WO2000057149A1 - Procede et dispositif de mesure d'un couple exerce sur une piece soumise a des efforts de couple et de flexion - Google Patents

Procede et dispositif de mesure d'un couple exerce sur une piece soumise a des efforts de couple et de flexion Download PDF

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WO2000057149A1
WO2000057149A1 PCT/FR2000/000674 FR0000674W WO0057149A1 WO 2000057149 A1 WO2000057149 A1 WO 2000057149A1 FR 0000674 W FR0000674 W FR 0000674W WO 0057149 A1 WO0057149 A1 WO 0057149A1
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anchoring
sensor
signals
studs
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PCT/FR2000/000674
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Gérard FAESCH
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Newtech Mecatronic Inc.
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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    • G01L3/108—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving resistance strain gauges

Definitions

  • the present invention relates to a method for measuring at least one component of a force torsor applied to a part, this force torsor being defined as follows in a trigonometric reference:
  • each sensor comprising two studs distant by an interval equivalent to that defined between the anchoring points and a prestressed blade mounted at its ends in said studs and carrying the minus a sensitive element.
  • This method and this measuring device are particularly suitable for fixed shafts undergoing a torque in reaction to a braking torque or to a driving torque.
  • Ds can however be used for rotating shafts, the measuring device being, in this case, associated with an electrical transmission means with or without contact.
  • the shaft to be checked is not necessarily cylindrical and its section is not necessarily circular.
  • knowing the deformations of the wheel shafts makes it possible to give precise indications as to the braking torque exerted, independently for example of slipping or deformation of the wheels. Knowledge of this braking torque makes it possible in particular to improve the performance of the braking servo.
  • a part subjected to a torque is also deformed by bending forces. Very often, these bending forces disturb the measurement of the torque and it is necessary to eliminate them. More generally, one may want, during a measurement, to keep certain components of the force torsor as defined above and to eliminate the others.
  • strain gauges are of various types and performance. Several different technologies allow the measurement of the torque. On the other hand, few of them allow measurement via an economical, simple device, easily attached to the part to be checked, without any additional assembly member.
  • strain gauges whose number, location and directions are suitably chosen, as described in many extensometry manuals. These installations are very expensive, difficult and impossible to carry out outside specialized workshops or laboratories and highly qualified personnel. We are trying to get around this difficulty by equipping strain gauges with test bodies which are then inserted between two elements of the part to be instrumented. This is the case for example of test bench couplers interposed between the motor shaft and the receiver shaft of a power transmission installation.
  • torsion sensor such as that described in the publication US-A-5 831 180 which uses magnetostriction.
  • This sensor is limited to the measurement of the torque on a steering rod of a vehicle where the torsional forces are low and the parasitic bending forces for example are almost nonexistent.
  • This sensor has a complex shape adapted to the geometry of the bar which does not allow its industrial reproducibility at reduced costs.
  • its measuring principle is very sensitive to temperature differences.
  • its mounting on the shaft does not allow any possibility of adjustment.
  • the measurement method based on two symmetrical sensors with respect to a plane passing through the axis of the bar does not automatically cancel the parasitic forces since the two sensors are in opposition. This sensor and its measurement method are therefore not at all suitable for the particular application of the invention.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks by providing a method of measuring a torque and a device for the implementation of this method, this device being easily industrializable and reproducible at low cost, very large. precision, very compact, can be adapted to parts of various shapes, very easy to assemble and disassemble without having to disassemble the surrounding parts, insensitive to temperature variations, which can be adjusted once mounted on the part and allowing the use of specific or commercially available sensors, these sensors being able to measure an elongation without exaggerated effort on their supports or anchoring points.
  • This object is achieved by the method as defined in the preamble, characterized in that there are two separate anchoring points of each sensor on a curve of the part, this curve forming an angle ⁇ with the axis of symmetry of this room.
  • the curves on which the anchor points of the two sensors are fixed are substantially parallel.
  • the angle ⁇ can be between 0 and 90 ° and is preferably equal to 45 °. According to the variants of arrangement of said sensors, they can be arranged diametrically opposite on said part.
  • the sensors are arranged perpendicular to the axis of symmetry of said part, the anchoring points of each sensor being offset from each other by a distance L a .
  • the device as defined in the preamble and characterized in that at least one of the studs comprises adjustment means arranged to adjust the preload exerted on said blade.
  • This device advantageously applies to large, unwieldy parts, which are part of a complex system which cannot be modified and / or which it is desired to instrument in large series.
  • Each stud advantageously comprises a blocking shoe provided with a slot for receiving the corresponding end of said prestressed blade and fixed in said stud by a fixing screw.
  • the adjustment means may comprise an adjustment screw cooperating with at least one blocking shoe to adjust its position in the direction of said prestressed blade.
  • the coupling members comprise anchoring studs, each anchoring stud comprising an upper flat fixed integrally to a stud of a sensor and a lower face having a shape adapted to that of said piece and fixed integrally to this last.
  • the stud can be fixed to the corresponding anchoring stud by means of a removable fixing member and the anchoring stud can be fixed to said piece by a fixing method chosen from bonding, welding, screwing, overmolding.
  • the anchoring pads are made of a rigid, non-deformable material, such as a metal or a metal alloy.
  • the computer is chosen from an adder and a subtractor, digital or analog.
  • the method according to the invention has the main advantages of providing reliable and precise information related to the torsional torque of a part, with a minimum number of sensors, that is to say two, by automatically eliminating the parasitic forces even if these are significant. , by automatically compensating for any expansions due to temperature variations, by means of basic packaging electronics placed near these sensors as well as with simple analytical or digital processing.
  • FIGS. 1 and 2A to 2C represent block diagrams of the method and of the device according to the invention
  • FIG. 3 is a view in longitudinal section of a sensor of the device of the invention
  • FIG. 4 is a perspective view of the sensor of FIG. 3,
  • FIG. 5 represents an example of mounting the sensor of FIG. 3,
  • FIGS. 6 to 8 represent different possible locations of the sensors of the device of the invention
  • FIGS. 9A and 9B represent the deformations undergone respectively in the event of a bending moment and of a shearing force
  • Figures 10A to 10D represent the polar diagrams of the signal obtained by the sensors of the device of the invention according to different layouts
  • Figures 11A and 11B represent two examples of associated electronic circuit to said sensors of the device of the invention allowing two different combinations of signals.
  • FIG. 1 schematically represents a complete torque measuring device 10 according to the invention.
  • a mechanical part 1 is subjected to bending forces Fx and Fz associated with their moments Mx and MZ and to a torsional moment My associated with the force Fy. Consequently, the force torsor of such a system is defined as follows in a trigonometric coordinate system:
  • This part 1 is instrumented with two identical sensors 2, attached to the mechanical structure to be studied of said part by coupling members 3 and arranged to supply electrical signals as a function of possible deformations of said structure. These sensors 2 are connected by electrical links 4, support for transferring said signals, to a signal conditioner 5. The signals are then transmitted, via a transmitter 6, to a computer 7 which, after digital combination of these signals, will deliver a indication of the torque forces applied to said mechanical part 1.
  • This combination of signals can be performed in the conditioner 5 itself, analogically, or in the computer 7 digitally.
  • the mechanical part 1 can be a shaft of circular section or not, a connecting shaft between two rotating machines, a shaft of the wheels of a vehicle (truck axle, of rail vehicle, etc.) or even the rocket of a landing gear of an airplane. If this shaft is only subjected to a pure torque force C, only one attached sensor 2 is necessary. No decoupling is indeed necessary in this case. Indeed the components Fx, Fz, Fy, Mx and Mz are zero. Sensor 2 then measures only the component My.
  • FIG. 2A is an end view of the instrumented part 1
  • FIG. 2B is a front view of this part
  • FIG. 2C is a plan view of the developed instrumented part 1. It clearly appears in FIG. 2C that the two sensors 2 are positioned in parallel on two curves (a) of the part 1 which are parallel and inclined relative to the axis of the part 1 by an angle ⁇ .
  • the advantage of this configuration is that one of the sensors 2 measures both Fx, -Fz, -Mx, Mz and My, while the second measures -Fx, Fz, Mx, -Mz and My. It is the combination of the signals delivered by the two sensors 2 which makes it possible to obtain the measurement of the desired component. The addition of the signals obtained allows a measurement of My. Subtracting the signals provides an evaluation of Fx, Fz, Mx and Mz.
  • Coupling members 3 allow the adaptation of the sensors 2 to the mechanical part 1. They are rigid and can be screws, studs, tongues, clamps or pins for example, but also glue or solders. These coupling members 3 allow the integral transmission of the deformations of the mechanical part 1 to the sensor 2.
  • the material used is such that the specific deformations of these coupling members 3 are negligible with respect to those of the part 1. This material is for example a metal, a metal alloy or any other rigid and non-deformable material.
  • the electrical signals delivered by these sensors 2 are connected to a signal conditioner 5.
  • This conditioner 5 can be totally or partially internal, or even external to the two sensors 2. This can make any additional external processing unnecessary.
  • the electrical connection 4 is in this case internal to the sensor 2. Only the connection by transmitter 6 exists. The latter can be of different natures. In in the case of a static tree, it can be in wire form. In the case of a rotating shaft, the connection 6 can be made by radio, optical or by rotary collector.
  • the computer 7 acquires the signals from the sensors 2. If the part 1 is only subjected to a torque C, the computer 7 is not necessary, except in the case where the user wants to do resizing or changing variables. Otherwise, the computer 7 allows a decoupled measurement of the different torsional and bending forces, this by the combination of the signals from the sensors 2. In the case of a perfectly asymmetrical part, a simple addition of the signals makes it possible to deduce information from pure torque while their subtraction makes it possible to obtain bending forces as explained above. In this case, the summation of the two signals can be implemented directly in the signal conditioner 5.
  • each of the signals can be weighted and then added in order to cancel the influence of certain forces which are not of interest.
  • the signals will be transmitted to the computer 7 which will perform the combination of the signals in digital form.
  • FIGS. 2A to 2C describe the particular location of the sensors in the context of a part 1 whose behavior as well as the geometry are symmetrical.
  • two sensors 2 must be diametrically opposed on two parallel curves (a) of the part 1, this in order to decouple the bending forces and obtain a measurement of My (torsion), the component Fy being negligible with respect to the other components of the force torsor.
  • the value of the angle ⁇ can be variable according to the applications, the size and the importance of the bending forces which must be freed.
  • the distance D makes it possible to measure a torque and to adjust the measuring range of the sensor 2 to the torsional forces applied to the part 1.
  • the sensor 2 measures the relative behavior of two curves of the structure of the part 1 in torsion. If this structure or the applied forces are not symmetrical, a modeling by the finite element method is precious to determine the zones where the sensors 2 must be implanted, this in order to decouple the torque C from the bending forces. If only a slight defect in symmetry exists, we can keep the configuration illustrated in Figure 2A. However, care should be taken to optimize the angle ⁇ and the distance D in order to obtain the best possible precision in terms of measurement. The use of a greater number of sensors 2 may be necessary in such a configuration. Their signals will also be combined there.
  • the sensor 2 comprises two studs 21 between which is mounted a pre-stressed blade 22 carrying a sensitive element 22 'formed for example of a resistive, capacitive, piezoelectric gauge or any other equivalent means, deposited according to a process vacuum manufacturing in the manner of integrated circuits.
  • This sensitive element 22 ′ is coupled to an electronic box 29 mounted on one of the studs 21 by electrical wires or any other electrical connection 4, this box comprising for example the conditioner 5, the transmitter 6, the computer 7 and a wired output 29 'to a remote display, not shown.
  • the prestressed blade 22 is fixedly attached to the inside of the studs 21 by means of blocking shoes 24, 24 '. It has in its end zones a hole allowing the passage of a fixing screw 25 passing through a corresponding smooth hole provided in the pads and screwed into the locking shoes 24, 24 * .
  • These blocking shoes 24, 24 ' have a slot receiving the corresponding ends of the prestressed blade 22.
  • One of the blocking shoes 24 is fixed and the other blocking shoe 24' is movable in translation along the arrow P by means of adjustment means.
  • adjustment means comprise an adjustment screw 26 disposed parallel to the prestressed blade 22 passing through a smooth hole provided in the corresponding stud 21 and screwed into the shoe 24 'in order to precisely adjust its position in the direction of the blade and, from this done, to adjust the prestressing force exerted on this blade 22.
  • the end of the corresponding prestressed blade 22 is immobilized in this shoe 24 'by an intermediate screw 23 which receives the fixing screw 25.
  • the corresponding stud 21 comprises an oblong hole for the passage of the fixing screw 25 allowing said adjustment.
  • the production and mounting of the sensor 2 are carried out in the laboratory by qualified personnel and with all the necessary precautions and precisions in order to obtain sensors 2 which are very precise and reliable over time. This type of assembly could in no case be carried out in the workshop directly on part 1 to be checked.
  • the central part of the sensor 2 containing said blade 22 and its sensitive element 22 'or the whole of the sensor 2 is either molded in a synthetic material having the function of protecting the sensor from external aggressions, or covered by a adequate housing.
  • the sensor 2 thus obtained can then be very easily mounted on the part 1 to be instrumented either directly, or by means of coupling members 3 constituted by anchoring studs, provided with an upper flat 31, a heel 32 and a lower face 33 of a shape adapted to that of the part 1.
  • the studs constituted by anchoring studs, provided with an upper flat 31, a heel 32 and a lower face 33 of a shape adapted to that of the part 1.
  • the studs constituted by anchoring studs
  • the flats 31 provided on the anchor studs 3 define between them a perfectly flat surface allowing the mounting of said sensor 2.
  • These anchor studs 3 are then fixed on the part 1 to instrument, by bonding in most cases, welding, screws or any other appropriate means.
  • the shape of the lower face 33 of said anchoring studs 3 is adapted to the shape of the part 1 either by machining, plastic deformation or direct molding on this part 1 in the most complicated cases. In the case of FIG.
  • these anchoring studs 3 can be simply cut from a tube using a suitably oriented square punch.
  • the attachment of the sensor 2 to the anchoring pads 3 by the screws 27 makes it very easily removable.
  • the anchoring studs 3, located at the points of attachment of the sensor 2 on the part 1 to be checked, are very little sensitive to deformations. Therefore, the bonding is very reliable.
  • a template 8 is used as illustrated in FIG. 5, the part 1 being deliberately truncated.
  • This template 8 consists for example of a clamp having a shape adapted to that of the part 1. It is tightened on this part 1 by screws 82 or any other suitable means provided for tightening its legs 83, imprisoning and maintaining the anchoring studs 3, bearing on the corresponding heels 32 during the bonding phase.
  • This template 8 also includes cells 81 for centering the sensors 2 in a position determined by one of the provisions adopted and / or by calculation. This template 8 is then removed when the bonding phase is completed.
  • the two measurement sensors 2 can be arranged differently with reference to FIGS. 6 to 8.
  • the sensors 2 are diametrically opposite and oriented along two curves (a) of the part 1, parallel and forming an angle ⁇ with the axis of symmetry of this part.
  • the angle ⁇ is equal to 45 ° in accordance with the explanations given below.
  • the two sensors 2 are not diametrically opposed but are placed on one side of the neutral fiber of the part 1 and symmetrically with respect to a plane passing through the axis of this part 1, each being placed on a curve (a) of the part 1 forming an angle ⁇ with the axis of symmetry of this part, the two curves (a) intersecting.
  • the angle ⁇ can also be equal to 45 ° or different as required.
  • the sensors 2 are arranged perpendicularly to the axis of symmetry of the part 1 and the anchoring pads 3 are offset between them by a distance L a .
  • the anchor points A and B of each sensor 2 are also positioned on two curves (a) parallel to each other and inclined relative to the axis of the part 1 by an angle ⁇ .
  • FIG. 6 represents an arrangement of the measurement sensor 2 allowing the best measurement of the torsional moment My. This moment My translates into a matrix
  • the value read by the sensor will be a part of that of the previous case, corresponding to the projection of the previous elongation ⁇ L on the axis of the sensor.
  • the sensor will be less sensitive to torsion and more to parasitic deformations, as well as to other components of the force torsor. This arrangement can be used when the arrangement in FIG.
  • FIG. 8 represents a different arrangement of the sensor 2, where the latter is placed at 90 ° relative to the axis of the torsion moment My, the anchoring studs 3 being offset by a length L a perpendicular to the sensor axis.
  • the sensor 2 measures an elongation proportional to the offset L a and to the relative rotation of the neighboring sections of the part 1 due to the torsional moment My. We thus measure a representative value shear.
  • This arrangement can be used when the geometric constraints do not allow the assembly of FIG. 6 to be used, or when it is desired to increase or decrease the elongation ⁇ L to be measured to adapt it to the measuring range of the sensor.
  • FIG. 8 represents a different arrangement of the sensor 2, where the latter is placed at 90 ° relative to the axis of the torsion moment My, the anchoring studs 3 being offset by a length L a perpendicular to the sensor axis.
  • the sensor 2 measures an elongation proportional to the offset L a and to
  • FIG. 9A represents the displacements recorded by these same sensors 2 under the effect of a pure bending moment.
  • the sensor 2 undergoes a shortening Dd or an elongation D + d depending on whether it is above or below the neutral fiber N, at the same time as a rotation ⁇ of its anchoring pads 3.
  • FIG. 9B represents the deformations of the sections of a part 1 subjected to a shearing force. If one considers a cross section, one notes that this section does not remain plane after deformation, contrary to the case of the pure bending moment, under the effect of the shearing in the direction x. Similarly, there is a relative sliding of two neighboring sections. This shear is not equally distributed in a section, but maximum at the level of the neutral fiber N. The real cases of bending are most often a combination of cases 9 A and 9B.
  • FIGS. 10A to 10D represent the polar diagrams of the signal of a sensor 2 mounted on a part 1 subjected to bending forces as a function of its angular position on said part 1.
  • the maximum signal is recorded at 90 ° from the neutral fiber N of part 1 and the minimum signal on neutral fiber N.
  • FIG. 10A corresponds to the case where the two sensors 2 are diametrically opposed, arranged on the neutral fiber N and oriented at 45 ° as in FIG. 6.
  • Zero or very weak signals should be recorded.
  • these sensors are not symmetrical with respect to the bending forces and, because of the phenomena described with reference to FIGS. 5A and 5B, and because the sensors have a non-negligible length, there is a very great uncertainty on the value and the sign of the deformation ⁇ L recorded, making the elimination of the bending signal very random.
  • FIG. 10B corresponds to the case where the two sensors 2 are offset by an angle ⁇ relative to the neutral bending fiber N ( ⁇ > 30 °) and are diametrically opposite, the angle ⁇ being equal to 180 °.
  • This angular offset allows the sensors 2 to supply with certainty signals of opposite signs which can be combined according to the electrical diagram illustrated in FIG. 11A in order to eliminate the bending forces, with a possible weighting of each sensor if the asymmetry of the polar diagram makes it necessary.
  • the measurements carried out often show a significant asymmetry of the bending diagram between the zones in traction (represented by the sign +) and the zones in compression (represented by the sign -). It can also happen, in the case of braking in particular, that one of the components Fx or Fz is variable, thus modifying the orientation of the resultant causing the bending and therefore that of the polar diagram.
  • the angles ⁇ and ⁇ will be determined by calculation and / or tests to have the best possible combination of signals of opposite sign in all operating cases.
  • FIG. 10D corresponds to a variant of the arrangement of the sensors 2 as illustrated in FIG. 7.
  • the sensors 2 are arranged along lines of torsional force of opposite sign. In projection, they will no longer appear crossed at 90 ° but parallel.
  • the angles ⁇ and ⁇ are defined such that the sensors 2 are on the same side of the neutral bending fiber, the angle ⁇ being close to 90 °.
  • the combination of the signals will in this case be as following the electrical diagram illustrated by FIG. 11B. In this case, we subtract two torsion signals of opposite sign and two bending signals of the same sign.
  • FIG. 11A illustrates an example of an electronic circuit 9 to allow the conditioning and the combination of the signals in the case of the arrangements of the measurement sensors 2 illustrated in FIGS. 1, 6 and 8.
  • This electronic circuit 9 comprises the two sensors 2 supplied electrically by a supply A and each delivering a signal SU, SI2, a signal conditioner 5 associated with each sensor 2 and each delivering an output signal SI, S2 and a computer 7 which is, in this case, an analog summator, but which can be replaced by a digital computer.
  • the signal conditioner 5, or conditioner of the gauge bridge includes a bridge supply voltage regulator 51, an instrumentation amplifier 52 and a calibration and temperature correction device 53. These compensations can be carried out by mechanical or analog or digital. There are circuits carrying out all of the functions 51 to 53 either analogically or digitally.
  • the summator 7 comprises four resistors RI, R2, R3, R4 and a differential amplifier 71 which delivers an output signal S as a function of the signals SI and S2 according to the following formula:
  • FIG. 11 A shows the most universal assembly with separate packaging for each measurement sensor 2. It is naturally possible to simplify or group the packaging of the two sensors.
  • FIG. 11B represents an example of an electronic circuit 9 'to allow the conditioning and the combination of the signals in the case of the arrangement illustrated in FIG. 7. It can also be used in an assembly of the type represented in FIG. 10B, when we want, outside of the braking periods on a vehicle, to measure the component of the weight exerted on the instrumented wheel shaft. It consists, in addition to the two measurement sensors 2 and the signal conditioners 5, of a computer 7 'corresponding to a subtractor which can be analog as shown or digital.
  • the output signal S corresponds to the following formula:
  • the part 1 When the part 1 is a part whose behavior as well as the geometry are symmetrical, the application of a bending force generates a modification of the distance between the anchoring points A and B of the measurement sensors 2 placed on this part 1. This distance increases for one of the sensors and decreases for the second. If part 1 is perfectly symmetrical, the absolute value of this displacement is the same for each of the two sensors. When the signals from the two sensors are added together, a signal does not vary as a function of the force applied. If there is a slight asymmetry in part 1, each of these signals can be weighted in order to obtain a constant signal as a function of the bending load applied.
  • the application of a torque also generates a variation in the distance between the anchoring points A and B of the measurement sensors 2 placed on this part 1 This variation is the same direction for the two sensors. If we add the two signals, weighted or not, we obtain a signal representative of the torque My applied to part 1.
  • the present invention applies mainly to braking devices of all types of vehicles: motor vehicles, trucks, railways, airplanes as well as rotating machines for monitoring, controlling and regulating the brakes, but also controlling the parts themselves. - same.
  • the wheel axles of vehicles are subjected to complex and colossal forces, due both to the weight of the vehicle and to the braking force.
  • the parasitic forces (bending and others) can sometimes be as great as the torsional forces to be measured. It follows that the torsion sensors must meet very strict specifications, the essential points of which are recalled below:

Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure d'un couple. Le procédé de mesure est caractérisé en ce que l'on fixe sur ladite pièce (1) au moins deux capteurs (2) de mesure de déformations, identiques, rapportés entre deux points d'ancrage distincts (A, B) et positionnés sur deux courbes (a) de la pièce (1) inclinées d'un angle α par rapport à l'axe de la pièce (1). Ces capteurs sont agencés pour délivrer des signaux électriques en fonction des modifications de la distance entre leurs points d'ancrage respectifs générées par lesdites déformations.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE D'UN COUPLE EXERCE SUR UNE PIÈCE SOUMISE À DES EFFORTS DE COUPLE ET DE FLEXION
La présente invention concerne un procédé de mesure d'au moins une composante d'un torseur de forces appliqué à une pièce, ce torseur de forces étant défini comme suit dans un repère trigonométrique :
Fx Fy Fz Mx My Mz ce procédé prévoyant que l'on fixe sur ladite pièce au moins deux capteurs de mesure de déformations, identiques, chacun étant rapporté entre deux points d'ancrage distincts au moyen d'organes de couplage agencés pour transmettre à ces capteurs les déformations de ladite pièce, lesdits capteurs étant agencés pour délivrer des signaux électriques en fonction des modifications de la distance entre leurs points d'ancrage respectifs générées par lesdites déformations, que l'on procède à un conditionnement électrique des signaux issus des capteurs, ce conditionnement étant associé spécifiquement à ces capteurs et que l'on combine ces signaux afin de déduire la valeur de ladite composante dudit torseur de forces.
Elle concerne également un dispositif de mesure pour la mise en œuvre de ce procédé, chaque capteur comportant deux plots distants d'un intervalle équivalent à celui défini entre les points d'ancrage et une lame précontrainte montée à ses extrémités dans lesdits plots et portant au moins un élément sensible.
Ce procédé et ce dispositif de mesure sont particulièrement adaptés aux arbres fixes subissant un couple en réaction à un couple de freinage ou à un couple moteur. Ds peuvent cependant être utilisés pour des arbres tournants, le dispositif de mesure étant, dans ce cas, associé à un moyen de transmission électrique avec ou sans contact. L'arbre à contrôler n'est pas nécessairement cylindrique et sa section pas nécessairement circulaire. Dans le but d'améliorer la maintenance d'équipements mécaniques en général, il est utile de surveiller et de contrôler les pièces qui sont soumises à des efforts, notamment en plaçant, sur ces pièces, des capteurs qui permettent d'obtenir des informations quant à leur comportement statique ou dynamique. Cela peut s'effectuer, par exemple, au moyen d'une mesure de déformation.
Dans le cadre du freinage des véhicules terrestres et des avions par exemple, la connaissance des déformations des arbres de roues permet de donner des indications précises quant au couple de freinage exercé, indépendamment par exemple des glissements ou des déformations des roues. La connaissance de ce couple de freinage permet notamment d'améliorer les performances de l'asservissement du freinage.
Pour de nombreuses applications, une pièce soumise à un couple est également déformée par des efforts de flexion. Très souvent, ces efforts de flexion viennent perturber la mesure du couple et il est nécessaire de les éliminer. D'une manière plus générale, on peut vouloir, lors d'une mesure, garder certaines composantes du torseur de forces tel que défini ci-dessus et éliminer les autres.
Les capteurs extensométriques connus sont de nature et de performance diverses. Plusieurs technologies différentes permettent la mesure du couple. Par contre, peu d'entre elles permettent une mesure via un dispositif économique, simple, rapporté facilement sur la pièce à contrôler, sans organe d'assemblage complémentaire.
En effet, on peut instrumenter la pièce à contrôler directement avec des jauges de contrainte dont le nombre, l'emplacement et les directions sont convenablement choisis, tel que décrit dans de nombreux manuels d'extensométrie. Ces installations sont très coûteuses, difficiles et impossibles à réaliser en dehors d'ateliers ou de laboratoires spécialisés et de personnel très qualifié. On tente de contourner cette difficulté en équipant de jauges extensométriques des corps d'épreuve qui sont ensuite intercalés entre deux éléments de la pièce à instrumenter. C'est le cas par exemple des couplemètres de banc d'essai intercalés entre l'arbre moteur et l'arbre récepteur d'une installation de transmission de puissance.
C'est le cas aussi de nombreux dispositifs tels que ceux décrits dans les publications DE-A-3 406 059 et 3 405 168 ou EP-A-0 410 133. Ces dispositifs restent coûteux et spécifiques, nécessitent une adaptation de la pièce à contrôler et sont même parfois impossibles à installer car ils demandent des modifications trop importantes. Nombre d'entre eux demandent à être découplés des sollicitations parasites (couplemètres de banc).
Par ailleurs, la publication US-A-3 780 817 décrit un capteur limité à la mesure des efforts de flexion et constitué d'une lame flexible précontrainte montée entre deux plots fixes, cette lame portant des jauges de contrainte. Son inconvénient majeur réside dans le fait qu'il n'est pas réglable, ces points de fixation étant fixes. Il n'est donc pas possible de tarer ce capteur avant ou pendant son utilisation pour obtenir un point de fonctionnement prédéterminé. Dans la publication US-A-5 585 572, le capteur de torsion est très complexe et encombrant. Il demande une mise en oeuvre très coûteuse et ne peut pas être utilisé sur des arbres d'accès difficile, indémontable ou de forme non cylindrique.
D'autres dispositifs utilisent la variation de capacité d'un entrefer déformable, ou une mesure optique. Ils utilisent, en général, la rotation de sections voisines et mesurent une variation de longueur représentative de cet angle. Dans le montage décrit dans la publication US-A-4 941 363, par exemple, les deux faces du condensateur sont montées sur des colliers enserrant l'arbre, et la fiabilité du serrage est très difficile à assurer. De plus, le serrage est impossible si l'arbre n'est pas cylindrique. Il est très difficile d'éliminer les contraintes parasites. La plupart de ces dispositifs sont, en plus, sensibles aux agressions extérieures.
II existe encore d'autres types de capteur de torsion comme celui décrit dans la publication US-A-5 831 180 qui utilise la magnétostriction. Ce capteur est limité à la mesure du couple de torsion sur une barre de direction d'un véhicule où les efforts de torsion sont faibles et les efforts parasites de flexion par exemple sont presque inexistants. Ce capteur présente une forme complexe adaptée à la géométrie de la barre qui ne permet pas sa reproductibilité industrielle à des coûts réduits. De plus, son principe de mesure est très sensible aux écarts de température. Et son montage sur l'arbre n'autorise aucune possibilité de réglage. Le procédé de mesure basé sur deux capteurs symétriques par rapport à un plan passant par l'axe de la barre ne permet pas d'annuler automatiquement les efforts parasites puisque les deux capteurs sont en opposition. Ce capteur et son procédé de mesure ne sont donc pas du tout adaptés à l'application particulière de l'invention.
La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en offrant un procédé de mesure d'un couple ainsi qu'un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé, ce dispositif étant facilement industrialisable et reproductible à moindre coût, d'une très grande précision, très peu encombrant, pouvant s'adapter à des pièces de formes diverses, d'une grande facilité de montage et de démontage sans devoir démonter les pièces environnantes, insensible aux variations de température, pouvant être ajusté une fois monté sur la pièce et permettant d'utiliser des capteurs spécifiques ou disponibles dans le commerce, ces capteurs étant capables de mesurer une élongation sans effort exagéré sur leurs appuis ou points d'ancrage.
Ce but est atteint par le procédé tel que défini en préambule, caractérisé en ce que l'on dispose les deux points d'ancrage distincts de chaque capteur sur une courbe de la pièce, cette courbe formant un angle α avec l'axe de symétrie de cette pièce.
De préférence, les courbes sur lesquelles sont fixés les points d'ancrage des deux capteurs sont sensiblement parallèles. L'angle α peut être compris entre 0 et 90° et est de préférence égal à 45°. Selon les variantes de disposition desdits capteurs, on peut les disposer de façon diamétralement opposée sur ladite pièce.
Selon une variante de réalisation, on dispose les capteurs perpendiculairement à l'axe de symétrie de ladite pièce, les points d'ancrage de chaque capteur étant décalés entre eux d'une distance La.
Ce but est également atteint par le dispositif tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'au moins un des plots comporte des moyens de réglage agencés pour ajuster la précontrainte exercée sur ladite lame.
Ce dispositif s'applique avantageusement à des pièces importantes, peu maniables, faisant partie d'un système complexe que l'on ne peut modifier et / ou que l'on désire instrumenter en grande série.
Chaque plot comporte, avantageusement, un sabot de blocage pourvu d'une fente pour recevoir l'extrémité correspondante de ladite lame précontrainte et fixé dans ledit plot par une vis de fixation. Les moyens de réglage peuvent comporter une vis de réglage coopérant avec au moins un sabot de blocage pour ajuster sa position en direction de ladite lame précontrainte.
De préférence, les organes de couplage comportent des plots d'ancrage, chaque plot d'ancrage comportant un méplat supérieur fixé solidairement à un plot d'un capteur et une face inférieure présentant une forme adaptée à celle de ladite pièce et fixée solidairement à cette dernière.
Le plot peut être fixé au plot d'ancrage correspondant au moyen d'un organe de fixation amovible et le plot d'ancrage peut être fixé sur ladite pièce par un procédé de fixation choisi parmi le collage, la soudure, le vissage, le surmoulage. De préférence, les plots d'ancrage sont réalisés dans une matiè-re rigide, indéformable, telle qu'un métal ou un alliage de métaux.
En fonction des dispositions desdits capteurs sur la pièce, le calculateur est choisi parmi un sommateur et un soustracteur, numérique ou analogique.
Le procédé selon l'invention a pour avantages principaux de fournir des informations fiables et précises liées au couple de torsion d'une pièce, avec un nombre minimum de capteurs, soit deux, en éliminant automatiquement les efforts parasites même si ceux- ci sont importants, en compensant automatiquement les dilatations éventuelles dues aux variations de température, au moyen d'une électronique de conditionnement sommaire disposée à proximité de ces capteurs ainsi qu'avec un traitement analytique ou numérique simple.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la description qui suit d'une forme de réalisation préférée et de ses variantes et des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et dans lesquels:
• les figures 1 et 2A à 2C représentent des schémas de principe du procédé et du dispositif selon l'invention, • la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un capteur du dispositif de l'invention,
• la figure 4 est une vue en perspective du capteur de la figure 3,
• la figure 5 représente un exemple de montage du capteur de la figure 3,
• les figures 6 à 8 représentent différentes implantations possibles des capteurs du dispositif de l'invention,
• les figures 9A et 9B représentent les déformations subies respectivement en cas de moment fléchissant et d'effort tranchant,
• les figures 10A à 10D représentent les diagrammes polaires du signal obtenu par les capteurs du dispositif de l'invention selon différentes implantations, • les figures 11A et 11B représentent deux exemples de circuit électronique associé auxdits capteurs du dispositif de l'invention permettant deux combinaisons de signaux différentes.
La figure 1 représente schématiquement un dispositif de mesure du couple 10 complet selon l'invention. Une pièce mécanique 1 est soumise à des efforts de flexion Fx et Fz associés à leurs moments Mx et MZ et à un moment de torsion My associé à l'effort Fy. Par conséquent, le torseur de forces d'un tel système est défini comme suit dans un repère trigonométrique :
Fx Fy Fz Mx My Mz
Cette pièce 1 est instrumentée de deux capteurs 2, identiques, rapportés sur la structure mécanique à étudier de ladite pièce par des organes de couplage 3 et agencés pour fournir des signaux électriques en fonction des éventuelles déformations de ladite structure. Ces capteurs 2 sont reliés par des liaisons électriques 4, support de transfert desdits signaux, vers un conditionneur de signal 5. Les signaux sont alors transmis, via un transmetteur 6, à un calculateur 7 qui, après combinaison numérique de ces signaux, délivrera une indication des efforts de couple appliqués sur ladite pièce mécanique 1. Cette combinaison de signaux peut être effectuée dans le conditionneur 5 même, de manière analogique, ou dans le calculateur 7 de façon numérique.
La pièce mécanique 1 peut être un arbre de section circulaire ou non, un arbre de liaison entre deux machines tournantes, un arbre de roues d'un véhicule (essieu de camion, de véhicule ferroviaire, etc.) ou encore la fusée d'un train d'atterrissage d'un avion. Si cet arbre n'est soumis qu'à un effort de couple pur C, un seul capteur 2 rapporté est nécessaire. Aucun découplage n'est en effet nécessaire dans ce cas. En effet les composantes Fx, Fz, Fy, Mx et Mz sont nulles. Le capteur 2 mesure alors uniquement la composante My. Si des efforts de flexion sont superposés à cet effort de torsion C et si l'effort Fy est négligeable vis à vis des autres composantes du torseur de forces, deux capteurs 2 diamétralement opposés par rapport à l'axe de la pièce 1 sont à implanter (voir figures 2A à 2C). La figure 2A est une vue en bout de la pièce 1 instrumentée, la figure 2B est une vue de face de cette pièce et la figure 2C est une vue en plan de la pièce 1 instrumentée développée. Il apparaît clairement sur la figure 2C que les deux capteurs 2 sont positionnés parallèlement sur deux courbes (a) de la pièce 1 parallèles et inclinées par rapport à l'axe de la pièce 1 d'un angle α. L'avantage de cette configuration est que l'un des capteurs 2 mesure à la fois Fx, -Fz, -Mx, Mz et My, alors que le deuxième mesure -Fx, Fz, Mx, -Mz et My. C'est la combinaison des signaux délivrés par les deux capteurs 2 qui permet d'obtenir la mesure de la composante voulue. L'addition des signaux obtenus permet une mesure de My. La soustraction des signaux permet d'obtenir une évaluation de Fx, Fz, Mx et Mz.
Si l'on veut découpler ces quatre efforts Fx, Fz, Mx et Mz, des capteurs 2 supplémentaires sont à implanter sur la pièce mécanique 1 à étudier. Des organes de couplage 3 permettent l'adaptation des capteurs 2 sur la pièce mécanique 1. Ils sont rigides et peuvent être des vis, des plots, des languettes, des brides de serrage ou des goupilles par exemple, mais aussi de la colle ou des soudures. Ces organes de couplage 3 permettent la transmission intégrale des déformations de la pièce mécanique 1 vers le capteur 2. Le matériau utilisé est tel que les déformations propres de ces organes de couplage 3 sont négligeables vis à vis de celles de la pièce 1. Ce matériau est par exemple un métal, un alliage de métaux ou tout autre matériau rigide et indéformable.
Les signaux électriques délivrés par ces capteurs 2 sont reliés à un conditionneur de signal 5. Ce conditionneur 5 peut être totalement ou partiellement interne, voire externe aux deux capteurs 2. Ceci peut rendre inutile tout traitement externe complémentaire. La liaison électrique 4 est dans ce cas interne au capteur 2. Seule la liaison par transmetteur 6 existe. Cette dernière peut être de différentes natures. Dans le cas d'un arbre statique, elle peut être sous forme filaire. Dans le cas d'un arbre en rotation, la liaison 6 peut être effectuée par voie hertzienne, optique ou par collecteur tournant.
Le calculateur 7 fait l'acquisition des signaux issus des capteurs 2. Si la pièce 1 n'est soumise qu'à un couple de torsion C, le calculateur 7 n'est pas nécessaire, excepté dans le cas où l'utilisateur veut faire une remise à l'échelle ou un changement de variables. Sinon, le calculateur 7 permet une mesure découplée des différents efforts de torsion et de flexion, cela par la combinaison des signaux issus des capteurs 2. Dans le cas d'une pièce parfaitement asymétrique, une simple addition des signaux permet de déduire une information de couple pur alors que leur soustraction permet l'obtention des efforts de flexion comme expliqué précédemment. Dans ce cas, la sommation des deux signaux peut être implantée directement dans le conditionneur de signal 5.
Si la pièce 1 n'est pas parfaitement symétrique ou si les efforts ne sont pas répartis uniformément, on peut pondérer chacun des signaux puis les additionner afin d'annuler l'influence de certains efforts qui ne présentent pas d'intérêt. Généralement, les signaux seront transmis au calculateur 7 qui effectuera la combinaison des signaux sous forme numérique.
Les figures 2A à 2C décrivent l'implantation particulière des capteurs dans le cadre d'une pièce 1 dont le comportement ainsi que la géométrie sont symétriques. Dans le cadre de cette invention, deux capteurs 2 doivent être diamétralement opposés sur deux courbes (a) parallèles de la pièce 1, cela dans le but de découpler les efforts de flexion et d'obtenir une mesure de My (torsion), la composante Fy étant négligeable vis à vis des autres composantes du torseur de forces. La valeur de l'angle δ peut être variable selon les applications, l'encombrement et l'importance des efforts de flexion dont il faut s'affranchir. La distance D permet de mesurer un couple et d'ajuster la plage de mesure du capteur 2 aux efforts de torsion appliqués à la pièce 1. En effet, de cette manière, le capteur 2 mesure le comportement relatif de deux courbes de la structure de la pièce 1 en torsion. Si cette structure ou les efforts appliqués ne sont pas symétriques, une modélisation par la méthode des éléments finis est précieuse pour déterminer les zones où les capteurs 2 doivent être implantés, cela dans le but de découpler le couple de torsion C des efforts de flexion. Si seul un léger défaut de symétrie existe, on peut garder la configuration illustrée dans la figure 2A. Il faudra cependant prendre soin d'optimiser l'angle δ et la distance D afin d'obtenir les meilleures précisions possibles au niveau de la mesure. L'utilisation d'un nombre supérieur de capteurs 2 peut être nécessaire dans une telle configuration. Leurs signaux seront là aussi combinés.
En référence plus particulièrement aux figures 3 et 4, une forme spécifique de capteur de mesure 2 est à présent décrite. Il convient de préciser que tout autre type de capteur de mesure peut convenir, notamment des capteurs déjà existants dans le commerce. Le capteur 2, tel qu'illustré, comporte deux plots 21 entre lesquels est montée une lame 22 précontrainte portant un élément sensible 22' formé par exemple d'une jauge résistive, capacitive, piézo électrique ou tout autre moyen équivalent, déposé selon un procédé de fabrication sous vide à la manière des circuits intégrés. Cet élément sensible 22' est couplé à un boîtier électronique 29 monté sur un des plots 21 par des fils électriques ou toute autre liaison électrique 4, ce boîtier comportant par exemple le conditionneur 5, le transmetteur 6, le calculateur 7 et une sortie filaire 29' vers un afficheur déporté et non représenté.
La lame précontrainte 22 est fixée solidairement à l'intérieur des plots 21 par l'intermédiaire de sabots de blocage 24, 24'. Elle comporte dans ses zones d'extrémités un trou permettant le passage d'une vis de fixation 25 passant à travers un trou lisse correspondant prévu dans les plots et vissée dans les sabots de blocage 24, 24*. Ces sabots de blocage 24, 24' comportent une fente recevant les extrémités correspondantes de la lame précontrainte 22. Un des sabots de blocage 24 est fixe et l'autre sabot de blocage 24' est mobile en translation selon la flèche P grâce à des moyens de réglage. Ces moyens de réglage comportent une vis de réglage 26 disposée parallèlement à la lame précontrainte 22 traversant un trou lisse prévu dans le plot 21 correspondant et vissée dans le sabot 24' afin d'ajuster précisément sa position en direction de la lame et, de ce fait, d'ajuster l'effort de précontrainte exercé sur cette lame 22. L'extrémité de la lame précontrainte 22 correspondante est immobilisée dans ce sabot 24' par une vis intermédiaire 23 qui reçoit la vis de fixation 25. Le plot 21 correspondant comporte un trou oblong pour le passage de la vis de fixation 25 autorisant ledit réglage.
La réalisation et le montage du capteur 2 sont réalisés en laboratoire par du personnel qualifié et avec toutes les précautions et précisions nécessaires dans le but d'obtenir des capteurs 2 très précis et fiables dans le temps. Ce type de montage ne pourrait en aucun cas être réalisé en atelier directement sur la pièce 1 à contrôler. Après assemblage, la partie centrale du capteur 2 contenant ladite lame 22 et son élément sensible 22' ou l'ensemble du capteur 2 est soit moulé dans une matière synthétique ayant pour fonction de protéger le capteur par rapport aux agressions extérieures, soit recouvert par un boîtier adéquat.
Le capteur 2 ainsi obtenu peut être ensuite monté très facilement sur la pièce 1 à instrumenter soit directement, soit par l'intermédiaire d'organes de couplage 3 constitués par des plots d'ancrage, pourvus d'un méplat supérieur 31, d'un talon 32 et d'une face inférieure 33 de forme adaptée à celle de la pièce 1. Dans ce cas, les plots
21 du capteur 2 sont positionnés sur le méplat supérieur 31 des plots d'ancrage 3 et fixés par des vis de fixation 27 traversant un alésage lisse 28 prévu dans lesdits plots 21. Ces alésages lisses 28 peuvent être des trous oblongs pour autoriser un réglage supplémentaire entre les deux points d'ancrage A et B. Les méplats 31 prévus sur les plots d'ancrage 3 définissent entre eux une surface parfaitement plane permettant le montage dudit capteur 2. Ces plots d'ancrage 3 sont ensuite fixés sur la pièce 1 à instrumenter, par collage dans la plupart des cas, soudure, vis ou tout autre moyen approprié. La forme de la face inférieure 33 desdits plots d'ancrage 3 est adaptée à la forme de la pièce 1 soit par usinage, déformation plastique ou moulage direct sur cette pièce 1 dans les cas les plus compliqués. Dans le cas de la figure 6, par exemple, ces plots d'ancrage 3 peuvent être simplement découpés dans un tube à l'aide d'un poinçon carré convenablement orienté. La fixation du capteur 2 sur les plots d'ancrage 3 par les vis 27 rend celui-ci très aisément démontable. Les plots d'ancrage 3, localisés aux points de fixation du capteur 2 sur la pièce 1 à contrôler, sont très peu sensibles aux déformations. De ce fait, la fixation par collage est très fiable.
Pour monter les plots d'ancrage 3 et positionner précisément les capteurs de mesure 2 sur la pièce 1 à instrumenter, on utilise un gabarit 8 tel qu'illustré par la figure 5, la pièce 1 étant tronquée volontairement. Ce gabarit 8 est constitué par exemple d'un collier de serrage ayant une forme adaptée à celle de la pièce 1. Il est serré sur cette pièce 1 par des vis 82 ou tout autre moyen approprié prévus pour resserrer ses pattes 83, emprisonner et maintenir les plots d'ancrage 3 en prenant appui sur les talons 32 correspondant pendant la phase de collage. Ce gabarit 8 comporte également des alvéoles 81 pour le centrage des capteurs 2 dans une position déterminée par une des dispositions retenues et / ou par calcul. Ce gabarit 8 est ensuite retiré lorsque la phase de collage est achevée.
Selon la forme de la pièce 1 à instrumenter, les efforts auxquels elle est soumise et les informations que l'on veut obtenir, les deux capteurs de mesure 2 peuvent être disposés différemment en référence aux figures 6 à 8.
Dans la figure 6, les capteurs 2 sont diamétralement opposés et orientés selon deux courbes (a) de la pièce 1, parallèles et formant un angle α avec l'axe de symétrie de cette pièce. Dans cette disposition, l'angle α est égal à 45° conformément aux explications données ci-après. Mais, il peut aussi être compris en 0 et 90° en excluant toutefois ces deux valeurs extrêmes. En effet, pour α=0 ou α=90°, la sensibilité du capteur en torsion est nulle, car on ne peut pas mesurer de cisaillement à l'aide de cette disposition. Dans la figure 7, les deux capteurs 2 ne sont pas diamétralement opposés mais sont placés d'un côté de la fibre neutre de la pièce 1 et symétriquement par rapport à un plan passant par l'axe de cette pièce 1, chacun étant disposé sur une courbe (a) de la pièce 1 formant un angle α avec l'axe de symétrie de cette pièce, les deux courbes (a) se croisant. L'angle α peut être aussi égal à 45° ou différent selon les besoins.
Dans la figure 8, les capteurs 2 sont disposés perpendiculairement par rapport à l'axe de symétrie de la pièce 1 et les plots d'ancrage 3 sont décalés entre eux d'une distance La. Ainsi, les points d'ancrage A et B de chaque capteur 2 sont également positionnés sur deux courbes (a) parallèles entre elles et inclinées par rapport à l'axe de la pièce 1 d'un angle α.
On rappelle que dans le cas d'une pièce mécanique 1 soumise à des efforts de flexion Fx et Fz associés à leurs moments Mx et MZ et à un moment de torsion My associé à un effort Fy, le torseur de forces d'un tel système dans un repère trigonométrique est :
Fx Fy Fz
Mx My Mz
La figure 6 représente une disposition du capteur de mesure 2 permettant la meilleure mesure du moment de torsion My. Ce moment My se traduit en effet par une matrice
des contraintes en un point de la surface, dans le repère xy, de la forme τ
Figure imgf000015_0001
représente un cisaillement. Après diagonalisation, cette matrice se présente sous la \d 0 forme ou σi et σπ représentent les contraintes normales principales dans le
0 σtf | repère I, II, tourné de 45° par rapport au repère initial xy, avec σπ = -σi. et
Figure imgf000015_0002
τ. La matrice des déformations sera, de manière similaire suivant I et
Figure imgf000015_0003
II, εi et επ représentant les déformations principales. Par conséquent, deux éléments voisins orientés suivant ces directions ne subiront aucun glissement relatif. En effet, sur toute la longueur de la pièce 1, une hélice inclinée à 45° par rapport à l'axe de ladite pièce ou l'axe du moment My représente une isobare, parfois aussi appelée " ligne de force " et correspondant aux courbes (a). Un capteur de mesure 2 ancré entre deux points A et B dans une direction à 45° par rapport à l'axe du moment My verra donc : ses extrémités se déplacer exactement suivant son axe longitudinal, à l'exclusion de toute rotation relative sur la surface de la pièce 1. Ce capteur 2 subira donc moins d'effets parasites. une élongation maximale ΔL de ses points d'ancrage A et B pour un moment My donné et une distance AB donnée. Sa sensibilité vis à vis du moment de torsion
My sera donc maximale.
Dans le cas d'une disposition des capteurs de mesure 2 sur des courbes (a) où l'angle d'inclinaison α est différent de 45°, la valeur lue par le capteur sera une partie de celle du cas précédent, correspondant à la projection de l'élongation ΔL précédente sur l'axe du capteur. Le capteur sera moins sensible à la torsion et davantage aux déformations parasites, ainsi qu'à d'autres composantes du torseur de forces. On peut utiliser cette disposition lorsque la disposition de la figure 6 est impossible pour des raisons d'encombrement, et / ou si l'on dispose d'un capteur peu sensible aux déformations parasites, ou si l'on désire renforcer la sensibilité à l'une des autres composantes du torseur des forces, par exemple pour extraire le poids sur un arbre de roues par une combinaison des signaux des capteurs par exemple suivant le schéma électrique illustré par la figure 11B.
La figure 8 représente une disposition différente du capteur 2, où celui-ci est placé à 90° par rapport à l'axe du moment de torsion My, les plots d'ancrage 3 étant décalés d'une longueur La perpendiculairement à l'axe du capteur. Le capteur 2 mesure une élongation proportionnelle au décalage La et à la rotation relative des sections voisines de la pièce 1 due au moment de torsion My. On mesure ainsi une valeur représentative d'un cisaillement. Cette disposition peut être utilisée lorsque les contraintes géométriques ne permettent pas d'utiliser le montage de la figure 6, ou lorsqu'on veut augmenter ou diminuer l'élongation ΔL à mesurer pour l'adapter à l'étendue de mesure du capteur. Dans la figure 6, qui représente le schéma de base de l'installation du dispositif avec ses deux capteurs de mesure 2 diamétralement opposés et ses plots d'ancrage 3, on a schématisé les " lignes de force " de torsion, correspondant aux courbes (a), suivant lesquelles sont collés lesdits capteurs. Les deux capteurs enregistrent donc des déformations égales et de même signe.
La figure 9A représente les déplacements enregistrés par ces mêmes capteurs 2 sous l'effet d'un moment fléchissant pur. Le capteur 2 subit un raccourcissement D-d ou un allongement D+d suivant qu'il se trouve au dessus ou au dessous de la fibre neutre N, en même temps qu'une rotation φ de ses plots d'ancrage 3. La figure 9B représente les déformations des sections d'une pièce 1 soumise à un effort tranchant. Si l'on considère une section transversale, on constate que cette section ne reste pas plane après déformation, contrairement au cas du moment fléchissant pur, sous l'effet du cisaillement dans la direction x. De même, on constate un glissement relatif de deux sections voisines. Ce cisaillement n'est pas également réparti dans une section, mais maximal au niveau de la fibre neutre N. Les cas réels de flexion sont le plus souvent une combinaison des cas 9 A et 9B.
Les figures 10A à 10D représentent les diagrammes polaires du signal d'un capteur 2 monté sur une pièce 1 soumise à des efforts de flexion en fonction de sa position angulaire sur ladite pièce 1. Le signal maximal est enregistré à 90° de la fibre neutre N de la pièce 1 et le signal minimal sur la fibre neutre N.
La figure 10A correspond au cas où les deux capteurs 2 sont diamétralement opposés, disposés sur la fibre neutre N et orientés à 45° comme sur la figure 6. On devrait enregistrer des signaux nuls ou très faibles. Or ces capteurs ne sont pas symétriques par rapport aux efforts de flexion et, à cause des phénomènes décrits en référence aux figures 5A et 5B, et parce que les capteurs ont une longueur non négligeable, il existe une incertitude très grande sur la valeur et le signe de la déformation ΔL enregistrée, rendant l'élimination du signal de flexion très aléatoire.
La figure 10B correspond au cas où les deux capteurs 2 sont décalés d'un angle δ par rapport à la fibre neutre N de flexion (δ > 30°) et sont diamétralement opposés, l'angle β étant égal à 180°. Ce décalage angulaire permet aux capteurs 2 de fournir avec certitude des signaux de signes opposés pouvant être combinés suivant le schéma électrique illustré par la figure 11A dans le but d'éliminer les efforts de flexion, avec une éventuelle pondération de chaque capteur si la dissymétrie du diagramme polaire la rend nécessaire.
Les mesures effectuées montrent souvent une dissymétrie importante du diagramme de flexion entre les zones en traction (représentées par le signe +) et les zones en compression (représentées par le signe -). Il peut arriver également, dans le cas du freinage en particulier, que l'une des composantes Fx ou Fz soit variable, modifiant ainsi l'orientation de la résultante provoquant la flexion et donc celle du diagramme polaire.
Dans ce cas, on peut décaler, comme illustré par la figure 10C, l'un des deux capteurs 2 de telle manière que l'angle β soit différent de 180°. Les angles δ et β seront déterminés par calcul et / ou essais pour avoir la meilleure combinaison possible des signaux de signe opposé dans tous les cas de fonctionnement.
La figure 10D correspond à une variante de la disposition des capteurs 2 telle qu'illustrée par la figure 7. Contrairement à la figure 6, les capteurs 2 sont disposés suivant des lignes de force de torsion de signe opposé. En projection, ils apparaîtront non plus croisés à 90° mais parallèles. Les angles δ et β sont définis tels que les capteurs 2 soient du même coté de la fibre neutre de flexion, l'angle β étant voisin de 90°. La combinaison des signaux sera dans ce cas telle que suivant le schéma électrique illustré par la figure 11B. Dans ce cas, on soustrait deux signaux de torsion de signe opposé et deux signaux de flexion de même signes.
My-(-My)+F-F= 2My L'avantage de cette disposition est de pouvoir supprimer également une traction Fy et surtout une dilatation thermique Δ dont l'effet est identique sur les deux capteurs.
My-(-My)+Fx-Fx+Fz-Fz+Fy -Fy+Δ-Δ= 2My On évite ainsi l'utilisation obligatoire de capteurs auto compensés.
La figure 11A illustre un exemple de circuit électronique 9 pour permettre le conditionnement et la combinaison des signaux dans le cas des dispositions des capteurs de mesure 2 illustrées dans les figures 1, 6 et 8. Ce circuit électronique 9 comporte les deux capteurs 2 alimentés électriquement par une alimentation A et délivrant chacun un signal SU, SI2, un conditionneur de signaux 5 associé à chaque capteur 2 et délivrant chacun un signal de sortie SI, S2 et un calculateur 7 qui est, dans ce cas, un sommateur analogique, mais qui peut être remplacé par un calculateur numérique.
Le conditionneur de signaux 5, ou conditionneur du pont de jauges, comporte un régulateur de tension d'alimentation du pont 51, un amplificateur d'instrumentation 52 et un dispositif de corrections d'étalonnage et de température 53. Ces compensations peuvent être réalisées de manière mécanique ou analogique ou numérique. Il existe des circuits réalisant l'ensemble des fonctions 51 à 53 de manière soit analogique, soit numérique.
Le sommateur 7 comporte quatre résistances RI, R2, R3, R4 et un amplificateur différentiel 71 qui délivre un signal de sortie S en fonction des signaux SI et S2 selon la formule suivante :
S avec Sl= kl*My+k2*Fz et S2= k3*My+k4*Fz
Figure imgf000019_0001
Si le diagramme polaire de flexion est symétrique, il suffit d'avoir R1=R2≈R3 pour éliminer complètement la flexion et garder un signal proportionnel au moment de torsion. Dans le cas contraire , on joue sur les valeurs des résistances pour pondérer et éliminer complètement le signal de flexion.
La figure 11 A représente le montage le plus universel avec un conditionnement séparé pour chaque capteur de mesure 2. Il est naturellement possible de simplifier ou de regrouper le conditionnement des deux capteurs.
La figure 11B représente un exemple de circuit électronique 9' pour permettre le conditionnement et la combinaison des signaux dans le cas de la disposition illustrée dans la figure 7. Il peut être également utilisé dans un montage du type représenté sur la figure 10B, lorsqu'on veut, en dehors des périodes de freinage sur un véhicule, mesurer la composante du poids exercée sur l'arbre de roues instrumenté. Il se compose, outre les deux capteurs de mesure 2 et les conditionneurs de signaux 5, d'un calculateur 7' correspondant à un soustracteur qui peut être analogique comme représenté ou numérique. Le signal de sortie S correspond à la formule suivante :
R3 ^2 | R2(R3 +R4)
- riS2 + ^Y^ τ Λ"(S1 soit S =A*S1-B*S2 avec Sl=aMy+bFx+cFz+Fy+Δ et R4 R4(R1 + R2) '
Figure imgf000020_0001
On obtient bien, dans le cas de la figure 7 :
My-(-My)+Fx-Fx+Fz-Fz+Fy -Fy+Δ-Δ= 2My si R1=R2=R3=R4 Et dans le cas de la figure 10B :
My-My+Fz+Fz= 2Fz
Lorsque la pièce 1 est une pièce dont le comportement ainsi que la géométrie sont symétriques, l'application d'un effort de flexion génère une modification de la distance entre les points d'ancrage A et B des capteurs de mesure 2 placés sur cette pièce 1. Cette distance augmente pour l'un des capteurs et diminue pour le deuxième. Si la pièce 1 est parfaitement symétrique, la valeur absolue de ce déplacement est la même pour chacun des deux capteurs. Lorsque l'on additionne les signaux issus des deux capteurs, on obtient donc un signal ne variant pas en fonction de la force appliquée. S'il existe une légère dissymétrie de la pièce 1, on peut pondérer chacun de ces signaux afin d'obtenir un signal constant en fonction de la charge en flexion appliquée.
Lorsque la pièce 1 est une pièce dont le comportement ainsi que la géométrie sont symétriques, l'application d'un couple génère également une variation de la distance entre les points d'ancrage A et B des capteurs de mesure 2 placés sur cette pièce 1. Cette variation est de même sens pour les deux capteurs. Si l'on ajoute les deux signaux, pondérés ou non, on obtient un signal représentatif du couple My appliqué à la pièce 1.
La présente invention s'applique principalement aux dispositifs de freinage de tout type de véhicules : véhicules automobiles, camions, ferroviaires, avions ainsi que des machines tournantes pour assurer le suivi, le contrôle et la régulation des freins, mais aussi le contrôle des pièces elles-mêmes.
Dans ces applications particulières, les axes de roues des véhicules sont soumis à des efforts complexes et colossaux, dus aussi bien au poids du véhicule qu'à la force de freinage. Les efforts parasites (flexion et autres) peuvent être quelque fois aussi importants que les efforts de torsion à mesurer. Il en découle que les capteurs de torsion doivent répondre à un cahier de charges très sévère, dont les points essentiels sont rappelés ci-après :
• une précision du capteur de moins de 5% • une taille du capteur de quelques centimètres cubes car l'encombrement disponible est souvent limité et l'accès difficile
• une très grande facilité de montage et de démontage du capteur sans devoir démonter les pièces environnantes comme les roues, et sans ajout d'accessoires complexes pour la fixation du capteur • une bande passante du capteur de quelques kilo-hertz pour qu'il ne soit pas perturbé par toute une gamme de vibrations mécaniques
• une possibilité de préréglage et de réglage du capteur après montage pour ajuster précisément son point de fonctionnement
• une insensibilité aux variations de température par une auto-compensation thermique
• une fabrication industrielle en série à moindre coût avec une parfaite répétitivité.
Elle n'est pas limitée aux exemples décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme de métier, tout en restant dans l'étendue de la protection définie par les revendications annexées.

Claims

Revendications
1.- Procédé de mesure d'au moins une composante d'un torseur de forces appliqué à une pièce et défini comme suit dans un repère trigonométrique : Fx Fy Fz
Mx My Mz, ce procédé prévoyant que l'on fixe sur ladite pièce (1) au moins deux capteurs (2) de mesure de déformations, identiques, chacun étant rapporté entre deux points d'ancrage distincts (A, B) au moyen d'organes de couplage agencés pour transmettre à ces capteurs les déformations de ladite pièce, lesdits capteurs étant agencés pour délivrer des signaux électriques en fonction des modifications de la distance entre leurs points d'ancrage respectifs générées par lesdites déformations, que l'on procède à un conditionnement électrique des signaux issus des capteurs, ce conditionnement étant associé spécifiquement à ces capteurs et que l'on combine ces signaux afin de déduire la valeur de ladite composante dudit torseur de forces, caractérisé en ce que l'on dispose les deux points d'ancrage distincts (A, B) de chaque capteur (2) sur une courbe (a) de la pièce (1), cette courbe (a) formant un angle α avec l'axe de symétrie de cette pièce.
2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les courbes (a) sur lesquelles sont fixés les points d'ancrage (A, B) des deux capteurs (2) sont sensiblement parallèles.
3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle α est compris entre 0 et 90° et de préférence égal à 45°.
4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose lesdits capteurs (2) de façon diamétralement opposée sur ladite pièce (1).
5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on dispose lesdits capteurs (2) perpendiculairement par rapport à l'axe de symétrie de la pièce (1), les points d'ancrage (A, B) de chaque capteur étant décalés entre eux d'une distance La.
6.- Dispositif de mesure d'au moins une composante d'un torseur de forces appliqué à une pièce et défini comme suit dans un repère trigonométrique :
Fx Fy Fz Mx My Mz pour la mise en œuvre du procédé de mesure, ce dispositif comportant au moins deux capteurs (2) de mesure de déformations, identiques, chacun étant rapporté entre deux points d'ancrage distincts (A, B) et fixé à ladite pièce (1) au moyen d'organes de couplage (3) agencés pour transmettre à ces capteurs les déformations de ladite pièce (1), lesdits capteurs étant agencés pour délivrer des signaux électriques en fonction des modifications de la distance entre leurs points d'ancrage respectifs générées par lesdites déformations, un circuit électronique comportant un conditionneur électrique des signaux issus des capteurs, ce conditionneur étant spécifiquement associé à ces capteurs, et un calculateur intégrant ces signaux en vue de déduire la valeur de ladite composante dudit torseur de forces, chaque capteur (2) comportant deux plots (21) distants d'un intervalle équivalent à celui défini entre les points d'ancrage (A, B) et une lame précontrainte (22) montée à ses extrémités dans lesdits plots (21) et portant au moins un élément sensible (22'), caractérisé en ce qu'au moins un des plots (21) comporte des moyens de réglage agencés pour ajuster la précontrainte exercée sur ladite lame.
7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les plots (21) comportent chacun un sabot de blocage (24, 24') pourvu d'une fente pour recevoir les extrémités correspondantes de ladite lame précontrainte (22) et fixé dans ledit plot par une vis de fixation (25) et en ce que les moyens de réglage comportent une vis de réglage (26) coopérant avec au moins un sabot de blocage (24') pour ajuster sa position en direction de ladite lame précontrainte (22).
8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les organes de couplage comportent des plots d'ancrage (3), chaque plot d'ancrage (3) comportant un méplat supérieur (31) fixé solidairement à un plot (21) d'un capteur (2) et une face inférieure (33) présentant une forme adaptée à celle de ladite pièce (1) et fixée solidairement à cette dernière.
9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le plot (21) est fixé au plot d'ancrage (3) correspondant au moyen d'un organe de fixation (27) amovible.
10.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le plot d'ancrage (3) est fixé sur ladite pièce (1) par un procédé de fixation choisi parmi le collage, la soudure, le vissage, le surmoulage.
11.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les plots d'ancrage (3) sont réalisés dans une matière rigide, indéformable.
12.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le calculateur est choisi parmi un sommateur et un soustracteur, numérique ou analogique, en fonction des dispositions desdits capteurs (2) sur ladite pièce (1).
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