Propriétés des matériaux d’amortissement et de leurs utilisations

Les ingénieurs en mécanique utilisent des matériaux d’amortissement partout où des vibrations, oscillations, chocs ou bruits indésirables se produisent. Si ces vibrations restent incontrôlées, elles peuvent entraîner des pertes de précision, une usure prématurée des matériaux et même la destruction de la machine. Par conséquent, les matériaux amortissants augmentent non seulement la durée de vie et les performances des machines, mais les protègent également souvent contre les dommages. Outre les mousses, le feutre et le caoutchouc, des plastiques spéciaux sont également utilisés pour produire des matériaux amortissants. Cet article de blog présente un aperçu des différents matériaux d’amortissement et de la manière de les utiliser.

Qu’est-ce qu’une vibration ?

D’un point de vue purement physique, une vibration est une variation périodique d’un paramètre physique autour de son état d’équilibre. Les vibrations peuvent être décrites par les paramètres d’amplitude, de fréquence et d’angle de phase. Une vibration est une vibration mécanique périodique qui peut généralement être entendue et ressentie. Les oscillations ou vibrations mécaniques se produisent le plus souvent sur les composants rotatifs et oscillants.

Il existe plusieurs formes de vibrations :

• Harmonique : Le graphique temporel est décrit par une fonction sinusoïdale ou cosinus, sans amortissement ou similaire. Influences extérieures.
• Excitée : Une vibration excitée par une force périodique externe (augmentation de l’amplitude).  La vibration de l’excitateur se situe dans la plage de résonance de l’oscillation naturelle. Plus la fréquence d’excitation s’approche de la fréquence naturelle, plus la résonance résultante est forte.
• Amortie : L’amplitude d’une vibration amortie diminue au fil du temps en raison de pertes d’énergie, par exemple par friction ou amortissement.

Oscillation et résonance naturelles

Une oscillation dite naturelle se produit lorsqu’une force externe agit une fois sur un corps élastiquement déformable. Cette oscillation naturelle est provoquée par la force de retour, qui est proportionnelle à la déflexion et ramène le corps à son état d’équilibre.

Si des chocs forcés avec la même fréquence d’excitateur agissent sur le corps en plus de l’oscillation naturelle, l’oscillation naturelle et l’oscillation de l’excitateur se chevauchent pour atteindre une amplitude plus élevée, un pic d’oscillation se produit. Cela peut endommager le système. C’est là qu’interviennent les matériaux d’amortissement et d’isolation des vibrations.

Vous pouvez également en savoir plus sur les différentes formes de vibrations dans notre article sur le comportement intrinsèque des vibrations des ressorts.

Absorption des vibrations et isolation des vibrations

Les vibrations peuvent être neutralisées de plusieurs façons. L’absorption des vibrations est la tentative de réduire le pic (amplitude) d’une vibration par extraction d’énergie.
Des amortisseurs hydrauliques, pneumatiques et/ou électriques couplés ou d’autres éléments d’amortissement mécanique peuvent également être utilisés en plus de la propriété d’un matériau utilisé pour obtenir un effet d’amortissement par déformation élastique et friction interne.

L’amortissement convertit l’énergie vibratoire en chaleur. L’amplitude de la vibration est réduite, ce qui réduit les vibrations et les rend plus contrôlables. L’effet d’amortissement contribue ainsi à améliorer de manière significative la durée de vie et la fiabilité des machines et de leurs composants. Cependant, étant donné que l’amortissement est généralement obtenu en convertissant l’énergie cinétique en chaleur, le matériau d’amortissement peut surchauffer s’il est surchargé, dont les effets peuvent aller d’un changement des propriétés d’amortissement à la défaillance de l’amortisseur surchargé.

D’autre part, l’isolation contre les vibrations signifie idéalement que l’occurrence des vibrations est complètement éloignée d’un système ou, le cas échéant, que les vibrations résultantes sont transférées vers un autre système. Cela se fait généralement en installant des isolateurs de vibrations élastiques. L’isolation contre les vibrations est efficace lorsque la fréquence naturelle du système isolé des vibrations est inférieure au composant de fréquence le plus bas de la vibration parasite. Les isolateurs contre les vibrations peuvent être, par exemple : des ressorts en acier, tampons en caoutchouc, plaques isolantes en liège, caoutchouc, feutre, sable, etc.

Il existe plusieurs types d’isolation contre les vibrations :

• Isolation active contre les vibrations : L’environnement d’une machine est protégé contre les vibrations.
• Isolation passive contre les vibrations : La machine elle-même est protégée contre les vibrations ambiantes.

L’annulation des vibrations est un autre principe qui concerne en particulier les gros équipements/grandes machines. En fixant un oscillateur supplémentaire à masse suspendue, l’énergie de l’excitation est dissipée et le mouvement de vibration du système principal est annulé.

Que sont les matériaux d’amortissement ?

Les matériaux d’amortissement sont utilisés pour absorber ou réduire les vibrations, le bruit (oscillations) dans les machines. Par exemple, il existe des matériaux d’amortissement pour les types d’amortissement suivants :

• Absorption des vibrations d’oscillation / amortissement des vibrations : Les mouvements des équipements et des machines vibrants sont amortis. Les matériaux utilisés à cette fin sont élastiques. Ils sont placés entre la source de la vibration et l’objet à protéger.
• Réduit les vibrations mécaniques indésirables, par ex. revêtement PU sur les surfaces.
• Isolation phonique : Absorbe/isole des ondes sonores pour réduire le bruit. Les matériaux d’insonorisation sont souvent doux et poreux. Cela peut entraîner la réfraction des ondes sonores dans le matériau, leur piégeage et leur absorption.
• Amortissement mécanique, par ex. absorption des chocs : Les impacts soudains et les charges dynamiques, y compris les forces d’action, sont absorbés et répartis. Cela protège les composants sensibles des dommages. Les matériaux amortisseurs de chocs sont élastiques et peuvent absorber une grande quantité d’énergie.

MISUMI propose une large gamme de matériaux d’amortissement pour une large gamme d’applications. La présentation suivante vous aide à sélectionner le composant MISUMI approprié :

En général, de nombreux plastiques ont également des propriétés d’amortissement. Pour en savoir plus sur les propriétés des plastiques en génie mécanique, consultez notre article sur les plastiques.

Quel matériau est-il adapté à l’absorption des vibrations ?

Les matériaux réagissent différemment aux vibrations. La dureté est une caractéristique qui affecte les vibrations. La dureté indique la capacité d’un matériau à résister à la pénétration ou à la déformation sous l’effet d’un autre matériau. Plus la valeur de dureté est élevée, plus le matériau est résistant à la déformation. La dureté est déterminée avec différentes méthodes de test de dureté, par ex. dureté selon Rockwell ou dureté selon Shore. Pour en savoir plus sur les différents tests de dureté, consultez notre article Comparaison des méthodes et des tests de dureté.

La dureté affecte également l’élasticité, qui, à son tour, affecte la fréquence des vibrations (le nombre d’oscillations par unité de temps). Les matériaux à haute dureté ont une élasticité plus faible. La fréquence des vibrations augmente avec l’augmentation de l’élasticité (constante du ressort) et la diminution de la masse du corps. Voir également la présentation suivante des différents matériaux d’amortissement :

• (1) Manchon amortisseur
• (2) Plaque d’amortissement
• (3) Gels amortisseurs de vibrations
• (4) Version revêtement en caoutchouc
• (5) Éléments caoutchouc-métal
• (6) RUBLOC
• (7) Plaques absorbant les vibrations
• * Capacité de charge (kg) pour 4 unités

Les éléments amortisseurs présentés ici sont détaillés ci-dessous :

Revêtements en caoutchouc

Les revêtements en caoutchouc appliqués en surface sont une méthode d’amortissement efficace des émissions acoustiques. La matière élastique convertit l’énergie cinétique agissant sur le matériau en chaleur par déformation et friction interne, réduisant ainsi l’amplitude des vibrations. La figure suivante montre une conception typique d’un élément amortisseur, avec une combinaison de gel amortisseur de vibrations et de revêtement en caoutchouc.

La version avec gel amortisseur de vibrations et revêtement en caoutchouc est conçue pour les charges légères et les vibrations faibles. Le gel absorbe les basses fréquences à une charge de travail maximale de 25 à 35 kg et à une fréquence minimale utilisable de 13 Hz. Le corps de base en silicone avec revêtement en caoutchouc d’éthylène est résistant aux intempéries et adapté à une utilisation en extérieur. Les amortisseurs en silicone offrent également une durée de vie en fatigue plus longue que les amortisseurs en caoutchouc traditionnels.

Douilles en gel ou manchons d’amortisseur en gel

En raison de leurs propriétés d’amortissement élevées, les douilles en gel sont des éléments d’amortissement des vibrations spécialement conçus qui sont utilisés en particulier à haute fréquence et à faible capacité de charge. Le matériau doux semblable à du gel absorbe efficacement les vibrations. Les douilles en gel peuvent être utilisés comme suit :

Gel absorbant les vibrations

Les gels absorbant les vibrations, en particulier les gels à base de silicone, sont parfaits pour la réduction des vibrations dans les applications qui ont des charges ultra légères à moyennes et de faibles vibrations. Ils se caractérisent par une grande flexibilité et adaptabilité. Par rapport aux amortisseurs en caoutchouc traditionnels, les amortisseurs en gel de silicone offrent une durée de vie plus longue et conservent leurs propriétés d’amortissement même sous une contrainte à long terme.

Plaques de gel absorbant les vibrations

Les plaques de gel absorbant les vibrations sont idéales pour les charges légères et les vibrations minimales difficiles à amortir avec le caoutchouc conventionnel. Elles sont traitées thermiquement, ne présentent pas de résonances indésirables et nécessitent une répartition uniforme de la charge. Ces gels ne conviennent qu’aux charges verticales, car les déplacements latéraux ou les charges de torsion réduisent considérablement leur efficacité et leur durée de vie. Elles ne doivent pas être soumises à des contraintes mécaniques.

Supports en caoutchouc absorbant les vibrations

Les supports en caoutchouc absorbant les vibrations sont adaptés aux charges légères à moyennes. En raison de leur durabilité et de leur capacité de charge élevée, les supports en caoutchouc sont souvent utilisés dans les applications de machines et de véhicules, tout en offrant une résistance élevée à l’usure et aux influences environnementales externes.

RUBLOC

L’amortisseur de vibrations RUBLOC® est une marque déposée de Rubloc Imexin et convient aux charges légères à moyennes avec des vibrations faibles à moyennes. La composition spéciale du caoutchouc chloroprène anti-salissures minimise la contamination des surfaces des matériaux qui entrent en contact avec l’amortisseur, tandis que les propriétés restantes sont similaires à celles du caoutchouc chloroprène conventionnel. La propagation diagonale des vibrations dans les plaques entraîne un effet amortissant élevé.

Insonorisation / Isolation phonique

L’insonorisation ou l’isolation phonique désigne des mesures qui empêchent ou réduisent la transmission du son. L’isolation phonique est conçue pour réduire la transmission du son. Pour ce faire, il faut soit réfléchir, soit absorber le son.

La texture de la surface influence largement la capacité à réfléchir ou réfracter le son. Comme le reflet d’un faisceau de lumière dans l’optique, les surfaces lisses réfléchissent le son directement dans la pièce, ce qui entraîne un retour du son presque au même niveau. Les surfaces rugueuses ou texturées, en revanche, réfractent les ondes sonores et les diffusent dans différentes directions. Les solutions d’insonorisation telles que les plaques acoustiques ou les mousses tirent parti de ce principe. L’énergie de l’onde du son est divisée en plus petites quantités d’énergie par cette diffusion et est atténuée en conséquence en se piégeant dans le matériau. Il existe également des mousses acoustiques spéciales et des panneaux de fibres qui absorbent complètement l’énergie des ondes sonores. Les matériaux d’isolation phonique sont adaptés à l’absorption des hautes fréquences, mais sont moins efficaces pour les basses fréquences sonores. Les tapis en gel de silicone, les tampons en caoutchouc, etc. sont mieux adaptés aux basses fréquences. Alors que les tapis en gel de silicone ont une excellente absorption des vibrations, les tampons en caoutchouc sont disponibles pour une large gamme d’applications en raison de leur variété de conceptions, variantes et matériaux.

Le comportement des différentes options d’amortissement est indiqué ci-dessous :

Exemple - Utilisation de plaques pour l’absorption du son et des chocs

MISUMI propose des plaques composées d’une grande variété de matériaux, par ex. caoutchouc polyuréthane (PU / PUR), caoutchouc polyuréthane à faible retour, polyuréthane antistatique, caoutchouc nitrile butadiène (NBR), mousse polyuréthane, feutre, céramique ou mousse de polyéthylène.

Les plaques de mousse et les plaques de caoutchouc sont particulièrement adaptées à l’amortissement en général et à l’insonorisation en particulier. Une large gamme d’applications peut être traitée car elles sont disponibles dans une large gamme de duretés Shore. Les plaques de mousse ou les plaques de caoutchouc peuvent, par exemple, réduire les émissions sonores d’un système. Elles sont également adaptées à l’amortissement des composants de manutention des matériaux dans les systèmes de convoyeurs ou comme guides latéraux pour protéger les composants et les marchandises transportées contre les dommages pendant l’impact. En particulier, les plaques en caoutchouc dur ou les plaques en caoutchouc ou en mousse à faible impact réduisent cette énergie d’impact.

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