FR3039897A1 - Ensemble de mesure de deplacement d'un organe tournant - Google Patents

Abstract

Ensemble de mesure (1) de déplacement d'un organe tournant (2) autour d'un axe longitudinal (X) incliné par rapport à une direction verticale de gravité (Z), comprenant un codeur (3) avec un élément codant (7), un capteur (4) avec un élément sensible (8) pour délivrer un signal de mesure fonction d'un déplacement de l'élément codant (7). L'un, parmi le codeur (3) et le capteur (4), est monté de façon fixe et solidaire en rotation sur l'organe tournant (2). L'ensemble de mesure comporte des moyens de liaison (5) à l'organe tournant, l'autre, parmi le codeur (3) et le capteur (4), étant monté sur l'organe tournant (2) par l'intermédiaire des moyens de liaison (5) de sorte à être libre de pivoter autour de l'axe longitudinal (X). Ce pivotement autour de l'axe longitudinal (X) est limité par un écartement de l'axe longitudinal (X) d'un centre de gravité (C) de l'ensemble de mesure (1).

Description

Ensemble de mesure de déplacement d’un organe tournant L’invention concerne le domaine de la mesure du déplacement d’un organe tournant et notamment de la mesure du déplacement d’un organe tournant à des fins de diagnostic embarqué de l’état d’usure d’un ensemble mécanique comportant l’organe tournant. L’invention peut par exemple être mise en œuvre pour diagnostiquer l’état d’usure d’un ensemble mécanique comprenant ou associé à un palier, un moyeu ou un essieu de roue, une transmission, un freinage, une boîte de vitesses, un motoréducteur, un variateur de vitesse, un démarreur, une turbine, un embrayage, un automate de contrôle commande, ou encore une éolienne ou une machine-outil cette liste étant indicative et nullement limitative. L’invention peut notamment être mise en œuvre dans le contexte d’un moyeu de roue d’un véhicule pour la détection d’un défaut structurel d’un palier de guidage en rotation d’un moyeu.

On connaît des procédés et ensembles de mesure permettant la détection de défaut structurel pour des ensembles mécaniques comportant des organes tournants, par exemple décrits dans les documents FR-A-2 944 875 ou encore FR-A-2 993 049. Pour cela, un tel ensemble de mesure comporte usuellement un codeur monté sur l’organe tournant et un capteur solidaire d’un support fixe et placé en regard du codeur pour mesurer la vitesse instantanée de rotation de l’organe tournant. Une fois la vitesse instantanée mesurée, on traite ladite mesure de vitesse de sorte à déduire l’apparition d’un défaut (c’est-à-dire une modification) de l’état structurel de l’organe tournant, par exemple par une surveillance d’une ou plusieurs fréquences caractéristiques du spectre.

On connaît par ailleurs du document FR2992935, des procédés et systèmes de diagnostic de l’état structurel d’organes tournants comportant une pluralité de tels ensembles de mesure de déplacements, montés sur des organes tournants d’un engin à roues comme par exemple un train ou un camion et permettant de diagnostiquer en continu l’état des organes tournant de l’engin à roue pour prédire une défaillance éventuelle.

De tels ensembles et systèmes offrent pleine satisfaction pour la surveillance de l’état structurel des organes tournants. Cependant de tels ensembles nécessitent de prévoir en amont de la conception, l’intégration de l’ensemble de mesure dans l’ensemble mécanique accueillant l’organe tournant, notamment de sorte à garantir des emplacements adéquats pour la fixation des capteurs et codeurs, et à loger l’ensemble de mesure au sein de l’ensemble mécanique.

Ainsi, il existe un besoin pour un ensemble de mesure de déplacement qui soit facilement montable sur un organe tournant, même lorsque ledit organe tournant n’a pas été spécifiquement conçu pour accueillir ledit ensemble de mesure, qui soit aisément adaptable à différentes configurations d’organe tournant, qui permette une détection de défaillance de roulement basée sur la vitesse simple et économique à installer sur un ensemble mécanique et qui permette le diagnostic de l’état structurel d’une pluralité d’organes tournants d’un ensemble mécanique. A cet effet, l’invention a pour premier objet un ensemble de mesure de déplacement d’un organe tournant s’étendant selon un axe longitudinal incliné par rapport à une direction verticale de gravité, ledit organe tournant étant mobile en rotation autour dudit axe longitudinal dans un référentiel comprenant ledit axe longitudinal et la direction verticale de gravité, l’ensemble de mesure comprenant : un codeur comportant une piste codante munie d’au moins un élément codant, un capteur comportant au moins un élément sensible apte à délivrer un signal de mesure en fonction d’un déplacement dudit au moins un élément codant, placé en regard et à distance de lecture de l’élément sensible, l’un, parmi le codeur et le capteur, étant apte à être monté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant. L’ensemble de mesure est caractérisé en ce qu’il comporte en outre des moyens de liaison à l’organe tournant, en ce que l’autre, parmi le codeur et le capteur, est apte à être monté sur l’organe tournant par l’intermédiaire des moyens de liaison de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal de l’organe tournant, et en ce qu’un pivotement autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le codeur et le capteur, est limité par un écartement de l’axe longitudinal de l’organe tournant d’un centre de gravité de l’ensemble de mesure.

Selon une réalisation, le codeur est apte à être monté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant, et le capteur est monté sur l’organe tournant par l’intermédiaire des moyens de liaison de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal de l’organe tournant.

Selon une réalisation, une distance du centre de gravité de l’ensemble de mesure à l’axe longitudinal de l’organe tournant, mesurée perpendiculairement à l’axe longitudinal, et une résistance des moyens de liaison lors d’un pivotement autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le codeur et le capteur, par rapport à l’organe tournant, sont conçus de sorte à ce que, lorsque l’organe tournant est en rotation autour de l’axe longitudinal dans le référentiel, ledit autre, parmi le codeur et le capteur, présente une vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal dans le référentiel inférieure à une vitesse seuil, et préférentiellement, ledit autre, parmi le codeur et le capteur, parcourt une circonférence inférieure à un tour complet autour de l’axe longitudinal dans le référentiel.

Selon une réalisation, les moyens de liaison comportent au moins un palier, notamment un palier à contact de roulement c'est à dire une unité de roulement apte à être montée sur l’organe tournant, d’une part, et à être solidarisée audit autre, parmi le codeur et le capteur, d’autre part, de sorte à laisser ledit autre, parmi le codeur et le capteur, mobile en rotation autour de l’axe longitudinal par rapport audit organe tournant.

Selon une réalisation, l’ensemble de mesure comprend en outre un boîtier muni d’une cavité dans laquelle sont logé le codeur et le capteur, le boîtier comportant au moins une ouverture d’entrée par laquelle l’organe tournant est apte à pénétrer dans la cavité.

Selon une réalisation, l’unité de roulement est logée à l’intérieur de la cavité et l’unité de roulement comporte une première portion fixe et solidaire du boîtier, notamment une bague extérieure de l’unité de roulement, et une deuxième portion apte à être montée sur l’organe tournant en laissant le boîtier mobile en rotation autour de l’axe longitudinal par rapport à l’organe tournant, notamment une bague intérieure de l’unité de roulement.

Selon une réalisation, l’ensemble de mesure comporte en outre des moyens d’alimentation en énergie électrique de l’élément sensible, et lesdits moyens d’alimentation en énergie électrique sont disposés par rapport aux moyens de liaison de sorte à écarter le centre de gravité de l’ensemble de mesure de l’axe longitudinal de l’organe tournant, le cas échéant disposés dans la cavité du boîtier.

Selon une réalisation, l’un parmi l’élément codant et l’élément sensible émet un champ magnétique, l’élément sensible étant apte à délivrer un signal de mesure fonction d’une variation dudit champ magnétique.

Selon une réalisation, la piste codante est une piste magnétique multipolaire.

Selon une réalisation, l’élément codant est un élément optique présentant au moins une propriété optique variable circonférentiellement autour de l’axe longitudinal, en particulier une réflectance variable autour de l’axe longitudinal, et l’élément sensible est apte à délivrer un signal de mesure fonction de ladite variation de propriété optique.

Selon une réalisation, l’ensemble de mesure comprend en outre un circuit de traitement du signal de mesure relié au capteur et adapté pour traiter le signal de mesure de l’élément sensible, le circuit de traitement étant, le cas échéant, logé dans le boîtier.

Selon une réalisation, ledit ensemble de mesure est conçu pour être monté uniquement sur l’organe tournant, et être en contact uniquement avec ledit organe tournant. L’invention a pour deuxième objet un sous-ensemble de capteur de déplacement d’un organe tournant, spécialement destinée à faire partie d’un ensemble de mesure tel que décrit ci-avant, ledit organe tournant s’étendant selon un axe longitudinal incliné par rapport à une direction verticale de gravité, ledit organe tournant étant mobile en rotation autour dudit axe longitudinal dans un référentiel comprenant ledit axe longitudinal et la direction verticale de gravité, ledit sous-ensemble de capteur comportant un capteur muni d’au moins un élément sensible apte à délivrer un signal de mesure en fonction d’un déplacement d’un élément codant placé en regard et à distance de lecture de l’élément sensible.

Le sous-ensemble de capteur est caractérisé en ce qu’il comporte en outre des moyens de liaison à l’organe tournant, en ce que le capteur est apte à être monté sur l’organe tournant par l’intermédiaire des moyens de liaison de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal de l’organe tournant, et en ce qu’un pivotement autour de l’axe longitudinal du capteur est limité par un écartement de l’axe longitudinal de l’organe tournant d’un centre de gravité du sous-ensemble de capteur. L’invention a pour troisième objet un procédé de détection d’un défaut structurel d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, le procédé comportant les étapes - d'obtenir un signal de mesure au moyen d’un ensemble de mesure de déplacement d’un organe tournant tel que décrit ci-avant dans lequel l’un, parmi le codeur et le capteur de l’ensemble de mesure, étant monté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant, ledit signal de mesure étant représentatif d’une vitesse instantanée de déplacement du capteur par rapport au codeur, - de déterminer un signal de vitesse moyenne à partir du signal de mesure, formé par les composantes basse fréquence du signal de mesure, inférieures à une fréquence de coupure prédéfinie, lesdites composantes basse fréquence étant représentatives d’une vitesse angulaire moyenne de rotation autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le capteur et le codeur dans le référentiel, - déterminer un signal normé à partir du signal de mesure et du signal de vitesse moyenne, en divisant le signal de mesure par le signal de vitesse moyenne, - de surveiller au moins une amplitude d’un spectre du signal normé, ladite amplitude correspondant à une fréquence caractéristique de l’apparition d’un défaut sur un tour de rotation de l’organe tournant, ladite fréquence caractéristique étant supérieure à ladite fréquence de coupure, de sorte à en déduire l’apparition d’un défaut structurel de l’ensemble mécanique.

Selon une réalisation, on réalise en outre une mesure périodique d’une vitesse de rotation de l’organe tournant, et on compare ladite vitesse de rotation de l’organe tournant avec une vitesse seuil de détection de défaut pour mettre à jour un indicateur de validité de surveillance de défaut structurel.

Ci-après, un exposé de l’invention telle que caractérisée dans les revendications.

On décrit maintenant brièvement les figures des dessins.

La figure 1 est un schéma correspondant à une coupe longitudinale d’un ensemble de mesure selon un mode de réalisation de l’invention et d’un sous-ensemble de capteur selon un mode de réalisation, dans lequel le codeur est fixe et solidaire de l’organe tournant et le capteur est monté sur l’organe tournant par l’intermédiaire des moyens de liaison.

La figure 2 est une coupe transversale de l’ensemble de mesure et du sous-ensemble de capteur de la figure 1 illustrant la position des centres de gravité de l’ensemble de mesure, du codeur et du sous-ensemble de capteur.

La figure 3 est un organigramme schématique d’un procédé de détection d’un défaut structurel d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant selon un mode de réalisation de l’invention.

Ci-après un exposé détaillé de plusieurs modes de réalisation de l’invention assorti d’exemples et de référence aux dessins.

La figure 1 illustre un mode de réalisation d’un ensemble de mesure 1 de déplacement d’un organe tournant 2. L’organe tournant 2 peut notamment appartenir à un ensemble mécanique de plus grande dimension, par exemple un engin mobile, tel qu’un engin à roues comme un train ou un véhicule automobile, ou encore un engin fixe, tel qu’une turbine, un embrayage, un automate de contrôle commande ou encore une éolienne ou une machine-outil. Cette liste étant bien évidemment fournie à titre purement indicatif et non-limitatif. L’organe tournant 2 est au moins mobile en rotation autour d’un axe longitudinal X incliné par rapport à une direction verticale de gravité Z.

Par « direction verticale de gravité », on entend une direction verticale absolue qui est définie à un endroit donné par la force de gravité terrestre.

On définit ainsi un référentiel R comprenant l’axe longitudinal X et la direction verticale de gravité Z, ainsi qu’un axe transversale Y, perpendiculaire à l’axe longitudinal X et la direction verticale de gravité Z. Le référentiel R est ainsi par exemple un référentiel terrestre, dont la direction verticale de gravité Z est liée au globe terrestre et dont l’axe longitudinal X et l’axe transversale Y sont orientés par l’organe tournant 2.

Dans une application de l’invention indicative, l’organe tournant 2 est par exemple un moyeu de roue d’un engin à roue et l’axe longitudinal X est alors un axe appartenant à un plan horizontal d’une surface de sol sur laquelle se déplace l’engin à roue. L’axe longitudinal X est alors sensiblement perpendiculaire à la direction verticale de gravité Z dans des conditions usuelles de déplacement de l’engin à roue. Le référentiel R est alors sensiblement orthogonal et orienté par la direction verticale de la gravité Z, d’une part, et la direction longitudinale X de l’organe tournant 2 dans le plan horizontal de la surface de sol, d’autre part.

Dans le référentiel R, l’organe tournant 2 est ainsi apte à tourner autour de l’axe longitudinal X avec une vitesse de rotation angulaire variable. Lorsque l’organe tournant 2 appartient ou est fixé à un moyeu de roue d’un engin mobile, la vitesse de rotation angulaire de l’organe tournant 2 autour de l’axe longitudinal X est notamment liée à la vitesse de déplacement de l’engin mobile.

En ce qui concerne les éléments décrits par référence à l’organe tournant 2, le terme « axial » se réfère à ce qui s’étend selon l’axe longitudinal X. Le terme « transversal » se réfère conventionnellement à ce qui est sensiblement perpendiculaire (y compris perpendiculaire) à l’axe longitudinal X. « Circonférentiel » se rapporte à ce qui entoure l’axe longitudinal X.

Il est à noter que l’axe longitudinal ne correspond ainsi pas forcément à la plus grande dimension d’extension de l’organe tournant 2 ou de l’ensemble de mesure 1, mais s’entend notamment comme un axe de rotation de l’organe tournant 2 sur lui-même. L’ensemble de mesure 1 comprend un codeur 3 et un capteur 4. L’ensemble de mesure 1 comprend également des moyens de liaison 5 à l’organe tournant 2.

Le codeur 3 comporte une piste codante 6 qui est munie d’au moins un élément codant 7.

Le capteur 4 comporte quant à lui au moins un élément sensible 8. L’élément sensible 8 est apte à délivrer un signal de mesure S en fonction d’un déplacement de l’élément codant 7 placé en regard de l’élément sensible 8. Le capteur 4 est disposé de sorte à être placé en regard et à distance de lecture de l’élément codant 7 du codeur 3.

Le signal de mesure S peut être traité par un procédé décrit ci-après et fondé notamment sur les principes généraux décrits dans les documents FR-A-2 944 875 et FR-A-2 993 049.

Un premier de ces principes est que l’on peut détecter un défaut structurel d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, moyennant une analyse préalable d'identification d'une fréquence caractéristique de l'apparition du défaut sur un tour de rotation de l’organe tournant et les étapes itératives consistant à : - mesurer la vitesse instantanée de rotation de l'organe tournant, - échantillonner angulairement la mesure pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la vitesse instantanée de rotation de l'organe tournant, - procéder à une analyse harmonique spatiale du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la vitesse instantanée de rotation de l'organe tournant, par exemple par transformée de Fourier spatiale du signal échantillonné, - surveiller l'amplitude du spectre pour la fréquence caractéristique.

Ainsi, en fonction de ladite amplitude, on peut en déduire l'apparition du défaut correspondant, par exemple parce que l'amplitude du spectre est supérieure à un seuil. On peut en outre quantifier le défaut en fonction de l'amplitude et/ou de la forme du spectre pour la fréquence caractéristique.

Un tel procédé est connu du document FR-A-2 944 875.

Avantageusement, la vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal de l’organe tournant 2, dans le référentiel R, peut être supérieure à une vitesse seuil de détection de défaut de l’organe tournant 2, autour de l’axe longitudinal X dans le référentiel R. De cette manière, le rapport signal sur bruit du spectre pour l'amplitude correspondant à la fréquence caractéristique d’apparition du défaut est suffisamment élevé pour que la surveillance soit fiable. L'analyse préalable peut être réalisée moyennant une étude géométrique de l'ensemble mécanique, en particulier à partir des relations cinématiques entre les différents composants mécaniques de l’ensemble, de sorte à localiser une fréquence identifiant chacun des défauts structurels susceptibles de se produire. Par exemple, pour une unité de roulement, l'identification de la fréquence caractéristique d'un défaut peut être réalisée par calcul de la fréquence de passage d'un corps roulant sur ledit défaut. Ainsi, la fréquence caractéristique peut correspondre à une estimation du nombre de fois par tour qu'un corps roulant passe sur le défaut.

Par ailleurs, un second de ces principes, qui est appliqué optionnellement dans la présente invention, est que l’on peut différencier l’organe cinématique rotatif à diagnostiquer et l’organe cinématique rotatif pour la mesure et la collecte car un défaut impacte la vitesse instantanée avec une fréquence différente selon l’organe de la chaîne cinématique où se produit ce défaut. C’est pourquoi il est possible que l’organe cinématique rotatif à diagnostiquer soit autre que l’organe cinématique rotatif pour la mesure et la collecte, comme il a été indiqué.

Un tel principe est détaillé du document FR-A-2 993 049.

La piste codante 6 peut être munie d’une pluralité d’éléments codants 7. Le capteur 4 est apte à mesurer un signal qui est fonction de la pluralité d’éléments codants 7.

Dans un premier mode de réalisation de l’invention, l’un parmi l’élément codant 7 et l’élément sensible 8 émet un champ magnétique et le capteur 4 est apte à mesurer une variation dudit champ magnétique. Ainsi par exemple, la piste codante 6 peut être une piste magnétique multipolaire. Les éléments codants 7 sont par exemple des pôles magnétiques, par exemple des pôles magnétiques Nord et/ou des pôles magnétiques Sud. Les éléments codants 7 peuvent en particulier être juxtaposés selon une courbe circonférentielle autour de l’axe longitudinal X. Les éléments codants 7 sont alors alignés sur une courbe. L’élément sensible 8 peut alors être une sonde sensible au champ magnétique, par exemple une sonde à effet Hall, une magnétorésistance ou une magnétorésistance géante. Le capteur 4 peut encore comporter plusieurs éléments sensibles, par exemple au moins deux éléments sensibles alignés, par exemple tels que décrits dans le document FR 2 792 403.

Dans un deuxième mode de réalisation de l’invention, l’élément codant 7 est un élément optique présentant au moins une propriété optique variable autour de l’axe longitudinal X. La propriété optique variable est par exemple une réflectance variable autour de l’axe longitudinal X. Le capteur 4 est alors un capteur optique, par exemple à diode, apte à mesurer ladite variation de propriété optique. L’un, parmi le codeur 3 et le capteur 4, est porté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant 2. L’autre, parmi le codeur 3 et le capteur 4, est monté sur l’organe tournant par l’intermédiaire des moyens de liaison de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal de l’organe tournant.

Pour cela, ledit autre, parmi le codeur 3 et le capteur 4, est solidaire des moyens de liaison 5 à l’organe tournant 2, lesdits moyens de liaison 5 à l’organe tournant étant conçus pour monter ledit autre, parmi le codeur 3 et le capteur 4, sur l’organe tournant 2 en laissant ledit autre, parmi le codeur 3 et le capteur 4, mobile en rotation autour de l’axe longitudinal X par rapport à l’organe tournant 2.

Ainsi, dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, le codeur 3 est porté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant 2 tandis que le capteur 4 est monté sur l’organe tournant par l’intermédiaire des moyens de liaison de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal de l’organe tournant.

Le capteur 4 est ainsi, par exemple, solidaire des moyens de liaison 5 à l’organe tournant 2, lesdits moyens de liaison 5 étant adaptés pour monter le capteur 4 sur l’organe tournant 2 en laissant le capteur 4 mobile en rotation autour de l’axe longitudinal X par rapport à l’organe tournant 2.

Dans ce mode de réalisation, le capteur 4 et les moyens de liaison 5 forment un sous-ensemble de capteur 17, notamment mobile autour de l’organe tournant 2, tandis que le codeur 3 est fixe par rapport à l’organe tournant 2.

Dans un mode de réalisation alternatif, le capteur 4 est porté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant 2 tandis que le codeur 3 est monté sur l’organe tournant par l’intermédiaire des moyens de liaison 5 de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal X de l’organe tournant.

De cette manière, on comprend que l’ensemble de mesure 1 est conçu pour être monté uniquement sur l’organe tournant 2, et être en contact uniquement avec ledit organe tournant 2. De cette manière, le montage de l’ensemble de mesure 1 est facilité puisque ledit montage est réalisé uniquement sur l’organe tournant 2 et ne nécessite pas d’intervention sur d’autres parties de l’ensemble mécanique accueillant l’organe tournant 2.

Dans un exemple de réalisation de l’invention, les moyens de liaison 5 à l’organe tournant comportent par exemple au moins un palier, notamment un palier à contact de roulement dit unité de roulement 9. L’unité de roulement 9 est montée directement ou indirectement sur l’organe tournant 2, d’une part, et solidarisée au capteur 4, d’autre part, de sorte à laisser le capteur 4 mobile en rotation autour de l’axe longitudinal X par rapport à l’organe tournant 2. L’unité de roulement 9 comporte une partie rotative 10 par rapport à une partie fixe 11, typiquement, au moins, une bague interne 10 et une bague externe 11, les deux bagues étant coaxiales et espacées radialement, et une pluralité de corps roulants 12 interposés entre les deux bagues et coopérant avec des chemins de roulement ménagés sur celles-ci, moyennant par exemple une cage de roulement.

Dans le contexte de l’invention on entend par « une partie rotative par rapport à une partie fixe », que lesdites parties sont en rotation relative l’une par rapport à l’autre. En particulier, le terme « fixe » de l’expression « partie fixe » doit être compris comme permettant d’identifier une partie parmi lesdites deux parties du roulement en rotation relative et n’est pas limitatif quant au mouvement possible de la « partie fixe » par rapport à d’autres éléments que la « partie rotative », en particulier d’autres éléments de l’unité de roulement ou de l’ensemble mécanique sur lequel est implantée l’unité de roulement 9.

Dans l’exemple des figures 1 et 2, l’unité de roulement 9 s’étend sensiblement selon l’axe longitudinal X de l’organe tournant 2. La partie rotative 10, par exemple constituée par la bague interne 10, est monté fixe et solidaire de l’organe tournant 2, tandis que la partie fixe 11, par exemple constituée par la bague externe 11, est solidaire du capteur 4.

Pour cela, l’ensemble de mesure 1 comporte en outre un boitier 13. Le boitier 13 est muni d’une cavité 14 dans laquelle sont logé au moins le codeur 3 et le capteur 4.

Le boitier 13 comporte au moins une ouverture d’entrée 15 d’un organe tournant par laquelle l’organe tournant 2 pénètre dans la cavité 14.

Plus précisément, le capteur 4 est tout d’abord fixe et solidaire du boitier 13. En outre, les moyens de liaisons 5 à l’organe tournant 2 comportent une première portion 11 fixe et solidaire du boitier 13 d’une part et une deuxième portion 10 apte à être montée sur l’organe tournant 2 en laissant le boitier 13 mobile en rotation autour de l’axe longitudinal X par rapport à l’organe tournant 2.

Dans l’exemple de la figure 1, dans lequel les moyens de liaisons 5 comportent une unité de roulement 9, la première portion 11 fixe et solidaire du boitier 13 des moyens de liaisons 5 peut comprendre la partie fixe 11 de l’unité de roulement 9, par exemple constituée par la bague externe 11. La deuxième portion 10 apte à être montée sur l’organe tournant 2 en laissant le boitier 13 mobile en rotation peut comprendre la partie rotative 10 de l’unité de roulement 9, par exemple constituée par la bague interne 10.

Comme illustré sur la figure 1, les moyens de liaisons 5 peuvent comporter plusieurs unités de roulement 9, disposées dans le boitier 13 le long de l’organe tournant 2 pour stabiliser ledit boitier 13 sur l’organe tournant 2. Par ailleurs, le boitier 13 peut également comporter une ouverture de sortie de l’organe tournant par laquelle l’organe tournant 2 émerge de la cavité 14 à l’opposé de l’ouverture d’entrée 15.

Par ailleurs, l’ensemble de mesure 1 est arrangé pour présenter un centre de gravité C écarté de l’axe longitudinal X. Ledit centre de gravité C est écarté de l’axe longitudinal de sorte à limiter un pivotement autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le codeur et le capteur, par exemple du capteur 4.

Du fait de l’écartement du centre de gravité C de l’axe longitudinal, la rotation libre dudit autre par rapport à l’axe longitudinale est limitée par le moment de la force de gravité et ledit autre, parmi le codeur et le capteur, tend à rester sensiblement en dessous de l’axe longitudinal selon la direction verticale de gravité Z.et à voir sa rotation ralentie par l'effet du dit moment.

On notera qu’avantageusement, le centre de gravité C’ de l’un, parmi le codeur 3 et le capteur 4, qui est monté fixe et solidaire en rotation de l’organe tournant 2 est sensiblement conçu pour être centré avec l’axe longitudinal X, de sorte à limiter les vibrations parasites dans l’organe tournant 2. Ainsi, l’écartement du centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1 de l’axe longitudinal X correspond donc à un écartement du centre de gravité C” de l’autre, parmi le codeur et le capteur, de l’axe longitudinal X.

Dans la présente description, lorsque l’on parle de l’écartement du centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1 de l’axe longitudinal X, on peut ainsi, de manière similaire et identique, parler de l’écartement du centre de gravité C” de l’autre, parmi le codeur et le capteur, de l’axe longitudinal X.

Plus précisément, le centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1 est tel que, celui, parmi le codeur 3 et le capteur 4, qui est monté solidaire des moyens de liaisons 5, présente une vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal X inférieure à une vitesse seuil lorsque l’organe tournant 2 est en rotation autour de l’axe longitudinal X incliné par rapport à la direction verticale de gravité Z. A cette fin, d’une part, la distance du centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1 à l’axe longitudinal X de l’organe tournant 2, mesurée perpendiculairement à l’axe longitudinal X, et d’autre part, la résistance des moyens de liaison 5 à l’organe tournant lors d’un pivotement autour de l’axe longitudinal X dudit autre, parmi le codeur 3 et le capteur 4, par rapport à l’organe tournant 2 sont conçus pour limiter le pivotement dudit autre, parmi le codeur 3 et le capteur 4, autour de l’axe longitudinal X.

Par « la résistance des moyens de liaison à l’organe tournant lors d’un pivotement », on entend les frottements lors dudit pivotement, par exemple les frottements à l’endroit des corps roulants 12 d’une unité de roulement 9.

Ainsi, la résistance des moyens de liaison 5 à l’organe tournant lors d’un pivotement autour de l’axe longitudinal X est avantageusement la plus faible possible. De manière similaire, la distance du centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1 à l’axe longitudinal X de l’organe tournant 2 est avantageusement la plus grande possible tout en étant compatible avec un encombrement réduit de l’ensemble de mesure 1.

De manière avantageuse, la position du centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1 est telle que, ledit autre, parmi le codeur 3 et le capteur 4, parcourt une circonférence inférieure à un tour complet autour de l’axe longitudinal X dans le référentiel R lorsque l’organe tournant 2 est en rotation autour de l’axe longitudinal X dans le référentiel R. Dans certaines conditions, appelées par exemple conditions stabilisées, ledit autre, parmi le codeur 3 et le capteur 4, peut même parcourir une circonférence inférieure à un demi-tour complet autour de l’axe longitudinal X dans le référentiel R .

Pour fixer les idées, considérons l’exemple des figures 1 et 2 dans lequel le capteur 4 est monté solidaire des moyens de liaisons 5 en étant donc mobile en rotation par rapport à l’organe tournant 2, tandis que le codeur 3 est fixe et solidaire de l’organe tournant 2.

Dans ce mode de réalisation, pour écarter la position du centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1 de l’axe longitudinal X, on peut notamment procéder de manière simple comme suit. L’ensemble de mesure 1 peut comporter des moyens d’alimentation 19 en énergie électrique de l’élément sensible 8. Les moyens d’alimentation 19 en énergie électrique peuvent être disposés par rapport aux moyens de liaison 5 à l’organe tournant 2 de sorte à écarter le centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1 de l’axe longitudinal X de l’organe tournant 1.

Les moyens d’alimentation 19 peuvent par exemple comporter une batterie. Les moyens d’alimentation 19 peuvent présenter un poids suffisant en comparaison du poids total de l’ensemble de mesure 1 pour permettre de choisir la position du centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1.

Alternativement ou en addition, les moyens d’alimentation 19 peuvent comporter un système de récupération d’énergie, par exemple d’énergie vibratoire ou électromagnétique.

Le cas échéant, les moyens d’alimentation 19 sont disposés dans la cavité 14 du boîtier 13.

La position du centre de gravité C de l’ensemble de mesure 1, écarté de l’axe longitudinal X, permet de limiter le mouvement du capteur 4 par rapport à l’organe tournant 2 de sorte à ce que la vitesse angulaire de rotation du capteur 4 par rapport à l’organe tournant 2 soit inférieure à une vitesse seuil.

La vitesse seuil est avantageusement une vitesse faible devant la vitesse seuil de détection de défaut de l’organe tournant 2 autour de l’axe longitudinal X dans le référentiel R.

De cette manière, il est possible de distinguer les mouvements du capteur 4 par rapport à l’organe tournant 2 des mouvements du codeur 3 par rapport au capteur 4.

En effet, le codeur 3 étant lié de manière fixe et solidaire à l’organe tournant 2, la vitesse instantanée de déplacement du capteur 4 par rapport au codeur 3 est fonction de la somme, d’une part, de la vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal de l’organe tournant 2 dans le référentiel R, et d’autre part, de la vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le capteur et le codeur dans le référentiel R.

Lorsque l’organe tournant 2 est en rotation avec une vitesse angulaire suffisante pour pouvoir mettre en œuvre la surveillance de défaut de manière efficace, c’est-à-dire avec une vitesse angulaire de rotation supérieure à la vitesse seuil de détection de défaut, la vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le capteur et le codeur dans le référentiel R est bien inférieure à la vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal de l’organe tournant 2 dans le référentiel R, et notamment à la vitesse seuil de détection de défaut. Ceci du fait de la limitation du pivotement autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le codeur et le capteur, causé par l’écartement de l’axe longitudinal de l’organe tournant du centre de gravité de l’ensemble de mesure.

Il est alors possible de séparer les contributions des deux vitesses dans le référentiel R (organe tournant 2 et capteur/codeur) dans le spectre du signal de mesure S, la contribution liée à la vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le capteur et le codeur dans le référentiel étant plus basse fréquence que la contribution de l’organe tournant 2.

Pour cela, une fois que l’on a obtenu un signal de mesure S de l’ensemble de mesure 1, représentatif d’une vitesse instantanée de déplacement du capteur par rapport au codeur, on détermine un signal de vitesse moyenne M à partir du signal de mesure S. Le signal de vitesse moyenne M est formé par une composante basse fréquence du signal de mesure, inférieure à une fréquence de coupure prédéfinie, ladite composante basse fréquence étant représentative d’une vitesse angulaire moyenne de rotation autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le capteur et le codeur dans le référentiel.

La fréquence de coupure prédéfinie est fonction de la vitesse seuil de rotation autour de l’axe longitudinal dans le référentiel dudit autre, parmi le capteur 4 et le codeur 3. La fréquence de coupure prédéfinie est par exemple déterminée au cours d’une analyse préalable réalisée moyennant une étude géométrique de l'ensemble de mesure 1.

Une fois le signal de vitesse moyenne M obtenu, on détermine un signal normé N à partir du signal de mesure S et du signal de vitesse moyenne M. Le signal normé N est obtenu en divisant le signal de mesure S par le signal de vitesse moyenne M.

Enfin, on peut alors surveiller au moins une amplitude d’un spectre du signal normé N, de sorte à en déduire l’apparition d’un défaut structurel de l’ensemble mécanique. Ladite amplitude peut notamment correspondre à une fréquence caractéristique de l’apparition d’un défaut sur un tour de rotation de l’organe tournant 2.

Par « surveiller une amplitude d’un spectre », on entend surveiller une raie prédéfinie dudit spectre selon les principes généraux décrits dans le document FR-A-2 944 875 notamment.

Avantageusement, ladite fréquence caractéristique est supérieure à la fréquence de coupure, de sorte à être nettement visible dans le signal normé N.

Pour pouvoir aisément séparer les contributions décrites ci-dessus, on peut réaliser en outre une mesure périodique de la vitesse de rotation de l’organe tournant 2, et comparer ladite vitesse de rotation de l’organe tournant 2 avec la vitesse seuil de détection de défaut pour mettre à jour un indicateur de validité de surveillance de défaut structurel. Ladite vitesse de rotation de l’organe tournant 2 peut être déterminée à partir du signal de mesure S, de signal de vitesse moyenne M ou encore du signal normé N. L’indicateur de validité de surveillance de défaut structurel est par exemple un indicateur binaire indiquant que la vitesse de rotation de l’organe tournant 2 est suffisante pour permettre une détection de défaut de structurel de l’ensemble mécanique comprenant l’organe tournant comme détaillé ci-avant.

Par « indicateur binaire », on entend un indicateur adoptant au choix une valeur « vrai » et une valeur « faux » correspondant respectivement à une condition vérifiée ou non vérifiée.

Si l’indicateur binaire correspond à une condition vérifiée (par exemple adopte une valeur « vrai »), on peut alors mettre en œuvre les étapes de surveillance d’au moins une amplitude d’un spectre décrites ci-avant.

De cette manière il est possible de réduire la consommation énergétique du système.

En variante et étant donné que la vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal dudit autre, parmi le capteur et le codeur dans le référentiel R est inférieure à la vitesse seuil de détection de défaut, ladite mesure périodique de la vitesse de rotation de l’organe tournant 2 peut être remplacée par une mesure périodique de la vitesse de déplacement du capteur 4 par rapport au codeur 3.

Les étapes ci-dessus permettent ainsi de mettre en œuvre un procédé de détection d’un défaut structurel d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant.

Pour mettre en œuvre un tel procédé, l’ensemble de mesure 1 peut notamment comporter un circuit de traitement 18 du signal de mesure S. Le circuit de traitement 18 peut être relié au capteur 4 et adapté pour traiter le signal de mesure S de l’élément sensible 8, notamment pour déterminer un signal filtré F. Le cas échéant, le circuit de traitement 18 peut être logé dans le boîtier 13.

Claims (16)

1. Revendications

   1. Ensemble de mesure (1 ) de déplacement d’un organe tournant (2) s’étendant selon un axe longitudinal (X) incliné par rapport à une direction verticale de gravité (Z), ledit organe tournant (2) étant mobile en rotation autour dudit axe longitudinal (X) dans un référentiel (R) comprenant ledit axe longitudinal (X) et la direction verticale de gravité (Z), l’ensemble de mesure comprenant : un codeur (3) comportant une piste codante (6) munie d’au moins un élément codant (7), un capteur (4) comportant au moins un élément sensible (8) apte à délivrer un signal de mesure (S) en fonction d’un déplacement dudit au moins un élément codant (7) placé en regard et à distance de lecture de l’élément sensible (8), l’un, parmi le codeur (3) et le capteur (4), étant apte à être monté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant (2), l’ensemble de mesure étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre des moyens de liaison (5) à l’organe tournant, en ce que l’autre, parmi le codeur (3) et le capteur (4), est apte à être monté sur l’organe tournant (2) par l’intermédiaire des moyens de liaison (5) de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal (X) de l’organe tournant (2), et en ce qu’un pivotement autour de l’axe longitudinal (X) dudit autre, parmi le codeur (3) et le capteur (4), est limité par un écartement de l’axe longitudinal (X) de l’organe tournant d’un centre de gravité (C) de l’ensemble de mesure (1).
2. 2. Ensemble de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que - le codeur (3) est apte à être monté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant (2), - le capteur (4) est monté sur l’organe tournant (2) par l’intermédiaire des moyens de liaison (5) de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal (X) de l’organe tournant (2).
3. 3. Ensemble de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que - une distance du centre de gravité (C) de l’ensemble de mesure (1) à l’axe longitudinal (X) de l’organe tournant, mesurée perpendiculairement à l’axe longitudinal (X), et - une résistance des moyens de liaison (5) lors d’un pivotement autour de l’axe longitudinal (X) dudit autre, parmi le codeur (3) et le capteur (4), par rapport à l’organe tournant (2), sont conçus de sorte à ce que, lorsque l’organe tournant (2) est en rotation autour de l’axe longitudinal (X) dans le référentiel (R), ledit autre, parmi le codeur et le capteur, présente une vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal (X) dans le référentiel (R) inférieure à une vitesse seuil, et préférentiellement, ledit autre, parmi le codeur et le capteur, parcourt une circonférence inférieure à un tour complet autour de l’axe longitudinal (X) dans le référentiel (R).
4. 4. Ensemble de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de liaison (5) comportent au moins une unité de roulement (9) apte à être montée sur l’organe tournant (2), d’une part, et à être solidarisée audit autre, parmi le codeur (3) et le capteur (4), d’autre part, de sorte à laisser ledit autre, parmi le codeur et le capteur, mobile en rotation autour de l’axe longitudinal (X) par rapport audit organe tournant (2).
5. 5. Ensemble de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un boitier (13) muni d’une cavité (14) dans laquelle sont logé le codeur (3) et le capteur (4), le boitier comportant au moins une ouverture d’entrée (15) par laquelle l’organe tournant (2) est apte à pénétrer dans la cavité (14).
6. 6. Ensemble de mesure selon la revendication 5 et la revendication 4, caractérisé en ce que l’unité de roulement (9) est logée à l’intérieur de la cavité (14) et en ce que l’unité de roulement comporte une première portion (11) fixe et solidaire du boîtier (13), notamment une bague extérieure de l’unité de roulement, et une deuxième portion (10) apte à être montée sur l’organe tournant (2) en laissant le boîtier (13) mobile en rotation autour de l’axe longitudinal (X) par rapport à l’organe tournant (2), notamment une bague intérieure de l’unité de roulement.
7. 7. Ensemble de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’ensemble de mesure comporte en outre des moyens d’alimentation (19) en énergie électrique de l’élément sensible (8), et en ce que lesdits moyens d’alimentation en énergie électrique sont disposés par rapport aux moyens de liaison (5) de sorte à écarter le centre de gravité (C) de l’ensemble de mesure (1) de l’axe longitudinal (X) de l’organe tournant (2), le cas échéant disposés dans la cavité (14) du boîtier (13).
8. 8. Ensemble de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l’un parmi l’élément codant (7) et l’élément sensible (8) émet un champ magnétique, l’élément sensible (8) étant apte à délivrer un signal de mesure (S) fonction d’une variation dudit champ magnétique.
9. 9. Ensemble de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que la piste codante (6) est une piste magnétique multipolaire.
10. 10. Ensemble de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’élément codant (7) est un élément optique présentant au moins une propriété optique variable circonférentiellement autour de l’axe longitudinal (X), en particulier une réflectance variable autour de l’axe longitudinal, et en ce que l’élément sensible (8) est apte à délivrer un signal de mesure fonction de ladite variation de propriété optique.
11. 11. Ensemble de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un circuit de traitement (18) du signal de mesure (S) relié au capteur (4) et adapté pour traiter le signal de mesure (S) de l’élément sensible (8), le circuit de traitement étant, le cas échéant, logé dans le boîtier (13).
12. 12. Ensemble de mesure selon la revendication 11, caractérisé en ce que le circuit de traitement (18) du signal de mesure (S) relié au capteur (4) est en outre adapté pour déterminer un signal filtré (F) à partir du signal de mesure (S) en retirant une composante basse fréquence du signal de mesure (S), inférieure à une fréquence de coupure prédéfinie, ladite composante basse fréquence étant représentative d’une vitesse angulaire de rotation autour de l’axe longitudinal (X) dudit autre, parmi le capteur (4) et le codeur (3) dans le référentiel (R),
13. 13. Ensemble de mesure selon l’une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit ensemble de mesure (1) est conçu pour être monté uniquement sur l’organe tournant (2), et être en contact uniquement avec ledit organe tournant (2).
14. 14. Sous-ensemble de capteur (17) de déplacement d’un organe tournant, spécialement destinée à faire partie d’un ensemble de mesure (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, ledit organe tournant (2) s’étendant selon un axe longitudinal (X) incliné par rapport à une direction verticale de gravité (Z), ledit organe tournant (2) étant mobile en rotation autour dudit axe longitudinal (X) dans un référentiel (R) comprenant ledit axe longitudinal (X) et la direction verticale de gravité (Z), ledit sous-ensemble de capteur comportant un capteur (4) muni d’au moins un élément sensible (8) apte à délivrer un signal de mesure (S) en fonction d’un déplacement d’un élément codant (7) placé en regard et à distance de lecture de l’élément sensible (8), le sous-ensemble de capteur étant caractérisé en ce qu’il comporte en outre des moyens de liaison (5) à l’organe tournant, en ce que le capteur (4) est apte à être monté sur l’organe tournant (2) par l’intermédiaire des moyens de liaison (5) de sorte à être libre de pivoter autour de l’axe longitudinal (X) de l’organe tournant (2), et en ce qu’un pivotement autour de l’axe longitudinal (X) du capteur (4) est limité par un écartement de l’axe longitudinal (X) de l’organe tournant (2) d’un centre de gravité (C) du sous-ensemble de capteur (17).
15. 15. Procédé de détection d’un défaut structurel d’un ensemble mécanique comprenant un organe tournant (2), le procédé comportant les étapes de - obtenir un signal de mesure (S) au moyen d’un ensemble de mesure (1) de déplacement d’un organe tournant selon l’une des revendications 1 à 12 dans lequel l’un, parmi le codeur (3) et le capteur (4) de l’ensemble de mesure, étant monté de façon fixe et solidaire en rotation sur l’organe tournant (2), ledit signal de mesure (S) étant représentatif d’une vitesse instantanée de déplacement du capteur (4) par rapport au codeur (3), - déterminer un signal de vitesse moyenne (M) à partir du signal de mesure (S), formé par les composantes basse fréquence du signal de mesure (S), inférieures à une fréquence de coupure prédéfinie, lesdites composantes basse fréquence étant représentatives d’une vitesse angulaire moyenne de rotation autour de l’axe longitudinal (X) dudit autre, parmi le capteur (4) et le codeur (3) dans le référentiel (R), - déterminer un signal normé (N) à partir du signal de mesure (S) et du signal de vitesse moyenne (M), en divisant le signal de mesure (S) par le signal de vitesse moyenne (M), - surveiller au moins une amplitude d’un spectre du signal normé (N), ladite amplitude correspondant à une fréquence caractéristique de l’apparition d’un défaut sur un tour de rotation de l’organe tournant (2), ladite fréquence caractéristique étant supérieure à ladite fréquence de coupure, de sorte à en déduire l’apparition d’un défaut structurel de l’ensemble mécanique.
16. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l’on réalise en outre une mesure périodique d’une vitesse de rotation de l’organe tournant (2), et en ce que l’on compare ladite vitesse de rotation de l’organe tournant (2) avec une vitesse seuil de détection de défaut pour mettre à jour un indicateur de validité de surveillance de défaut structurel.