composant AMF pour faire varier sa compliance
4.3 Pr´ esentation du composant AMF
Le composant AMF est compos´e d’un ressort `a base de nickel-titane (Ni-Ti) et de deux fils en fibres synth´etiques `a ses deux extr´emit´es. Le ressort est reli´e aux points A et C `a l’aide de ces deux fils : voir photo de gauche de la figure 4.2. Ces fils sont consid´er´es inextensibles par rapport `a la d´eformation du ressort en AMF.
Chapitre 4. ´Etude exp´erimentale d’une structure flexible int´egrant un AMF 94
Figure 4.2: Transmission de mouvement entre les servomoteurs et les bras flexibles.
Figure 4.3: Liaison pivot sup´erieure passive : (a) mod`ele CAO de la liaison pivot, (b) liaison pivot ARCANE 30 × 30 utilis´ee pour le d´emonstrateur exp´erimental, (c)
Figure 4.4: Diff´erences entre le mod`ele num´erique et le d´emonstrateur exp´erimental : (a) mod`ele ´etudi´e num´eriquement au chapitre 3, (b) mod`ele correspondant au
d´emonstrateur physique. Sp´ecifications Valeur Ratio de r´eduction 200 : 1 Tension de fonctionnement 12 ∼ 18, 5V Couple de d´ecrochage 5,3 N.m (`a 18,5 V, 2,6 A) Courant de d´emarrage 2,1 A
Vitesse `a vide 64 tr/min (`a 18,5 V)
Angle minimal de contrˆole 0,29˚× 1024
Intervalle de fonctionnement Mode actionneur : [0 300˚] Mode roue : rotation continue Mat´eriau Full Metal Gear, Engineering Plastic Body
Dimension 40,2 mm × 61,1 mm × 41 mm
Temp´erature de fonctionnement 5˚C ∼ 80˚C
Table 4.2: Sp´ecifications des servomoteurs Dynamixel RX-64.
4.3.1 Cahier des charges et achat du ressort AMF
Le ressort AMF a ´et´e fabriqu´e par la soci´et´e Nimesis Technology, qui poss`ede une expertise dans le domaine de la conception et le d´eveloppement de pi`eces et composants en AMF. Le cahier des charges sur le ressort AMF a ´et´e formul´e sur la base des r´esultats du chapitre pr´ec´edent :
— capacit´e d’effet m´emoire simple-sens ;
— conditions sur les temp´eratures de transformation : il faut que le ressort soit mar-tensitique `a temp´erature ambiante, c’est `a dire Mf ¿ 25˚C. La transformation en aust´enite par effet Joule doit pouvoir se faire `a partir d’une temp´erature 70˚C ;
Chapitre 4. ´Etude exp´erimentale d’une structure flexible int´egrant un AMF 96
— conditions sur la raideur du ressort : on veut que la raideur soit de l’ordre de 1,4 N/mm `a l’´etat aust´enitique. On souhaite ´egalement avoir un rapport de l’ordre de 2 entre les raideurs du ressort `a l’´etat aust´enitique et `a l’´etat martensitique.
Apr`es discussions avec le fabriquant, le ressort a ´et´e fabriqu´e. Il est caract´eris´e par les temp´eratures de transformation suivantes : As= 55˚C, Af = 70˚C, Mf ¿ 30˚C, Ms ¿ 30˚C. Ces valeurs garantissent bien un ´etat enti`erement martensitique `a temp´erature ambiance (entre 10˚C et 30˚C). Les donn´ees dimensionnelles, m´ecaniques et thermiques du ressort fournies par le fabricant sont pr´esent´ees dans le tableau 4.3. Pour compl´eter ces informations, nous avons proc´ed´e `a des essais de caract´erisation de raideur. Ces tests sont d´etaill´es dans la section suivante.
Caract´eristiques Valeur
Mat´eriau NiTi
Nombre de spires actives 21 spires
Diam`etre du fil 1 mm
Charge maximale 10 N
Allongement `a HT* (10 N) 24 mm
Allongement `a BT* (10 N) 46 mm
Longueur totale `a vide `a HT* 44 mm Longueur AC `a l’´etat libre de contrainte LAC 314 mm
M f ¿ 30˚C
M s ¿ 30˚C
As 55˚C
Af 70˚C
Table 4.3: Caract´eristiques dimensionnelles, m´ecaniques et thermiques du ressort AMF fournies par le fabricant. HT* : haute temp´erature ¿ Af. BT* : basse temp´erature
¡ Mf.
4.3.2 Mesure du ratio de raideurs du ressort AMF entre l’´etat aust´enitique et l’´etat martensitique
Pour compl´eter les informations donn´ees pr´ec´edemment, une caract´erisation des raideurs de l’´el´ement AMF a ´et´e r´ealis´ee sur une machine de traction uniaxiale (voir figure4.5). Ces valeurs de raideur seront utilis´ees plus tard pour faire des simulations et des comparaisons avec les r´esultats exp´erimentaux.
Les essais de traction ont ´et´e r´ealis´es dans chacun des deux ´etats de l’AMF : `a l’´etat martensitique (`a basse temp´erature T˚¡ Mf, en pratique `a temp´erature ambiante) et dans l’´etat aust´enitique (`a haute temp´erature T˚¿ Af).
La transformation de l’´etat martensitique `a l’´etat aust´enitique (activation) du ressort AMF a ´et´e r´ealis´ee par effet Joule. Le passage d’un courant ´electrique dans le
Figure 4.5: Dispositif des essais de caract´erisation du ressort AMF.
ressort permet de produire de la chaleur. Un syst`eme ´electrique a donc ´et´e mis en place. Une alimentation ´electrique en courant continue a ´et´e utilis´ee. La tension de sortie Valim est de 24 V, l’intensit´e du courant de sortie Ialim est de 5 A. La puissance ´electrique de sortie est importante (120 W), cela pr´esente un risque d’endommagement pour le ressort AMF. Pour r´eduire cette puissance, une r´esistance ´electrique a ´et´e ajout´ee pour r´eduire l’intensit´e du courant continu `a Ialim0 = 3 A et obtenir une puissance ad´equate pour le chauffage de l’AMF.
Ainsi la puissance ´electrique qui passe dans le ressort AMF est de :
P = Valim× Ialim0 = 24 × 3 = 72 W (4.1) Ce qui donne une densit´e volumique de puissance p :
p = P
V = 2, 48 · 10
−3 W/mm3 = 2, 48 · 103 kW/m3 (4.2)
Cette puissance est suffisante pour une transformation totale de l’´etat martensi-tique `a l’´etat aust´enitique en quelques secondes.
Des essais de traction simple charge-d´echarge ont ´et´e r´ealis´es. Ils ont ´et´e pilot´es en force avec une force maximale de 2,5 N. La dur´ee du cycle triangulaire a ´et´e fix´ee `a 30 secondes, ce qui donne une vitesse de chargement et de d´echargement Vcharg = ±0, 166 N/s. On pr´esente sur la figure 4.6 les r´esultats des essais dans chacun des deux ´etats (martensitique en noir et aust´enitique en bleu). Pr´ecisons que l’´etat initial martensitique a ´et´e choisi ”auto-accommodant” : le ressort a pr´ealablement ´et´e chauff´e pour atteindre
Chapitre 4. ´Etude exp´erimentale d’une structure flexible int´egrant un AMF 98
l’´etat aust´enitique, puis on l’a laiss´e revenir `a l’´etat martensitique (`a temp´erature am-biante) sans contrainte ext´erieure. On note ´egalement que pour l’´etat aust´enitique, la d´echarge est confondue avec la charge.
Figure 4.6: Essai sur le ressort en traction simple dans les deux ´etats (martensite et aust´enite).
`
A partir des courbe force-d´eplacement de la figure4.6, et en exploitant la partie ´elastique linaire, on obtient les raideurs du ressort AMF dans les deux phases. `A l’´etat
martensitique (temp´erature ambiante, ´etat non-activ´e), la raideur est de Knon−act0 = 0, 166 N/mm. `
A l’´etat aust´enitique (temp´erature ´elev´ee ¿ 70˚C, ´etat activ´e) la raideur est de Kact0 = 0, 308 N/mm, ce qui donne un ratio de raideur de 1,85 entre les deux ´etats.
4.3.3 Evolution de la raideur K´ non−act0 en fonction de la pr´e-d´eformation
Des essais en traction ont ´egalement ´et´e r´ealis´es pour identifier l’influence de la pr´e-d´eformation sur la raideur du ressort `a l’´etat martensitique. Un essai cyclique a ´et´e r´ealis´e `a temp´erature ambiante. Quatre cycles de charge-d´echarge ont ´et´e r´ealis´es en augmentant progressivement le niveau maximal de chargement. Les r´esultats sont pr´esent´es sur la figure 4.7. On remarque l’augmentation de la d´eformation an´elastique r´esiduelle `a chaque cycle, correspondant `a la r´eorientation progressive de la martensite. Le tableau 4.4 donne les valeurs de Knon−act0 en fonction de l’allongement (∆Lpredef) obtenu `a la fin de chaque cycle. D’apr`es ce tableau, on remarque que la valeur de la raideur du ressort AMF varie peu avec la pr´e-d´eformation du ressort.
Figure 4.7: Essai en traction dans l’´etat martensitique. ∆Lpredef (mm) Knon−act0 (N/mm) 0 0,166 2,5 0,177 4,1 0,177 10,5 0,160 Moyenne 0,165
Table 4.4: Valeurs de raideur du ressort AMF `a l’´etat martensitique en fonction de la pr´e-d´eformation.