il est également connu que, puisque les pendules sont identiques et couplés, le système présente des résonances internes 1:1. Les équations (13) sont faiblement couplées parce que les pendules sont couplés indirectement à travers le support et leur effet sur le support est faible puisque leur inertie relative est faible. En outre, ces équations sont faiblement non linéaires parce qu’il est supposé queest petit et les fonctions de trajectoire et de rotation choisies sont proches d’une épicycloïde et d’une rotation linéaire, ce qui donne un comportement linéaire pour de petites fluctuations de la vitesse de rotation.The set of scaling parameters was chosen to decouple the pendulum equation from the support dynamics while retaining the effect of nonlinearities arising from trajectory and rotation functions. Equation (13) includes the influence of external torque, coupling between pendulums through the sum over N, and nonlinearities arising from both path and rotation. It is also known that since the pendulums are identical and coupled, the system exhibits 1:1 internal resonances. Equations (13) are weakly coupled because the pendulums are indirectly coupled through the support and their effect on the support is small since their relative inertia is small. Also, these equations are weakly nonlinear because it is assumed that is small and the trajectory and rotation functions chosen are close to an epicycloid and a linear rotation, which gives a linear behavior for small fluctuations in the rotational speed.
Dans la présente étude, il a été choisi de résoudre les équations réduites des pendules en utilisant la méthode connue à échelles multiples. Deux échelles de rotation sont introduites,et. Comme cela a été précédemment effectué pour le support, le déplacement des pendules est étendu de sorte que :In the present study, it was chosen to solve the reduced equations of the pendulums by using the known method with multiple scales. Two rotation scales are introduced, and . As previously done for the support, the pendulum displacement is extended so that:
oùetreprésentent respectivement les première et troisième harmoniques. En introduisant l’équation (14) dans l’équation (13), on obtient une solution poursous la forme de :where and represent the first and third harmonics respectively. Plugging equation (14) into equation (13), we get a solution for in the form of :
oùetsont régis par le système à 2N équations :where and are governed by the system with 2N equations:
etsont des vecteurs contenant respectivementet, et D1représente une dérivation par rapport à. Les fonctionsetsont données par : and are vectors containing respectively and , and D 1 represents a derivation with respect to . Functions and are given by:
où σ est un terme de désaccord tel que. Dans le cadre de l’étude présentée dans le présent document, unique le régime d’état constant est pris en compte. Ceci implique que l’amplitude et la phase des pendules par rapport à l’excitation sont invariables dans le temps, de sorte que :where σ is a disagreement term such that . Within the framework of the study presented in this document, only the constant state regime is taken into account. This implies that the amplitude and the phase of the pendulums with respect to the excitation are invariable over time, so that:
oùreprésente le déphasage du pendule i par rapport à l’excitation et prend la forme de. En utilisant ce déphasage, la réponse au premier ordre peut être écrite sous la forme plus classique suivante :where represents the phase shift of pendulum i with respect to excitation and takes the form of . Using this phase shift, the first-order response can be written in the more classical form:
L’introduction de l’équation (19) et dedans l’équation (16) donne :The introduction of equation (19) and in equation (16) gives:
est un vecteur contenant.etsont respectivementet, exprimés en termes de coordonnéeset. Le système (21) doit être résolu pour déterminer la réponse du pendule. is a vector containing . and are respectively and , expressed in terms of coordinates and . The system (21) must be solved to determine the pendulum response.
Il a été observé au chapitre 3 que, dans un régime linéaire, un mode unique participe à la réponse des pendules. Ce mode linéaire,, est appelé « mode à l’unisson » car il décrit un mouvement avec lequel tous les pendules ont la même amplitude et la même phase. Puisque le comportement pris en compte dans le présent chapitre est faiblement non linéaire, on peut s’attendre à ce que les pendules se déplacent à l’unisson. Il est donc supposé que :It was observed in chapter 3 that, in a linear regime, a single mode participates in the response of the pendulums. This linear mode, , is called "unison mode" because it describes a movement in which all pendulums have the same amplitude and phase. Since the behavior considered in this chapter is weakly nonlinear, we can expect the pendulums to move in unison. It is therefore assumed that:
En introduisant l’équation (22) dans l’équation (21), on peut trouver la réponse d’ordre implicite suivante des pendules à l’unisson :By introducing equation (22) into equation (21), one can find the following implicit order response of unison pendulums:
L’ossature du mode à l’unisson non linéaire peut être déduite de l’équation (23) en tant que :. Il est intéressant de remarquer que le comportement de durcissement ou d’assouplissement des pendules est régi par le signe de. Cette propriété va être ultérieurement utilisée pour spécifier des règles de conception (cf. chapitre 7). En introduisant l’équation (22) dans l’équation (21), on peut également trouver la réponse d’amplitude implicite suivante :The backbone of the nonlinear unison mode can be derived from equation (23) as: . It is interesting to notice that the hardening or softening behavior of pendulums is governed by the sign of . This property will later be used to specify design rules (see chapter 7). By inserting equation (22) into equation (21), one can also find the following implicit amplitude response:
Le calcul de la réponse d’amplitude permet d’accéder à la réponse de phase, donnée par :The calculation of the amplitude response provides access to the phase response, given by:
Ensuite, en utilisant les résultats pouretet l’équation (9) réduite du support, on peut calculer l’amplitude des deux premières harmoniques du support aux ordres retenus, comme suit :Then, using the results for and and the reduced equation (9) of the support, we can calculate the amplitude of the first two harmonics of the support at the retained orders, as follows:
L’équation (27) indique que les effets non linéaires induits par les pendules génèrent des harmoniques d’ordre supérieur du support (à l’ordre retenu, uniquement la 2èmeharmonique est présente).Equation (27) indicates that the nonlinear effects induced by the pendulums generate higher order harmonics of the support (at the retained order, only the 2nd harmonic is present).
L’amplitude critique de la réponse des pendules pour laquelle la stabilité de l’unisson change est calculée en utilisantet la condition de l’unisson (22), ce qui donne :The critical amplitude of the pendulums response for which the unison stability changes is calculated using and the unison condition (22), which gives:
où l’indice d fait référence à une « désynchronisation ». De la même manière, des amplitudes critiques pour lesquelles la stabilité de la réponse périodique change sont données par :where the index d refers to a “desynchronization”. Similarly, critical amplitudes for which the stability of the periodic response changes are given by:
où l’indice j fait référence à un « saut ». Il est intéressant de remarquer que les amplitudes critiquesettendent à l’infini cartend à zéro. En outre, ces amplitudes sont indépendantes de l’amplitude de forçage.where the index j refers to a "jump". It is interesting to notice that the critical amplitudes and tend to infinity because tends to zero. Furthermore, these amplitudes are independent of the forcing amplitude .
Les développements précédents vont être maintenant appliqués à un système de deux pendules. Un exemple de dispositif d’amortissement pendulaire 100 selon l’invention est représenté sur la figure 2 et ses paramètres sont donnés dans le tableau 1. Son ordre d’accord basle rend bien adapté au filtrage de vibrations découlant d’une désactivation de cylindres. Le dispositif d’amortissement pendulaire comprend deux pendules monofilaires dont un seul est représenté sur la figure 2, l’architecture étant symétrique. Le profil d’un pendule roule sans glisser sur un rouleau de rayon r1(fixe sur le support). La forme du profil permet de commander la trajectoire suivie par le centre de gravité du pendule. Pour de tels pendules, la fonction de rotationest régie par la géométrie fonctionnelle. Les deux premiers coefficients de rotation sont :The preceding developments will now be applied to a system of two pendulums. An example of a pendular damping device 100 according to the invention is represented in FIG. 2 and its parameters are given in table 1. Its low tuning order makes it well suited for filtering vibrations arising from cylinder deactivation. The pendular damping device comprises two single-wire pendulums, only one of which is shown in FIG. 2, the architecture being symmetrical. The profile of a pendulum rolls without slipping on a roller of radius r 1 (fixed on the support). The shape of the profile makes it possible to control the trajectory followed by the center of gravity of the pendulum. For such pendulums, the rotation function is governed by functional geometry. The first two rotation coefficients are:
Tableau 1 : paramètres du dispositif d’amortissement pendulaire illustré sur la
En pratique, l’ordre d’excitation est fixe de sorte que l’ordre n est constant. Néanmoins, des pendules peuvent ne pas être accordés exactement à l’excitation. Ce désaccord peut être volontaire ou il peut découler d’imperfections matérielles. Dans tous les cas, la variation de l’ordre d’excitation est similaire à l’introduction d’un désaccord (à condition que les désaccords des pendules soient identiques) et il est donc pertinent d’étudier l’effet du désaccord sur la réponse du système [18]. La réponse d’ordre des pendules à l’unisson et leur stabilité sont représentées sur la
La figure 3 permet une visualisation de la stabilité des pendules dans l’espace de conception va être maintenant présentée. Cet espace permet d’évaluer la stabilité des pendules du même type mais avec des ensembles de paramètres différents. Dans le cas général, il s’agit d’un espace 3D. Néanmoins, pour le dispositif d’amortissement pendulaire représenté sur la figure 2, la rotation est imposée par la géométrie fonctionnelle, ce qui amèneà être lié à. En outre, en raison de contraintes d’espace, il est pratique d’évaluer des conceptions pour une valeur fixe du rapport. Ainsi, en utilisant les équations (31) et (32), on peut obteniren fonction de, ce qui réduit l’espace de conception à un espace 2D.Figure 3 allows a visualization of the stability of the pendulums in the design space will now be presented. This space allows to evaluate the stability of pendulums of the same type but with different sets of parameters . In the general case, it is a 3D space. Nevertheless, for the pendular damping device shown in Figure 2, the rotation is imposed by the functional geometry, which brings to be linked to . Also, due to space constraints, it is convenient to evaluate designs for a fixed ratio value. . Thus, using equations (31) and (32), one can get in terms of , which reduces the design space to 2D space.
Les courbes en traits continus et la courbe d’ossatureBapermettent de définir différentes zones de stabilité : la zone I correspond à des pendules à l’unisson de façon instable, la zone III des pendules avec une réponse périodique instable, la zone II correspond à des pendules à l’unisson de façon instable et avec une réponse périodique instable et la zone IV correspond à une zone de stabilité avec les courbes de réponse en traits continus.The curves in continuous lines and the framework curve Ba make it possible to define different zones of stability: zone I corresponds to pendulums in unison in an unstable manner, zone III to pendulums with an unstable periodic response, zone II corresponds to pendulums in unison in an unstable way and with an unstable periodic response and zone IV corresponds to a zone of stability with the response curves in continuous lines.
Le modèle analytique est ici comparé à une résolution exacte des équations (1) et (2). La réponse des pendules obtenue par l’intermédiaire des modèles analytiques et numériques est présentée sur la figure (4a). Le mode à l’unisson perd sa stabilité à une bifurcation fourche en faveur d’une réponse localisée. Le point de bifurcationBP, théoriquement situé à l’intersection de la courbe noire et de la réponse à l’unisson, est prédit avec précision par le modèle. Après cette bifurcation, la réponse se divise en deux branches de sorte que l’énergie soit localisée sur l’un des deux pendules. Le pendule situé sur la branche supérieure présente une amplitude de mouvement plus grande que ce qui est prédit par le mode à l’unisson, ce qui peut poser problème puisque l’amplitude maximale est limitée par la nature de la trajectoire choisie.The analytical model is here compared to an exact resolution of equations (1) and (2). The response of the pendulums obtained through the analytical and numerical models is presented in figure (4a). The unison mode loses its stability at a forked bifurcation in favor of a localized response. The BP bifurcation point, theoretically located at the intersection of the black curve and the unison response, is accurately predicted by the model. After this bifurcation, the response splits into two branches so that the energy is localized on one of the two pendulums. The pendulum located on the upper branch has a greater amplitude of movement than what is predicted by the unison mode, which can pose a problem since the maximum amplitude is limited by the nature of the chosen trajectory.
La Figure 4 illustre une comparaison de la réponse des pendules, Figure 4a, et de la réponse du support , Figure 4b, obtenues analytiquement et numériquement. Le code de couleur des résultats analytiques est le même que celui utilisé sur la figure 3. Des cercles représentent les résultats numériques. Dans la Figure 4a, l’un des pendules est représenté par des cercles clairs, l’autre par des cercles plus foncés. Figure 4 illustrates a comparison of the pendulum response, Figure 4a, and the support response, Figure 4b, obtained analytically and numerically. The color coding of the analytical results is the same as that used in Figure 3. Circles represent the numerical results. In Figure 4a, one of the pendulums is represented by light circles, the other by darker circles.
De nouveau, le modèle analytique permet une prédiction précise de la réponse du support sur ses portions stables, correspondant à la zone IV précédemment illustrée. Etonnamment, des portions pour lesquelles des pendules ne sont pas à l’unisson sont également bien prédites par le modèle, même si le modèle n’utilise que le mode à l’unisson. Ce point est intéressant car il tend à montrer qu’une localisation n’influence pas forcément la dynamique du support.Again, the analytical model allows a precise prediction of the response of the support on its stable portions, corresponding to zone IV previously illustrated. Surprisingly, portions for which pendulums are not in unison are also well predicted by the model, even if the model only uses the unison mode. This point is interesting because it tends to show that a location does not necessarily influence the dynamics of the support.
Procédé de conceptionDesign process
Selon un autre de ses aspects, l’invention a pour objet un système de transmission pour engin de mobilité comportant un dispositif d’amortissement pendulaire tel que décrit.According to another of its aspects, the subject of the invention is a transmission system for a mobility device comprising a pendular damping device as described.
Selon encore un autre de ses aspects, l’invention a pour objet un Procédé de conception d’un dispositif d’amortissement pendulaire comportant un support et une pluralité de pendules, ledit procédé comportant au moins une étape d’étude du signe de.According to yet another of its aspects, the subject of the invention is a method for designing a pendular damping device comprising a support and a plurality of pendulums, said method comprising at least one step of studying the sign of .
. Comme cela a été abordé précédemment, un mouvement à l’unisson prévu des pendules peut être décomposé en régimes plus complexes. Lorsque tel est le cas, une désynchronisation engendre un comportement indésirable et d’éventuels problèmes de bruit d’impact en raison d’une localisation d’énergie sur un pendule. Selon les modes de réalisation l’invention propose plusieurs règles de conception permettant d’éviter des instabilités du système.. As discussed earlier, a predicted unison motion of pendulums can be broken down into more complex regimes. When this is the case, a desynchronization leads to undesirable behavior and possible impact noise problems due to energy localization on a pendulum. According to the embodiments, the invention proposes several design rules making it possible to avoid system instabilities.
Ledit procédé comporte au moins une étape d’étude du signe de. Comme cela a été abordé précédemment, le comportement de durcissement ou d’assouplissement des pendules est régi par le signe de. Le réglage de ce terme à zéro rend la réponse des pendules linéaire (cf. équations (23) et (24)) de sorte que les limites des zones d’instabilité tendent à l’infini (cf. équations (29) et (30)). En particulier le procédé suit la règle de conception suivante :Said method comprises at least one step of studying the sign of . As discussed earlier, the tightening or softening behavior of pendulums is governed by the sign of . Setting this term to zero makes the response of the pendulums linear (cf. equations (23) and (24)) so that the limits of the zones of instability tend to infinity (cf. equations (29) and (30 )). In particular, the process follows the following design rule:
Physiquement, cette règle signifie que les non-linéarités découlant de la trajectoire et de la rotation se neutralisent pour rendre le système linéaire. A noter que le casest étudié plus haut : il correspond à une trajectoire épicycloïdale et une fonction de rotation linéaire. La relation (33) peut être représentée par une ligne dans des cartes, ligne qui délimite une région intérieure correspondant à des comportements d’assouplissement alors que la région extérieure correspond à des comportements de durcissement. L’équation (33) est également représentée sur la figure 5, avec d’autres valeurs dedonnant des comportements d’assouplissement et de durcissement.Physically, this rule means that nonlinearities arising from trajectory and rotation cancel each other out to make the system linear. Note that the case is studied above: it corresponds to an epicyclic trajectory and a linear rotation function. The relation (33) can be represented by a line in maps, a line which delimits an inner region corresponding to softening behaviors while the outer region corresponds to hardening behaviors. Equation (33) is also shown in Figure 5, along with other values of giving softening and hardening behaviors.
Alternativement, le procédé utilise notamment les tangentes verticales et horizontales des courbes de bifurcation (29) et (30). Les ordres correspondants à cette variante sont donnés par :Alternatively, the method uses in particular the vertical and horizontal tangents of the bifurcation curves (29) and (30). The orders corresponding to this variant are given by:
Les indices d et j sont liés respectivement à la désynchronisation et aux sauts de la réponse.The indices d and j are related respectively to the desynchronization and to the jumps of the response.
La Figure 5 illustre comportement de la réponse en fonction de la valeur de(a) assouplissement,, (b) linéaire,, (c) durcissement,. Les limites des zones de bifurcation dans le cas non amorti sont représentées par des lignes en pointillés.et les paramètres de système sont donnés dans le tableau 1. Les points noirs et gris indiquent les points correspondant respectivement àet. Les losanges noirs et gris indiquent les points correspondant respectivement àet.Figure 5 illustrates response behavior as a function of the value of (a) relaxation, , (b) linear, , (c) hardening, . The limits of the bifurcation zones in the undamped case are represented by dotted lines. and system parameters are given in Table 1. The black and gray dots indicate the dots corresponding respectively to and . The black and gray diamonds indicate the points corresponding respectively to and .
Les exposants υ et h indiquent respectivement une tangente verticale et une tangente horizontale. Des solutions + et – correspondent respectivement à des comportements de durcissement et d’assouplissement.est l’ossature du mode à l’unisson évalué pour un déplacement nul des pendules (cf. équation (23)). Des points correspondant à l’équation (34) sont représentés par des points et des losanges noirs et gris sur la figure 5. Des tangentes verticales indiquent le niveau minimal de désaccord pour que la réponse devienne instable, alors que des tangentes horizontales indiquent l’amplitude minimale à laquelle la réponse entre dans une zone d’instabilité. A noter que le niveau de couple correspondant à ces tangentes peut être obtenu en utilisant les équations (34), (29), (30) et (24). En s’intéressant aux tangentes verticales, on peut constater que, dans le cas de durcissement,, alors que dans le cas d’assouplissement,ou. Cela signifie que des pendules de durcissement ne présentent pas d’instabilités à condition que(c’est-à-dire qu’ils sont parfaitement accordés ou sur-accordés). De même, des pendules d’assouplissement ne présentent pas d’instabilités à l’unisson à condition que(c’est-à-dire qu’ils sont parfaitement accordés ou sous-accordés). Ces pendules d’assouplissement sont néanmoins très susceptibles de présenter des réponses périodiques instables même s’ils sont parfaitement accordés ou sous-accordés. Cela se produit si, ce qui est le cas en général quand l’amortissement est faible. Ces remarques sont illustrées sur la figure 5 sur laquelle on peut constater que la limite des zones pas à l’unisson (courbes noires) ne croise pas la ligne verticale, alors que la limite de la réponse périodique instable (courbes grises) la croise dans le cas d’assouplissement. En outre, on peut constater, à partir de l’équation (34), queettendent à, lorsque l’amortissement est réduit. En d’autres termes, la configuration à faible amortissement est la plus critique car un niveau très faible de désaccord peut engendrer une perte de l’unisson. De même,ettendent àlorsque l’amortissement est réduit. Cela est visible sur la
Trois niveaux d’accord différents (sur-accord, sous-accord et accord parfait des pendules) peuvent également être représentés par des régions d’instabilité dans l’espace de conception sur des cartes, non illustrées dans la présente demande,Three different tuning levels (over-tuning, under-tuning, and pendulum perfect tuning) can also be represented by regions of instability in design space on maps, not shown in this application,
Une étude expérimentale sur le dispositif d’amortissement pendulaire 100 illustré sur la figure 6 a été réalisée pour évaluer la précision des résultats analytiques et numériques. Ce dispositif d’amortissement pendulaire 100 est du type représenté sur la figure 2. Il comporte un volant servant de support 1 à deux pendules 5 monofilaires identiques conçus spécialement pour présenter une localisation d’énergie. La forme étendue des pendules 5 vise à augmenter leur inertie, ce qui accroît l’impact de rotation. Le support 1 est fixé sur un banc d’inertieen utilisant un système d’adaptation d’inertie. Ainsi,doit être remplacé par l’inertie équivalentedans les développements précédents. Les coefficients d’amortissement sont trouvés expérimentalement. Les paramètres du système sont donnés dans le tableau 2. L’amplitude de mouvement des pendules 5 a été obtenue expérimentalement comme suit : le dispositif d’amortissement pendulaire 100 est centrifugé et un couple d’oscillation est appliqué pendant qu’une caméra rapide enregistre un film du système rotatif. Ensuite, un algorithme de suivi de point est utilisé pour extraire les signaux de pendules du film. Enfin, le signal est décomposé en séries de Fourier pour extraire les amplitudes des pendules des signaux temporels. Cette procédure a été répétée pour quatre amplitudes de couple,, et pouret.An experimental study on the pendular damping device 100 illustrated in FIG. 6 was carried out to evaluate the accuracy of the analytical and numerical results. This pendular damping device 100 is of the type shown in FIG. 2. It comprises a flywheel serving as a support 1 for two identical single-wire pendulums 5 specially designed to present energy localization. The extended shape of the pendulums 5 aims to increase their inertia, which increases the impact of rotation. Support 1 is fixed on an inertia bench using an inertial adaptation system . Thereby, must be replaced by the equivalent inertia in previous developments. The damping coefficients are found experimentally. The parameters of the system are given in Table 2. The amplitude of movement of the pendulums 5 was obtained experimentally as follows: the pendulum damping device 100 is centrifuged and an oscillating torque is applied while a high-speed camera records a film of the rotating system. Then, a point tracking algorithm is used to extract the pendulum signals from the film. Finally, the signal is decomposed into Fourier series to extract the amplitudes of the pendulums from the time signals. This procedure was repeated for four torque amplitudes, , and for and .
Tableau 2 : paramètres du CPVA étudié expérimentalement.Table 2: CPVA parameters studied experimentally.
Lors de l’étape de mise à l’échelle décrite précédemment, µ a été proposé en tant que le paramètre de perturbation faible de l’analyse de perturbation. Ainsi, on peut choisir, ce qui donne un ordre de grandeur à ne pas dépasser pour chaque paramètre faible.In the scaling step described earlier, µ was proposed as the weak perturbation parameter of the perturbation analysis. Thus, we can choose , which gives an order of magnitude not to be exceeded for each weak parameter.
L’invention n’est pas limitée à deux pendules, le dispositif selon l’invention peut comporter un nombre supérieur de pendules. Ceux-ci peuvent être monofilaires ou bifilaires.The invention is not limited to two pendulums, the device according to the invention may comprise a greater number of pendulums. These can be monofilar or bifilar.
Claims (10)
- un support (1) ,
- une pluralité de N pendules (5 )
caractérisé en ce que
au moins un pendule (5) vérifie l’équation suivante :
Pendulum damping device (100) for a mobility device comprising:
- a support (1),
- a plurality of N pendulums (5)
characterized in that
at least one pendulum (5) verifies the following equation:
Pendulum damping device according to any one of the preceding claims, the order response of at least one pendulum (5) verifies the following equation:
η est positif, voire 0< η <2,
0.05 < µ < 0.2 ,
α[1]est positif, voire 0< α[1]<1,
np<1,
-5<x[4]<5).Pendulum damping device according to
η is positive, even 0< η <2,
0.05 < µ < 0.2 ,
α [1] is positive, even 0< α [1] <1,
n p <1,
-5<x [4] <5).
ledit procédé comportant au moins une étape d’étude du signe de.Method for designing a pendular damping device comprising a support (1) and a plurality of N pendulums (5)
said method comprising at least one step of studying the sign of .
Les indices d et j étant liés respectivement à la désynchronisation et aux sauts de la réponse.Method according to claim 8, the corresponding commands being given by:
The indices d and j being related respectively to the desynchronization and to the jumps of the response.
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