Dynamomètre - Définition

Introduction

Un dynamomètre est un appareil de mesure d'une force ou d'un couple. Il utilise un ressort (cas d'un modèle simple) dont on connaît la raideur définie par le module d'élasticité, ou une cellule à jauge de déformation. Le peson est son nom d'origine.

L'unité de force est le newton (symbole N) du nom du découvreur de la théorie de la gravitation universelle, Isaac Newton. Les multiples les plus usités sont le décanewton (daN, unité voisine en valeur du kilogramme-force) et le kilonewton (kN). La dyne (symbole dyn) est une ancienne unité de force.

Aujourd'hui la plupart des dynamomètres sont numériques et tendent à remplacer les modèles mécaniques, que ce soit en recherche-développement ou en contrôle qualité.

Dynamomètre mécanique

Schéma de principe d'un dynamomètre à ressort.

Les dynamomètres mécaniques utilisent directement le principe de la loi de Hooke.

Applications

Les dynamomètres sont de nos jours utilisés dans de nombreux domaines.

Machines d'essais en traction ou en compression (presse)

Évaluation de la résistance à la rupture en (traction-)cisaillement d'un joint de colle (v=10 mm/min). Le capteur de force (interchangeable ; de capacité 10 kN) est fixé sur la traverse mobile de la machine d'essais. Une chambre d'essais est visible en arrière-plan.

L'utilisation d'attaches auto-serrantes à coins est recommandée pour certains essais nécessitant des forces élevées ; cela évite le risque de glissement des extrémités de l'éprouvette.

Ces machines sont équipées d'une cellule dynamométrique à jauge de déformation. Très répandues, elles sont conçues pour fournir au laboratoire industriel ou scientifique l'analyse des propriétés mécaniques « quasi-instantanées » des matériaux en fonction de multiples paramètres de l'essai (déformation, vitesse de déformation, température, histoire thermique, etc.).
Les capteurs de force sont munis d'un câble électrique terminé par un connecteur et sont rapidement interchangeables (sauf pour les gros modèles). La fréquence de leur étalonnage est souvent annuelle.
Les premières machines étaient reliées à un enregistreur graphique. Les plus récentes sont connectées via un boîtier-interface à un PC muni d'un logiciel. Ce système permet le pilotage, l'acquisition, la visualisation, l'analyse numérique et graphique, l'exportation de fichiers ASCII vers un tableur, la sauvegarde et l'impression des données du test.
La traverse supérieure est fixe. La traverse mobile est entraînée par deux vis latérales, actionnées par un moto-réducteur à courant continu. La liaison entre les vis et le réducteur s'effectue par poulies et courroie synchrone en élastomère armé.
La vitesse de déformation (ou de sollicitation) v est faible (v peut varier de 0,1 à 500 mm/min ; en pratique v est souvent comprise entre 1 et 50 mm/min).
Des modèles renforcés (avec notamment bâti mécanique, moteur, transmission et capteur de force adaptés) peuvent réaliser des tests mécaniques mettant en jeu des forces élevées. Leur capteur de force peut mesurer plusieurs centaines de kN (en traction, compression, flexion, etc.).
Remarque : un bouton d'arrêt d'urgence doit être présent.

Exploitation de l'essai de (traction-)cisaillement pris pour exemple. Le logiciel trace en temps réel une courbe F = f(déplacement de la traverse) de ce type (détermination sur trois assemblages).

Test de compression d'un cylindre en matériau composite au moyen d'une machine équipée d'un dynamomètre de 300 kN.

L'application la plus courante est la mesure de la force à la rupture (force maximale, F_m, obtenue avant d'atteindre la rupture) en traction afin de savoir si un produit et/ou un montage est conforme ou non. Les résistances à la rupture en traction (R_m ou σ_m) ou au cisaillement (τ_m) ont la dimension d'une contrainte et sont déduites de la force à la rupture ; ces deux résistances sont souvent exprimées en MPa.

Par exemple, on peut déterminer la force nécessaire pour séparer un connecteur d'un câble, la force de fermeture d'une porte, une force d'emboîtage élastique ou évaluer la qualité d'un ressort d'amortisseur.

Remarque : une machine de traction peut être couplée à un extensomètre (de type optique, par exemple) permettant l'enregistrement des courbes contrainte σ = f(déformation ε) des éprouvettes soumises à une sollicitation en traction. Ainsi, il est possible de caractériser la souplesse du matériau utilisé par la valeur de l'allongement à la rupture A%.