FR2755226A1 - Procede et dispositif de mesure du deplacement rectiligne d'une piece et application aux soupapes de moteur a explosion - Google Patents

Procede et dispositif de mesure du deplacement rectiligne d'une piece et application aux soupapes de moteur a explosion Download PDF

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Abstract

L'invention permet de mesurer le déplacement rectiligne de pièces mécaniques dont l'accès aux extrémités n'est pas facile ou possible. Il consiste à équiper la pièce (11) d'une surface inclinée (12) d'un angle ( theta) et à utiliser deux capteurs fixes, montés de part et d'autre de l'axe de translation (15A, 15B) placés en regard de la surface. En mesurant ainsi les écarts séparant ces capteurs de la surface (12) avant et après le déplacement de la pièce (11), des moyens de calcul (30) peuvent déterminer la distance (D) de déplacement de la pièce (11) le long de l'axe (A): (CF DESSIN DANS BOPI) Application à la mesure du déplacement des soupapes dans les moteurs à combustion interne.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE
DU DEPLACEMENT RECTILIGNE D'UNE PIECE
ET APPLICATION AUX SOUPAPES
DE MOTEUR A EXPLOSION
DESCRIPTION
Domaine de l'invention
L'invention concerne la mesure du déplacement rectiligne, par rapport à une structure fixe, d'une pièce mécanique coulissante dont les extrémités ne sont pas accessibles à la mesure, telle qu'un piston et, en particulier, une soupape de moteur à explosion pour véhicule automobile.
Art antérieur et problème posé
Dans le cadre de l'amélioration du rendement des moteurs à explosion, les constructeurs de véhicules automobiles éprouvent le besoin d'étudier le comportement précis des soupapes d'admission et d'échappement, lors du fonctionnement de ses moteurs.
Dans le cadre de ce sujet, il s' avère nécessaire d'effectuer une mesure de déplacement sur la course totale de la soupape. En effet, ceci permet de visualiser les rebonds des soupapes, lors des variations de régime du moteur.
On sait effectuer régulièrement des mesures sur la levée des soupapes sur des culasses installées sur bancs d'essais. La mesure effectuée est suffisante pour détecter le contact de la soupape sur son siège au cours du temps. Ceci est effectué dans le but de régler en fonction des différents régimes et températures du moteur les jeux entre la tête de soupape et la came. Le moment du contact entre la soupape et le siège est détecté grâce à une lame fixée sur la tête de la soupape et le carter. La lame, baignant dans l'huile, est munie de jauges de contraintes. Ce système est difficile à mettre en place, à étalonner, peu résistant mécaniquement (frottements de la came) et la mesure est fortement influencée par les variations de la température.
Or, la fiabilité et la précision d'une telle mesure est tributaire des conditions de coulissement de la soupape dans son logement et, en particulier, des jeux de fonctionnement de celle-ci dans son guide.
En d'autres termes, et pour généraliser le problème, on éprouve le besoin de mesurer le déplacement rectiligne d'une pièce mécanique se déplaçant selon une direction déterminée, meme si on n'a pas accès aux extrémités de la pièce mécanique concernée.
L'invention vise à remédier à cet inconvénient.
Résumé de l'invention
Dans ce but, un premier objet principal de l'invention est un procédé de mesure du déplacement rectiligne d'une pièce le long d'un axe de translation, consistant à
- équiper la pièce d'une première surface externe très légèrement inclinée par rapport à l'axe de translation d'un angle déterminé, sur une longueur et à un endroit déterminé
- mesurer à partir d'un point fixe placé en regard de ladite surface les écarts séparant le point fixe de la surface avant et après le déplacement de la pièce ; et
- calculer la longueur de déplacement de la pièce en fonction de la différence des écarts eA1 et eAo mesurés et de l'angle d'inclinaison oA de la surface.
Dans sa mise en oeuvre la plus simple, le procédé selon l'invention utilise pour calculer la distance D de déplacement la formule suivante
D = (eA1 - eAo) tangente 0A
Dans sa mise en oeuvre principale et dans le but de réaliser une compensation des mouvements latéraux d'une pièce en translation, le procédé selon l'invention se complète des opérations suivantes
- équiper la pièce d'une deuxième surface externe très légèrement inclinée par rapport à l'axe de translation, à un endroit, par exemple, symétriquement opposé, et sur une longueur déterminée et d'une inclinaison généralement inversée par rapport à la première surface
- mesurer, à partir d'un point fixe placé en regard de la deuxième surface, les écarts eBo et e séparant le point fixe de la deuxième surface avant et après le déplacement de la pièce
- calculer la distance D de déplacement de la pièce
D =(eA-eA0)tangente 0A + (eBI - eB0)tangente 0B
2
Dans sa mise en oeuvre préférentielle, dans laquelle la pièce à mesurer est cylindrique et sa position angulaire n'est pas fixe, le procédé selon l'invention consiste en ce que les deux surfaces externes soient constituées par une unique surface externe conique de cette pièce, les deux angles d'inclinaison 0A et oB étant un unique angle e d'inclinaison de cône.
Le procédé s'applique de préférence à la mesure de la course des soupapes d'un moteur à combustion interne.
Un deuxième objet principal de l'invention est un dispositif de mesure du déplacement rectiligne d'une pièce le long d'un axe de translation, cette pièce possédant une première surface externe très légèrement inclinée par rapport à l'axe de translation d'un angle d'inclinaison déterminé, à un endroit et sur une longueur déterminés, le dispositif comprenant
- un premier capteur de distance placé en regard de la première surface de la pièce dont le déplacement est à mesurer, pour mesurer l'écart eA le séparant de la première surface de cette pièce ; et
- des moyens de calcul recevant le signal de sortie du capteur pour calculer et délivrer la longueur de déplacement de la pièce en fonction de la mesure effectuée.
Lorsque la pièce est équipée d'une deuxième surface externe légèrement inclinée, le dispositif se complète d'un deuxième capteur de distance placé et en regard de la deuxième surface externe de la pièce pour mesurer l'écart le séparant de cette deuxième surface, les moyens de calcul recevant un signal de sortie de ce deuxième capteur pour calculer et délivrer la distance
D de déplacement de la pièce en fonction des écarts mesurés, tout en réalisant une compensation différentielle du déplacement latéral de la pièce.
Dans la réalisation préférentielle du dispositif selon l'invention, le ou les capteurs sont du type inductif à courant de FOUCAULT. D'autres types de capteurs sont utilisables : LVDT, triangulation laser, etc.
Les volumes coniques évidés sur les pièces peuvent alors être rechargés par un matériau non conducteur pour conserver le guidage cylindrique de la pièce.
Le dispositif s'applique particulièrement à la mesure du déplacement d'une soupape de moteur à combustion interne, dont le diamètre avoisine 7 mm, l'angle d'inclinaison O avoisine 1,6 et le déplacement de la soupape étant de l'ordre de 12 mm.
Liste des figures
L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de six figures représentant respectivement
- figures 1A et 1B, deux étapes du procédé selon l'invention dans sa première mise en oeuvre
- figures 2A et 2B, deux étapes du procédé selon l'invention dans sa deuxième réalisation et dans deux positions différentes avec un jeu latéral
- figure 3, un cas particulier du procédé selon l'invention dans sa deuxième mise en oeuvre ; et
- figure 4, un cas particulier du procédé selon l'invention dans sa deuxième mise en oeuvre.
Description détaillée de plusieurs réalisations de l'invention
La figure 1 montre une pièce 1 montée mobile en translation par coulissement dans une pièce guide 3 le long d'un axe de déplacement A. Comme on peut le constater, une échancrure 9 a été formée dans la pièce 1. Cette échancrure possède une surface inclinée 2 et une surface d'échancrure 4. Celle-ci a été représentée verticale et perpendiculaire à la direction du déplacement rectiligne de la pièce 1 le long de l'axe A défini également par la pièce guide 3.
Ceci ntest qu'un mode de réalisation, l'orientation de la surface d'échancrure 4 n'ayant pas d'importance.
Par contre, l'angle d'inclinaison 0A par rapport à l'axe de coulissement A de la surface inclinée 2 est relativement faible. De ce fait, l'échancrure 9 peut être relativement peu profonde et sa longueur est liée au débattement à mesurer.
En regard de l'échancrure 9, est fixé un dispositif de mesure, tel qu'un capteur de distance 5 dont la position de l'extrémité de la pointe de mesure 6 est connue. En d'autres termes, on connaît, après étalonnage de l'instrumentation, l'écart séparant l'extrémité de la pointe 6 du capteur 5 de l'axe longitudinal de déplacement A, ou de la surface interne de la cavité dans laquelle est logée la pièce 1.
En référence à la figure 1B, si la pièce 1 se déplace par un coulissement rectiligne à l'intérieur de la pièce 3 le long de l'axe A, on constate que la valeur eAl de l'écart séparant l'extrémité de la pointe de mesure 6 du capteur de distance 5 à la surface inclinée 2 a augmenté. Après étalonnage de l'instrumentation, cette augmentation est rendue proportionnelle à la longueur de déplacement de la pièce 1, compte tenu du fait que l'angle d'inclinaison 0A de la surface inclinée 2 est connu. En connaissant l'écart initial eA0 séparant le capteur 5 de la surface inclinée 2 et le nouvel écart eAl séparant ces deux éléments, le déplacement de la pièce 1 est donc proportionnel à la différence entre les deux écarts mesurés eAo et eAl. Ceci se résume par la formule suivante
D = (eA1 - eAo) tangente oA.
On note que le signe de cette formule peut être inversé en fonction du sens d'inclinaison de la surface inclinée 2.
En référence aux figures 2A et 2B, dans le but d'améliorer la précision de la mesure et de s'affranchir des déplacements supplémentaires de la pièce 11 dans des directions autres que celle parallèle à l'axe A, on utilise un deuxième capteur de distance 15B, placé de préférence en face du premier capteur de distance 15A. On réalise ainsi un montage du type push-pull permettant de réaliser des mesures différentielles.
Dans le cas représenté par ces figures 2A et 2B, la pièce 11, dont le déplacement rectiligne est à mesurer, est cylindrique. Les deux surfaces inclinées placées en regard des deux capteurs de distance 15A et 15B sont donc constitués par une seule surface conique 12.
Sur la figure 2A, la pièce 11 a été représentée très près de la paroi interne supérieure 13A et éloignée de la paroi interne inférieure 13B, ceci pour symboliser le jeu subsistant entre la pièce 11 et la pièce guide 13. Le premier capteur 15A mesure l'écart eA0 séparant son extrémité 16A de la surface 12, dans une première position déterminée de la pièce 11, le long de l'axe longitudinal A. De même, le deuxième capteur de distance 15B mesure l'écart eBo séparant son extrémité 16B de la surface conique 12 de la pièce 11.
Dans le cas de l'application à la mesure du déplacement des soupapes de moteurs à explosion, il s' avère préférable de préserver à la pièce 11 un guidage maximal. Dans ce but, la partie droite de celle-ci reprend le diamètre fonctionnel de coulissement. De plus, et comme représenté en traits fins, on peut combler le volume conique évidé par un matériau transparent aux radiations émises par les capteurs 15A et 15B.
On précise également qu'il est préférable de prolonger légèrement l'évidement de part et d'autre du cône pour éviter les effets de bord, lors des mesures.
La figure 2B représente les mêmes éléments, la pièce 11 s'étant déplacée vers la gauche et latéralement dans la pièce guide 13. Le jeu a d'ailleurs changé de place par rapport à la figure 2A.
Le premier capteur de distance 15A mesure un nouvel écart eAl séparant son extrémité 16A de la surface conique 12 et le deuxième capteur de distance 15B mesure un nouvel écart eB1 séparant son extrémité 16B de la même surface conique 12.
En mesurant, dans un même instant et pour une même position donnée de la pièce 11, deux distances séparant deux capteurs différents 15A et 15B de la surface inclinée 12, en regard de laquelle ils sont placés, on s'affranchit du jeu subsistant entre cette pièce 11 et la pièce guide 13. En effet, celui-ci peut changer de place, c'est-à-dire que la pièce 11 peut bouger plus ou moins perpendiculairement à l'axe A, sans que la précision de la mesure soit affectée.
L'explication vient du fait que l'on mesure en fait le diamètre de la cavité dans laquelle coulisse la pièce 11, diminué du diamètre de cette même pièce 11 à l'endroit où est effectuée la mesure.
La distance D de déplacement de la pièce 11 le long de l'axe A pourra être exprimée au moyen de la formule suivante
D= (eAt + eBI - eAO - eBO) tangente 0
2
Cette dernière formule est valable pour le cas d'une pièce conique décrit par les figures 2A et 2B. On comprend ainsi que, dans ce cas d'une pièce cylindrique, on évite que la mesure ne soit perturbée par des rotations éventuelles de la pièce 11, du fait que la surface 12 est une surface conique unique.
Si la pièce n' est pas conique et possède deux surfaces d'angles d'inclinaison différents 6A et oBr la formule devient D = (eA1 - eAO) tangente #A + (eB1 - eB0) tangente #B
2
La sommation des signaux instantanés eA1 + eB1, eA0 + eB0, issus des deux capteurs 15A et 15B, dont les positions sont symétriquement opposées par rapport à l'axe A de translation de la pièce 11, permet de réaliser une compensation différentielle de l'effet des déplacements latéraux sur la mesure de la translation de la pièce.
La longueur des cônes usinés sur des pièces cylindriques est liée au déplacement maximum à mesurer sur la pièce.
L'angle du cône est généralement lié à
- la tenue mécanique de la pièce après réduction de son diamètre
- aux caractéristiques des capteurs utilisés pour la mesure (taille, plage de mesure, précision).
La figure 3 montre de manière succincte la position des deux capteurs de distance 15A et 15B, placés l'un en face de l'autre, de part et d'autre de la surface conique 12 de la pièce 11 dont le déplacement rectiligne le long de l'axe A est à mesurer. Le dispositif se complète de moyens de calcul 30 recevant des signaux de mesure mA0, mAl, 0, mB1 issus des capteurs de distance 15A et 15B. Ces signaux sont proportionnels aux écarts mesurés, un coefficient K (issu de l'étalonnage) caractéristique des capteurs étant utilisé
mi = K . ei.
En référence à la figure 4, la pièce 21 dont le déplacement est à mesurer est de section parallélépipédique. Dans ce cas, les capteurs de distance 25A et 25B sont placés en regard de deux surfaces différentes respectives 22A et 22B. Ces deux surfaces 22A et 22B sont planes et inclinées chacune d'un angle respectif 0A et 03.
Dans ce cas de figure, on s'affranchit des déplacements de la pièce 21 dans sa pièce guide, non représentée, perpendiculaires à l'axe de déplacement A et perpendiculaires à l'axe défini par les mesures. La distance mesurée D s'exprime dans ce cas par la formule suivante
D =(eA-eA0)tangente oA + (eBl - e,,) tangente 03
2 qui devient pour les moyens de calcul 30
D = K[(mAI- mA0)tangente #A + (mB1 - mBO) tangente#B]
2
OÙ 0A et O3 sont les deux angles d'inclinaison des deux surfaces 22A et 22B. Bien entendu, le calcul se simplifie lorsque les angles d'inclinaison 0A et 0B sont égaux.
On fait remarquer que la forme conique n'est pas la seule à pouvoir être utilisée. D'autres formes définies par une pente continue, c'est-à-dire une réduction continue de diamètre, peuvent être utilisées, l'étalonnage pouvant faire la correspondance entre les mesures et la géométrie de la pièce.
Avantages de l'invention
L'invention présente plusieurs avantages qui sont les suivants.
Dans de nombreux cas de pièces mécaniques en mouvement axial, l'accès aux extrémités de la pièce en question est souvent contraignant, voire impossible.
C'est le cas des soupapes d'admission et d'échappement des moteurs à explosion. L'invention peut s'appliquer de manière très avantageuse à de tels cas.
Le choix de ses capteurs de distance, par exemple, du type inductif à courants de FOUCAULT, fonctionnant à distance, permet d'effectuer la mesure sans influer sur la finesse de celle-ci (frottements, inertie).
Il est ainsi possible de mesurer de grands déplacements avec des capteurs de faible dimension. On peut également utiliser d'autres types de capteurs, par exemple, LVDT, optiques utilisant la triangulation par laser.
Le fait d'effectuer une double mesure du type différentiel permet d'éliminer les mouvements liés aux jeux, ou à la rotation de la pièce dont le déplacement est à mesurer.
Selon la sensibilité des capteurs choisis, l'usinage de la pièce peut être effectué avec un angle d'inclinaison des surfaces très faible, ce qui évite de trop modifier les caractéristiques mécaniques de la pièce.
L'invention permet aussi l'utilisation de capteurs miniatures de mesure de déplacement lorsque celui-ci est important. Cette invention permet d'adapter la longueur à mesurer à la métrologie utilisée.
Application à la mesure du déplacement des soupapes d'un moteur à explosion
Une application préférentielle est prévue pour mesurer le déplacement effectif des soupapes d'admission et d'échappement d'un moteur à explosion, en vue d'étudier le fonctionnement du moteur et d'améliorer le rendement de ce dernier.
Les soupapes ont un diamètre initial de 7 mm et l'angle d'inclinaison de la surface conique usinée est de l'ordre de 1,6 . Le jeu latéral de montage de la soupape dans son guide est de l'ordre de 0,02 à 0,06 mm. Le déplacement dont la distance à mesurer va de 0 à 12 mm. La précision obtenue est de l'ordre de 5 centièmes de mm.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure du déplacement rectiligne d'une pièce (1, 11, 21) le long d'un axe de translation (A), consistant à
- équiper la pièce (1, 11, 21) d'une première surface externe (2, 12, 22A) très légèrement inclinée d'un premier angle (e, e > par rapport à l'axe de translation (A) à un endroit, à une longueur et d'un angle déterminés ;
- mesurer à partir d'un point fixe placé en regard de ladite première surface (2, 12, 22A) les écarts (eAo et eAl) séparant le point fixe de cette première surface (2, 12, 22A) avant et après le déplacement de la pièce (1, 11, 21) ; et
- calculer la longueur (D) du déplacement de la pièce (1, 11, 21), en fonction de la différence des écarts mesurés (eu0, eAl) et l'inclinaison (BA, 0) de la première surface (2, 12, 22A).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calcul se fait au moyen de la formule suivante
D = (eAl - eA0) . tangente oA.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à
- équiper la pièce (1, 11, 21) d'une deuxième surface externe (12, 22B) très légèrement inclinée d'un deuxième angle (0) par rapport à l'axe de translation (A) à un endroit et sur une longueur déterminés de la pièce (1, 11, 21), l'angle d'inclinaison (OB) de cette deuxième surface (12, 22B) étant inversé par rapport à l'inclinaison de la première surface (12, 22A) ;
- mesurer à partir d'un point fixe placé en regard de la deuxième surface (12, 22B) les écarts (eu0, esl) séparant le point fixe de la deuxième surface (12, 22B) avant et après le déplacement de la pièce (1, 11, 21) ; et
- calculer la distance (D) du déplacement de la pièce (1, 11, 21) à l'aide de la formule suivante
D (eA-eA0)tangente 0A + (eBI - eBO) tangente e
2 où eA1 et eAo sont les écarts mesurés sur la première surface.
4. Procédé selon la revendication 3, la pièce se déplaçant (11) étant cylindrique, caractérisé en ce que les deux surfaces sont constituées par une unique surface conique (12).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' il est appliqué à la mesure de la course des soupapes d'un moteur à explosion.
6. Dispositif de mesure du déplacement rectiligne d'une pièce (1, 11, 21) le long d'un axe de translation (A), la pièce (1, 11, 21) étant équipée d'une première surface (2, 12, 22A) très légèrement inclinée par rapport à l'axe de translation (A) d'un angle déterminé (0A) t à un endroit et sur une longueur déterminée, le dispositif comportant
- un premier capteur (5, 15A, 25A) placé en regard de ladite première surface (2, 12, 22A) de la pièce (1, 11, 21) dont le déplacement est à mesurer, pour mesurer les écarts (ego, eA1) séparant ce premier capteur (5, 15, 15A, 25A) de ladite première surface (2, 12, 22A) de la pièce ; et
- des moyens de calcul (30) recevant le signal de sortie (mA) du premier capteur (5, 15A, 25A) pour calculer la longueur (D) du déplacement de la pièce (1, 11, 21) en fonction des deux écarts mesurés avant et après le déplacement de la pièce.
7. Dispositif selon la revendication 6, la pièce possédant une deuxième surface externe (12, 22B) très légèrement inclinée d'un angle déterminé (OB) par rapport à l'axe de translation (A) à un endroit et sur une longueur déterminés, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième capteur de distance (15B, 25B) placé en regard de la deuxième surface (12, 22B) pour déterminer les écarts (eu0, eB1) séparant ce deuxième capteur (15B, 25B) de la deuxième surface (12, 22B), les moyens de calcul (30) recevant un signal de sortie (mB) du deuxième capteur (15B, 25B) pour calculer la distance (D) du déplacement la pièce (11, 21) en fonction des deux écarts (eu0, ei, eBo, eB1) mesurés avant et après le déplacement de la pièce.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le ou les capteurs (5, 15A, 15B, 25A, 25B) est ou sont du type inductif à courant de FOUCAULT.
9. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le ou les évidements créés par le ou les deux surfaces externes (2, 12, 22A, 22B) sont comblés avec un matériau transparent aux radiations du ou des capteurs (5, 15A, 25A, 15B, 25B).
10. Dispositif selon la revendication 7, implanté sur un moteur à combustion interne pour mesurer le déplacement d'une soupape du moteur.
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