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Le contact stator-rotor dans un moteur piezoelectrique : modélisation mécanique et étude du frottement métal-polymère en vue de l'optimisation du choix de la couche de frottement / Luc Vanel ; sous la direction de Eric Felder

Auteur principal : Vanel, LucAuteur secondaire : : Felder, Éric, 1947-...., Directeur de thèseAuteur secondaire collectivité : École nationale supérieure des mines, Paris, Organisme de soutenance;Centre de mise en forme des matériaux, Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes, Organisme de soutenancePublication :1996Description : 1 vol. (pagination multiple) : ill. en noir et en coul. ; 30 cmClassification : 001.d.05.d.04_001.d.09.d.04.b ; 620Résumé : Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de moteurs piezoélectriques. Le mécanisme de contact entre le stator métallique et la couche de frottement (polymère ou composite à matrice polymère) collée à la surface du rotor est déterminant pour les performances des moteurs. Deux approches complémentaires ont été utilisées : une modélisation mécanique pour différentes rhéologies de couches de frottement et la réalisation d'essais de frottement métal-polymère. Un modèle de contact permettant d'obtenir la caractéristique couple-vitesse du moteur a été développé pour un moteur rotatif à ondes progressives. Le couple est calculé à partir d'un modèle de fondation et utilise l’hypothèse d'un frottement de coulomb tandis que la vitesse provient d'un modèle de flexion de plaque mince. Les résultats obtenus soulignent l’intérêt d'une couche rigide, fine et présentant un frottement élevé. Le modèle conçu pour une couche de frottement élastique compressible a été adapté à des couches élastiques incompressible et viscoélastique compressible. Seul le modèle élastique compressible a pu être validé et il s'est révélé en assez bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Une synthèse bibliographique a permis d'étudier l'évolution du frottement métal-polymère avec la force normale, la vitesse de glissement, la structure du polymère, ses caractéristiques de surface, le milieu environnant et l'adjonction de charges. Des essais de frottement de divers polymères ou composites ont été réalisés sur un tribomètre plan-plan rotatif spécialement construit pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis la détermination de mécanismes et de lois de frottement. Des essais d'usure ont également été réalisés et un modèle d'usure spécifique au mécanisme de contact du moteur a été développé. Cette étude a contribué à améliorer le choix de la couche de frottement en définissant certains critères de sélection et deux des matériaux étudiés ont conduit à une amélioration des performances des moteurs; This work is concerned with the development of ultrasonic motors. The contact mechanism between the metallic stator and a polymetric (or polymeric based composite) friction layer stuck at the rotor surface is critical for the motor performances. Two complementary approaches were used : contact model assuming different friction layer rheologies and friction experiments on metal-polymer pairs. A contact model allowing to get the torque-speed characteristic has been developped for a ring-type travelling wave motor. The calculation of the torque is based on a foundation contact model and relies on a Coulomb's friction law. Speed is derived from a thin plate bending motel. Results indicate that a thin , rigid friction layer, providing a high friction coefficient shoud be preferred. The first model was developped for an elastic compressible friction layer ; two other models have been derived from it, for elastic incompressible and viscoelastic compressible layers. The elastic compressible model is the only one that could be checked and it is in quite good agreement with the experimental results. A bibliographical study on metal-polymer friction phenomena revealed how the friction coefficient was influenced by the normal load, the sliding speed, the polymer structure, the surface characteristics, the environment and the adjonction of reinforcements to the polymer. Friction experiments have been carried out with different polymers or composites on a plane-plane rotative tribometer specially built for this study. Our results allowed the determination of friction mechanisms and friction laws for the tested materials. Wear tests have also been carried out and a wear model specifically meant for ultrasonic motors has been derived. This study contributes to the improvement of the friction layer choice by defining some selection criterai and two of the studied materials lead to an improvement of motor performances..Bibliographie: 152 réf..Thèse : .Sujet - Nom d'actualité : Tribologie (technologie) -- Thèses et écrits académiques ;Frottement -- Thèses et écrits académiques Sujet : Optimisation ;Modélisation mécanique ;Polymère ;Métal ;Frottement ;Tribologie ;Contact ;Piezoélectrique ;Moteur ;Moteur ;Frottement ;Métal ;Polymère ;Dispositif piézoélectrique ;Modèle mécanique Sujet Catégorie : ELECTRICITE-ELECTROTECHNIQUE
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152 réf.

Thèse de doctorat Science et Génie des matériaux ENSMP 1996

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de moteurs piezoélectriques. Le mécanisme de contact entre le stator métallique et la couche de frottement (polymère ou composite à matrice polymère) collée à la surface du rotor est déterminant pour les performances des moteurs. Deux approches complémentaires ont été utilisées : une modélisation mécanique pour différentes rhéologies de couches de frottement et la réalisation d'essais de frottement métal-polymère. Un modèle de contact permettant d'obtenir la caractéristique couple-vitesse du moteur a été développé pour un moteur rotatif à ondes progressives. Le couple est calculé à partir d'un modèle de fondation et utilise l’hypothèse d'un frottement de coulomb tandis que la vitesse provient d'un modèle de flexion de plaque mince. Les résultats obtenus soulignent l’intérêt d'une couche rigide, fine et présentant un frottement élevé. Le modèle conçu pour une couche de frottement élastique compressible a été adapté à des couches élastiques incompressible et viscoélastique compressible. Seul le modèle élastique compressible a pu être validé et il s'est révélé en assez bonne concordance avec les résultats expérimentaux. Une synthèse bibliographique a permis d'étudier l'évolution du frottement métal-polymère avec la force normale, la vitesse de glissement, la structure du polymère, ses caractéristiques de surface, le milieu environnant et l'adjonction de charges. Des essais de frottement de divers polymères ou composites ont été réalisés sur un tribomètre plan-plan rotatif spécialement construit pour cette étude. Les résultats obtenus ont permis la détermination de mécanismes et de lois de frottement. Des essais d'usure ont également été réalisés et un modèle d'usure spécifique au mécanisme de contact du moteur a été développé. Cette étude a contribué à améliorer le choix de la couche de frottement en définissant certains critères de sélection et deux des matériaux étudiés ont conduit à une amélioration des performances des moteurs

This work is concerned with the development of ultrasonic motors. The contact mechanism between the metallic stator and a polymetric (or polymeric based composite) friction layer stuck at the rotor surface is critical for the motor performances. Two complementary approaches were used : contact model assuming different friction layer rheologies and friction experiments on metal-polymer pairs. A contact model allowing to get the torque-speed characteristic has been developped for a ring-type travelling wave motor. The calculation of the torque is based on a foundation contact model and relies on a Coulomb's friction law. Speed is derived from a thin plate bending motel. Results indicate that a thin , rigid friction layer, providing a high friction coefficient shoud be preferred. The first model was developped for an elastic compressible friction layer ; two other models have been derived from it, for elastic incompressible and viscoelastic compressible layers. The elastic compressible model is the only one that could be checked and it is in quite good agreement with the experimental results. A bibliographical study on metal-polymer friction phenomena revealed how the friction coefficient was influenced by the normal load, the sliding speed, the polymer structure, the surface characteristics, the environment and the adjonction of reinforcements to the polymer. Friction experiments have been carried out with different polymers or composites on a plane-plane rotative tribometer specially built for this study. Our results allowed the determination of friction mechanisms and friction laws for the tested materials. Wear tests have also been carried out and a wear model specifically meant for ultrasonic motors has been derived. This study contributes to the improvement of the friction layer choice by defining some selection criterai and two of the studied materials lead to an improvement of motor performances.

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