Carbon Nanotubes
Carbon Nanotube Yarn Rotates Electric Motors at LUT
jeudi 9 mai 2019
Engrenage
Un engrenage est un mécanisme élémentaire composé de
deux roues dentées mobiles autour de deux roues dentées mobiles autour d’axes de
position relative invariable. L’une des roues entraîne l’autre par l’action des
dents successivement en contact. La roue qui a le plus petit nombre de
dents est appelée pignon. Suivant la position relative des axes des
roues, on distingue :
·
Les engrenages parallèles (axes
parallèles) ;
·
Les engrenages concourants (axes concourants) ;
·
Les engrenages gauches (les axes ne sont
pas dans un même plan).
Nomenclature
 |
| Figure 1 : Nomenclature of spur-gear teeth |
R. Budynas, K. Nisbett, Shigley’s Mechanical Engineering Design, McGraw-Hill Education, 2010.
https://books.google.fr/books?id=eT1DPgAACAAJ.
https://books.google.fr/books?id=eT1DPgAACAAJ.
D.B. Marghitu, J.D. Irwin, Mechanical Engineer’s Handbook, Elsevier Science, 2001.
https://books.google.fr/books?id=QpMz-0HSitEC.
La terminologie de la roue et engrenage cylindrique denture droite est illustré Figure 2.
Caractéristiques d’une roue à denture droite normale
(α = 20°)
 |
| Figure 2 : Caractéristique dimensionnelle |
 |
| Figure 3 : caractéristique mécanique |
R.Budynas, K. Nisbett, Shigley’s Mechanical Engineering Design, McGraw-HillEducation, 2010.
https://books.google.fr/books?id=eT1DPgAACAAJ.
https://books.google.fr/books?id=eT1DPgAACAAJ.
Le module est le rapport du diamètre primitif (pitch
diameter) et le nombre de dent.
 |
| Figure 4 : Modules normalisés |
A. Chevalier, Guide du dessinateur industriel: pour ma{\^\i}triserla communication technique, Hachette, 2003.
https://books.google.fr/books?id=HRKEMwEACAAJ.
https://books.google.fr/books?id=HRKEMwEACAAJ.
Exemple de conception d’un engrenage cylindrique denture droite
Diamètre primitif : dp (mm) = m*Z
|
120
|
Angle
de pression α
|
20°
|
Diamètre de pieds : df (mm) = dp-2.5*m
|
105
|
θ1
= tan (α)-α
|
0,0149044
|
Diamètre de base : db (mm) = dp cos (α)
|
112,763
|
Z
ou N
|
20
|
Diamètre de tête : da = dp+2*m
|
132
|
m
(module)
|
6
|
Epaisseur : S = πm/2
|
9,424777
|
r
en mm
|
ɸ
(°) =acos(rb/r)
|
θ (°)
= tan(ɸ)-ɸ-θ1
|
x
= - r sin θ
|
y
= r cos θ
|
|
rf
= df/2
|
52,5
|
||||
rb
= rb/2
|
56,382
|
0
|
-0,853958292
|
0,840301261
|
56,37529504
|
58,794
|
16,44424914
|
-0,387049457
|
0,397114439
|
58,78482662
|
|
rp
= dp/2
|
60
|
20
|
0
|
0
|
60
|
62
|
25,38015042
|
0,947606625
|
-1,032053795
|
62,396076
|
|
64
|
29,54578071
|
2,077115758
|
-2,348982275
|
64,76663846
|
|
ra
= da/2
|
66
|
31,32125793
|
2,690286801
|
-3,097849321
|
66
|
On symétrise le profile à ((360/20)/4)=4,5°
H.H. Lee, Finite Element Simulationswith ANSYS Workbench 12, Schroff Development Corporation, 2010.
https://books.google.fr/books?id=nbKDRAAACAAJ.
https://books.google.fr/books?id=nbKDRAAACAAJ.
dimanche 5 mai 2019
Matériaux Piézoélectriques
MATÉRIAUX PIÉZOÉLECTRIQUES
Les micros actionneurs sont l’un des plus importants
composant dans les systèmes micro électromécaniques. Les plus simples et les
plus rincent éléments actionnant sont des
micros leviers. Dans les dernières années 80 les micros actionneurs ont reçu
une augmentation d’attention quand la commande électro statiquement de micro
moteur commence à apparaître. Aux cours des 15 dernières années, plusieurs type
de micro actionneur utilise des commandes de forces variées (exemple : l’électrostatique,
l’électromagnétique, le piézoélectrique, l’alliage à mémoire de forme (SMA)
etc.) qui ont été développé. L’actionneur piézoélectrique est l’un des
principes d’actionneur le plus populaire utilisé pour le micro actionneurs.
L’actionneur piézoélectrique génère une importante
force mais seulement pour un petit déplacement en appliquant une tension à un
matériau piézoélectrique. Généralement
utilisé pour des conceptions sont les éléments bimorphes et des structures
multi couches. En outre, de plus en plus de poutre composite monomorphes sont
employée pour répondre à l’exigence des applications spéciales.
L’actionneur piézoélectrique est employé dans plusieurs applications comme l'
l'Imprimante à jet d’encre (Inkjet printers)
le Ventilateur électrique (electric fan)
le Contrôle acoustique (acoustic control)
Microphones
Capteur tactile (Tactile
sensor)
Micro moteurs (micromotors), etc.
Les principaux avantages des actionneurs sont leurs
grandes précisions, leurs vitesses et leurs puissances mécaniques. Dans ces applications, des matériaux céramiques
piézoélectriques comme l’oxyde de zinc et le PZT (Lead Zirconate Titanate) sont
les plus fréquemment utilisés, comme ils présentent un important coefficient
piézoélectrique. Cependant, la difficulté majeure associée à leur utilisation
dans beaucoup d’application est l’exigence de technologie avancée de dépôt et
d’installation de préparation de couche mince stœchiométrique. De plus, ils
sont habituellement très fragiles et ont un relatif important module d’Young.,
limitant la déformation réalisable. Des polymères composites actifs composés de
céramique piézoélectrique et epoxies sont fabriqués pour compenser ces
désavantages. Des polymères piézoélectriques comme le PVDF (polyfluorore de
vinylidène) et ces copolymères peuvent surmonter quelque un de ces difficultés
bien qu’ils ont un relativement faible coefficient piézoélectrique. Faible
nombre de valeur de module d’Young de ces polymères ont un potentiel pour
autoriser d’importante déformation d’actionneurs piézoélectriques.
Les caractéristiques spéciales des polymères
piézoélectriques ont attiré l’attention de plusieurs chercheurs de différentes
disciplines. Beaucoup d’appareils ont été conçu de ces matériaux depuis 1980. Une
longue liste de document et de patente peuvent être trouvée sur des manuels
techniques de capteur à couche piézo de spécialiste de mesure. Dans certains de
ces appareils, des PVDF ont été utilisé
plus souvent dans leur forme de couche mince, l’un ou l’autre étiré ou fixé. La
capacité de calquer du PVDF dans des formes et des tailles exigées est hautement désirable dans le but
d’augmenter les domaines d’applications, particulièrement dans les échelles millimétrique
et micrométrique. Quelque méthode différente sont employée pour modéliser le
PVDF, incluant l’utilisation d’un laser excimère, une source lumineuse UV, des
rayons X, du gaufrage à chaud. Chaque méthodes possède ces forces et ces
problèmes.
M.Schwartz, Smart Materials, CRC Press, 2008.
FERROELECTRIQUE/PIEZOELECTRIQUE
Les ferroélectriques sont des matériaux présentant une
polarisation diélectrique spontané et un effet hystérésis dans la relation
entre les déplacements diélectrique et les champs électriques. Ces
comportements ferroélectriques sont
observés seulement en dessous de la température de transition Tc appelé aussi température de Curie. Au-dessus la température de Curie, les matériaux ne sont pas
longtemps ferroélectriques et montrent un comportement diélectrique.
Les phénomènes ferroélectriques ont été pour la première
fois observé en 1920 par Valasek dans le sel
de roche (KNaC4H4O6.4H2O). Dans ca description, Valasek
soulève l’attention sur l’analogie avec le phénomène ferromagnétique.
Ferro est un préfixe associé avec des matériaux contenant du faire. Mais la nature
de l’hystérésis dans la relation entre les déplacements diélectriques et les
champs électriques est remarquablement similaire à la relation
du champ d’induction magnétique pour des matériaux ferromagnétiques. Les
matériaux ferromagnétiques contiennent généralement du fer. Les
ferroélectriques sont nommés après la boucle d’hystérésis similaire et rarement
contenant du fer comme un constituant signifiant.
E.A.Avallone, T. Baumeister, A.M. Sadegh, Marks’ Standard Handbook for MechanicalEngineers, McGraw-Hill Education, 2006.
Phonograph cartridges.
microelectromechanical
systems
Air transducers/Ultrasonic
transducers.
Actuators.
La piézoélectricité est rencontrée dans certain classe de matériau
cristallin. La déformation des matériaux résulte du changement de polarisation
(l’effet piézoélectrique directe) : les positions des charges positives et
négatives dans le cristallin sont déplacées relativement les uns les autres,
causant une polarisation nette ou un changement dans la polarisation
intrinsèque. La Figure 1 montre une représentation 2D
simplifiée de cet effet.
 |
| Figure 1 : Piezoelectricity; larger circles represent positive charges, the smaller negative charges. |
P.P.L.Regtien, Sensors for Mechatronics, Elsevier Science, 2012.
Dans la Figure 1A structure est pleinement
symétrique : le centre de gravité de toutes les charges positives est
déplacé vers le bas, résultant une polarisation non zéro. Dans le cas d’une
compression verticale, (Figure 1C), le centre des charges positives est
orienté vers le haut, résultant une polarisation non-zéro dans l’autre
direction. Cette orientation des charges positive relatives aux charges négatives produit des charges
opposées sur les surfaces opposées du cristallin. Evidemment la Figure 1 est une forte représentation
simplifiée du phénomène piézoélectrique. La structure cristalline, additionnée
de dopants et d’autre traitement du matériau détermine substantiellement les
propriétés piézoélectrique.
Les matériaux piézoélectriques sont des diélectriques
dont les propriétés électriques dépendent des contraintes mécaniques appliquées
et des déformations dont le comportement contrainte déformation dépend du champ
électrique appliqué ou de la tension.
Ces matériaux sont largement utilisés dans ce qu’on appelle « les
matériaux innovants / Smart structures » pour des capteurs et des
actionneurs. Quelques configurations sont montrées sur la .
 |
| Figure 2 : (a) Vector components of stress T1, elastic strain S1, and electric field E3 in a piezoelectric actuator-sensor. (b) Piezoelectric stack actuator. (c) Piezoelectric bender actuator. |
Ces matériaux se comportent anisotropiquement
dans leurs propriétés tension contrainte déformation. L’un des matériaux
les plus populaires sont les céramiques PZT (Titano-Zirconate
de Plomb) (ou LZT pour les anglophones, pour "Lead Zirconate
Titanate").
P.P.L.Regtien, Sensors for Mechatronics, Elsevier Science, 2012.
Les matériaux piézoélectriques peuvent être subdivisés
en trois catégories.
1. Les monocristallins comme le Quartz
2. les céramiques piézoélectriques comme le titanate
de baryum (BaTiO3) ou du PZT
3. des polymères comme le PVDF (polyfluorore de
vinylidène)
F.C. Moon, Applied Dynamics: With Applications to Multibody and Mechatronic Systems, Wiley, 2008.
Constitutive Equations and Material Properties of Piezoelectric Systems
M.Kaltenbacher, Numerical Simulation of Mechatronic Sensors and Actuators,Springer Berlin Heidelberg, 2013.
Piezoelectric
beam actuator Hamilton’s principle
A. Preumont, Mechatronics: Dynamics ofElectromechanical and Piezoelectric Systems, Springer Netherlands, 2006.
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