WO2017098123A1 - Dispositif a freinage ou amortissement magneto-rheologique - Google Patents

Dispositif a freinage ou amortissement magneto-rheologique Download PDF

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WO2017098123A1
WO2017098123A1 PCT/FR2016/053204 FR2016053204W WO2017098123A1 WO 2017098123 A1 WO2017098123 A1 WO 2017098123A1 FR 2016053204 W FR2016053204 W FR 2016053204W WO 2017098123 A1 WO2017098123 A1 WO 2017098123A1
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WO
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magneto
braking
rheological
inner chamber
damping
Prior art date
Application number
PCT/FR2016/053204
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English (en)
Inventor
Edouard LEROY
Laurent Eck
Moustapha Hafez
Pierre-Henri OREFICE
Original Assignee
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/32—Details
    • F16F9/53—Means for adjusting damping characteristics by varying fluid viscosity, e.g. electromagnetically
    • F16F9/535—Magnetorheological [MR] fluid dampers
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G5/00—Means for preventing, limiting or returning the movements of parts of a control mechanism, e.g. locking controlling member
    • G05G5/03—Means for enhancing the operator's awareness of arrival of the controlling member at a command or datum position; Providing feel, e.g. means for creating a counterforce
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2224/00—Materials; Material properties
    • F16F2224/04—Fluids
    • F16F2224/045—Fluids magnetorheological
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G1/00—Controlling members, e.g. knobs or handles; Assemblies or arrangements thereof; Indicating position of controlling members
    • G05G1/08—Controlling members for hand actuation by rotary movement, e.g. hand wheels

Definitions

  • the present invention relates to a device with magneto-rheological braking or damping.
  • the invention applies more particularly to a device comprising:
  • a magnetic field generator arranged to generate field lines in the magnetorheological fluid which act on its viscosity to oppose a displacement of the moving part relative to the reference piece by braking effect or damping .
  • Such devices are interesting because they are capable of providing a variable braking or damping torque as a function of the applied magnetic field.
  • a magneto-rheological braking device is for example described in patent EP 2 274 660 B1 in the form of a haptic interface with pivot connection. It advantageously comprises means for generating a permanent magnetic field, for example a permanent magnet, increasing the viscosity of the magnetorheological fluid extending between the two main parts of the pivot connection so as to generate a braking effect or permanent depreciation. Additional means of generating an adjustable magnetic field, for example an electromagnet, then make it possible to modulate the amplitude of the field lines in the magneto-rheological fluid so as to temporarily counter, on activation of these additional means, the braking effect or damping.
  • a permanent magnetic field for example a permanent magnet
  • Additional means of generating an adjustable magnetic field for example an electromagnet
  • This configuration is particularly suitable for applications for which a large braking torque is required to block the reference and mobile parts of the device by default.
  • magneto-rheological braking or damping device of the aforementioned type further comprising:
  • At least one of said reference and mobile parts comprises a ferromagnetic material.
  • the magnetic field generator comprises a permanent magnet arranged to generate permanent field lines in the magnetorheological fluid.
  • said at least one vibrating element and the activation device are designed to generate ultrasonic acoustic waves in a resonant frequency band of at least one of said reference and moving parts.
  • said at least one vibrating element comprises at least one of the elements consisting of an eccentric vibrator, a piezoelectric vibrator and a magnetostrictive vibrator.
  • said at least one vibrating element is arranged to propagate the pressure waves that it generates in the direction of the field lines in the magneto-rheological fluid.
  • said at least one vibrating element is arranged to propagate the pressure waves that it generates orthogonally to the field lines in the magnetorheological fluid.
  • the reference piece is a stator
  • the inner chamber is annular or cylindrical in the stator
  • the moving part is a disc rotor, bell or multi-bell partially plunging into the inner chamber, so to form a shear brake.
  • the reference piece is a housing
  • the inner chamber is hemispherical in shape inside the housing
  • the moving part is a handle comprising a sphere with three rotational degrees of freedom and a gripping arm, said sphere partially plunging into the inner chamber, so as to form a joystick type actuator.
  • the reference piece is a housing or stator
  • the inner chamber is arranged cylindrically inside the housing or stator
  • the movable part is a control arm or rotor partially immersed in the inner chamber, to form a linear and rotary motion actuator.
  • FIG. 1 to 8 show, schematically and in longitudinal sections, the general structures of magneto-rheological braking or damping devices, such as bell / disk or actuator brakes, according to various embodiments of the invention
  • FIG. 9 represents, schematically and in plan view, the general structure of a braking device according to an experimental embodiment of the invention, on which tests have been carried out, and
  • FIG. 10 illustrates, by means of a diagram, a result of the tests carried out on the device of FIG. 9.
  • the device 100 is a shear brake, more precisely a bell brake comprising a stator 102, or reference piece, of any shape and a rotor 104, or piece that is movable relative to the reference part, consisting of a centered rotary shaft 106 and a cylindrical bell 108 driven by this rotary shaft 106.
  • An annular inner chamber 1 10 is dug into the stator 102 from its upper face. It is filled with a magneto-rheological fluid. It is further dimensioned such that at least a lower portion of the cylindrical side wall of the bell 108 can dive. In proper positioning of the rotor 104 with respect to the stator 102, that is, when a significant portion of the side wall of the cylindrical bell 108 is immersed in the magnetorheological fluid, it can be considered that the inner chamber 1 10 extends between the stator 102 and the rotor 104.
  • a generator 1 12A, 1 12B of magnetic field is arranged to generate field lines 1 14 in the magnetorheological fluid. According to the orientation of FIG. 1, these field lines are horizontal in the magnetorheological fluid. They act on its viscosity by forming radially oriented chains of magneto-rheological particles in the inner chamber 1 10. The higher the magnetic field generated by the generator 1 12A, 1 12B, the higher the viscosity of the magnetorheological fluid is also high and more the rotational braking effect acting on the rotor 104 in the inner chamber 1 10 is important. In the embodiment of FIG.
  • the magnetic field generator 1 12A, 1 12B consists of a permanent magnet disk-shaped north pole 1 12A and south 1 12B superimposed.
  • the lines of fields 1 14 that it generates are then permanent.
  • the side wall of the cylindrical bell 108 and / or the stator 102, at least in its part forming the walls of its inner chamber 1 10, comprise a ferromagnetic material.
  • the side wall of the cylindrical bell 108 and the walls of the inner chamber 1 10 are also made of ferromagnetic material makes it possible to accentuate their interaction by adhesion with the magnetorheological particle chains and to increase the braking efficiency. But alternatively, it is quite possible to provide non-magnetic materials, for example plastic, for each of these elements.
  • the device 100 comprises at least one vibrating element 1 16 disposed against at least one of the reference and mobile parts 102, 104. More specifically, in this embodiment, the vibrating element 1 16 s extends inside the cylindrical bell 108 while bearing against its side wall. It can for example take the form of a disc or a rod. It is advantageously a piezoelectric vibrator, but it could also be an eccentric vibrator or a magnetostrictive vibrator. The advantage of a piezoelectric element is to be neutral in a magnetic field.
  • the device 100 comprises an electrical device 1 18 for activating the vibrations of the vibrating element 1 16 so as to generate, by vibrating the side wall of the cylindrical bell 108 against which it is arranged, pressure waves. in the magnetorheological fluid reducing its viscosity due to the field lines 1 14. More precisely, when the vibrating element 1 16 is in the form of a vibrating disk, the pressure waves generated in the magneto-rheological fluid by vibration of the wall lateral direction of the cylindrical bell 108 follow the direction of the field lines 1 14, as indicated by the double horizontal arrow illustrated under the vibrating element 1 16.
  • the electrical activation device 1 18 is designed or adjustable, in cooperation with the vibrating element 1 16, for generating ultrasonic acoustic waves in a resonance frequency band of at least one of the reference parts this and mobile 102, 104.
  • the purpose of generating these acoustic waves is to reduce or even eliminate the braking effect of the permanent magnetic field by vibrating at least a part of the parts braked in shear.
  • FIG. 2 illustrates another embodiment of a bell brake according to the invention.
  • This bell brake 200 differs from the previous 100 in that the vibrating element 1 16 is replaced by a plurality of vibrating pads 216 disposed inside the cylindrical bell 108 bearing against its side wall.
  • These pellets are for example distributed circularly and their number is limited only by their size. They are advantageously made in the form of piezoelectric vibrators and the pressure waves that they generate in the magnetorheological fluid by vibrating the side wall of the cylindrical bell 108, in order to reduce or even eliminate the braking effect of the magnetic field, follow the direction of the field lines 1 14 as indicated by each double horizontal arrow illustrated on each of the two vibrating pads 216 in the sectional view of Figure 2.
  • FIG. 3 illustrates another embodiment of a bell brake according to the invention.
  • This bell brake 300 differs from the first 100 in that the vibrating element 1 16 is replaced by a vibrating pad 316 disposed between the rotational shaft centered 106 and the bottom of the cylindrical bell 108.
  • It is advantageously made in the form of a piezoelectric vibrator and the pressure waves that it generates in the magneto-rheological fluid by vertical vibration of the cylindrical bell 108, in order to reduce or even eliminate the braking effect of the magnetic field, follow a direction orthogonal to the lines of field 1 14 as indicated by the double vertical arrow illustrated on this vibrating pellet 316 in the sectional view of FIG. 3.
  • FIG. 4 illustrates another embodiment of a bell brake according to the invention.
  • This bell brake 400 differs from the first 100 in that the vibrating element 1 16 is replaced by a vibrating element 416 disposed in contact with the stator 102. More specifically, in this embodiment, the vibrating element 416 is arranged in part central of the stator 102, in the volume between the annular inner chamber 1 10 and the permanent magnet 1 12A, 1 12B. It is advantageously a cylindrical piezoelectric vibrator arranged vertically in the main axis of the stator 102 centered on the annular inner chamber 1 10.
  • FIG. 5 illustrates another embodiment of a bell brake according to the invention.
  • This bell brake 500 differs from the first 100 in that the vibrating element 1 16 is replaced by a vibrating element 516 disposed in contact with the stator 102. More specifically, in this embodiment, the vibrating element 516 is disposed between the permanent magnet 1 12A, 1 12B and the bottom of the annular inner chamber 1 10. It is advantageously a vibrating disk-shaped piezoelectric vibrator under the activation of the electrical device 1 18. It thus generates vertical pressure waves orthogonal to the field lines 1 14, as indicated by the vertical double arrow illustrated on the vibrating element 516.
  • the vibrating element 516 is disposed at the bottom of the a cylindrical bore of an outer portion of the stator 102, under which is disposed the permanent magnet 1 12A, 1 12B.
  • a cylindrical inner portion of the stator of outer diameter slightly smaller than the diameter of the bore of the outer portion and having the annular inner chamber 1 10, is then attached to the vibrating element 516 leaving a lateral annular space through which the connection electrical required between the vibrating element 516 and its activation device 1 18 can pass.
  • the device 600 is a shear brake, more precisely a disk brake comprising a stator 602, forming a reference piece, and a rotor 604, forming a part movable relative to the reference piece, consisting of a centered rotary shaft 606 and a disc 608 driven by this rotary shaft 606.
  • a cylindrical inner chamber 610 is arranged inside the stator
  • the rotary shaft 606 hermetically traverses an upper wall of the stator 602 so that its lower end and the disk 608 which it carries plunge into the magnetorheological fluid which fills the cylindrical inner chamber 610. It can therefore be considered that the inner chamber 610 extends between the stator 602 and the rotor 604.
  • a disk-shaped permanent magnet with north poles 612A and south 612B superimposed is disposed in the bottom of the cylindrical inner chamber 610. It generates lines of field 614 in the magneto-rheological fluid so as to shear braking any rotation of the rotor 604 relative to the stator 602.
  • the device 600 comprises at least one vibrating element 616 disposed against at least one of the reference and mobile parts 602, 604. More precisely, in this embodiment, the vibrating element 616 is a vibrating piezoelectric pellet, placed between the lower end of the rotary shaft 606 and the disk 608, the vertical vibrations of which are activated by an electrical device 618.
  • the pressure waves generated in the magnetorheological fluid by vibration of the disk 608, in order to reduce or even eliminate the braking effect of the magnetic field, are orthogonal to the field lines 1 14, as indicated by the double vertical arrow. illustrated on the vibrating element 616.
  • the electrical activation device 618 is designed or adjustable, in cooperation with the vibrating element 616, to generate ultrasonic acoustic waves in a resonance frequency band of at least 1 one of the reference and mobile parts 602, 604.
  • the device 700 shown schematically in longitudinal section in Figure 7, is a joystick-type actuator (English “joystick”). It comprises a housing 702, or reference piece, of any shape and a handle 704, or piece movable relative to the reference part, consisting of a sphere 706 with three rotational degrees of freedom and a gripping arm 708 .
  • a hemispherical inner chamber 710 is arranged inside the casing 702.
  • the sphere 706 hermetically traverses an upper wall of the casing 702, this upper wall being hollowed into a portion of a sphere, so that the lower half of the sphere 706 dives without degree of freedom in translation in the magneto-rheological fluid which fills the inner hemispherical chamber 710. It can therefore be considered that the inner chamber 710 extends between the housing 702 and the lever 704.
  • a permanent magnet in the form of a disk. 712A north and 712B superimposed north poles is disposed in the housing 702 under the hemispherical inner chamber 710. It generates field lines 714 in the magnetorheological fluid so as to brake or dampen any rotation of the sphere 706 and therefore the joystick 704 with respect to the housing 702.
  • the device 700 comprises at least one vibrating element 716 disposed against at least one of the reference and mobile parts 702, 704. More specifically, in this embodiment, it comprises at least two vibrating elements 716 , for example vibrating piezoelectric pellets arranged at the interface of the casing 702 and of the inner chamber 710.
  • the vibrations of these pellets 716 are activated by an electrical device 718. They generate pressure waves in the magnetorheological fluid of which the orientation is indicated by way of non-limiting example by the double arrows illustrated on the pellets 716.
  • the electrical activation device 718 is designed or adjustable, in cooperation with the pellets 716, to generate ultrasonic acoustic waves in a resonance frequency band of at least one of the reference pieces and Mobile 702, 704.
  • the generation of these acoustic waves aims to reduce or eliminate the braking effect or damping of the permanent magnetic field by vibrating the braked parts in shear. It is also possible to finely adjust the vibrations of the pellets 716 and thus orient the pressure waves in the magnetorheological fluid so that the braking or damping effect is reduced or suppressed only according to certain preferred directions. for example an axis of rotation and not the others.
  • the device 800 is a linear and rotary displacement actuator. It comprises a housing or stator 802, fulfilling the function of reference part, of any shape and a control arm or rotor 804, fulfilling the function of moving part relative to the reference part.
  • a cylindrical inner chamber 810 is arranged inside the stator 802.
  • the rotor 804 hermetically traverses an upper wall of the stator 802 so that its lower portion, of greater cylindrical width, is immersed in the magnetorheological fluid which fills the cylindrical inner chamber 810 with no other degree of freedom than vertical translation (for valve operation) and rotation (for shear brake operation) around the vertical translation axis. It can therefore be considered that the inner chamber 810 extends between the stator 802 and the rotor 804.
  • a disk-shaped permanent magnet with north poles 812A and 812B superimposed is disposed in the portion of greater cylindrical width of the rotor 804 immersed in the cylindrical inner chamber 810. It thus generates field lines 814 in the magneto-rheological fluid so as to brake or dampen any translation or vertical rotation of the rotor 804 with respect to the stator 802.
  • the device 800 comprises at least one vibrating element 816 disposed against at least one of the reference and mobile parts 802, 804. More specifically, in this embodiment, it comprises at least two vibrating elements 816 , for example vibrating piezoelectric pellets, disposed inside the portion of greater width of the rotor 804. The vibrations of these pellets 716 are activated by an electrical device 818. They generate, via the portion of more large width of the rotor 804 in which they are arranged, pressure waves in the magnetorheological fluid whose horizontal orientation is indicated by way of non-limiting example by the double arrows illustrated on the pellets 816.
  • the electrical activation device 818 is designed or adjustable, in cooperation with the pellets 816, for generating ultrasonic acoustic waves in a resonant frequency band of at least one of the reference and moving parts 802, 804.
  • the generation of these acoustic waves is intended to reduce or even suppressing the braking or damping effect of the permanent magnetic field by vibrating the braked parts in shear or linearly.
  • Figure 9 schematically illustrates, in plan view with some elements visible in transparency, a bell brake 900 similar to the devices of Figures 1 to 5, but configured in a particular way to perform tests.
  • This bell brake has a stator 902 and a rotor 904 metal.
  • the rotor is constituted by a centered rotary shaft 906 and a cylindrical bell 908 of a few centimeters in diameter driven by this rotary shaft 906.
  • An annular inner chamber 910 is hollowed out in the stator 902 (delimited by its larger diameter in dash). full and its smallest diameter in short broken lines). It is filled with a magneto-rheological fluid subjected to a magnetic field creating radially oriented field lines. It is also dimensioned so that a lower portion of the cylindrical side wall of the bell 908 can be immersed therein.
  • the cylindrical side wall of the bell 908 is cut orthogonally to the plane of FIG. 9 so as to present two portions independent of one another in terms of vibrations.
  • a first portion 908A representing about 20% of the total area of the cylindrical sidewall is subjected to vibration of a multi-layered piezoelectric actuator 912 abutting against it due to the provision of a shim 914 against the rotating shaft 906 These vibrations are parallel to the field lines in the magnetorheological fluid.
  • the piezoelectric actuator 912 and the shim 914 are visible in transparency but are in fact disposed inside the bell 908.
  • the second portion 908B of the cylindrical side wall of the bell 908 is not subjected to any vibration.
  • FIG. 10 illustrates a result of tests carried out on the bell brake of FIG. 9.
  • the bell 908 is rotated at constant angular velocity and the braking torque C (expressed in Nm) which is applied on it is measured.
  • the vibrations of the piezoelectric actuator 912 against the first portion 908A of the cylindrical side wall of the bell 908 are activated according to different excitation voltages (from 1 to 40 V peak to peak) and frequencies (from 0 to 30 kHz) during this measurement.
  • a first curve C1 in solid line takes the measurements of the braking torque C as a function of the vibration frequencies for an excitation voltage of 1 V.
  • a second curve C2 in long broken lines takes the measurements of the braking torque C as a function of vibration frequencies for an excitation voltage of 2 V.
  • a third curve C3 in long mixed interrupted lines takes the measurements of the braking torque C as a function of the vibration frequencies for an excitation voltage of 4 V.
  • a fourth curve C4 in short broken lines takes the measurements of the braking torque C as a function of the vibration frequencies for an excitation voltage of 10 V.
  • a fifth short mixed dashed curve C5 takes the measurements of the braking torque C as a function of the frequencies of the vibration for an excitation voltage of 20 V.
  • a sixth curve C6 in dashed lines shows the measurements of the braking torque C as a function of the freq vibrations for an excitation voltage of 40 V.
  • the braking effect can be reduced to about 35% (C6 curve around 20 kHz) showing a probable propagation in all magneto-rheological fluid of the effect of a local vibration on the magneto-rheological particle chains.
  • a device according to the invention can advantageously use the resonant frequencies of the parts that compose it. and that the arrangement of the vibrating element (s) can be optimized on a case by case basis depending on the configuration of the assembly to improve the effect on the reduction of the braking or damping torque during the activation of the vibrations.
  • a magnetorheological braking or damping device such as one of those described above makes it possible to effectively counteract the braking or damping effect of a magneto-rheological fluid subjected to a magnetic field using vibrating elements that are compact, highly reactive and have low electrical energy consumption.
  • the bell or disk brake configuration of FIGS. 1 to 6 is particularly suitable for designing a magnetorheological clutch system.
  • One of the two parts, reference or mobile relative to the reference part, is thus an element of the clutch drive shaft, while the other of the two parts is an element of the clutch drive shaft.
  • the clutch the two parts being movable in rotation when the braking effect (in other words: the clutch effect) is temporarily reduced or eliminated (ie the clutch).
  • the utility of a device such as one of those described above is particularly sensitive when a large braking or damping torque is required and that the moving part must, by default, remain blocked. It can be applied in particular to repositionable arms systems to move a lamp, a magnifying glass or any other instrument: the idea is to temporarily deactivate the magnetorheological brake by vibrations when the user wants to correctly position the system then to fix in the desired position by stopping the vibrations.
  • the vibrating element can take several forms. It can be arranged to generate tangential or normal vibrations to the magnetic field and thus to the magnetorheological particle chains formed by this field. Finally the principle can be used in brake or damper devices using a permanent magnet, an electromagnet, or a combination of magnetic field sources.

Abstract

Ce dispositif (100) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique comporte : une pièce de référence (102); une pièce mobile (104) par rapport à la pièce de référence (102); une chambre intérieure (110) s'étendant entre la pièce de référence (102) et la pièce mobile (104), remplie d'un fluide magnéto-rhéologique; et un générateur (112A, 112B) de champ magnétique disposé de manière à engendrer des lignes de champ (114) dans le fluide magnéto-rhéologique qui agissent sur sa viscosité pour s'opposer à un déplacement de la pièce mobile (104) par rapport à la pièce de référence (102) par effet de freinage ou amortissement. Il comporte en outre : au moins un élément vibrant (116) disposé contre au moins l'une desdites pièces de référence (102) et mobile (104); et un dispositif (118) d'activation des vibrations dudit au moins un élément vibrant (116) de manière à engendrer des ondes de pression dans le fluide magnéto-rhéologique réduisant la viscosité du fluide magnéto-rhéologique due aux lignes de champ (114).

Description

DISPOSITIF A FREINAGE OU AMORTISSEMENT MAGNETO-RHEOLOGIQUE
La présente invention concerne un dispositif à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique.
L'invention s'applique plus particulièrement à un dispositif comportant :
- une pièce de référence,
- une pièce mobile par rapport à la pièce de référence,
- une chambre intérieure s'étendant entre la pièce de référence et la pièce mobile, remplie d'un fluide magnéto-rhéologique, et
- un générateur de champ magnétique disposé de manière à engendrer des lignes de champ dans le fluide magnéto-rhéologique qui agissent sur sa viscosité pour s'opposer à un déplacement de la pièce mobile par rapport à la pièce de référence par effet de freinage ou amortissement.
De tels dispositifs sont intéressants car ils sont capables de fournir un couple de freinage ou d'amortissement variable en fonction du champ magnétique appliqué.
Un dispositif à freinage magnéto-rhéologique est par exemple décrit dans le brevet EP 2 274 660 B1 sous la forme d'une interface haptique à liaison pivot. Il comporte notamment avantageusement des moyens de génération d'un champ magnétique permanent, par exemple un aimant permanent, augmentant la viscosité du fluide magnéto-rhéologique s'étendant entre les deux pièces principales de la liaison pivot de manière à engendrer un effet de freinage ou amortissement permanent. Des moyens supplémentaires de génération d'un champ magnétique réglable, par exemple un électro-aimant, permettent alors de moduler l'amplitude des lignes de champ dans le fluide magnéto-rhéologique de manière à contrer temporairement, sur activation de ces moyens supplémentaires, l'effet de freinage ou amortissement.
On peut ainsi créer astucieusement une interface haptique magnéto- rhéologique de type bouton rotatif à crans et butées reconfigurables dont la consommation électrique est réduite puisqu'elle n'est pas sollicitée par défaut mais uniquement de façon temporaire. Cette configuration est particulièrement adaptée aux applications pour lesquelles un couple de freinage important est nécessaire pour bloquer par défaut les pièces de référence et mobile du dispositif. On peut notamment imaginer l'appliquer à des dispositifs à éléments repositionnables, l'idée étant de désactiver le frein lorsqu'un utilisateur veut positionner le dispositif puis de le réactiver lorsque le dispositif est dans une position voulue, ceci grâce à l'aimant permanent qui permet de fournir un champ magnétique élevé.
Malheureusement, une telle configuration présente quelques inconvénients. Tout d'abord, engendrer un champ magnétique réglable à l'aide d'un électro-aimant, même temporairement, reste très consommateur d'énergie électrique pour contrer les effets d'un champ magnétique permanent élevé. De plus, l'électro-aimant lui-même présente un certain encombrement et l'établissement du champ magnétique réglable nécessite un temps de réponse de l'ordre de la dizaine de millisecondes qui peut s'avérer trop élevé pour certaines applications. Ces trois inconvénients peuvent réellement poser problème dans des applications embarquées.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
Il est donc proposé un dispositif à freinage ou amortissement magnéto- rhéologique du type précité comportant en outre :
- au moins un élément vibrant disposé contre au moins l'une desdites pièces de référence et mobile, et
- un dispositif d'activation des vibrations dudit au moins un élément vibrant de manière à engendrer des ondes de pression dans le fluide magnéto- rhéologique réduisant la viscosité du fluide magnéto-rhéologique due aux lignes de champ.
Il a en effet été remarqué que, de façon inattendue, l'émission d'ondes de pression dans le fluide magnéto-rhéologique, à partir d'au moins un élément vibrant disposé contre l'une ou l'autre des pièces de référence et mobile, tend à contrer les effets du champ magnétique établi dans le fluide magnéto-rhéologique et donc à réduire la viscosité du fluide. Ce phénomène surprenant peut s'expliquer par le fait que l'alignement des particules magnéto-rhéologiques dans le fluide pour former des chaînes, engendré par le champ magnétique établi, est perturbé par la propagation ciblée d'ondes de pression dans le fluide. Plus précisément, les chaînes de particules magnéto-rhéologiques sont rompues par les ondes de pression. Ainsi, l'effet de freinage ou amortissement créé par le champ magnétique peut être réduit, au point même de pouvoir être annulé, par activation dudit au moins un élément vibrant. Une telle solution est d'autant plus avantageuse qu'il existe des éléments vibrants peu encombrants dont l'activation nécessite peu de consommation électrique pour un effet immédiat, en tout cas bien plus rapide que l'établissement d'un champ magnétique réglable temporaire, sur la viscosité du fluide magnéto-rhéologique.
De façon optionnelle, au moins l'une desdites pièces de référence et mobile comporte un matériau ferromagnétique.
De façon optionnelle également, le générateur de champ magnétique comporte un aimant permanent disposé de manière à engendrer des lignes de champ permanentes dans le fluide magnéto-rhéologique.
De façon optionnelle également, ledit au moins un élément vibrant et le dispositif d'activation sont conçus pour engendrer des ondes acoustiques ultrasoniques dans une bande de fréquences de résonance d'au moins l'une desdites pièces de référence et mobile.
De façon optionnelle également, ledit au moins un élément vibrant comporte au moins l'un des éléments de l'ensemble constitué d'un vibreur excentrique, d'un vibreur piézoélectrique et d'un vibreur magnétostrictif.
De façon optionnelle également, ledit au moins un élément vibrant est disposé de manière à propager les ondes de pression qu'il engendre dans le sens des lignes de champ dans le fluide magnéto-rhéologique.
De façon optionnelle également, ledit au moins un élément vibrant est disposé de manière à propager les ondes de pression qu'il engendre orthogonalement aux lignes de champ dans le fluide magnéto-rhéologique.
De façon optionnelle également, la pièce de référence est un stator, la chambre intérieure est creusée de forme annulaire ou cylindrique dans le stator et la pièce mobile est un rotor à disque, cloche ou multi-cloche plongeant partiellement dans la chambre intérieure, de manière à former un frein à cisaillement.
De façon optionnelle également, la pièce de référence est un boîtier, la chambre intérieure est aménagée de forme hémisphérique à l'intérieur du boîtier et la pièce mobile est une manette comportant une sphère à trois degrés de liberté rotatifs et un bras de préhension, ladite sphère plongeant partiellement dans la chambre intérieure, de manière à former un actionneur de type manette de jeu.
De façon optionnelle également, la pièce de référence est un boîtier ou stator, la chambre intérieure est aménagée de forme cylindrique à l'intérieur du boîtier ou stator et la pièce mobile est un bras de commande ou rotor plongeant partiellement dans la chambre intérieure, de manière à former un actionneur à déplacement linéaire et rotatif. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1 à 8 représentent, schématiquement et en coupes longitudinales, les structures générales de dispositifs à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique, tels que des freins à cloche/disque ou actionneurs, selon différents modes de réalisation de l'invention,
- la figure 9 représente, schématiquement et en vue de dessus, la structure générale d'un dispositif de freinage selon un mode de réalisation expérimental de l'invention, sur lequel des tests ont été réalisés, et
- la figure 10 illustre, à l'aide d'un diagramme, un résultat des tests réalisés sur le dispositif de la figure 9.
Le dispositif 100, représenté schématiquement en coupe longitudinale sur la figure 1 , est un frein à cisaillement, plus précisément un frein à cloche comportant un stator 102, ou pièce de référence, de forme quelconque et un rotor 104, ou pièce mobile par rapport à la pièce de référence, constitué d'un arbre rotatif centré 106 et d'une cloche cylindrique 108 entraînée par cet arbre rotatif 106.
Une chambre intérieure annulaire 1 10 est creusée dans le stator 102 à partir de sa face supérieure. Elle est remplie d'un fluide magnéto-rhéologique. Elle est par ailleurs dimensionnée de telle sorte qu'au moins une partie inférieure de la paroi latérale cylindrique de la cloche 108 puisse y plonger. En positionnement adéquat du rotor 104 par rapport au stator 102, c'est-à-dire lorsqu'une partie significative de la paroi latérale de la cloche cylindrique 108 est immergée dans le fluide magnéto- rhéologique, il peut être considéré que la chambre intérieure 1 10 s'étend entre le stator 102 et le rotor 104.
Dans l'épaisseur du stator 102 et au fond de la chambre intérieure 1 10, un générateur 1 12A, 1 12B de champ magnétique est disposé de manière à engendrer des lignes de champ 1 14 dans le fluide magnéto-rhéologique. Selon l'orientation de la figure 1 , ces lignes de champ sont horizontales dans le fluide magnéto-rhéologique. Elles agissent sur sa viscosité en formant des chaînes de particules magnéto- rhéologiques orientée radialement dans la chambre intérieure 1 10. Plus le champ magnétique engendré par le générateur 1 12A, 1 12B est élevé, plus la viscosité du fluide magnéto-rhéologique est elle aussi élevée et plus l'effet de freinage en rotation agissant sur le rotor 104 dans la chambre intérieure 1 10 est important. Dans le mode de réalisation de la figure 1 , selon lequel il est par exemple souhaité que le rotor 104 soit par défaut immobilisé en rotation par rapport au stator 102, le générateur 1 12A, 1 12B de champ magnétique est constitué d'un aimant permanent en forme de disque à pôles nord 1 12A et sud 1 12B superposés. Les lignes de champs 1 14 qu'il engendre sont alors permanentes.
De façon avantageuse, la paroi latérale de la cloche cylindrique 108 et/ou le stator 102, au moins dans sa partie formant les parois de sa chambre intérieure 1 10, comportent un matériau ferromagnétique. Cela présente deux avantages. Tout d'abord, le fait que le stator 102 soit en matériau ferromagnétique permet de canaliser les lignes de champ comme souhaité. De plus, le fait que la paroi latérale de la cloche cylindrique 108 et les parois de la chambre intérieure 1 10 soient elles aussi en matériau ferromagnétique permet d'accentuer leur interaction par adhésion avec les chaînes de particules magnéto-rhéologiques et d'augmenter l'efficacité du freinage. Mais en variante, il est tout à fait possible de prévoir des matériaux amagnétiques, par exemple du plastique, pour chacun de ces éléments.
Conformément à l'invention, le dispositif 100 comporte au moins un élément vibrant 1 16 disposé contre au moins l'une des pièces de référence et mobile 102, 104. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, l'élément vibrant 1 16 s'étend à l'intérieur de la cloche cylindrique 108 en prenant appui contre sa paroi latérale. Il peut par exemple prendre la forme d'un disque ou d'une tige. Il s'agit avantageusement d'un vibreur piézoélectrique, mais il pourrait aussi s'agir d'un vibreur excentrique ou d'un vibreur magnétostrictif. L'avantage d'un élément piézoélectrique est d'être neutre dans un champ magnétique.
Le dispositif 100 comporte enfin un dispositif électrique 1 18 d'activation des vibrations de l'élément vibrant 1 16 de manière à engendrer, par entraînement en vibration de la paroi latérale de la cloche cylindrique 108 contre laquelle il est disposé, des ondes de pression dans le fluide magnéto-rhéologique réduisant sa viscosité due aux lignes de champ 1 14. Plus précisément, lorsque l'élément vibrant 1 16 est en forme de disque vibrant, les ondes de pression engendrées dans le fluide magnéto-rhéologique par vibration de la paroi latérale de la cloche cylindrique 108 suivent la direction des lignes de champ 1 14, comme indiqué par la double flèche horizontale illustrée sous l'élément vibrant 1 16. Par ailleurs, le dispositif électrique d'activation 1 18 est conçu ou réglable, en coopération avec l'élément vibrant 1 16, pour engendrer des ondes acoustiques ultrasoniques dans une bande de fréquences de résonance d'au moins l'une des pièces de référence et mobile 102, 104. La génération de ces ondes acoustiques vise à réduire, voire supprimer, l'effet de freinage du champ magnétique permanent en faisant vibrer au moins une partie des pièces freinées en cisaillement.
La figure 2 illustre un autre mode de réalisation d'un frein à cloche selon l'invention. Ce frein à cloche 200 diffère du précédent 100 en ce que l'élément vibrant 1 16 est remplacé par une pluralité de pastilles vibrantes 216 disposées à l'intérieur de la cloche cylindrique 108 en prenant appui contre sa paroi latérale. Ces pastilles sont par exemple réparties circulairement et leur nombre n'est limité que par leur taille. Elles sont avantageusement réalisées sous la forme de vibreurs piézoélectriques et les ondes de pression qu'elles engendrent dans le fluide magnéto-rhéologique par vibration de la paroi latérale de la cloche cylindrique 108, dans le but de réduire voire supprimer l'effet de freinage du champ magnétique, suivent la direction des lignes de champ 1 14 comme indiqué par chaque double flèche horizontale illustrée sur chacune des deux pastilles vibrantes 216 dans la vue en coupe de la figure 2.
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un frein à cloche selon l'invention. Ce frein à cloche 300 diffère du premier 100 en ce que l'élément vibrant 1 16 est remplacé par une pastille vibrante 316 disposée entre l'arbre rotatif centré 106 et le fond de la cloche cylindrique 108. Elle est avantageusement réalisée sous la forme d'un vibreur piézoélectrique et les ondes de pression qu'elle engendre dans le fluide magnéto-rhéologique par vibration verticale de la cloche cylindrique 108, dans le but de réduire voire supprimer l'effet de freinage du champ magnétique, suivent une direction orthogonale aux lignes de champ 1 14 comme indiqué par la double flèche verticale illustrée sur cette pastille vibrante 316 dans la vue en coupe de la figure 3.
La figure 4 illustre un autre mode de réalisation d'un frein à cloche selon l'invention. Ce frein à cloche 400 diffère du premier 100 en ce que l'élément vibrant 1 16 est remplacé par un élément vibrant 416 disposé au contact du stator 102. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, l'élément vibrant 416 est disposé en partie centrale du stator 102, dans le volume compris entre la chambre intérieure annulaire 1 10 et l'aimant permanent 1 12A, 1 12B. Il s'agit avantageusement d'un vibreur piézoélectrique cylindrique disposé verticalement dans l'axe principal du stator 102 centré sur la chambre intérieure annulaire 1 10. Lorsqu'il vibre en épaisseur sous l'activation du dispositif électrique 1 18, dans le but de réduire voire supprimer l'effet de freinage du champ magnétique, il engendre, par entraînement en vibration du stator contre lequel il est disposé, des ondes de pression qui suivent la direction des lignes de champ 1 14, comme indiqué par la double flèche horizontale illustrée sur l'élément vibrant 416.
La figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un frein à cloche selon l'invention. Ce frein à cloche 500 diffère du premier 100 en ce que l'élément vibrant 1 16 est remplacé par un élément vibrant 516 disposé au contact du stator 102. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, l'élément vibrant 516 est disposé entre l'aimant permanent 1 12A, 1 12B et le fond de la chambre intérieure annulaire 1 10. Il s'agit avantageusement d'un vibreur piézoélectrique en forme de disque vibrant en épaisseur sous l'activation du dispositif électrique 1 18. Il engendre ainsi des ondes de pression verticales orthogonales aux lignes de champ 1 14, comme indiqué par la double flèche verticale illustrée sur l'élément vibrant 516. En pratique, pour une fabrication simple de ce mode de réalisation, l'élément vibrant 516 est disposé au fond d'un alésage cylindrique d'une partie externe du stator 102, sous lequel est disposé l'aimant permanent 1 12A, 1 12B. Une partie interne cylindrique du stator, de diamètre extérieur légèrement inférieur au diamètre de l'alésage de la partie externe et comportant la chambre intérieure annulaire 1 10, est alors rapportée sur l'élément vibrant 516 en laissant un espace annulaire latéral par lequel la connexion électrique nécessaire entre l'élément vibrant 516 et son dispositif d'activation 1 18 peut passer.
Le dispositif 600, représenté schématiquement en coupe longitudinale sur la figure 6, est un frein à cisaillement, plus précisément un frein à disque comportant un stator 602, formant une pièce de référence, et un rotor 604, formant une pièce mobile par rapport à la pièce de référence, constitué d'un arbre rotatif centré 606 et d'un disque 608 entraînée par cet arbre rotatif 606.
Une chambre intérieure cylindrique 610 est aménagée à l'intérieur du stator
602. L'arbre rotatif 606 traverse de façon hermétique une paroi supérieure du stator 602 de sorte que son extrémité inférieure et le disque 608 qu'elle porte plongent dans le fluide magnéto-rhéologique qui remplit la chambre intérieure cylindrique 610. Il peut donc être considéré que la chambre intérieure 610 s'étend entre le stator 602 et le rotor 604. Un aimant permanent en forme de disque à pôles nord 612A et sud 612B superposés est disposé dans le fond de la chambre intérieure cylindrique 610. Il engendre des lignes de champ 614 dans le fluide magnéto-rhéologique de manière à freiner par cisaillement toute rotation du rotor 604 par rapport au stator 602.
Conformément à l'invention, le dispositif 600 comporte au moins un élément vibrant 616 disposé contre au moins l'une des pièces de référence et mobile 602, 604. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, l'élément vibrant 616 est une pastille piézoélectrique vibrante, disposée entre l'extrémité inférieure de l'arbre rotatif 606 et le disque 608, dont les vibrations verticales sont activées par un dispositif électrique 618. Les ondes de pression engendrées dans le fluide magnéto- rhéologique par vibration du disque 608, dans le but de réduire voire supprimer l'effet de freinage du champ magnétique, sont orthogonales aux lignes de champ 1 14, comme indiqué par la double flèche verticale illustrée sur l'élément vibrant 616. Par ailleurs, le dispositif électrique d'activation 618 est conçu ou réglable, en coopération avec l'élément vibrant 616, pour engendrer des ondes acoustiques ultrasoniques dans une bande de fréquences de résonance d'au moins l'une des pièces de référence et mobile 602, 604.
Le dispositif 700, représenté schématiquement en coupe longitudinale sur la figure 7, est un actionneur de type manette de jeu (de l'anglais « joystick »). Il comporte un boîtier 702, ou pièce de référence, de forme quelconque et une manette 704, ou pièce mobile par rapport à la pièce de référence, constituée d'une sphère 706 à trois degrés de liberté rotatifs et d'un bras de préhension 708.
Une chambre intérieure hémisphérique 710 est aménagée à l'intérieur du boîtier 702. La sphère 706 traverse de façon hermétique une paroi supérieure du boîtier 702, cette paroi supérieure étant creusée en portion de sphère, de sorte que la moitié inférieure de la sphère 706 plonge sans degré de liberté en translation dans le fluide magnéto-rhéologique qui remplit la chambre intérieure hémisphérique 710. Il peut donc être considéré que la chambre intérieure 710 s'étend entre le boîtier 702 et la manette 704. Un aimant permanent en forme de disque à pôles nord 712A et sud 712B superposés est disposé dans le boîtier 702 sous la chambre intérieure hémisphérique 710. Il engendre des lignes de champ 714 dans le fluide magnéto- rhéologique de manière à freiner ou amortir toute rotation de la sphère 706 et donc de la manette 704 par rapport au boîtier 702.
Conformément à l'invention, le dispositif 700 comporte au moins un élément vibrant 716 disposé contre au moins l'une des pièces de référence et mobile 702, 704. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, il comporte au moins deux éléments vibrants 716, par exemple des pastilles piézoélectriques vibrantes, disposées à l'interface du boîtier 702 et de la chambre intérieure 710. Les vibrations de ces pastilles 716 sont activées par un dispositif électrique 718. Elles engendrent des ondes de pression dans le fluide magnéto-rhéologique dont l'orientation est indiquée à titre d'exemple non limitatif par les doubles flèches illustrées sur les pastilles 716. Par ailleurs, le dispositif électrique d'activation 718 est conçu ou réglable, en coopération avec les pastilles 716, pour engendrer des ondes acoustiques ultrasoniques dans une bande de fréquences de résonance d'au moins l'une des pièces de référence et mobile 702, 704. La génération de ces ondes acoustiques vise à réduire, voire supprimer, l'effet de freinage ou d'amortissement du champ magnétique permanent en faisant vibrer les pièces freinées en cisaillement. Il est par ailleurs possible de régler finement les vibrations des pastilles 716 et orienter ainsi les ondes de pression dans le fluide magnéto-rhéologique de sorte que l'effet de freinage ou d'amortissement ne soit réduit, voire supprimé, que selon certaines directions privilégiées, par exemple un axe de rotation et pas les autres.
Le dispositif 800, représenté schématiquement en coupe longitudinale sur la figure 8, est un actionneur à déplacement linéaire et rotatif. Il comporte un boîtier ou stator 802, remplissant la fonction de pièce de référence, de forme quelconque et un bras de commande ou rotor 804, remplissant la fonction de pièce mobile par rapport à la pièce de référence.
Une chambre intérieure cylindrique 810 est aménagée à l'intérieur du stator 802. Le rotor 804 traverse de façon hermétique une paroi supérieure du stator 802 de sorte que sa portion inférieure, de plus grande largeur cylindrique, plonge dans le fluide magnéto-rhéologique qui remplit la chambre intérieure cylindrique 810 sans autre degré de liberté qu'une translation verticale (pour un fonctionnement en valve) et une rotation (pour un fonctionnement en frein à cisaillement) autour de l'axe de translation verticale. Il peut donc être considéré que la chambre intérieure 810 s'étend entre le stator 802 et le rotor 804. Un aimant permanent en forme de disque à pôles nord 812A et sud 812B superposés est disposé dans la portion de plus grande largeur cylindrique du rotor 804 immergée dans la chambre intérieure cylindrique 810. Il engendre ainsi des lignes de champ 814 dans le fluide magnéto-rhéologique de manière à freiner ou amortir toute translation ou rotation verticale du rotor 804 par rapport au stator 802.
Conformément à l'invention, le dispositif 800 comporte au moins un élément vibrant 816 disposé contre au moins l'une des pièces de référence et mobile 802, 804. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, il comporte au moins deux éléments vibrants 816, par exemple des pastilles piézoélectriques vibrantes, disposées à l'intérieur de la portion de plus grande largeur du rotor 804. Les vibrations de ces pastilles 716 sont activées par un dispositif électrique 818. Elles engendrent, par l'intermédiaire de la portion de plus grande largeur du rotor 804 dans laquelle elles sont disposées, des ondes de pression dans le fluide magnéto- rhéologique dont l'orientation horizontale est indiquée à titre d'exemple non limitatif par les doubles flèches illustrées sur les pastilles 816. Par ailleurs, le dispositif électrique d'activation 818 est conçu ou réglable, en coopération avec les pastilles 816, pour engendrer des ondes acoustiques ultrasoniques dans une bande de fréquences de résonance d'au moins l'une des pièces de référence et mobile 802, 804. La génération de ces ondes acoustiques vise à réduire, voire supprimer, l'effet de freinage ou d'amortissement du champ magnétique permanent en faisant vibrer les pièces freinées en cisaillement ou linéairement.
La figure 9 illustre schématiquement, en vue de dessus avec certains éléments visibles en transparence, un frein à cloche 900 similaire aux dispositifs des figures 1 à 5, mais configuré de façon particulière pour effectuer des tests.
Ce frein à cloche comporte un stator 902 et un rotor 904 métalliques. Le rotor est constitué d'un arbre rotatif centré 906 et d'une cloche cylindrique 908 de quelques centimètres de diamètre entraînée par cet arbre rotatif 906. Une chambre intérieure annulaire 910 est creusée dans le stator 902 (délimitée par son plus grand diamètre en trait plein et son plus petit diamètre en traits interrompus courts). Elle est remplie d'un fluide magnéto-rhéologique soumis à un champ magnétique créant des lignes de champ orientées radialement. Elle est par ailleurs dimensionnée de telle sorte qu'une partie inférieure de la paroi latérale cylindrique de la cloche 908 puisse y plonger.
La paroi latérale cylindrique de la cloche 908 est découpée orthogonalement au plan de la figure 9 de manière à présenter deux portions indépendantes l'une de l'autre en termes de vibrations. Une première portion 908A, représentant environ 20% de la surface totale de la paroi latérale cylindrique est soumise aux vibrations d'un actionneur piézoélectrique 912 à couches multiples en appui contre elle grâce à la disposition d'une cale 914 contre l'arbre rotatif 906. Ces vibrations sont parallèles aux lignes de champ dans le fluide magnéto-rhéologique. L'actionneur piézoélectrique 912 et la cale 914 sont visibles par transparence mais sont en fait disposées à l'intérieur de la cloche 908. La deuxième portion 908B de la paroi latérale cylindrique de la cloche 908 n'est soumise à aucune vibration.
La figure 10 illustre un résultat de tests réalisés sur le frein à cloche de la figure 9. Selon ces tests, la cloche 908 est mise en rotation à vitesse angulaire constante et le couple de freinage C (exprimé en N.m) qui s'applique sur elle est mesuré. Les vibrations de l'actionneur piézoélectrique 912 contre la première portion 908A de la paroi latérale cylindrique de la cloche 908 sont activées selon différentes tensions d'excitation (de 1 à 40 V pic à pic) et fréquences (de 0 à 30 kHz) pendant cette mesure.
Une première courbe C1 en trait continu reprend les mesures du couple de freinage C en fonction des fréquences de vibrations pour une tension d'excitation de 1 V. Une deuxième courbe C2 en traits interrompus longs reprend les mesures du couple de freinage C en fonction des fréquences de vibrations pour une tension d'excitation de 2 V. Une troisième courbe C3 en traits interrompus mixtes longs reprend les mesures du couple de freinage C en fonction des fréquences de vibrations pour une tension d'excitation de 4 V. Une quatrième courbe C4 en traits interrompus courts reprend les mesures du couple de freinage C en fonction des fréquences de vibrations pour une tension d'excitation de 10 V. Une cinquième courbe C5 en traits interrompus mixtes courts reprend les mesures du couple de freinage C en fonction des fréquences de vibrations pour une tension d'excitation de 20 V. Enfin, une sixième courbe C6 en pointillés reprend les mesures du couple de freinage C en fonction des fréquences de vibrations pour une tension d'excitation de 40 V.
On observe tout d'abord une réduction du couple de freinage de plus en plus significative au fur et à mesure que l'on augmente la tension d'excitation à fréquence de vibration constante.
En outre, pour chacune des trois dernières courbes à tension d'excitation donnée, C4, C5, C6, on observe des réductions importantes du couple de freinage pour certaines fréquences de vibration, notamment voisines de 8, 13, 20 et 28 kHz dans l'exemple du frein à cloche 900 de la figure 9. Ces fréquences correspondent à des fréquences de résonance d'au moins une partie des éléments constitutifs de ce frein à cloche 900.
Par ailleurs, bien que seulement 20% de la portion latérale cylindrique de la cloche 908 soit soumise aux vibrations de l'actionneur piézoélectrique 912, l'effet de freinage peut être réduit jusqu'à environ 35% (courbe C6 autour de 20 kHz) montrant une probable propagation dans tout le fluide magnéto-rhéologique de l'effet d'une vibration locale sur les chaînes de particules magnéto-rhéologiques.
Par ailleurs, des tests ont été réalisés sur une configuration de frein à cloche selon laquelle des vibrations tangentielles sont appliquées à la paroi latérale cylindrique de la cloche (non illustrée). Ils ont montré le même type de résultats.
Ces tests montrent enfin qu'un dispositif selon l'invention peut avantageusement utiliser les fréquences de résonances des pièces qui le composent et que la disposition du ou des éléments vibrants peut être optimisée au cas par cas en fonction de la configuration de l'ensemble pour améliorer l'effet sur la réduction du couple de freinage ou amortissement lors de l'activation des vibrations.
Il apparaît clairement qu'un dispositif à freinage ou amortissement magnéto- rhéologique tel que l'un de ceux décrits précédemment permet de contrer efficacement l'effet de freinage ou amortissement d'un fluide magnéto-rhéologique soumis à un champ magnétique à l'aide d'éléments vibrants peu encombrants, très réactifs et peu consommateurs en énergie électrique.
Des applications multiples sont envisageables pour la conception de freins reconfigurables à grande capacité de couple, d'amortisseurs, de systèmes d'embrayages ou d'actionneurs, dans des domaines aussi divers que les interface homme-machine, l'haptique, l'automobile, l'aéronautique, les jeux ou les instruments de mesure.
En particulier, dans le domaine automobile par exemple, la configuration en frein à cloche ou à disque des figures 1 à 6 est tout particulièrement adaptée pour concevoir un système d'embrayage magnéto-rhéologique. L'une des deux pièces, de référence ou mobile par rapport à la pièce de référence, est ainsi un élément de l'arbre moteur de l'embrayage, tandis que l'autre des deux pièces est un élément de l'arbre récepteur de l'embrayage, les deux pièces étant mobiles en rotation lorsque l'effet de freinage (autrement dit : l'effet d'embrayage) est temporairement réduit ou supprimé (i.e. le débrayage).
L'utilité d'un dispositif tel que l'un de ceux décrits précédemment est particulièrement sensible lorsqu'un couple de freinage ou d'amortissement important est nécessaire et que la pièce mobile doit, par défaut, rester bloquée. On peut notamment l'appliquer à des systèmes de bras repositionnables pour déplacer une lampe, une loupe ou tout autre instrument : l'idée est de désactiver temporairement le frein magnéto-rhéologique par vibrations lorsque l'utilisateur veut positionner correctement le système puis de le fixer dans la position voulue en arrêtant les vibrations.
On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits précédemment.
Il existe une grande quantité de configurations possibles pour son implémentation. On peut ainsi choisir de l'implémenter sur un dispositif rotatif, avec un rotor en disque, cloche ou multi-cloche, ou sur un dispositif linéaire tel qu'il peut en être trouvé dans l'état de la technique. L'élément vibrant peut prendre diverse formes. Il peut être disposé pour engendrer des vibrations tangentielles ou normales au champ magnétique et donc aux chaînes de particules magnéto-rhéologiques formées par ce champ. Enfin le principe peut être utilisé dans des dispositifs à frein ou amortisseur utilisant un aimant permanent, un électro-aimant, ou une combinaison de sources de champ magnétique.
Il apparaîtra plus généralement à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisation exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 800 ; 900) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique comportant :
- une pièce de référence (102 ; 602 ; 702 ; 802 ; 902),
une pièce mobile (104 ; 604 ; 704 ; 804 ; 904) par rapport à la pièce de référence (102 ; 602 ; 702 ; 802 ; 902),
une chambre intérieure (1 10 ; 610 ; 710 ; 810 ; 910) s'étendant entre la pièce de référence (102 ; 602 ; 702 ; 802 ; 902) et la pièce mobile (104 ; 604 ; 704 ; 804 ; 904), remplie d'un fluide magnéto- rhéologique,
- un générateur (1 12A, 1 12B ; 612A, 612B ; 712A, 712B ; 812A, 812B) de champ magnétique disposé de manière à engendrer des lignes de champ (1 14 ; 614 ; 714 ; 814) dans le fluide magnéto-rhéologique qui agissent sur sa viscosité pour s'opposer à un déplacement de la pièce mobile (104 ; 604 ; 704 ; 804 ; 904) par rapport à la pièce de référence (102 ; 602 ; 702 ; 802 ; 902) par effet de freinage ou amortissement,
caractérisé en ce qu'il comporte en outre :
- au moins un élément vibrant (1 16 ; 216 ; 316 ; 416 ; 516 ; 616 ; 716 ;
816 ; 912) disposé contre au moins l'une desdites pièces de référence (102 ; 602 ; 702 ; 802 ; 902) et mobile (104 ; 604 ; 704 ; 804 ; 904), et
un dispositif (1 18 ; 618 ; 718 ; 818) d'activation des vibrations dudit au moins un élément vibrant (1 16 ; 216 ; 316 ; 416 ; 516 ; 616 ; 716 ;
816 ; 912) de manière à engendrer des ondes de pression dans le fluide magnéto-rhéologique réduisant la viscosité du fluide magnéto- rhéologique due aux lignes de champ (1 14 ; 614 ; 714 ; 814).
2. Dispositif (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 800 ; 900) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique selon la revendication 1 , dans lequel au moins l'une desdites pièces de référence (102 ; 602 ; 702 ; 802 ; 902) et mobile (104 ; 604 ; 704 ; 804 ; 904) comporte un matériau ferromagnétique.
3. Dispositif (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 800 ; 900) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le générateur (1 12A, 1 12B ; 612A, 612B ; 712A, 712B ; 812A, 812B) de champ magnétique comporte un aimant permanent disposé de manière à engendrer des lignes de champ permanentes (1 14 ; 614 ; 714 ; 814) dans le fluide magnéto- rhéologique.
4. Dispositif (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 800 ; 900) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, dans lequel ledit au moins un élément vibrant (1 16 ; 216 ; 316 ; 416 ; 516 ; 616 ; 716 ; 816 ; 912) et le dispositif d'activation (1 18 ; 618 ; 718 ; 818) sont conçus pour engendrer des ondes acoustiques ultrasoniques dans une bande de fréquences de résonance d'au moins l'une desdites pièces de référence (102 ; 602 ; 702 ; 802 ; 902) et mobile (104 ; 604 ; 704 ; 804 ; 904).
5. Dispositif (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 800 ; 900) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique selon l'une quelconque des revendications 1 à
4, dans lequel ledit au moins un élément vibrant (1 16 ; 216 ; 316 ; 416 ; 516 ; 616 ; 716 ; 816 ; 912) comporte au moins l'un des éléments de l'ensemble constitué d'un vibreur excentrique, d'un vibreur piézoélectrique et d'un vibreur magnétostrictif.
6. Dispositif (100 ; 200 ; 400 ; 900) à freinage ou amortissement magnéto- rhéologique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit au moins un élément vibrant (1 16 ; 216 ; 416 ; 912) est disposé de manière à propager les ondes de pression qu'il engendre dans le sens des lignes de champ (1 14) dans le fluide magnéto-rhéologique.
7. Dispositif (300 ; 500 ; 600 ; 700 ; 800) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit au moins un élément vibrant (316 ; 516 ; 616 ; 716 ; 816) est disposé de manière à propager les ondes de pression qu'il engendre orthogonalement aux lignes de champ (1 14 ; 614 ; 714 ; 814) dans le fluide magnéto-rhéologique.
8. Dispositif (100 ; 200 ; 300 ; 400 ; 500 ; 600 ; 900) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pièce de référence (102 ; 602 ; 902) est un stator, la chambre intérieure (1 10 ; 610 ; 910) est creusée de forme annulaire ou cylindrique dans le stator et la pièce mobile (104 ; 604 ; 904) est un rotor à disque, cloche ou multi- cloche plongeant partiellement dans la chambre intérieure (1 10 ; 610 ; 910), de manière à former un frein à cisaillement.
9. Dispositif (700) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pièce de référence (702) est un boîtier, la chambre intérieure (710) est aménagée de forme hémisphérique à l'intérieur du boîtier et la pièce mobile (704) est une manette comportant une sphère (706) à trois degrés de liberté rotatifs et un bras de préhension (708), ladite sphère (706) plongeant partiellement dans la chambre intérieure (710), de manière à former un actionneur de type manette de jeu.
10. Dispositif (800) à freinage ou amortissement magnéto-rhéologique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pièce de référence (802) est un boîtier ou stator, la chambre intérieure (810) est aménagée de forme cylindrique à l'intérieur du boîtier ou stator et la pièce mobile (804) est un bras de commande ou rotor plongeant partiellement dans la chambre intérieure (810), de manière à former un actionneur à déplacement linéaire et rotatif.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107218337A (zh) * 2017-07-12 2017-09-29 南京航空航天大学 一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器
CN113294460A (zh) * 2021-05-17 2021-08-24 南京航空航天大学 一种新型盘式制动器及其参数多目标优化设计方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11325634B1 (en) * 2020-12-14 2022-05-10 GM Global Technology Operations LLC Multifunction adaptive steering wheel control

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2724702A1 (fr) * 1994-09-16 1996-03-22 Fichtel & Sachs Ag Amortisseur, notamment pour vehicule automobile
US5547049A (en) * 1994-05-31 1996-08-20 Lord Corporation Magnetorheological fluid composite structures
EP2274660A1 (fr) * 2008-04-29 2011-01-19 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Interface a retour d'effort a sensation ameliorée

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5547049A (en) * 1994-05-31 1996-08-20 Lord Corporation Magnetorheological fluid composite structures
FR2724702A1 (fr) * 1994-09-16 1996-03-22 Fichtel & Sachs Ag Amortisseur, notamment pour vehicule automobile
EP2274660A1 (fr) * 2008-04-29 2011-01-19 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Interface a retour d'effort a sensation ameliorée

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107218337A (zh) * 2017-07-12 2017-09-29 南京航空航天大学 一种超声场和磁场耦合作用的旋转型圆筒式磁流变液阻尼器
CN113294460A (zh) * 2021-05-17 2021-08-24 南京航空航天大学 一种新型盘式制动器及其参数多目标优化设计方法
CN113294460B (zh) * 2021-05-17 2022-04-22 南京航空航天大学 一种新型盘式制动器及其参数多目标优化设计方法

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