EP4573295A1 - Vis d'assemblage instrumentee - Google Patents

Vis d'assemblage instrumentee

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EP4573295A1
EP4573295A1 EP23762257.6A EP23762257A EP4573295A1 EP 4573295 A1 EP4573295 A1 EP 4573295A1 EP 23762257 A EP23762257 A EP 23762257A EP 4573295 A1 EP4573295 A1 EP 4573295A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
strain gauge
tightening
assembly screw
screw
threaded part
Prior art date
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Pending
Application number
EP23762257.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Sébastien Georges Roger Goux
Alexis Didier Camille AMBRAZAS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Safran Aircraft Engines SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran Aircraft Engines SAS filed Critical Safran Aircraft Engines SAS
Publication of EP4573295A1 publication Critical patent/EP4573295A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • 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
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B31/00—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts
    • F16B31/02—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load
    • F16B2031/022—Screwed connections specially modified in view of tensile load; Break-bolts for indicating the attainment of a particular tensile load or limiting tensile load using an ultrasonic transducer

Definitions

  • the present invention relates to the field of controlled tightening and more particularly that using manual tightening keys, such as torque wrenches with triggering or direct reading (mechanical or electronic).
  • Controlling the tightening of screw elements can be implemented with different methods, namely by measuring the torque (tightening force), the angle of rotation (conversion of the elongation of the body of the screw with the pitch of the screw). thread) or the elongation of the screw.
  • Angle tightening is widely used in the automotive industry. This can be implemented with a manual tightening wrench which includes means for measuring the tightening angle. Tightening to elongation is used for long screws, also called tensioning (manual, hydraulic, or thermal elongation method). Torque tightening is on the contrary the most used method, using either trigger keys or electronic keys and has the advantage of being simple to use. On the other hand, it has the major disadvantage that for a given tightening torque, the force on the screws and therefore the resulting mechanical deformation, varies greatly following the significant dispersion of the apparent coefficient of friction (threading, head support of the screw, face of the nut, brake...), twisting of the body of the screw....
  • the main aim of the present invention is therefore to solve the aforementioned problem by allowing real-time knowledge of the value of the tightening torque.
  • FIG. 1 illustrates an example of a tightening key 10 used for tightening an assembly screw 12 in order to assemble a first part 14 with a second part 16 tapped to receive the threaded part 12A of the assembly screw.
  • a washer 18 is mounted between the head 12B of the assembly screw and the first part 14.
  • the angle of rotation is measured by a measuring device 20 which comprises a clamping sleeve 20A cooperating with the head 12B of the screw d assembly and which measures the differential rotation between the socket 20A and the first part 14 by means of a spring 20B arranged around the external periphery of the socket, a Teflon® 20C tube, provided with a non-slip ring 20D, being interposed between the spring 20B and the upper surface of the first part 14.
  • the Teflon® tube makes it possible to generate a low coefficient of friction between the moving parts so as not to affect the tightening torque.
  • the non-threaded part 12C of the assembly screw 12 is provided with a strain gauge 22 and an RFID (Radio Frequency IDentification) tag 24 connected thereto. one to the other by a wired connection 26.
  • the RFID tag is intended to cooperate remotely with an RFID reader 28, advantageously portable, comprising an antenna/RFID chip assembly 30 connected to a processing module 32 itself connected to a display 34 and/or a speaker.
  • the display and/or the speaker can constitute an audible and/or light alert device for the operator in the event of loss of tightening.
  • the assembly screw and RFID reader form a system for determining the tightening torque of an assembly screw comprising at least one threaded part and one non-threaded part in order to allow the wireless transmission of a resistance value electrical strain gauge representative of the stretching of this assembly screw.
  • the strain gauge (an extensometer with resistant wires conventionally manufactured by a lithographic process from a metal sheet of a few microns and a polyamide type electrical insulator), is preferentially glued to this non-threaded part in order to detect any an instantaneous elongation resulting in a change in electrical resistance of the strain gauge.
  • Stick-on resistive strain gauges particularly in single-direction traction, are known in the instrumentation community (characterized by size, resistance to heat/corrosive environment and bonding to different supports). However, the gauge could also be directly produced by printing directly on the barrel (non-threaded part) of the screw.
  • the strain gauge and the RFID tag are connected by two measuring wires forming the wire connection 26.
  • the wire connection is advantageously also printed. Placing the strain gauge on the barrel (its non-threaded part) of the assembly screw makes it possible to determine an electrical resistance value depending on the instantaneous elongation of this barrel, which value will be stored in the memory of the RFID chip and therefore can be read at any time by the RFID reader. Appropriate processing known in itself will allow the processing module 32 of the RFID reader to deduce the tightening torque from this value of the electrical resistance and present it to the operator on the display 34 of the RFID reader.
  • active or passive, automatic feedback of information to the RFID reader can be considered, in particular with an audible and/or light alert in the event of loss of tightening at this reader.
  • a code associated with the torque information will precisely designate the position of the screw in the bolted assembly.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Details Of Spanners, Wrenches, And Screw Drivers And Accessories (AREA)
  • Length-Measuring Instruments Using Mechanical Means (AREA)
  • Measurement Of Force In General (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

Vis d'assemblage comportant au moins une partie filetée (12A) et une partie non filetée (12C), la partie non filetée étant munie d'une jauge de contrainte (22) sensible à l'allongement instantané de la partie non filetée et d'une étiquette RFID (24) reliée à la jauge de contrainte par une liaison filaire, l'ensemble permettant la transmission sans fil d'une valeur de résistance électrique de la jauge de contrainte représentative de l'allongement instantané.

Description

Description
Titre de l'invention : Vis d'assemblage instrumentée
Domaine Technique
La présente invention se rapporte au domaine du serrage contrôlé et plus particulièrement celui mettant en oeuvre des clés de serrage manuelles, telles que des clés dynamométriques à déclenchement ou à lecture directe (mécanique ou électronique).
Technique antérieure
Le contrôle du serrage d'éléments de visserie peut être mis en oeuvre avec différentes méthodes, à savoir en mesurant le couple (effort de serrage), l'angle de rotation (conversion de l'allongement du corps de la vis avec le pas du filetage) ou bien l'allongement de la vis.
Le serrage à l’angle est très utilisé dans l’industrie automobile. Celui-ci peut être mis en oeuvre avec une clé de serrage manuelle qui comprend des moyens de mesure de l’angle de serrage. Le serrage à l'allongement est utilisé pour des vis longue aussi appelée tirant (méthode allongement manuel, hydraulique, ou bien thermique). Le serrage au couple est au contraire la méthode la plus utilisée, en utilisant soit des clés à déclenchement soit des clés électroniques et a l’avantage d’être simple à utiliser. En revanche, il présente l'inconvénient majeur que pour un couple de serrage donné, l’effort sur la visserie et donc la déformation mécanique en résultant, varie fortement suite à l’importante dispersion du coefficient apparent de frottement (filetage, appui tête de la vis, face de l'écrou, frein...), torsion du corps de la vis....
Pour des lubrifications à base de Téflon par exemple, comme celles utilisées sur les moteurs cryotech niques, l’expérience a conduit à prendre en compte une dispersion de l’ordre de 300 % sur ce coefficient lors du dimensionnement des liaisons vissées ou boulonnées. L’importance de cette dispersion est à l’origine de nombreuses difficultés, voire impossibilités, de dimensionnement du couple de consigne. En effet, en conception et pour un serrage au couple, il faut prendre en compte les bornes extrêmes du domaine de variation du coefficient de frottement, c'est-à-dire tant les faibles coefficients qui conditionnent la tenue mécanique de l’assemblage, que les coefficients les plus élevés qui sont responsables de la qualité du serrage de ces liaisons (écrasement suffisant des joints, serrage suffisant des brides, etc...).
Une telle situation n’est pas satisfaisante car elle conduit à un surdimensionnement des liaisons qui est préjudiciable tant du point de vue de la masse, qu’en ce qui concerne le comportement mécanique de la visserie dans le temps (fatigue, desserrage,...).
D’autre part, il faut tenir compte de la déformation mécanique de la visserie résultant de l’effort de traction qui lui est appliqué. En effet, lors d’une opération de serrage, on a initialement un régime de déformation élastique (i.e. réversible), où la déformation varie linéairement avec l’effort, puis, si l’on poursuit le serrage, un régime de déformation plastique (i.e. irréversible), où la déformation varie de plus en plus rapidement avec la contrainte, pour finir à la rupture. De ce comportement, il résulte qu’un serrage au couple, conduisant à un effort de traction très dispersé, doit être effectué de préférence dans le domaine des déformations élastiques de la visserie loin de la limite d’élasticité.
Il existe actuellement des clés de serrage permettant un contrôle soit du couple de serrage seul (clé à déclenchement, lecture directe ou bien ultrasons), soit simultanément du couple de serrage et de l’angle de rotation ou de l'allongement afin d’effectuer un serrage de visserie correspondant à une valeur de consigne visée pour le couple de serrage et/ou l’angle de rotation ou l'allongement. Il existe aussi des dispositifs de serrage dynamométriques avec des moyens de traitements élaborés qui permettent d’augmenter par étapes successives la précision du serrage.
Toutefois, dans tous les cas, la valeur du serrage est garantie par la seule clé de serrage qui, au cours de son utilisation, peut malheureusement perdre de sa précision. De plus, suite à une erreur humaine, un mauvais tarage de la clé peut se produire voire, pire, un oubli de serrage. Ce seul contrôle par l'intermédiaire de la clé de serrage n'apparait donc pas non plus satisfaisant et il existe donc un besoin pour une solution alternative qui garantisse un parfait serrage de ces liaisons serrées ou boulonnées en toute circonstance par la connaissance de l’effort instantané de traction exercé sur la visserie, paramètre conditionnant la qualité du serrage et sa tenue dans le temps.
Exposé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de solutionner le problème précité en permettant une connaissance en temps réel de la valeur du couple de serrage.
Un autre but est d'assurer cette connaissance une fois la liaison effectuée et éventuellement devenue inaccessible. Encore un autre but est de pouvoir être informé à tout moment d'une éventuelle perte de serrage.
Ces buts sont atteints par un élément d'assemblage comportant au moins une partie filetée et une partie non filetée, caractérisée en ce que la partie non filetée est munie d'une jauge de contrainte sensible à l'allongement instantané de la partie non filetée et d'une étiquette RFID reliée à la jauge de contrainte par une liaison filaire, afin de permettre la transmission sans fil d'une valeur de résistance électrique de la jauge de contrainte représentative de l'allongement instantané.
Ainsi, en relayant l'allongement instantané du tronçon de vis étiré, le contrôle du couple de serrage devient possible à tout moment, que la vis d'assemblage soit accessible ou non.
La vis d'assemblage peut comporter deux parties d'extrémités filetées séparées par une partie centrale non filetée.
Selon le mode de réalisation envisagé, la jauge de contrainte peut être collée ou imprimée sur la partie non filetée de la vis d'assemblage et l'étiquette RFID peut être collée ou imprimée sur la partie non filetée de la vis d'assemblage.
La jauge de contrainte est avantageusement une jauge résistive de déformation en traction à direction unique reliée par fil à l'étiquette RFID. L'étiquette RFID comporte avantageusement une puce de stockage active et une antenne UHF.
Lorsque la jauge de contrainte et l'étiquette RFID sont imprimées, la liaison filaire est aussi imprimée sur la partie non filetée de la vis d'assemblage.
L'invention concerne également un système de détermination du couple de serrage d'une vis d'assemblage comportant une vis d'assemblage telle que précitée et un lecteur RFID comportant une antenne RFID et une puce RFID pour recevoir la valeur de résistance électrique délivrée par la jauge de contrainte de la vis d'assemblage, un module de traitement pour déterminer un couple de serrage à partir de cette valeur de résistance électrique, et un afficheur pour afficher le couple de serrage déterminé.
Avantageusement, le lecteur RFID comporte des moyens sonores ou lumineux pour donner l'alerte en cas de perte de serrage.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 est une vue en coupe d'une clé de serrage utilisée pour le serrage d'une vis d'assemblage, et
[Fig. 2] la figure 2 montre une vis d'assemblage instrumentée selon l'invention.
Description des modes de réalisation
Le principe de l'invention repose sur l'instrumentation d'un élément d'assemblage, vis, goujon ou boulon, de façon à connaître en temps réel une caractéristique représentative de la valeur du couple de serrage afin de la transmettre à un module de traitement externe à même de l'exploiter.
La figure 1 illustre un exemple d'une clé de serrage 10 utilisée pour le serrage d’une vis d'assemblage 12 afin d’assembler une première pièce 14 avec une seconde pièce 16 taraudée pour recevoir la partie filetée 12A de la vis d'assemblage. Une rondelle 18 est montée entre la tête 12B de la vis d'assemblage et la première pièce 14. L’angle de rotation est mesuré par un dispositif de mesure 20 qui comprend une douille de serrage 20A coopérant avec la tête 12B de la vis d'assemblage et qui mesure la rotation différentielle entre la douille 20A et la première pièce 14 au moyen d’un ressort 20B disposé autour de la périphérie externe de la douille, un tube en Téflon® 20C, muni d’un anneau antidérapant 20D, étant interposé entre le ressort 20B et la surface supérieure de la première pièce 14. Le tube en Téflon® permet de générer un faible coefficient de frottement entre les parties mobiles pour ne pas affecter le couple de serrage.
Cette configuration de mesure au moyen d'un ressort n'est bien entendu aucunement limitative et une mesure optique, magnétique ou électrique (de type rhéostat) remplaçant à la fois le ressort et la douille de serrage est tout à fait possible.
Quelle que soit la configuration choisie, la clé de serrage comporte en outre des moyens de saisie pour définir une valeur de consigne pour le serrage et des moyens de traitement pour calculer le couple de serrage à partir de l'angle de rotation délivré par le dispositif de mesure 20 et informer l'opérateur (classiquement par un signal sonore et/ou lumineux) lorsque la consigne initialement définie est atteinte. On pourra valablement se référer à la demande FR2852879 pour plus de détails sur les calculs mis en oeuvre pour cette détermination du couple de serrage à partir de l'angle de rotation.
Toutefois, comme explicité en préambule, une fois la liaison effectuée et la clé de serrage retirée, aucun contrôle dans le temps du couple de serrage n'est plus possible et notamment celui d'une éventuelle perte du serrage.
Aussi, selon l'invention et comme le montre la figure 2, la partie non filetée 12C de la vis d'assemblage 12 est munie d'une jauge de contrainte 22 et d'une étiquette RFID (Radio Frequency IDentification) 24 reliées l'une à l'autre par une liaison filaire 26. L'étiquette RFID est destinée à coopérer à distance avec un lecteur RFID 28, avantageusement portatif, comportant un ensemble antenne/puce RFID 30 relié à un module de traitement 32 lui-même relié à un afficheur 34 et/ou un haut-parleur. L'afficheur et/ou le haut-parleur peut constituer un dispositif d'alerte sonore et/ou lumineux pour l'opérateur en cas de perte de serrage. L'ensemble vis d'assemblage et lecteur RFID forme un système de détermination du couple de serrage d'une vis d'assemblage comportant au moins une partie filetée et une partie non filetée afin de permettre la transmission sans fil d'une valeur de résistance électrique de la jauge de contrainte représentative de l'étirement de cette vis d'assemblage.
La jauge de contrainte (un extensomètre à fils résistants fabriqué classiquement par un procédé lithographique à partir d'une feuille métallique de quelques microns et d'un isolant électrique de type polyamide), est préférentiellement collée sur cette partie non filetée afin d'en détecter un allongement instantané entraînant un changement de résistance électrique de la jauge de contrainte. Les jauges résistives de déformation à coller, notamment en traction à direction unique, sont connues du milieu de l'instrumentation (caractérisées par la taille, la résistance à la chaleur / milieu corrosif et le collage sur différents supports). Toutefois, la jauge pourrait aussi directement être réalisée par impression à même le fût (partie non filetée) de la vis.
L'étiquette RFID qui peut pareillement être collée sur la partie non filetée de la vis d'assemblage, comporte une antenne 24A reliée à un module de traitement 24B (dite puce de stockage RFID) comportant une mémoire et des moyens d'émission/réception destinés à coopérer avec des moyens correspondants du lecteur RFID 28. Les étiquettes RFID à coller sont connues (caractérisées par la taille, l'intégration / substrat, la distance de détection par le lecteur, la capacité de mémoire, la nature active ou passive). Toutefois, l'étiquette pourrait aussi directement être réalisée par impression à même le fût (partie non filetée) de la vis. Suivant l'environnement fréquentiel ainsi que la distance de détection (puissance caractérisée par la plage de la fréquence : basse (Low Frequency, LF 125kHz) / haute (High Frequency, HF 13,56MHz) / Ultra haute (Ultra High Frequency, UHF 433 et 860-960MHz) / Super haute (Super High Frequency, SHF 2,45GHz)), différentes plages de fréquences et antennes associées seront utilisables.
La jauge de contrainte et l'étiquette RFID sont reliées par deux fils de mesure formant la liaison filaire 26. Lorsque les deux éléments précités sont imprimés la liaison filaire est avantageusement également imprimée. La mise en place de la jauge de contrainte sur le fût (sa partie non filetée) de la vis d'assemblage permet de déterminer une valeur de résistance électrique dépendant de l'allongement instantané de ce fût, laquelle valeur sera stockée dans la mémoire de la puce RFID et donc pourra être lue à tout moment par le lecteur RFID. Un traitement approprié connu en soi permettra au niveau du module de traitement 32 du lecteur RFID de déduire le couple de serrage de cette valeur de la résistance électrique et de le présenter à l'opérateur sur l'afficheur 34 du lecteur RFID.
Selon la nature de la puce RFID, active ou passive, il peut être envisagé une remontée automatique d'informations vers le lecteur RFID, notamment avec une alerte sonore et/ou lumineuse en cas de perte de serrage au niveau de ce lecteur
RFID. Un code associé à l'information du couple désignera de façon précise la position de la vis dans l'ensemble boulonnée.
On notera que si la description précédente a concerné une vis classique, il est clair qu'elle est aussi applicable à une vis sans tête (ou goujon) à double filetage dont la partie centrale non filetée entre les deux filetages serait munie de la jauge de contrainte et de l'étiquette RFID précitées.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Vis d'assemblage (12) comportant au moins une partie filetée (12A) et une partie non filetée (12C), la partie non filetée étant munie d'une jauge de contrainte (22) sensible à l'allongement instantané de la partie non filetée (12C) et d'une étiquette RFID reliée à la jauge de contrainte (22) par une liaison filaire (26), afin de permettre la transmission sans fil d'une valeur de résistance électrique de la jauge de contrainte représentative de l'allongement instantané, caractérisée en ce que la jauge de contrainte (22) est imprimée sur la partie non filetée (12C) de la vis d'assemblage et en ce l'étiquette RFID (24) est imprimée sur la partie non filetée (12C) de la vis d'assemblage (12).
[Revendication 2] Vis d'assemblage (12) selon la revendication 1, comportant deux parties d'extrémités filetées séparées par une partie centrale non filetée.
[Revendication 3] Vis d'assemblage (12) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle la liaison filaire (26) est imprimée sur la partie non filetée (12C) de la vis d'assemblage.
[Revendication 4] Vis d'assemblage (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la jauge de contrainte (22) est une jauge résistive de déformation en traction à direction unique reliée par fil à l'étiquette RFID (24).
[Revendication 5] Vis d'assemblage (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle l'étiquette RFID (24) comporte une puce de stockage active (24B) et une antenne (24A) UHF.
[Revendication 6] Système de détermination du couple de serrage d'une vis d'assemblage comportant une vis d'assemblage (12) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et un lecteur RFID (28) comportant une antenne RFID et une puce RFID (30) pour recevoir la valeur de résistance électrique délivrée par la jauge de contrainte (22) de la vis d'assemblage (12), un module de traitement (32) pour déterminer un couple de serrage à partir de cette valeur de résistance électrique, et un afficheur (34) pour afficher le couple de serrage déterminé.
[Revendication 7] Système selon la revendication 6, dans lequel le lecteur RFID (28) comporte des moyens sonore ou lumineux pour donner l'alerte en cas de perte de serrage.
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