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ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'ÉCOLE

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L'OBTENTION DE LA MAÎTRISE EN GÉNIE MÉCANIQUE M.Ing. PAR ASMA KOTRANE CONCEPTION, RÉALISATION ET CARACTÉRISATION DYNAMIQUE D'UN AMORTISSEUR MAGNÉTO RHÉOLOGIQUE MONTRÉAL, LE 04 MAI 2007 © droits réservés de Asma Kotrane CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE: M. Marc Thomas, directeur de mémoire Département de génie mécanique à l'École de technologie supérieure M. Patrice Seers, président du jury Département de génie mécanique à l'École de technologie supérieure M. Éric David, membre de jury Département de génie mécanique à l'École de technologie supérieure IL A FAIT L'OBJET D'UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 11 AVRIL 2007 À L'ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE CONCEPTION, RÉALISATION ET CARACTÉRISATION DYNAMIQUE D'UN AMORTISSEUR MAGNÉTO RHÉOLOGIQUE Asma Kotrane SOMMAIRE Durant les dernières années, les amortisseurs magnéto rhéologiques ont fait l'objet d'une attention particulière. Cette attention est due principalement à leurs caractéristiques, incluant une simplicité mécanique, une gamme dynamique élevée, une basse alimentation électrique, une grande capacité de force et une robustesse. Ce mémoire présente les différentes étapes de conception, réalisation et caractérisation d'un amortisseur intelligent qui était à l'origine, un amortisseur passif classique et auquel sont appliquées des transformations reliées à la technologie magnéto rhéologique (MR) pour être utilisé comme élément de base des suspensions semi actives de voiture. Après une vue d'ensemble des dispositifs exploitant la technologie des fluides MR, ce projet examine les différents détails de conception, de réalisation et de caractérisation d'un amortisseur intelligent. Ce prototype, rempli de fluide MR, a été testé expérimentalement pour différentes vitesses et sous différentes valeurs de courant. Les résultats expérimentaux obtenus montrent que, lorsqu'un courant est appliqué, la force produite et par conséquent les caractéristiques d'amortissement, peuvent être augmentées. Cependant, cette technologie nécessite d'être soigneusement manipulée par le concepteur et l'utilisateur. Il y a toujours une valeur d'amortissement optimale qui fournit un compromis entre la stabilité de la voiture et le confort du passager. D'ailleurs, la simulation numérique réalisée sous MA TLAB, prouve que le contrôleur qui commande l'amortisseur ne devrait pas se satisfaire d'une loi de commande du type "ON/OFF" mais devrait fournir une valeur variable du courant appliqué. DESIGN AND REALISATION OF A MAGNETO RHEOLOGICAL DAMPER Asma Kotrane ABSTRACT The development of a powerful new magnetorheological fluid, with recent progress in the understanding of the behavior of such fluids, has convinced researchers and engineers that magnetorheological fluid dampers are among the most promising deviees for semi-active automotive suspension vibration control, because of their large force capacity and their inherent ability to provide a simple, fast and robust interface between electronic controls and mechanical components. This research presents the different steps in designing, building and testing an intelligent damper. The damper was originally a classical passive damper retrofitted with magneto- rheological technology, that can be used for semi-active car suspensions. After developing a specifie design, this particular model, filled with an MR fluid, was experimentally tested for different speeds and with different electrical current values. The experimental results obtained show that, when the current is turned ON, the generated force and hence the damping characteristics could be increased. However, a damping increase can make the MR damper stiffer, implying that it should be handled carefully by the designer and the user. Indeed, there is always an optimal damping value which provides a compromise between the car stability and the ride comfort. REMERCIEMENTS Je tiens à remercier, vivement, mon directeur de recherche M. Marc Thomas et à exprimer l'avantage que je ressens d'avoir été s1 utilement marquée par ses enseignements d'une rigueur et d'une clarté notoires. Je remercie également Messieurs Lotfi Mezghani, Sadok Sassi, Éric David, Patrice Seers et Michel Beaudin pour leur assistance et pour leurs directives ô combien utiles. J'espère que ce travail sera à la hauteur de la confiance qu'ils n'ont cessé de m'accorder. Je tiens également à expnmer ma gratitude à Serge Plamondon, Patrick Sheridan, Alexandre Vigneault, Michel Drouin, Jean-Guy Gagnon et Hugo Landry pour leur aide précieuse et leur disponibilité. Merci à la Société Industrielle d'amortisseurs de nous avoir fourni toutes les pièces nécessaires pour la fabrication. Je tiens, aussi, à remercier Messieurs les membres de Jury pour l'honneur qu'ils me font en acceptant de participer à 1 'évaluation de ce travail. J'aimerais enfin témoigner ma reconnaissance profonde à ma famille qui m'a soutenu inconditionnellement depuis le début de mes études. Merci pour leur présence, leur compréhension si grande, si indispensable. SOMMAIRE ABSTRACT TABLE DES MATIÈRES Page .......................................•........................................................................ 1 ····•·•·•·•·•·•····•••·•·•·•••·••••••••·•···•••••·•••••···•••·•·•••····•·•·••···•···•••••·•·•·•·•··········•·· 11 REMERCIEMENTS .......................................................................................................... iii TABLE DES MATIÈRES ................................................................................................. .iv LISTE DES TABLEAUX ................................................................................................ vii LISTE DES FIGURES .................................................................................................... viii LISTE DES AB RÉ VIA TI ONS ET SIGLES .................................................................... xii CHAPITRE 1 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 CHAPITRE2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.5.1 2.5.2 2.6.1 2.6.2 2.6.3 PROBLÉMATIQUE .............................................................................. ! Problématique du confort et de la stabilité des véhicules ...................... 1 Confort du passager ............................................................................... 1 Stabilité des véhicules ............................................................................ 5 Problématique des suspensions intelligentes ......................................... 5 Problématique des suspensions magnéto rhéologiques (MR) ............... 6 Applications dans le domaine industriel ................................................ 7 Applications médicales .......................................................................... 8 Applications en génie civil .................................................................... 9 Applications automobiles .................................................................... 11 Problématique des fluides électro et magnéto rhéologiques ................ l6 Objectifs et originalités ........................................................................ 18 Méthodologie ....................................................................................... 19 ÉTUDE ET FONCTIONNEMENT DES SUSPENSIONS ................. 20 Introduction .......................................................................................... 20 Définition de la suspension .................................................................. 20 Rôle de la suspension ........................................................................... 21 Les différents types de suspension ....................................................... 23 Suspensions passives : ......................................................................... 23 Suspensions actives : ........................................................................... 23 Suspensions serni-actives ..................................................................... 24 Composantes principales d'une suspension ......................................... 24 Les ressorts .......................................................................................... 25 Les amortisseurs .................................................................................. 26 Compromis entre la stabilité et le confort ............................................ 30 Contrôle par la méthode Skyhook ....................................................... 32 Loi de commande pour l'optimisation du confort des passagers ......... 33 Loi de commande pour 1' optimisation de la stabilité du véhicule ....... 34 CHAPITRE 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 CHAPITRE4 4.1 4.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 CHAPITRE 5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 CHAPITRE 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 CHAPITRE 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5 v ANALYSE DES EFFETS DES VIBRATIONS ................................. 36 Introduction .......................................................................................... 3 6 Expérimentation d'un amortisseur classique sur un véhicule .............. 36 Étude des réponses temporelles ........................................................... 3 8 Étude des réponses fréquentielles ........................................................ 42 Conclusion ........................................................................................... 44 CARACTÉRISTIQUES DES FLUIDES MAGNÉTO RHÉOLOGIQUES ............................................................................... 45 Principe des fluides magnéto rhéologiques ........................................ .45 Mode de fonctionnement des fluides magnéto rhéologiques .............. .47 Modélisation des fluides MR .............................................................. .49 La viscosité .......................................................................................... 50 Types de fluides ................................................................................... 51 Propriétés Fondamentales de fluides MR ............................................ 51 MODÈLES MÉCANIQUES DES AMORTISSEURS MAGNÉTO RHÉOLOGIQUES ............................................................................... 54 Introduction .......................................................................................... 54 Modèles mécaniques des amortisseurs MR ......................................... 54 Modèle de Bingham ............................................................................. 54 Modèle de Gamota et Filisco ............................................................... 57 Modèle de Bouc-W en .......................................................................... 59 Modèle de Bouc-Wen modifié ............................................................. 71 CONCEPTION EXPÉRIMENTALE DU NOUVEAU PROTOTYPE D'AMORTISSEURS MAGNÉTO RHÉOLOGIQUES ...................... 77 Amortisseur hydraulique bi tube conventionnel.. ................................. 77 Nouvelle conception des amortisseurs MR bitubes ............................. 78 Géométrie de la pièce électromagnétique ............................................ 79 Choix des matériaux ............................................................................ 83 Choix du fluide MR ............................................................................. 83 Choix du matériau de la tige et de la pièce électromagnétique ........... 87 MODÉLISATION DU CHAMP MAGNÉTIQUE ET ANALYSE DES PERFORMANCES DU DISPOSITIF ........................................ 88 Introduction .......................................................................................... 88 Modélisation magnétique ..................................................................... 88 Étapes de la modélisation .................................................................... 91 Première étapes : Créer le nouveau modèle ......................................... 91 Deuxième étape : Choix des matériaux ............................................... 92 Troisième étape : Création des bobines ............................................... 94 Quatrième étape : Maillage du dispositif.. ........................................... 96 Cinquième étape : Solution du modèle ................................................ 97 Conclusion ........................................................................................... 98 Vl CHAPITRE 8 DIMENSIONNEMENT DU NOUVEAU PROTOTYPE 8.1 8.2 8.3 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 D'AMORTISSEUR MAGNÉTO RHÉOLOGIQUE ........................ 100 Introduction ........................................................................................ 1 00 Évaluation de 1' amortissement.. ......................................................... 1 00 Écoulement Newtonien ...................................................................... 1 02 Mode d'écoulement de Bingham ....................................................... 105 Mode de cisaillement ......................................................................... 111 Spécificités des dispositifs MR .......................................................... 114 Présentation du prototype .................................................................. 118 CHAPITRE9 ÉTAPES DE RÉALISATION ET PRÉSENTATION DU 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.6.1 9.6.2 PROTOTYPE RÉALISÉ ................................................................... 120 Introduction ........................................................................................ 120 Réalisation du bobinage ..................................................................... 120 Présentation du prototype .................................................................. 121 Assemblage de l'amortisseur ............................................................. 122 Commande électrique de l'amortisseur ............................................. 125 Problèmes rencontrés ......................................................................... l25 Problèmes d'usinage .......................................................................... 125 Problème d'étanchéité ........................................................................ l26 CHAPITRE lü ESSAIS RÉALISÉS ET EXPLOITATION DES RÉSULTATS ...... 127 10.1 Introduction ........................................................................................ 127 10.2 But et stratégie de contrôle et initiales ............................................... 127 10.3 Mode opératoire ................................................................................. 131 10.4 Essais réalisés .................................................................................... 132 1 0.4.1 Essais réalisés pour un courant 1=0 A ................................................ 133 1 0.4.2 Essais réalisés en activant les huit bobines ........................................ 135 10.5 Modélisation du système ................................................................... 141 10.6 Réactions dynamiques de la suspension ............................................ 144 1 0.6.1 Modèle mathématique ........................................................................ 145 10.6.2 Amplification ..................................................................................... 146 1 0.6.3 Transmissibilité .................................................................................. 146 CONCLUSION ........................................................................................................... 151 TRAVAUX FUTURS ...................................................................................................... 153 ANNEXE 1 Fiche Technique du MRF 132 AD ............................................................. 154 ANNEXE 2 Dimensionnement des pièces utilisées ....................................................... 157 BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................................... 169 LISTE DES TABLEAUX uploads/Industriel/ amortisseurs 1 .pdf