La cellule tribologique est un système suspendu, comportant des éléments relativement lourds (supérieur 100kg pour l’ensemble), un moteur électrique en rotation, des liaisons souples et l’ensemble est en contact avec un système roulant (le galet sur le rail). Ces nombreux éléments exposent a priori la cellule à des vibrations. Lors de la conception du banc, ces aspects vibratoires ont été pris en compte afin d’éviter des phénomènes de résonnance pouvant mettre en péril le dispositif. Les considérations vibratoires sont présentées ci-après.
En première approche, la base du banc d’essai est un tour vertical. Ce tour est destiné à usiner des pièces pouvant peser jusqu’à 10 tonnes (pour une géométrie cylindrique centrée sur le plateau) pour une vitesse de rotation de 13,5 tour/min. Pour la vitesse maximale de rotation de 68 tours/min, la charge verticale admise maximale est de 3,5 tonnes.
Ces mécanismes sont conçus pour ne pas entrer en résonnance en fonctionnement normal. Les essais de validation sur Triboring sont réalisés principalement à vitesse modérée par rapport à la gamme possible, à 21.6 tours/min (pour éviter un effet centrifuge important et préserver le banc). Le chargement vertical appliqué n’excède pas les 250daN ajouté au poids des éprouvettes et du système de bridage (environ 600daN). Bien que le chargement de 250daN au contact soit déporté sur le bord du plateau, il reste négligeable au vu des masses en rotation inhérentes au tour, telles que le plateau rotatif lui-même pesant 3,2 tonnes (environ 3200daN).
L’attention doit donc se porter sur les effets des vibrations provoquées par le fonctionnement du banc, sur les structures ajoutées, telles que la cellule tribologique et ses capteurs d’effort.
Afin d’anticiper ce risque, les capteurs d’efforts ont été conçus de manière à ce que leurs premières fréquences propres soient suffisamment élevées, que le fonctionnement du banc d’essai ne perturbe pas la mesure ou ne dégrade pas les capteurs. Ces fréquences sont de 1370Hz selon la direction d’avance du contact galet/couronne, 1760Hz en vertical et de 5880Hz en transversal.
Une mise en situation a été réalisée afin d’identifier les fréquences propres des différents éléments, et de connaitre ainsi la signature fréquentielle du banc complet. Le déroulement d’un essai implique l’allumage de plusieurs éléments vibrants :
Pour permettre la rotation du moteur du galet, il faut préalablement allumer les blocs d’asservissement Siemens situés un mètre derrière le tour, et refroidis par des ventilateurs internes, possiblement à l’origine de vibrations.
L’alimentation électrique du moteur puis son déverrouillage sont à l’origine d’un sifflement électrique.
Enfin la mise en rotation du plateau induit bien sûr du bruit et des vibrations.
Il convient de préciser que la fréquence d’échantillonnage du système d’acquisition est fixée à 10 kHz ce qui permet de respecter le théorème de Shannon.
Pour comprendre l’impact de ce protocole d’allumage, puis d’essai sur les vibrations de la cellule tribologique, un accéléromètre tri-axes est collé sur la plaque avant de la cellule tribologique, la partie non tournante la plus proche spatialement et cinématiquement du galet. Les différents éléments ont été mis en fonctionnement séparément dans la mesure du possible afin d’identifier l’origine de certaines fréquences vibratoires. La Figure 56 présente globalement les différentes phases de mesures. Le premier bloc (phases 1, 2 et 3) comprend un allumage de l’asservissement (noir phase 1), du moteur Siemens (bleu phase 2) et de son déverrouillage électrique (vert phase 3). Le second bloc (phases 4 à 7) comprend la même procédure avec le moteur du tour allumé (rouge phase 4) non embrayé (pas de rotation du tour). Le troisième bloc (phase 8), est une mise en rotation simple du tour (orange phase 8). Le dernier bloc est identique au second avec mise en rotation du moteur siemens et du tour (orange et vert phase 9). Toutefois le galet n’est pas en contact avec la couronne.
Figure 56 Phases de mesure des fréquences propres de la cellule tribologique
Sur chacune des neuf phases, une transformée de Fourier rapide (Fast Fourier Transform, FFT) est appliquée pour mettre en évidence les fréquences propres prépondérantes. Les transformées sont réalisées sur des fichiers dont la fréquence d’acquisition est de 10kHz. Les fichiers de chaque phase représentent environ 100 à 200s d’essai soit 1 à 2 millions de points.
Dans le premier bloc, l’alimentation du système d’asservissement (phase 1) engendre la mesure de la fréquence de 50Hz du réseau électrique. Cette fréquence est atténuée lorsque l’on déverrouille électriquement le moteur (phase 3). L’alimentation et le déverrouillage du moteur du galet n’apportent pas de fréquences de résonnance supplémentaires (phases 2; 3; 6; 7).
La mise en fonctionnement du moteur du tour (phase 4) qui alimente le circuit d’huile est à l’origine de l’apparition de plusieurs fréquences selon les trois directions. Ces fréquences sont indiquées dans les Figure 57, Figure 58 et Figure 59 des transformées de Fourier rapides selon les trois directions. L’alimentation du système d’asservissement, du moteur électrique et son déverrouillage n’apporte pas d’autres effets à ceux précédemment cités.
Après la mise en marche du moteur du tour seulement, la rotation du plateau du tour à 21.6 tour/minutes est embrayée (phase 8). Celle-ci entraine l’apparition de plusieurs fréquences de vibration.
Enfin la mise en rotation de l’arbre du galet (phase 9), qui implique que tous les éléments déjà évoqués soient en fonctionnement, n’ajoute qu’une fréquence et ses harmoniques. Cette mise en rotation se fait hors contact du galet avec la couronne et liaisons souples de la cellule tribologique verrouillées.
Figure 57 Transformée de Fourier rapide selon la voie longitudinale pendant la phase (10) de rotation de l’arbre du galet, mise en évidence des fréquences propres associées aux différentes phases.
Figure 58 Transformée de Fourier rapide selon la voie transversale pendant la phase (10) de rotation de l’arbre du galet, mise en évidence des fréquences propres associées aux différentes phases.
Figure 59 Transformée de Fourier rapide selon la voie verticale pendant la phase (10) de rotation de l’arbre du galet (10), mise en évidence des fréquences propres associées aux différentes phases.
Une analyse modale de la cellule tribologique fournie par le Dr. Éric Vittecoq de l’école des ingénieurs de Genève permet d’estimer les fréquences des modes propres de la cellule tribologique à partir du modèle CAO. Ces valeurs sont reportées dans le Tableau 5.
Tableau 5 Tableau des fréquences propres de la celulle tribologique par le modèle CAO
*La modélisation a été faite sans le cône morse au-dessus de la plaque supérieure, qui fait le lien entre la cellule tribologique et le tour. La vibration de la plaque supérieure est donc exagérée car plus souple sans ce cône.
Figure 60 Mode de résonance pour une rotation autour de l’axe a) Vertical Y 24.6Hz, b) Tangent Z 64.5Hz, c) Longitudinal X 67.8Hz
Parmi ces fréquences propres, la rotation autour de l’axe vertical à 25Hz et la rotation autour de l’axe longitudinale de 68Hz, sont présentes dans les fréquences excitées par la mise en marche du banc. Toutefois, dans cette configuration hors contact, leur amplitude est faible devant celle de la fréquence liée à la mesure du signal électrique (50Hz), et également faible devant les fréquences relevées lors d’un essai avec contact (Figure 61, Figure 62 et Figure 63).
Fréquence Mouvement
1Hz Mouvement de fonctionnement des liaisons correspondant aux translations 1Hz Mouvement de fonctionnement des liaisons correspondant aux translations 25Hz Rotation 1 autour de l’axe vertical Y au niveau de la plaque supérieure*
65Hz Rotation 1 autour de l’axe horizontal tangent Z au niveau de la plaque supérieure* 68Hz Rotation 1 autour de l’axe horizontal d’avance X au niveau de l’arbre
86Hz Rotation 2 autour de l’axe vertical Y au niveau des liaisons supérieures* 97Hz Flexion d’une plaque de liaison
147Hz Rotation 2 autour de l’axe horizontal tangent Z au niveau du moteur* 190Hz Flexion d’une plaque de liaison
Figure 61 Transformée de Fourier rapide selon la voie longitudinale pendant un essai en roulement, mise en évidence des fréquences propres associées aux différents éléments du banc et à l’analyse modale.
Figure 62 Transformée de Fourier rapide selon la voie transversale pendant un essai en roulement, mise en évidence des fréquences propres associées aux différents éléments du banc et à l’analyse modale.
Figure 63 Transformée de Fourier rapide selon la voie verticale pendant un essai en roulement, mise en évidence des fréquences propres associées aux différents éléments du banc et à l’analyse modale.
Sur les FFT réalisées pendant un essai en roulement sans glissement, il est possible de repérer : des nouvelles fréquences significatives du contact, qui pourraient faire l’objet d’une analyse
vibratoire du contact,
certaines fréquences dont l’origine est identifiée dans les transformées précédentes
quelques fréquences qui correspondent à celles identifiées dans l’analyse modale et qui pourraient éventuellement présenter un risque.
On repère ainsi la fréquence à 25Hz selon les 3 directions, les fréquences à 65 et 68Hz selon l’axe transversal et les fréquences à 97 et 191Hz selon l’axe vertical. Ces trois premières valeurs correspondent, selon l’analyse modale d’Éric Vittecoq à partir de la CAO de la cellule, à des déformations qui seraient liées à une flexibilité importante du point d’attache de la cellule sur le tour. Or, la présence du cône morse rigidifie le haut de la cellule et prévient ces mouvements. Les fréquences à 97 et 191Hz correspondent aux flexions des plaques de liaison et sont a priori plus critiques. Toutefois les amplitudes de ces fréquences sont faibles par rapport à l’ensemble des fréquences de cette transformée. Pendant le déroulement des essais, un palpeur mécanique est placé sur les plaques de liaison. Aucun mouvement n’est détecté. L’analyse modale a été réalisée sur le modèle CAO sans contact entre le galet et la couronne, ce qui rigidifie la zone.
On peut donc conclure que les vibrations, induites par la mise en fonctionnement des différents éléments du banc Triboring, n’excitent pas de manière significative les fréquences propres de la cellule