FR3073435A1 - Procede de fabrication de piece tournante magnetisee, piece tournante et systeme de mesure de rotation d'une piece tournante - Google Patents

Procede de fabrication de piece tournante magnetisee, piece tournante et systeme de mesure de rotation d'une piece tournante Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce tournante selon un axe, comprenant une étape d'incorporation d'un matériau magnétique à la poudre pendant la fabrication de la pièce tournante, dans au moins une zone prédéfinie de la pièce formée. L'invention concerne également une pièce tournante obtenue par ce procédé et un système de mesure de rotation d'une pièce tournante obtenue par ce procédé, grâce à au moins un capteur permettant la détection du passage de la zone dans laquelle le matériau magnétique est incorporé.

Description

PROCÉDÉ DE FABRICATION DE PIÈCE TOURNANTE MAGNÉTISÉE, PIÈCE TOURNANTE ET SYSTÈME DE MESURE DE ROTATION D'UNE PIÈCE TOURNANTE
1. Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce tournante, en particulier de sorte à obtenir une pièce tournante dont on peut mesurer la vitesse de rotation par un système de mesure adapté. Le procédé et le système sont particulièrement adaptés au domaine industriel des aéronefs, plus généralement des véhicules, et aux pièces tournantes soumises à des contraintes importantes, notamment les pièces tournantes de boites de vitesse qui sont dans un environnement pouvant être soumis à un brouillard d'huile, à une grande plage de température (notamment entre 54°C et 200°C), et à des vibrations.
2. Arrière-plan technologique
Les systèmes de mesure de la vitesse de rotation des pièces tournantes existent sous plusieurs formes.
Une première forme connue est un système de mesure de vitesse de rotation à roue phonique composée de denture et équipant la pièce tournante. Un capteur de proximité, disposé en regard de la roue phonique, permet de détecter le passage de chacune des dents de la denture de la roue phonique, permettant ainsi de déterminer la vitesse de rotation de la pièce tournante avec une résolution fine. Toutefois, ce type de système de mesure impose l'utilisation d'une denture spécifique (si la pièce n'en présente pas déjà une pouvant être exploitable) ajoutant de la masse à la pièce. Ce type de système de mesure est par exemple décrit dans les demandes françaises FR2633722, FR2891361etFR2896882.
Une autre forme est un système de mesure de vitesse de rotation à codeur rotatif, où un capteur (inductif, capacitif, optique ou magnétique) permet la lecture d'un disque à bande ou à trous formant un système d'encodage. Une unité de traitement convertit ensuite l'encodage en signal représentatif de la rotation. Ce type de système de mesure est toutefois cher à mettre en œuvre, à une faible amplitude fréquentielle et lorsqu'un capteur optique est utilisé, n'est pas compatible avec un environnement de type brouillard d'huile.
Une dernière forme a été étudiée mais pose encore plusieurs problèmes : l'ajout d'une pièce rapportée de type aimant à une pièce tournante conjuguée à un capteur permettant de détecter le passage de la pièce devant le capteur. Toutefois, l'ajout d'une pièce entraîne plusieurs problèmes, comme la formation d'un balourd sur la pièce tournante et la nécessité d'avoir une fixation solide entre la pièce tournante et la pièce rapportée de façon à résister à la force centrifuge due à la rotation de la pièce tournante.
3. Objectifs de l'invention
L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des systèmes de mesures de vitesse de rotation de pièces tournantes connus.
En particulier, l'invention vise à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un procédé de fabrication d'une pièce tournante, la pièce tournante ainsi fabriquée étant particulièrement adaptée pour que sa vitesse de rotation soit mesurée par un système de mesure.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un procédé de fabrication d'une pièce tournante permettant d'obtenir une pièce tournante dont la vitesse de rotation peut être mesurée sans ajout important de masse ou de pièce rapportée engendrant des problèmes potentiels de fixation.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un procédé de fabrication d'une pièce tournante permettant d'obtenir une pièce tournante dont la vitesse de rotation peut être mesurée sans engendrer un balourd sur la pièce tournante.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un procédé de fabrication d'une pièce tournante permettant d'obtenir une pièce tournante dont la vitesse de rotation peut être mesurée à des hautes températures et/ou dans un environnement vibratoire.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un procédé de fabrication d'une pièce tournante permettant d'obtenir une pièce tournante dont la vitesse de rotation peut être mesurée en présence de brouillard d'huile ou d'une autre atmosphère ne permettant pas une lecture optique satisfaisante.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, une pièce tournante dont la vitesse de rotation peut être mesurée facilement à faible coût.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un système de mesure de vitesse de rotation d'une pièce tournante à faible coût, précis et ajoutant peu de masse.
4. Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce tournante selon un axe, comprenant :
une étape de réalisation d'une pièce formée à partir d'un matériau sous forme de poudre, une étape d'obtention de la pièce tournante à partir de la pièce formée.
caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d'incorporation d'un matériau magnétique à la poudre pendant la réalisation de la pièce formée, dans une zone prédéfinie de la pièce formée, dite zone magnétisée, le matériau magnétique ayant les caractéristiques suivantes :
une rémanence magnétique (Br) supérieure ou égale à 0,1 T ; une température de Curie (Tc) supérieure ou égale à 250°C ;
une dureté comprise entre 75% et 125% de la dureté du matériau de la pièce formée et une masse volumique comprise entre 80% et 120% de la masse volumique du matériau de la pièce formée.
Un procédé selon l'invention permet donc d'obtenir une pièce en rotation disposant d'une zone magnétisée dans laquelle se trouve un matériau magnétique, sans ajout de pièce rapportée car la zone magnétisée est directement réalisée par incorporation de matériau magnétique lors de la réalisation de la pièce elle-même à partir de la poudre. En choisissant un matériau de dureté et de masse volumique idéalement identique et au minimum proche du matériau de la pièce formée, la zone magnétisée n'introduit ainsi aucun balourd significatif dans la pièce tournante, et la dureté dans la zone est significativement homogène dans et autour de la zone magnétisée. La dureté est de préférence exprimée en dureté Vickers, ou selon d'autres types de dureté en fonction du mode de mesure. La zone magnétisée forme une magnétisation locale de la pièce tournante. Elle ne présente en outre pas de risque de se détacher du fait de la force centrifuge lorsque la pièce est en rotation.
De préférence avec d la dureté du matériau magnétique, x la masse volumique du matériau magnétique, D la dureté de la pièce formée et X la masse volumique de la pièce formée, d=D±((kD)/100), avec k = 25 ou 20 ou 15 ou 10 ou 5, le plus faible étant le mieux, et x=X±((nX)/100), avec n = 20 ou 15 ou 10 ou 5, le plus faible étant le mieux.
En outre, la rémanence magnétique communément identifiée par le terme Br dans la littérature) supérieure ou égale à 0,1 T entraîne un fort pouvoir magnétique qui permet d'assurer une détection de la perturbation du champ magnétique provoquée par la zone magnétisée lors de l'utilisation de la pièce tournante avec un système de mesure de la vitesse de rotation de la pièce tournante.
Enfin, la température de Curie (communément identifiée par le terme Tc dans la littérature) supérieure ou égale à 250°C permet de s'assurer que la zone magnétisée conserve une aimantation suffisante dans la plage de température à laquelle est soumise la pièce en rotation, par exemple typiquement [-54°C ; 200°C] dans une boite de vitesse. La montée en température n'entraine ainsi pas de démagnétisation. De préférence, le coefficient de température de la rémanence doit être faible (inférieur ou égal à 1%/°C) de sorte à limiter les variations de la rémanence magnétique en cas de variations de la température.
En outre, la zone magnétisée est une zone prédéterminée, par exemple par calcul, de sorte à ce que la présence du matériau magnétique impacte au minimum les contraintes mécaniques en fonctionnement de la pièce tournante.
Le matériau pour fabriquer la pièce formée est par exemple un métal ou un alliage de métal, par exemple un alliage d'acier (par exemple 16NCD13, 32CDV13, ou 40CDV12).
La pièce formée est le résultat de la transformation de la poudre, et la pièce formée est ensuite transformée de nouveau si nécessaire pour obtenir la pièce tournante. Avantageusement et selon l'invention, l'étape d'obtention de la pièce tournante comprend une étape d'usinage de la pièce formée et/ou une étape d'assemblage avec une autre pièce de manière à former la pièce tournante.
Une pièce tournante est aussi appelée une pièce en rotation, et désigne une pièce dont le fonctionnement principal nécessite sa mise en rotation, notamment pour transmettre un couple ou un mouvement. La pièce tournante est par exemple un arbre (notamment un arbre de transmission), un pignon, etc.
Avantageusement et selon l'invention, le matériau magnétique est un alliage samarium-cobalt, Neodyme, ou AINiCo.
Selon cet aspect de l'invention, l'alliage samarium-cobalt, Neodyme, ou AINiCo, fréquemment utilisé dans la fabrication d'aimant et présentant les caractéristiques énoncées précédemment.
Avantageusement et selon l'invention, le matériau magnétique est incorporé sous forme de particules ou d'une pastille.
Selon cet aspect de l'invention, la forme de particules ou de pastille permet une incorporation facilitée du matériau magnétique à la poudre durant la fabrication de la pièce formée. Les particules sont mélangées à la poudre formant le matériau et le rendant hétérogène, tandis que la pastille est une petite pièce de dimension et de forme variable formant un tout homogène, intégré dans la pièce formée lors de sa fabrication.
Avantageusement et selon l'invention, la zone magnétisée est une zone de la pièce correspondant à une zone excentrée de l'axe de la pièce tournante.
Selon cet aspect de l'invention, lors de la rotation de la pièce tournante, la zone magnétisée tourne autour de l'axe du fait de la rotation de la pièce tournante. Il est ainsi possible de détecter le passage de la zone magnétisée devant un capteur réceptif aux changements magnétiques, comme expliqué plus loin.
Avantageusement et selon l'invention, l'étape de réalisation de la pièce tournante à partir de la poudre et l'intégration du matériau magnétique sont effectuées par fabrication additive, de préférence par frittage ou fusion laser.
Selon cet aspect de l'invention, la fabrication additive, en particulier le frittage ou la fusion laser, est particulièrement adaptée à la fabrication d'objet à partir d'une poudre, et permet l'incorporation facile du matériau magnétique lors de la réalisation de la pièce formée.
L'invention concerne également une pièce tournante obtenue par un procédé selon l'invention, caractérisée en ce qu'elle comprend une zone magnétisée intégrée.
Une pièce tournante selon l'invention ne présente donc pas de balourd et est adaptée pour une utilisation dans un environnement tel que celui d'une boîte de vitesse. En outre, il est possible de mesurer facilement sa vitesse de rotation.
Avantageusement et selon l'invention, la zone magnétique est excentrée de l'axe de la pièce tournante.
Selon cet aspect de l'invention, la zone magnétique décrit un mouvement circulaire lors de la rotation de la pièce tournante, et le temps entre deux passages de la zone magnétique devant un capteur est représentatif de la vitesse de rotation de la pièce tournante.
L'invention concerne également un système de mesure de la vitesse de rotation d'une pièce tournante selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur disposé à proximité de la zone de la pièce tournante comprenant le matériau magnétique, le système étant configuré de sorte à détecter un passage de la zone magnétique devant chaque capteur lors de la rotation de la pièce tournante.
Un système de mesure selon l'invention permet la mesure de la vitesse d'une pièce tournante obtenue par le procédé selon l'invention, grâce à la présence d'au moins un capteur disposé de telle façon qu'il détecte les passages de la zone magnétisée à sa proximité, par variation du champ magnétique. Le capteur est par exemple un capteur actif (type effet Hall ou magnétorésistance), ou un capteur passif (type courant de Foucault). Le capteur est par exemple un capteur fixe, ou un capteur mobile dont la position est connue en tout moment par rapport à la position du secteur magnétisé de la pièce tournante.
La mesure de la vitesse de rotation est ainsi obtenue sans contact, et peut être réalisée dans un environnement comprenant un brouillard d'huile, une plage de température de fonctionnement importante (notamment [-54°C ; 200°C] dans une boite de vitesse), et un environnement vibratoire.
Pour augmenter la résolution du système de mesure, il est possible d'utiliser plusieurs capteurs détectant chacun un passage de la zone magnétisée dans un secteur angulaire différent, et/ou magnétiser plusieurs secteurs angulaires de la pièce tournante, et/ou d'utiliser un ou des capteurs mobiles.
Avantageusement et selon l'invention, au moins un capteur est disposé dans une âme creuse de la pièce tournante.
Selon cet aspect de l'invention, l'encombrement du système de mesure est réduit car au moins un capteur (de préférence tous les capteurs) est disposé à l'intérieur de la pièce tournante. Par exemple, le capteur peut être disposé au niveau l'axe de rotation de la pièce tournante.
Avantageusement, un système de mesure selon l'invention comprend une pluralité de capteurs configurés de sorte à détecter chacun un passage d'une pluralité de zones magnétiques dans des secteurs angulaires différents.
Selon cet aspect de l'invention, la pluralité de capteurs et la pluralité de zones magnétiques permettent d'augmenter la résolution du système de mesure.
Avantageusement, un système de mesure selon l'invention comprend au moins un capteur mobile dont la position est connue à tout instant par rapport à la zone de la pièce tournante comprenant le matériau magnétique, disposé à proximité de la zone magnétique, le système étant configuré de sorte à détecter un passage de la zone magnétique devant chaque capteur lors de la rotation de la pièce tournante.
Selon cet aspect de l'invention, le capteur mobile peut être lui-même en rotation, notamment dans le sens inverse de la pièce tournante, et ainsi détecter davantage la zone magnétisée, permettant d'augmenter la résolution du système de mesure sans ajouter de capteur ou de zone magnétisée.
L'invention concerne également un procédé, une pièce tournante et un système de mesure caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
5.
Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
la figure 1 est une vue schématique d'un procédé de fabrication d'une pièce tournante selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue partielle schématique en perspective d'une pièce tournante selon un mode de réalisation de l'invention, obtenue par le procédé de fabrication, la figure 3 est une vue schématique en coupe et en perspective d'une pièce tournante et d'un système de mesure de la vitesse de rotation de la pièce tournante, selon un mode de réalisation de l'invention.
6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté.
La figure 1 représente schématiquement un procédé 10 de fabrication d'une pièce tournante selon un mode de réalisation de l'invention. Les cercles représentent des produits et les rectangles représentent des étapes permettant le passage d'un produit à un autre.
Une première étape représentée est une étape 12 de réalisation d'une pièce formée 16 à partir d'un matériau sous forme de poudre 14. Cette étape de réalisation, connue de l'art antérieur, se fait de préférence par fabrication additive, par exemple par frittage ou fusion laser.
Une deuxième étape représentée est une étape 18 d'obtention d'une pièce 20 tournante à partir de la pièce 16 formée. Cette étape comprend par exemple une étape d'usinage de la pièce 16 formée, mais peut aussi comprendre d'autres étapes de traitement connue dans la fabrication de pièce industrielle.
La particularité du procédé selon l'invention est qu'il comprend une étape 21 d'incorporation d'un matériau 22 magnétique, par exemple sous forme de particules ou d'une pastille, à la poudre pendant l'étape de réalisation de la pièce 16 formée, dans une zone prédéfinie (par exemple par calcul) de la pièce 16 formée, dite zone magnétisée. Contrairement aux techniques de l'art antérieur où une pièce magnétique était ajoutée à la pièce tournante, l'invention permet l'incorporation directement lors de la réalisation de la pièce.
La figure 2 représente schématiquement et partiellement en perspective une pièce 20 tournante selon un mode de réalisation de l'invention, obtenue par le procédé de fabrication tel que décrit précédemment. La pièce 20 tournante, ici un pignon, comprend ainsi une zone 24 magnétisée, ici visible sur une face extérieure du pignon.
La figure 3 représente schématiquement en coupe et en perspective une pièce tournante et un système de mesure de la vitesse de rotation de la pièce tournante, selon un mode de réalisation de l'invention. La pièce 20 tournante comprend ici une zone 24 magnétisée disposée à l'intérieur d'une âme 26 creuse de la pièce 20 tournante. Au centre de l'âme 26 creuse, un capteur 28 du système de mesure est disposé au niveau de l'axe de rotation de la pièce 20 tournante Le capteur 28 est disposé de sorte à pouvoir détecter un passage de la zone 24 magnétisée devant lui, permettant ainsi de déterminer facilement la vitesse de rotation de la pièce 20 tournante en fonction du temps écoulé entre chaque passage de la zone 24 magnétisée. Pour améliorer la résolution de la mesure, il est possible d'utiliser plusieurs capteurs détectant chacun le passage de la zone 24 magnétisée selon un secteur angulaire différent. La disposition du capteur dans l'âme 26 creuse de la pièce tournante permet de réduire l'encombrement du système de mesure.
Le capteur est un capteur pouvant détecter une variation du champ magnétique environnant, notamment celle provoquée par la zone magnétisée. Le capteur est par exemple un capteur actif de type effet Hall ou magnétorésistance, ou un capteur passif de type courant de Foucault. Plus généralement, le capteur permet par exemple de fournir un signal de sortie présentant une valeur 0 lorsque le champ magnétique relevé est en dessous d'une valeur de référence et une valeur 1 lorsque le champ magnétique relevé est au-dessus d'une valeur de référence.
Le système de mesure comprend aussi des éléments classiques permettant de récupérer le signal de sortie, de déterminer la vitesse de rotation de la pièce tournante à partir du signal de sortie (unité de calcul par exemple), de fournir la valeur de la vitesse de rotation à d'autres équipements, d'alimenter le capteur si nécessaire, etc.
Avec une pièce tournante selon d'autres modes de réalisation, par exemple telle que décrite en référence avec la figure 2, le capteur peut être disposé à l'extérieur de la 10 pièce tournante et non dans une âme creuse de celle-ci.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de fabrication d'une pièce tournante selon un axe, comprenant :
    une étape de réalisation d'une pièce formée à partir d'un matériau sous forme de poudre, une étape d'obtention de la pièce tournante à partir de la pièce formée, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d'incorporation d'un matériau magnétique à la poudre pendant la réalisation de la pièce formée, dans au moins une zone prédéfinie de la pièce formée, dite zone magnétisée, le matériau magnétique ayant les caractéristiques suivantes :
    une rémanence magnétique (Br) supérieure ou égale à 0,1 T ;
    une température de Curie (Tc) supérieure ou égale à 250°C ;
    une dureté comprise entre 75% et 125% de la dureté du matériau de la pièce formée et une masse volumique comprise entre 80% et 120% de la masse volumique du matériau de la pièce formée.
  2. 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétique est un alliage samarium-cobalt, Neodyne, ou AINiCo.
  3. 3. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé ence que le matériau magnétique est incorporé sous forme de particules ou d'une pastille.
  4. 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé ence que la zone magnétisée est une zone de la pièce correspondant à une zone excentréede l'axe de la pièce tournante.
  5. 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'étape de réalisation de la pièce tournante à partir de la poudre et l'intégration du matériau magnétique sont effectuées par fabrication additive, de préférence par frittage ou fusion laser.
  6. 6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'étape d'obtention de la pièce tournante comprend une étape d'usinage de la pièce formée et/ou une étape d'assemblage avec une autre pièce de manière à former la pièce tournante.
  7. 7. Pièce tournante obtenue par un procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une zone magnétisée intégrée.
  8. 8. Système de mesure de la vitesse de rotation d'une pièce tournante selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur disposé à proximité de la zone de la pièce tournante comprenant le matériau magnétique, le système étant configuré de sorte à détecter un passage de la zone magnétique devant chaque capteur lors de la rotation de la pièce tournante.
  9. 9. Système de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de capteurs configurés de sorte à détecter chacun un passage de la zone magnétique dans des secteurs angulaires différents.
  10. 10. Système de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'au moins un capteur est disposé dans une âme creuse de la pièce tournante.
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