Brevet FR2695176A1 — publié le 19940304

L'invention concerne un corps métallique amortisseur pour amortir des sollicitations semblables à des chocs et/ou alternant périodiquement, dont le matériau déterminant pour l'amortissement est un alliage à mémoire de forme, comme on le connaît par exemple par le périodique Zw F 84 ( 1989) 4, pages 215 à 217, P. Tautzenberger, '"Dâmpfungsvermâgen von Formgedâchtnis- Legierungen" Cet article signale la capacité d'amortisse- ment relativement haute, par rapport à d'autres métaux, d'alliages à mémoire de forme, en particulier dans l'état de structure martensitique La capacité d'amor- tissement ne reste cependant pas au même niveau élevé, mais change en fonction de différentes grandeurs din-15 fluence Comme facteurs entrant en ligne de compte pour le degré d'amortissement d'alliages à mémoire de forme, l'article cité mentionne: l'état de la structure, à savoir martensitique ou austénitique, la température de service ou de fonctionnement; l'amortissement est élevé de façon optimale autour de la température de démarrage de la transformation martensitique, l'amplitude de l'allongement alterné; à des allonge- ments alternés importants, la structure martensitique amortit très efficacement dans une large plage de températures, la charge statique de base dont on donnera ci-après des détails et le traitement mécanique et thermique préalable ainsi que l'état de vieillissement. Pour ce qui concerne une précontrainte sta- tique d'un corps amortisseur en alliage à mémoire de forme et son effet sur le comportement d'amortissement, il est indiqué que l'application d'une précontrainte statique produit des variantes de martensite préférées qui diminuent la grandeur des surfaces limites très mobiles dans le matériau, ce qui entraînerait une réduction de l'amortissement La demanderesse ne peut confirmer cette observation qu'en partie ou seulement5 sous certaines conditions Par exemple, les hautes valeurs d'amortissement n'ont pas pu être réalisées en cas d'exécution du corps amortisseur sous la forme de coussinets ou d'autres supports amortisseurs de faible épaisseur. Le but de l'invention est de perfectionner le corps métallique amortisseur en alliage à mémoire de forme, du type générique indiqué au début, en ce sens qu'un haut effet d'amortissement soit obtenu aussi lorsque le corps amortisseur est soumis à une forte sollicitation mécanique. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait que l'alliage à mémoire de forme a été choisi de manière qu'à la température de service du corps amortisseur, il possède l'état de structure austénitique et une si haute précontrainte mécanique est imposée au corps amortisseur que la plage de travail lors de l'amortissement se trouve dans le domaine de l'al- longement pseudo-élastique de l'alliage à mémoire de forme choisir qui commence peu au-dessous de la limite de proportionnalité dans le diagramme con- trainte/allongement de l'alliage et se prolonge au-dessus du domaine de proportionnalité. Grâce à l'utilisation d'alliages à mémoire de forme fortement précontraints mécaniquement à l'état austénitique, on peut exploiter à des fins d'amortisse- ment le domaine pseudo-élastique de ce type d'alliage et cet état de structure, s'accompagnant d'une très forte hystérésis. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, il convient, s'il s'agit de corps d'amortissement sollicités en compression, de prévoir une structure poreuse ou une structure du corps amortisseur pourvue de vides afin de faire agir l'amortissement également dans toute son étendue avec de tels organes d'amortissement. Ce mode de réalisation est basé sur la constatation qu'une réduction de l'amortissement d'un corps amortis- seur massif, réduction qui est observable dans le cas d'une charge par compression, est provoquée au moins en partie par l'apparition d'états de contrainte pluriaxiale, dus à l'empêchement d'un allongement transversal à l'intérieur du corps amortisseur et qui réduisent la friction interfaciale interne et par suite l'effet d'amortissement La porosité ou la distribution de vides proposée, à l'intérieur du corps amortisseur, empêche l'établissement d'états de contrainte pluri- axiale, si bien que la mobilité relative des surfaces limites internes n'est pas perturbée et que ces surfaces peuvent frotter les unes sur les autres. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre de deux exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale d'un premier exemple d'un corps amortisseur tubulaire, chargé en traction, fait d'un alliage à mémoire de forme et qui est intégré dans un pied amortisseur pour une machine; la figure 2 est une coupe axiale d'un autre exemple de réalisation d'un corps amortisseur en alliage à mémoire de forme, corps qui est fritté, chargé en compression et intégré également, à titre d'exemple, dans un pied amortisseur pour une machine; la figure 3 est un détail à échelle forte- ment agrandie de la structure frittée du corps amortis- seur selon la figure 2; et la figure 4 est un diagramme contrainte/ allongement pour un matériau métallique à mémoire de forme à l'état de structure austénitique. L'exemple montré par la figure 1 concerne une machine 1 s'appuyant sur le sol d'un hall d'usine par un pied amortisseur 2 dans lequel est intégré un corps amortisseur 3 sollicité en traction La direction de sollicitation due au poids de la machine 1 est indiquée par la flèche 11; l'ensemble du pied amortisseur 2 est donc chargé en compression Pour faire travailler à la traction le corps amortisseur 3 intégré dans le pied 2 ainsi soumis à la compression, la direction du parcours de transmission des forces à l'intérieur du pied 2 doit être inversée à plusieurs reprises Dans ce but, on a prévu dans le pied amortisseur 2 une cloche réceptrice 4 fixée au moyen de vis et par une bride supérieure sur le dessous de la machine Le fond inférieur de la cloche réceptrice 4 forme également une bride, mais qui est dirigée radialement vers l'intérieur et à laquelle est fixé le corps amortisseur tubulaire 3 dont les deux extrémités sont pourvues d'une bride de fixation par vis Le corps amortisseur 3 est fait d'un alliage métallique à mémoire de forme qui possède l'état de structure austénitique à la température de service, donc à la température ordinaire habituellement A travers le corps amortisseur tubulaire 3 s'étend une barre 5 travaillant à la compression, qui est fixée en haut par une bride à l'extrémité supérieure du corps amortisseur 3 et dépasse en bas de la cloche 4 A cet endroit, la barre est enfichée dans une plaque formant une semelle 6 à laquelle elle est fixée Sous l'effet du poids propre de la machine 1, toutes les pièces participant à la transmission des forces, à savoir la cloche 4, le corps amortisseur 3 et la barre comprimée 5, sont exposées à la même force agissant dans la direction de sollicita- tion 11 Par un dimensionnement adéquat en section droite du corps amortisseur 3, on peut faire en sorte qu'il lui soit imposée une précontrainte av dont la valeur est de peu inférieure à la limite de propor- tionnalité 13 dans le diagramme contrainte/allongement 5 selon la figure 4 de l'alliage à mémoire Un domaine dit d'allongement pseudo-élastique, à déformation réver- sible, mais pouvant être représentée seulement par de l'énergie perdue, commence généralement à un point situé peu au-dessous de la limite de proportionnalité Avec10 une précontrainte adéquate, même si les contraintes alternées sont faibles, ce domaine d'allongement pseudo- élastique, dans lequel l'amortissement est efficace, peut être atteint ou exploité en tant que plage de contrainte de service 15 Une si haute précontrainte du corps amortisseur 3 présuppose toutefois que la machine 1 possède un poids propre suffisamment élevé parce que le corps amortisseur tubulaire 3 ne peut pas être fabriqué avec une épaisseur de paroi aussi faible qu'on pourrait le désirer Grâce à une haute précontrainte du corps amortisseur en alliage à mémoire, la propriété d'amortissement de ce matériau agit de manière particu- lièrement efficace, ce que l'on expliquera brièvement ci-après en référence au diagramme contrainte/allonge- ment de la figure 4.25 Dans le diagramme selon la figure 4, on a tracé la courbe contrainte/allongement pour une éprou- vette de traction d'un alliage à mémoire de forme à l'état austénitique Au domaine des faibles allonge- ments, la courbe contrainte/allongement suit sensible- ment une droite de Hooke 12, c'est-à-dire la contrainte a (signa) augmente proportionnellement à l'allongement c (epsilon) de façon linéaire A partir d'une certaine paire de valeurs de contrainte et d'allongement, marquée au diagramme par la référence 13 et correspondant à ce35 que l'on appelle la limite de proportionnalité, la contrainte s'écarte nettement de la droite de Hooke 12 à mesure que l'allongement croît et la courbe contrainte/ allongement prend une allure avec une plus faible pente. Il est caractéristique pour les alliages à mémoire à l'état austénitique que dans la partie non-linéaire de la courbe contrainte/allongement, cette courbe a une allure relativement plate ou une pente relativement faible à mesure que l'allongement croît, c'est-à-dire que le matériau s'allonge pour une augmentation de contrainte relativement faible La particularité du matériau à mémoire est que ces importants allongements dans le domaine non-linéaire sont également réversibles, à ceci près que la courbe suit un autre tracé à la détente (portion de courbe 17 ') qu'à la mise en charge (portion de courbe 17) Plus exactement, à partir du point 16 de charge maximale pris ici comme exemple, la contrainte diminue d'abord à peu près parallèlement à la droite de Hooke 12 et présente ensuite une allure à plus faible pente Suivant le degré de détente, la portion de courbe 17 ', s'appliquant à la détente ou décharge, rejoint plus ou moins tôt la portion de courbe 17 s'appliquant à la mise en charge Une détente pratique- ment complète a été indiquée dans l'exemple selon la figure 4 Si les détentes sont très petites, comme c'est le cas par exemple pour les vibrations, la portion de courbe 17 ' pour la détente rejoint très rapidement la portion de courbe 17 pour la mise en charge Il est cependant à retenir que, dans tous les cas, les portions de courbe pour la mise en charge et la détente forment ensemble une boucle d'hystérésis renfermant une aire de surface relativement grande, laquelle représente une mesure de l'énergie perdue dans le cycle mise en chargel détente Grâce à la nette différence entre la droite de Hooke 12 d'une part et l'allure relativement plate dans le domaine non proportionnel d'autre part, cette aire de35 surface enfermée est relativement grande, de sorte qu'il se produit un important amortissement D'un autre côté, cet effet se produit seulement si la plage de travail 15 se trouve dans le domaine pseudo-élastique, lequel commence déjà au-dessous de la limite de proportionna- lité 13 Tant que les charges ou les contraintes de service sont inférieures au domaine pseudo-élastique, l'amortissement reste certes plus important qu'avec des aciers ordinaires, mais il est nettement plus bas qu'avec les contraintes de service plus élevées dont il a été question ci-dessus En tant que limite inférieure pour la contrainte de service, on a indiqué dans le diagramme selon la figure 4 une précontrainte cv qui se trouve près de la limite supérieure du domaine de proportionnalité 14 et marque la limite inférieure de la plage de travail 15 utilisée pour l'amortissement accru. La limite supérieure de la plage de travail 15 est fixée par une distance suffisamment grande de l'allongement de rupture du matériau employé. Grâce au fait que le corps amortisseur 3 selon la figure 1 est sollicité à la traction, l'état de contrainte dans la pièce est seulement unidimensionnel; l'allongement transversal ou la contraction transversale du matériau n'est pas entravé. Par contre, il en va différemment avec des corps amortisseurs sollicités à la compression, lesquels ne doivent pas avoir une forme très effilée pour qu'ils offrent une sécurité suffisante contre le flambage, de sorte que, sur de tels corps, il s'établit une certaine entrave à la dilatation transversale, donc un état de contrainte à plusieurs dimensions, lequel s'oppose au déploiement complet des propriétés efficaces pour l'amortissement Afin de contrecarrer cet inconvénient, il convient de prévoir à l'intérieur d'un corps amor- tisseur, sollicité en compression, une multitude de petits vides uniformément répartis et étroitement voisins, qui représentent collectivement au moins environ 5 %, de préférence environ 15 à 40 % du volume total du corps amortisseur. Dans l'exemple de réalisation selon les figures 2 et 3, on a prévu un corps amortisseur 3 ' ainsi sollicité en compression, corps qui est intégré dans le pied amortisseur 2 ' pour une machine 1 ' Dans cet exemple, les vides 7 sont formés dans le corps amor- tisseur 3 ' du fait que celui-ci est produit par le frittage de grains de métal 8 d'un alliage à mémoire de forme en un aggloméré poreux Comme les sections droites ne peuvent pas être choisies aussi petites qu'on pour- rait le souhaiter, surtout s'il s'agit de corps amor- tisseurs sollicités en compression, compte tenu du fait qu'ils doivent avoir une sécurité suffisante contre le flambage, il faut généralement prendre comme point de départ que le poids de machine à supporter n'est pas suffisant pour obtenir la haute précontrainte désirée dans le corps amortisseur Pour cette raison, on a prévu, dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 2, de recouvrir le corps amortisseur de plaques formant des semelles 9 sur les deux extrémités orientées transversalement à la direction de transmission des forces dues à la sollicitation 11, semelles qui sont elles-mêmes serrées ensemble par un tirant 10 disposé parallèlement à la direction de sollicitation dans le parcours de transmission de forces et qui produisent la précontrainte statique du corps amortisseur Suivant la composition d'alliage du matériau à mémoire de forme choisi et suivant le type du traitement thermomécanique préalable du corps amortisseur qui en est fabriqué, la précontrainte cv requise peut devoir être choisie dans le domaine de 200 à 800 N/mm 2, de préférence de 300 à 500 N/mm 2. REVENDI CATIONS 1 Corps métallique amortisseur pour amortir des sollicitations semblables à des chocs et/ou alternant périodiquement, dont le matériau déterminant pour l'amortissement est un alliage à mémoire de forme, caractérisé en ce que l'alliage à mémoire de forme a été choisi de manière qu'à la température de service du corps amortisseur ( 3, 3 '), il possède l'état de structure austénitique et une si haute précontrainte mécanique (a) est imposée au corps amortisseur ( 3, 3 ') que la plage de travail ( 15) lors de l'amortissement se trouve dans le domaine de l'allongement pseudo-élastique de l'al- liage à mémoire de forme choisi, qui commence peu au-dessous de la limite de proportionnalité ( 13) dans le diagramme contrainte/allongement de l'alliage et se prolonge au-dessus du domaine de proportionnalité ( 14). 2 Corps amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au cas o le corps amortisseur ( 3 ') est sollicité en compression, l'intérieur de ce corps contient une multitude de petits vides ( 7) uni- formément répartis et étroitement voisins, qui repré- sentent collectivement au moins environ 5 %, de préfé- rence environ 15 à 40 % du volume total du corps amor- tisseur ( 3 '). 3 Corps amortisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les vides ( 7) dans le corps amortisseur ( 3 ') sont formés du fait que ce corps est composé de grains de métal ( 8) d'alliages à mémoire de forme, qui sont frittés ensemble en un aggloméré poreux. 4 Corps amortisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le corps amortisseur ( 3 ') solli- cité en compression, est recouvert, aux deux extrémités orientées transversalement au parcours de transmission de la sollicitation ( 11), de semelles ( 9) qui sont elles-mêmes serrées ensemble par au moins un tirant ( 10) situé dans le parcours de transmission des forces parallèlement à la direction de sollicitation ( 11) du corps amortisseur ( 3 ") et qui produisent la précon- trainte statique du corps amortisseur ( 3 '). Corps amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps amortisseur ( 3, 3 ') constitué d'alliage à mémoire de forme, est chargé préalablement à une précontrainte mécanique (av) d'en- viron 200 à 800 N/mm 2, de préférence d'environ 300 à 500 N/mm 2.