Vibrations de torsion - Torsional vibration

La vibration de torsion est la vibration angulaire d'un objet, généralement un arbre le long de son axe de rotation. Les vibrations de torsion sont souvent un problème dans les systèmes de transmission de puissance utilisant des arbres rotatifs ou des accouplements où elles peuvent provoquer des défaillances si elles ne sont pas contrôlées. Un deuxième effet des vibrations de torsion s'applique aux voitures particulières. Les vibrations de torsion peuvent entraîner des vibrations du siège ou du bruit à certaines vitesses. Les deux réduisent le confort.

Dans les systèmes idéaux de production ou de transmission d'énergie utilisant des pièces rotatives, non seulement les couples appliqués ou réagis sont « lisses » conduisant à des vitesses constantes, mais aussi le plan de rotation où la puissance est générée (ou entrée) et le plan dans lequel elle est extraite (sortie) sont les mêmes. En réalité ce n'est pas le cas. Les couples générés peuvent ne pas être réguliers (par exemple, les moteurs à combustion interne ) ou le composant entraîné peut ne pas réagir au couple en douceur (par exemple, les compresseurs alternatifs ), et le plan de génération de puissance est normalement à une certaine distance du plan de prise de force. De plus, les composants transmettant le couple peuvent générer des couples non réguliers ou alternatifs (par exemple, des courroies d'entraînement élastiques, des engrenages usés, des arbres mal alignés). Parce qu'aucun matériau ne peut être infiniment rigide, ces couples alternatifs appliqués à une certaine distance sur un arbre provoquent des vibrations de torsion autour de l'axe de rotation.

Sources de vibrations de torsion

Des vibrations de torsion peuvent être introduites dans une transmission par la source d'alimentation. Mais même une transmission avec une entrée de rotation très douce peut développer des vibrations de torsion à travers les composants internes. Les sources courantes sont :

Moteur à combustion interne : Les vibrations de torsion de la combustion non continue et la géométrie du vilebrequin elle-même provoquent des vibrations de torsion
Compresseur alternatif : Les pistons subissent des forces discontinues dues à la compression.
Joint universel : La géométrie de ce joint provoque des vibrations de torsion si les arbres ne sont pas parallèles.
Stick slip : Lors de l'engagement d'un élément de friction, les situations de stick slip créent des vibrations de torsion.
Lash : Le jeu de la transmission peut provoquer des vibrations de torsion si le sens de rotation est modifié ou si le flux de puissance, c'est-à-dire conducteur par rapport à conduit, est inversé.

Vibration de torsion du vilebrequin

Les vibrations de torsion sont un problème dans les vilebrequins des moteurs à combustion interne car elles pourraient casser le vilebrequin lui-même; cisailler le volant d'inertie ; ou provoquer la défaillance des courroies entraînées, des engrenages et des composants attachés, en particulier lorsque la fréquence de la vibration correspond à la fréquence de résonance de torsion du vilebrequin. Les causes de la vibration de torsion sont attribuées à plusieurs facteurs.

Les couples alternatifs sont générés par le mécanisme à manivelle coulissante du vilebrequin, de la bielle et du piston.
- La pression du cylindre due à la combustion n'est pas constante tout au long du cycle de combustion.
- Le mécanisme à manivelle coulissante ne produit pas un couple régulier même si la pression est constante (par exemple, au point mort haut , aucun couple n'est généré)
- Le mouvement de la masse du piston et de la masse de la bielle génère des couples alternatifs souvent appelés couples « d'inertie »
Les moteurs à six cylindres ou plus dans une configuration en ligne droite peuvent avoir des vilebrequins très flexibles en raison de leur grande longueur.
Les moteurs à 2 temps ont généralement un chevauchement de roulement plus petit entre les roulements principaux et les roulements à broche en raison de la plus grande longueur de course, augmentant ainsi la flexibilité du vilebrequin en raison d'une rigidité réduite.
Il y a intrinsèquement peu d'amortissement dans un vilebrequin pour réduire les vibrations, à l'exception de la résistance au cisaillement du film d'huile dans les paliers principaux et de bielle.

Si les vibrations de torsion ne sont pas contrôlées dans un vilebrequin, elles peuvent entraîner une défaillance du vilebrequin ou de tout accessoire entraîné par le vilebrequin (généralement à l'avant du moteur ; l'inertie du volant réduit normalement le mouvement à l'arrière du moteur ). Les accouplements transforment l'énergie de vibration en chaleur. Par conséquent, et pour s'assurer que l'accouplement n'est pas endommagé à cause de cela (la température peut être très élevée, en fonction de la charge), cela est vérifié par le calcul des vibrations de torsion.

Cette vibration potentiellement dommageable est souvent contrôlée par un amortisseur de torsion situé au niveau du nez avant du vilebrequin (dans les automobiles, il est souvent intégré à la poulie avant). Il existe deux principaux types d'amortisseurs de torsion.

Les amortisseurs visqueux sont constitués d'un anneau d'inertie dans un fluide visqueux. La vibration de torsion du vilebrequin force le fluide à travers des passages étroits qui dissipe la vibration sous forme de chaleur. L'amortisseur de torsion visqueux est analogue à l' amortisseur hydraulique dans la suspension d'une voiture.
Type d'amortisseur accordé "amortisseurs" souvent appelés amortisseurs harmoniques ou équilibreurs harmoniques (même s'il n'amortit ni n'équilibre techniquement le vilebrequin). Cet amortisseur utilise un élément à ressort (souvent en caoutchouc dans les moteurs automobiles) et une bague d'inertie qui est généralement réglée sur la première fréquence naturelle de torsion du vilebrequin. Ce type d'amortisseur réduit les vibrations à des régimes spécifiques du moteur lorsqu'un couple d'excitation excite la première fréquence propre du vilebrequin, mais pas à d'autres régimes. Ce type d'amortisseur est analogue aux amortisseurs de masse accordés utilisés dans les gratte-ciel pour réduire le mouvement du bâtiment lors d'un tremblement de terre.

Vibrations de torsion dans les systèmes d'entraînement électromécaniques

Les vibrations de torsion des systèmes d'entraînement entraînent généralement une fluctuation importante de la vitesse de rotation du rotor du moteur électrique d'entraînement. De telles oscillations de la vitesse angulaire superposées à la vitesse de rotation moyenne du rotor provoquent une perturbation plus ou moins sévère du flux électromagnétique et donc des oscillations supplémentaires des courants électriques dans les enroulements du moteur. Ensuite, le couple électromagnétique généré est également caractérisé par des composantes temporelles variables supplémentaires qui induisent des vibrations de torsion du système d'entraînement. Selon ce qui précède, les vibrations mécaniques du système d'entraînement se couplent aux vibrations électriques des courants dans les enroulements du moteur. Un tel couplage est souvent de nature compliquée et donc difficile en termes de calcul. Pour cette raison, jusqu'à présent, la majorité des auteurs simplifiaient la question des vibrations mécaniques des systèmes d'entraînement et des vibrations du courant électrique dans les enroulements du moteur comme étant mutuellement découplées. Ensuite, les ingénieurs mécaniciens ont appliqué les couples électromagnétiques générés par les moteurs électriques en tant que fonctions d'excitation supposées "a priori" du temps ou du glissement rotor-stator, par exemple dans le papier en se basant généralement sur de nombreuses mesures expérimentales effectuées pour le moteur électrique donné. comportements dynamiques. A cet effet, au moyen des résultats de mesure, des formules approchées appropriées ont été développées, qui décrivent les excitations électromagnétiques externes respectives produites par le moteur électrique. Cependant, les électriciens ont minutieusement modélisé les flux de courant électrique dans les enroulements du moteur électrique, mais ils ont généralement réduit le système d'entraînement mécanique à un ou rarement à quelques corps rigides en rotation, comme par exemple dans de nombreux cas, de telles simplifications donnent des résultats suffisamment utiles pour applications d'ingénierie, mais très souvent, ils peuvent conduire à des imprécisions remarquables, car de nombreuses propriétés dynamiques qualitatives des systèmes mécaniques, par exemple leur distribution de masse, leur flexibilité en torsion et leurs effets d'amortissement, sont négligées. Ainsi, une influence du comportement vibratoire du système d'entraînement sur la fluctuation de la vitesse angulaire du rotor de la machine électrique, et de cette manière sur les oscillations du courant électrique dans les enroulements du rotor et du stator, ne peut être étudiée avec une précision satisfaisante.

Les vibrations et déformations mécaniques sont des phénomènes associés au fonctionnement de la majorité des structures de transmission de véhicules ferroviaires. La connaissance des vibrations de torsion dans les systèmes de transmission des véhicules ferroviaires est d'une grande importance dans les domaines de la dynamique des systèmes mécaniques. Les vibrations de torsion dans la chaîne cinématique du véhicule ferroviaire sont générées par plusieurs phénomènes. Généralement, ces phénomènes sont très complexes et ils peuvent être divisés en deux parties principales.

Au premier appartient l'interaction électromécanique entre le système d'entraînement ferroviaire comprenant : le moteur électrique, les engrenages, la partie entraînée de l'embrayage à disque et les parties motrices de l'embrayage à engrenages.
Au second appartiennent les vibrations de torsion des roues flexibles et les essieux causés par la variation des forces d'adhérence dans la zone de contact roue-rail.

Une interaction des forces d'adhérence a des caractéristiques non linéaires qui sont liées à la valeur de fluage et dépendent fortement de l'état de la zone roue-rail et de la géométrie de la voie (lors de la conduite sur une section courbe de la voie). Dans de nombreux systèmes mécaniques modernes, la déformation structurelle par torsion joue un rôle important. Souvent, l'étude de la dynamique des véhicules ferroviaires à l'aide des méthodes multicorps rigides sans éléments déformables en torsion est utilisée. Cette approche ne permet pas d'analyser les vibrations auto-excitées qui ont une influence importante sur l'interaction longitudinale roue-rail. Une modélisation dynamique des systèmes d'entraînement électriques couplés à des éléments d'une machine ou d'un véhicule entraînés est particulièrement importante lorsque le but d'une telle modélisation est d'obtenir des informations sur les phénomènes transitoires de fonctionnement du système, comme un démarrage, un ralentissement et une perte. d'adhérence dans la zone roue-rail. La modélisation d'une interaction électromécanique entre le moteur électrique d'entraînement et la machine ainsi que d'une influence des vibrations de torsion auto-excitées dans le système d'entraînement.

Mesure des vibrations de torsion sur des systèmes physiques

La façon la plus courante de mesurer les vibrations de torsion consiste à utiliser des impulsions équidistantes sur un tour d'arbre. Des codeurs d'arbre dédiés ainsi que des transducteurs de prise de vitesse (induction, effet Hall, réluctance variable, etc.) peuvent générer ces impulsions. Le train d'impulsions du codeur résultant est converti soit en une lecture numérique du régime, soit en une tension proportionnelle au régime.

L'utilisation d'un laser à double faisceau est une autre technique utilisée pour mesurer les vibrations de torsion. Le fonctionnement du laser à double faisceau est basé sur la différence de fréquence de réflexion de deux faisceaux parfaitement alignés pointant en des points différents sur un arbre. Malgré ses avantages spécifiques, cette méthode donne une plage de fréquences limitée, nécessite une ligne de visée de la pièce au laser et représente plusieurs lasers au cas où plusieurs points de mesure doivent être mesurés en parallèle.

Logiciel de vibration de torsion

Il existe de nombreux logiciels capables de résoudre le système d'équations de vibration de torsion. Les codes spécifiques aux vibrations de torsion sont plus polyvalents à des fins de conception et de validation de système et peuvent produire des données de simulation qui peuvent facilement être comparées aux normes industrielles publiées. Ces codes facilitent l'ajout de branches de système, de données massiques-élastiques, de charges en régime permanent, de perturbations transitoires et de nombreux autres éléments dont seul un rotordynamicien aurait besoin. Codes spécifiques aux vibrations de torsion :

AxSTREAM RotorDynamics, ( SoftInWay ) - Programme commercial basé sur FEA pour effectuer l'ensemble des analyses de torsion sur la gamme complète d'équipements rotatifs. Peut être utilisé pour effectuer des analyses de machines en régime permanent et transitoire, modales, harmoniques et alternatives, et génère rapidement un tracé de stabilité et des diagrammes de Campbell.

ARMD TORSION ( Rotor Bearing Technology & Software, Inc. ) - Logiciel commercial basé sur FEA pour effectuer des fréquences naturelles de torsion amorties et non amorties, des formes de mode, une réponse en régime permanent et transitoire des transmissions mécaniques avec des entrées de divers types d'excitation externe , les couples de démarrage des moteurs synchrones, les couples des compresseurs et les perturbations du système électrique.

Les Bond Graphs peuvent être utilisés pour analyser les vibrations de torsion dans les groupes électrogènes, tels que ceux utilisés à bord des navires.

Voir également

Bibliographie

Nestorides, EJ, BICERA: A Handbook on Torsional Vibration , University Press, 1958, ISBN 0-521-04326-3
Parikyan, T. (2011). "Simulation de vibration de torsion multicycle avec AVL EXCITE Designer". Document ASME ICEF2011-60091. doi : 10.1115/ICEF2011-60091 . Citer le journal nécessite |journal=( aide )

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