WO2016173702A1 - Dispositif de mesure de couple applique a un arbre rotatif et procede de mesure de couple associe - Google Patents

Dispositif de mesure de couple applique a un arbre rotatif et procede de mesure de couple associe Download PDF

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WO2016173702A1
WO2016173702A1 PCT/EP2016/000657 EP2016000657W WO2016173702A1 WO 2016173702 A1 WO2016173702 A1 WO 2016173702A1 EP 2016000657 W EP2016000657 W EP 2016000657W WO 2016173702 A1 WO2016173702 A1 WO 2016173702A1
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WO
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torque
electrode
shaft
cylinder
integral
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Application number
PCT/EP2016/000657
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English (en)
Inventor
Simon-Didier Venzal
Original Assignee
Continental Automotive France
Continental Automotive Gmbh
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/106—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving electrostatic means

Definitions

  • Torque measuring device applied to a rotary shaft
  • the invention relates to a device for measuring torque applied to a rotating shaft, and more particularly to the shaft of a crankset equipping an electric bicycle as well as a method of measuring associated torque.
  • the present invention finds a particularly advantageous, although in no way limiting, application in torque determining devices embedded in cycles.
  • Said part is generally integrated in a mechanical system comprising several elements for transmitting mechanical energy from the input to the output of said mechanical system.
  • Such devices are used, for example, to measure the torque applied to a transmission shaft, positioned at the motor output, within a user transport vehicle.
  • these devices make it possible, for example, to control that the engine transfers, according to a prescribed performance objective, its power to other elements of said vehicle, such as for example the wheels, the alternator etc.
  • the present invention refers to a cycle-type transport vehicle, such as a bicycle, for which a user exerts a force on pedals connected to a crank axle rotated by said force.
  • such an embedded device comprises, in addition to a specific support for its installation in said means of transport:
  • Sensitive elements adapted to provide a signal representative of a stress experienced by said at least one sensitive element under the effect of said pair
  • Means for conveying said signal to a processing module configured to determine said torque as a function of said signal there are several types of devices for determining the torque applied to a rotating axis. In general, they proceed to the detection of mechanical deformations of the axis, for example of the extension or contraction type, or even of certain quantities related to these deformations, generated by said torque by means of strain gages. .
  • the sensitive elements such as said strain gages, are generally in direct contact with the axis in rotation, and thus work in torsion. The latter are therefore subject to strong constraints making the final implementation and use of the device is not robust.
  • Such a configuration also applies to said conveyance means, for which it is then necessary to take into account, in particular, the phenomena of wear and periodic maintenance.
  • More recent systems such as differential-coupling rotary transformers, combine sensitive elements and routing means both without contact, but nevertheless remain dependent on a complex electronic medium, and consecutively difficult to embark on. an electric bike.
  • the present invention aims to remedy all or part of the disadvantages of the prior art, including those described above, by proposing a solution that allows to have a torque determining device applied to a rotating axis of a vehicle, and having sensitive elements, without contact with said axis in rotation, adapted to provide a measurable signal by a processing module itself without contact with said axis in rotation.
  • the invention proposes a device for measuring torque applied to a rotary shaft comprising:
  • ⁇ Torque transmission means comprising a first part integral with the shaft and receiving the torque applied to said shaft, and a second part integral with the first part and able to move relative to the first part when a pair is applied to the first part,
  • At least a first integral electrode of the second part At least a first integral electrode of the second part
  • a first support integral with the second part, comprising at least one second electrode, facing the first electrode, when no torque is applied to the shaft, the first and the second electrodes generating a second electrode, first capacity whose value varies according to a displacement of the second part,
  • Means for converting the first capacity into a value of the torque applied to the shaft comprise:
  • a resonant coil connected to the second electrode, forming with the second electrode a passive resonant circuit having a resonance frequency dependent on the first capacitor
  • a second support located opposite the first support, and remote from said first support comprising an exciter coil capable of generating an electromagnetic field for the resonant coil and adapted to receive an induced magnetic field from the resonant coil,
  • Means for receiving an electromagnetic field whose resonant frequency depends on the torque applied to the shaft
  • Switching means electrically connected on one side to the exciter coil and on the other side, either to the transmitting means or to the receiving means.
  • the conversion means comprise a microcontroller electrically connected on one side to the receiving means and the transmitting means.
  • the transmission means having a shape of a cylinder surrounding the rotary shaft
  • the second part is a part of the cylinder between two grooves along a longitudinal axis of the cylinder. .
  • Said second part starts from a transverse face of the cylinder called free end and extends to a connected end (the cylinder), located opposite of said free end.
  • the two grooves each end at their end connected by an obviously rounded shape.
  • a length of the grooves may be between 30% and 70% of a length of the transmission means.
  • the first support comprises a two-sided printed circuit:
  • the first face comprises the first electrode
  • the second face comprises the resonant coil electrically connected on one side to the first electrode via a via and on the other side electrically connected to ground.
  • the transmission means being a cylinder having an outer diameter and an inner diameter:
  • the first electrode is situated on a transverse face of the cylinder,
  • the first support is in the form of a flat ring, of outside diameter equal to the outside diameter of the cylinder and of inside diameter equal to the inside diameter of the cylinder.
  • the invention also relates to a method for measuring a torque applied to a rotary shaft, characterized in that it comprises:
  • Step 1 mounting on the rotary shaft torque transmission means comprising a first portion secured to the shaft and receiving the torque applied to said shaft, and a second portion secured to the first portion and adapted to move relative to in the first part when a couple is applied to the first part,
  • Step 2 fixing a first electrode integral with the first part
  • Step 3 mounting of a first support, secured to the second part comprising at least a second electrode, facing the first electrode, when no torque is applied to the shaft, the first and the second electrodes generating a first capacitance whose value varies according to a displacement of the second part,
  • Step 4 measurement of the first capacity, when a torque is applied to the shaft, by measuring means.
  • Step 5 calculation of the torque applied to the shaft according to the first capacity by conversion means.
  • the invention applies to any electric bicycle, comprising a measuring device according to any one of the characteristics listed above.
  • FIG. 1a a schematic representation of an electric bicycle
  • FIG. 2 a schematic representation of an exemplary embodiment of a torque measuring device applied to the bottom bracket, according to the invention.
  • - Figure 3 a schematic representation of the transmission means of the torque measuring device according to the invention.
  • - Figure 4 a schematic representation of the displacement of the first electrode relative to the second electrode when a torque is applied to the transmission means.
  • FIG. 5 a schematic representation of the first support of the torque measuring device according to the invention.
  • FIG. 1a is shown, an electric bicycle V provided with a casing 1 pedal assistance system, fixed around a rotary shaft, here fixed around the bottom bracket 2a.
  • Said casing 1 comprises:
  • crankset 2a having at both ends a crank arm and a pedal 2,
  • transmission means 2b ' of cylindrical shape, integral with the rotary shaft constituting the axis of the crankset 2a, for example surrounding said axis, the axis of the crankset 2a is preferably embedded in the transmission means 2b' or the axis of the crankset 2a and the transmission means 2b 'are locally welded, said transmission means 2b' and the axis of the crankset 2a being concentric.
  • An electric assistance motor 3 driving the crank axle 2a via an assist transmission pinion 3a and an assistance transmission crown 2d,
  • An electronic card 5 of assistance control controlling via a signal S the electric assistance motor 3.
  • the electric bicycle V comprises a torque sensor measuring the intensity of the torque C on the crank axle 2a, coming from the support of the cyclist on the pedals 2.
  • This torque sensor is connected to a management unit included in the electronic control card 5 controlling the operation of the electric assist motor 3.
  • the management unit which receives the information on the value of the torque applied, controls the operation of the electric motor 3, which then drives the axis of the pedal 2a, thus relieving the cyclist in his effort.
  • the torque sensors of the prior art have several disadvantages, presented above.
  • the invention proposes that the electric bicycle V be equipped with a torque measuring device D, included in the casing 1 of the pedal assisting system and as illustrated in FIGS. 1b and 2.
  • Said torque measuring device D comprises:
  • Transmission means 2b of the torque C comprising a first portion R1 integral with the shaft, that is to say the axis of the crankset 2a and receiving the torque C applied to said shaft and a second portion F integral with the first part R1 and able to move relative to the first part R1 when a torque C is applied to the first part R1, ⁇ at least a first electrode E1 integral with the second part F,
  • the transmission means 2b integral with the axis of the crankset 2a, cause, as in the prior art on a first side a plate 2c on which is a chain or a belt 4 connected to the rear wheel of the electric bike V.
  • the torque measuring device D on the opposite side to the first side, is the torque measuring device D (see Figure 1b).
  • the transmission means 2b are made of metallic material such as an aluminum-based alloy having a modulus of elasticity lower than that of a steel.
  • the first part R1 of the transmission means 2b is directly integral with the axis of the crankset 2a, for example, the first part R1 is welded to the axis of the crankset 2a and directly receives the torque C applied to the axis of the crankset 2a .
  • the second part F is a part of the transmission means 2b, which is integral with the first part R1.
  • Said second portion F may be a cut-out portion in the transmission means 2b, as illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • a cut-off portion is understood to mean a portion which comprises two longitudinal grooves D1, D2, that is to say oriented according to a longitudinal axis XX 'of the transmission means 2b.
  • the transmission means 2b is in the form of a cylinder of thickness e, of length L, and comprising an outer diameter D ext and an inner diameter D int , the grooves D1, D2 are made in all the thickness e of the cylinder.
  • Said thickness e may be equal to a few millimeters, for example between 4 and 6 mm.
  • These longitudinal grooves D1, D2 extend over a length L1, starting from a transverse face of the transmission means 2b, located on the side where the torque measuring device C is located, that is to say on the opposite side to the first side.
  • the transverse face is perpendicular to the longitudinal axis XX 'of the transmission means 2b.
  • the grooves D1, D2 extend over a portion (L1) of the length L of the transmission means 2b.
  • the length L1 of said grooves D1, D2 is between 30% and 70% of the length L of said transmission means, and is equal to, for example 50% of the length L of said transmission means 2b.
  • Each of these two grooves D1, D2 has a width I of between 1 and 5 mm, for example.
  • the width I is defined as a function of the displacement Ad of the second part F which it is desired to measure (this is explained below).
  • This second part F has a first free end T1 on the side of the transverse face of the transmission means 2b, and a second end T2 linked to the first part R1 (see Figure 2).
  • free end is meant an end that is not linked to the first part R1.
  • connected end, an end or the second portion F is integral with the first portion R and the transmission means 2b.
  • the first and second grooves D1, D2 terminate by forming recesses Z for example of rounded shape wider than the grooves D1, D2.
  • the transmission means 2b comprise two second parts F preferably diametrically opposed. Between the two second parts F, there are two first portions R1, also preferably diametrically opposed. Said first two portions R1 are directly integral with the axis of the crankset 2a, for example welded to said axis and receive the torque C applied to the axis. The first two parts F are not integral with the axis of the crankset 2a, they can move each relative to the first two parts R1.
  • the second part F, on the transverse face of the transmission means 2b, that is to say on the side of the first free end T1 comprises a sensing element 2f (see FIG. 2), of a capacitive surface type, for example a first electrode E1.
  • electrode means a conductive metal plate, for example copper.
  • the first support 2e is fixed on the first part R1 of the transverse face of the transmission means 2b.
  • Said first support 2e is in the form of a flat ring with the same internal diameters D int and outside D ex t that the transmission means 2b.
  • the first support 2e is held on the first portion R1 by two screws V1, V2 located on the circumference of the first support 2e 1 solidarisant the first support 2e to the transmission means 2b at said first portion R1.
  • the second part F not being secured to the transmitter support 2a, it can therefore move relative to the first part R1 and therefore also with respect to the first support 2e
  • the first support 2e comprises a second electrode E3, which when no torque C is applied to the axis of the pedal 2a, is located vis-à-vis the first electrode E1. This is illustrated in Figure 4.
  • the first and second electrodes E1 and E3 are made of copper, for example of rectangular shape, or in the form of a circular arc or ring portion (of opening angle, for example between 5 ° and 20 °) and of identical dimensions.
  • the value of said first capacitor C1 is measured using measuring means M1.
  • These measuring means M1 comprise a resonance coil B1 of inductance L1, connected to the second electrode E3 thereby forming an electrical circuit passive resonant of the "inductance-capacitance” type, also called “LC circuit".
  • the term “passive” circuit means an electronic circuit not supplied with voltage.
  • the passive resonant circuit LC has its own resonance frequency f R dependent on the value of the inductance L1 of said resonance coil B1, which is a fixed value and the first capacitor C1 of said resonant circuit.
  • the resonance coil B1 is circular and comprises a number of windings N of copper wire, wound in a circular manner on the periphery of the first support 2e (see FIG.
  • the first support 2e consists of a "double-sided" printed electronic circuit, that is to say a circuit printed on both sides A1, A2, of the first support 2e.
  • first face A1 On a first face A1, is the second electrode E3 copper.
  • second face A2 On a second face A2, is the resonance coil B1, connected on one side to the second electrode E3 by a via V X1 through the first and second side A1, A2 and the other side connected to the ground by a via V X2 , which is itself connected to a fixing screw V1.
  • the measuring means M1 also comprise a second support 2f which is remote and disjoint from the first support 2e.
  • the second support 2f is located vis-à-vis the first support 2e, preferably the first and the second support 2e, 2f are in parallel planes between them.
  • the second support 2f is for example, included on the electronic control card 5 assistance, located at the bottom of the crankset axis 2a.
  • the second support 2f comprises an exciter coil B2.
  • the exciter coil B2 is circular, of the same dimensions as the resonance coil B1, and comprising the same number N of copper wire windings.
  • the exciter coil B2 is capable of generating an electromagnetic field in the direction of the resonant coil B1, and is able to receive back an electromagnetic field induced from the resonant coil B1.
  • the measuring means M1 of the first capacitor C1 furthermore comprise emission means E of an electromagnetic field B1 and means for receiving R of an electromagnetic field, as well as switching means under the form of a multiplexer MUX connected on one side to the exciter coil B2 and the other side is emission means E, or the receiving means R connected in parallel.
  • the transmission means E comprise an emission circuit E.
  • the reception means R comprise a reception circuit R.
  • the conversion means M2 of the first capacitor C1 into a torque value C applied to the shaft comprise a microcontroller ⁇ electrically connected on one side to the emitter E and receiver R circuits and on the other side to the electronic card 5 of assistance command.
  • the multiplexer MUX operates as a switch, in a first position, it is electrically connected to the emitter circuit E, and in a second position it is electrically connected to the receiver circuit R.
  • the microcontroller ⁇ controls the operation of the multiplexer MUX, and its frequency of switching between the first and the second position.
  • the emitter circuit E consists, for example, in a voltage-current amplifier integrating a filter, which receives a clock signal from the microcontroller ⁇ .
  • Said clock signal has a frequency variable and controllable by the microcontroller ⁇ .
  • the clock signal is amplified, and filtered by the amplifier and the filter of the emitter circuit E and is converted into current.
  • Said current feeds the exciter coil B2, inducing the creation of an excitation magnetic field in the direction of the resonance coil B1.
  • the microcontroller ⁇ integrates a frequency scanning function making it possible to vary the frequency of the clock signal sent to the emitter circuit E.
  • Said frequency of the clock signal controls the frequency of the excitation current sent to the excitation coil B2 and therefore the frequency of the excitation magnetic field.
  • the reception circuit R comprises, for example, a voltage amplifier receiving as input a voltage representative of the magnetomotive force coming from the exciter coil B2.
  • the exciter coil B2 behaves as an electromagnetic field receiver coil.
  • the exciter coil B2 then receives the induced electromagnetic field sent by the resonant coil B1, in response to the electromagnetic field previously sent by the exciter coil B1.
  • the receiver circuit R then receives a voltage which is an image of the electromagnetic field received by the exciter coil B2. Said voltage is then amplified by the receiver circuit R and then transmitted to the microcontroller ⁇ which deduces the resonance frequency f R of the LC circuit.
  • a digital function integrated in the microcontroller ⁇ analyzes the received voltage signal in order to find the frequency for which the voltage amplitude is greatest. This frequency corresponds to the resonance frequency f R of the resonant coil B2. _
  • the multiplexer MUX, the microcontroller ⁇ , the emitter circuit E and the receiver circuit R can be integrated in the electronic control board 5 assistance, which allows to control the electric assist motor 3.
  • the microcontroller ⁇ is connected to the management unit of the electronic control board 5 assistance.
  • the control electronic card 5 comprises functions, known to those skilled in the art for triggering and driving the power supply of the electric assist motor 3 according to predetermined conditions. The purpose of said functions being to ensure that the electric assist motor 3 provides a support torque if and only if the cyclist is in pedaling action, that is to say, applying a torque on the pedals 2, which is the operation of an electric bike V.
  • the pair C is directly received by the first part R1.
  • the torque C thus applied generates a force F1 at the periphery of the second part F, which causes a lateral displacement Ad (indicated by the arrow d in FIG. 3) of the second part F with respect to the first part R1, the F1 force being defined by:
  • the second part F then behaves mechanically like a beam that moves with the force F1.
  • the second part F undergoes a lateral displacement Ad relative to the first part R1 and also with respect to the first support 2e.
  • k f constant dependent on the dimensions of the second part F and the material of the second part F.
  • the new common surface S C 2 between the first and second electrodes E1, E3 is also a function of the force F1 applied to the second part F.
  • the invention resides in the fact that this new first capacitance C1 'is proportional to the lateral displacement Ad of the first electrode E1, and therefore to the force F1 applied to the second part F and therefore also proportional to the torque C applied to the pedal axle 2a.
  • the torque measuring device By measuring the value of said new first capacitor C1 ', the torque measuring device according to the invention makes it possible to obtain the value of the torque C applied to the axis of the crankset 2a. This is explained below.
  • This new first capacitance C1 ' modifies the value of the resonance frequency f R ' of the LC circuit of the first emitter 2, the LC circuit then operating with a new resonance frequency f R.
  • the measuring means M1 measure the first capacitor C1, and therefore the value of the new first capacitor C1 'via the new resonance frequency f R of the circuit LC.
  • the measuring means M1 transmit the new resonance frequency f R > to the conversion means which deduce the torque C applied to the axis of the pedal 2a as explained below.
  • the multiplexer MUX is in the first position, and the exciter coil B2 generates, using the emitter circuit E connected to the microcontroller ⁇ , an electromagnetic field, which is received by the resonant coil B1.
  • the resonant coil B1 generates in return towards the exciter coil B2, an electromagnetic field induced at the new resonance frequency f R -.
  • the multiplexer MUX is in the second position and the electromagnetic field received by the exciter coil B2 from the resonant coil B1 changes the voltage across said exciter coil B2, said voltage is received by the receiving circuit R then measured by the microcontroller ⁇ . From this voltage, the microcontroller ⁇ derives the new resonance frequency f R -, the inductance L1 of the resonant coil B1 being known, the new first capacitor C1 'can be calculated by the microcontroller ⁇ .
  • the width of the first and second electrodes E1, E3 the displacement Ad of the first electrode E1 with respect to the second electrode E3, that is to say the displacement Ad of the sensitive element F is equal to:
  • the lateral displacement Ad is a function of the force F1 applied:
  • the constant k F can be calculated as follows: . .
  • the microcontroller ⁇ sends the value of the torque C that it has thus calculated to the management unit included in the electronic control card 5, to trigger the start of the electric motor assistance 3, if the value of said torque C exceeds a predetermined threshold.
  • the invention also relates to a method of measuring torque, using the torque measuring device D described above.
  • the method of measuring torque comprises the following steps:
  • Step 1 mounting on the rotary shaft transmission means 2b of the pair comprising, a first integral portion R1 of the shaft and receiving the torque C applied to said shaft 2a, and a second portion F integral with the first portion R1 and adapted to move relative to the first part R1 when a torque C is applied to the first part 1,
  • Step 2 fixing a first electrode integral with the first part F
  • Step 3 mounting of a first support 2e, integral with the second portion R1 comprising at least one second electrode E3, facing the first electrode E1, when no torque C is applied to the first electrode E1.
  • the first and the second electrodes E1, E3 generating a first capacitor C1 whose value varies according to a displacement Ad of the second part F
  • Step 4 measurement of the first capacitance C1 ', when a torque C is applied to the shaft, by the measuring means M1,
  • Step 5 calculation of the value of the torque C applied to the shaft 2a as a function of the first capacitor C1 by the conversion means M2.
  • the torque measuring device according to the invention therefore makes it possible to measure the torque applied to a rotary shaft in a simple, reliable and robust manner.
  • the advantage of the invention lies in the use of a capacitive sensor, a resonance coil, and an exciter coil, and electronic components (receiver and transmitter circuits, multiplexer) inexpensive compared to the sensors torque pair of the prior art to determine, without wired connection with the rotary shaft, the torque applied to it.
  • the invention uses for this purpose, judiciously, the capacity, measured using a resonant frequency.
  • the invention is not limited to the means for measuring the first capacitance C1, described above, that is to say using the resonance frequency of the circuit "LC”, when the capacitor C1 is electrically connected to a resonance coil, but applies to all measuring means of the first capacitor C1, this being representative of the torque C applied to the axis of the pedal 2a.

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Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de couple appliqué à un arbre rotatif comprenant : des moyens de transmission (2b) comportant, une première partie solidaire (R1) de l'arbre et recevant le couple (C) appliqué audit arbre (2a), et une deuxième partie (F) solidaire de la première partie, apte à se déplacer par rapport à la deuxième partie (R1 ) lorsqu'un couple (C) lui est appliqué, une première électrode (E1 ) solidaire de la deuxième partie (F), un premier support (2e), solidaire de la deuxième partie comprenant une deuxième électrode (E3), située en vis-à-vis de la première électrode, lorsqu'aucun couple (C) n'est appliqué à l'arbre (2a), la première et la deuxième électrodes générant une première capacité (C1 ) dont la valeur varie selon un déplacement (Ad) de la deuxième partie (F), des moyens de mesure (M1 ) de la première capacité, des moyens de conversion (M2) de la première capacité en une valeur du couple (C) appliqué à l'arbre (2a).

Description

„
1
Dispositif de mesure de couple appliqué à un arbre rotatif
et procédé de mesure de couple associé
L'invention concerne un dispositif de mesure de couple appliqué à un arbre rotatif, et plus particulièrement à l'arbre d'un pédalier équipant un vélo électrique ainsi qu'un procédé de mesure de couple associé. La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse, bien que nullement limitative, dans des dispositifs de détermination de couple embarqués dans des cycles.
Actuellement, il existe différents dispositifs permettant de déterminer le couple appliqué à une pièce mobile en rotation. Ladite pièce est généralement intégrée au sein d'un système mécanique comportant plusieurs éléments destinés à transmettre une énergie mécanique de l'entrée à la sortie dudit système mécanique.
De tels dispositifs sont utilisés, par exemple, pour mesurer le couple appliqué à un arbre de transmission, positionné en sortie de moteur, au sein d'un véhicule de transport pour usager. Dans le cas classique d'un véhicule automobile, ces dispositifs permettent, par exemple, de contrôler que le moteur transfère, selon un objectif de rendement prescrit, sa puissance à d'autres éléments dudit véhicule, comme par exemple les roues, l'alternateur, etc.
La présente invention fait quant à elle référence à un véhicule de transport de type cycle, comme par exemple une bicyclette, pour lequel un utilisateur exerce une force sur des pédales reliées à un axe de pédalier mis en rotation par ladite force.
Outre le fait de pouvoir s'assurer du bon transfert de puissance d'un bout à l'autre d'un système mécanique, l'existence de tels dispositifs se justifie aussi, tout particulièrement, par la nécessité de contrôler que l'intensité du couple appliqué ne dépasse pas une certaine valeur, au-delà de laquelle ledit couple peut entraîner un effet de torsion sur l'axe. Par exemple, dans le cas d'une torsion de l'axe de pédalier d'un vélo à assistance électrique, un tel contrôle a pour objectif de permettre le déclenchement d'un moteur électrique participant à l'effort nécessaire au déplacement du vélo, et contribuant ainsi au confort de l'utilisateur.
De manière conventionnelle, un tel dispositif embarqué comprend, outre un support spécifique permettant son installation dans ledit moyen de transport :
• un axe entraîné en rotation par ledit couple,
· des éléments sensibles adaptés à fournir un signal représentatif d'une contrainte subie par ledit au moins un élément sensible sous l'effet dudit couple,
• des moyens d'acheminement dudit signal vers un module de traitement configuré pour déterminer ledit couple en fonction dudit signal. A ce jour, il existe plusieurs types de dispositifs permettant de déterminer le couple appliqué à un axe en rotation. D'une manière générale, ceux-ci procèdent à la détection de déformations mécaniques de l'axe, par exemple de type extension ou contraction, ou bien encore de certaines grandeurs liées à ces déformations, engendrées par ledit couple au moyen de jauges de contrainte.
Les éléments sensibles, telles que lesdites jauges de contrainte, sont généralement en contact direct avec l'axe en rotation, et travaillent donc en torsion. Ces derniers sont dès lors soumis à de fortes contraintes rendant au final la mise en œuvre et l'utilisation du dispositif peu robuste.
Une telle configuration s'applique aussi auxdits moyens d'acheminement, pour lesquels il convient alors de prendre en compte, tout particulièrement, les phénomènes d'usure et d'entretien périodique. Des systèmes plus récents, tels que des transformateurs rotatifs à couplage différentiel, combinent des éléments sensibles et des moyens d'acheminement tous les deux sans contact, mais n'en restent pas moins dépendants d'un support électronique complexe, et consécutivement difficilement embarquable sur un vélo électrique.
La présente invention a pour objectif de remédier à tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur, notamment ceux exposés ci-avant, en proposant une solution qui permette d'avoir un dispositif de détermination de couple appliqué à un axe en rotation d'un véhicule, et présentant des éléments sensibles, sans contact avec ledit axe en rotation, adapté à fournir un signal mesurable par un module de traitement lui- même sans contact avec ledit axe en rotation.
L'invention propose un dispositif de mesure de couple appliqué à un arbre rotatif comprenant :
· des moyens de transmission du couple comportant, une première partie solidaire de l'arbre et recevant le couple appliqué audit arbre, et une deuxième partie solidaire de la première partie et apte à se déplacer par rapport à la première partie lorsqu'un couple est appliqué à la première partie,
• au moins une première électrode solidaire de la deuxième partie,
· un premier support, solidaire de la deuxième partie comprenant au moins une deuxième électrode, située en vis-à-vis de la première électrode, lorsqu'aucun couple n'est appliqué à l'arbre, la première et la deuxième électrodes générant une première capacité dont la valeur varie selon un déplacement de la deuxième partie,
· des moyens de mesure de la première capacité,
• des moyens de conversion de la première capacité en une valeur du couple appliqué à l'arbre. Préférentiellement, les moyens de mesure de la première capacité comprennent :
• une bobine résonante connectée à la deuxième électrode, formant avec la deuxième électrode un circuit résonant passif ayant une fréquence de résonance dépendante de la première capacité,
• un deuxième support, situé en vis-à-vis du premier support, et distant du dit premier support comprenant une bobine excitatrice apte à générer un champ électromagnétique à destination de la bobine résonante et apte à recevoir un champ magnétique induit en provenance de la bobine résonante,
· des moyens d'émission d'un champ électromagnétique,
• des moyens de réception d'un champ électromagnétique, dont la fréquence de résonance dépend du couple appliqué à l'arbre,
• des moyens de commutation, reliés électriquement d'un côté à la bobine excitatrice et de l'autre coté, soit aux moyens d'émission, soit aux moyens de réception.
Et les moyens de conversion comprennent un microcontrôleur relié électriquement d'un côté aux moyens de réception et aux moyens d'émission.
Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif de mesure selon l'invention, les moyens de transmission ayant une forme d'un cylindre entourant l'arbre rotatif, la deuxième partie est une partie du cylindre comprise entre deux rainures selon un axe longitudinal du cylindre. Ladite deuxième partie commençe à partir d'une face transversale du cylindre appelée extrémité libre et s'étend jusqu'à une extrémité liée (au cylindre), située à l'opposé de la dite extrémité libre.
Avantageusement, les deux rainures se terminent chacune à leur extrémité liée par un évidemment de forme arrondie.
Une longueur des rainures peut être comprise entre 30 % et 70 % d'une longueur des moyens de transmission.
Judicieusement, le premier support comprend un circuit imprimé à deux faces :
· la première face comprend la première électrode,
• la deuxième face comprend la bobine résonante reliée électriquement d'un côté à la première électrode par un via et de l'autre côté reliée électriquement à la masse.
Dans un mode de réalisation du dispositif de mesure, les moyens de transmission étant un cylindre ayant un diamètre extérieur et un diamètre intérieur :
• la première électrode est située sur une face transversale du cylindre, • le premier support a la forme d'un anneau plat, de diamètre extérieur égal au diamètre extérieur du cylindre et de diamètre intérieur égal au diamètre intérieur du cylindre.
L'invention concerne également un procédé de mesure d'un couple appliqué à un arbre rotatif, caractérisé en ce qu'il comprend :
• Etape 1 : montage sur l'arbre rotatif de moyens de transmission du couple comportant, une première partie solidaire de l'arbre et recevant le couple appliqué audit arbre, et une deuxième partie solidaire de la première partie et apte à se déplacer par rapport à la première partie lorsqu'un couple est appliqué à la première partie,
• Etape 2 : fixation d'une première électrode solidaire de la première partie,
• Etape 3 : montage d'un premier support, solidaire de la deuxième partie comprenant au moins une deuxième électrode, située en vis-à-vis de la première électrode, lorsqu'aucun couple n'est appliqué à l'arbre, la première et la deuxième électrodes générant une première capacité dont la valeur varie selon un déplacement de la deuxième partie,
• Etape 4 : mesure de la première capacité, lorsqu'un couple est appliqué à l'arbre, par des moyens de mesure.
• Etape 5 : calcul du couple appliqué à l'arbre en fonction de la première capacité par des moyens de conversion.
L'invention s'applique à tout vélo électrique, comprenant un dispositif de mesure selon l'une quelconque des caractéristiques énumérées précédemment.
Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose les caractéristiques de l'invention au travers de modes de réalisation préférés, qui n'en sont nullement limitatifs.
La description s'appuie sur les figures annexées qui représentent :
- Figure 1a : une représentation schématique d'un vélo électrique ;
- Figure 1b : une représentation schématique du dispositif de mesure de couple selon l'invention intégré au pédalier,
- Figure 2 : une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure du couple appliqué à l'axe de pédalier, selon l'invention.
- Figure 3 une représentation schématique des moyens de transmission du dispositif de mesure de couple selon l'invention. - Figure 4 : une représentation schématique du déplacement de la première électrode par rapport à la deuxième électrode lorsqu'un couple est appliqué aux moyens de transmission.
- Figure 5 : une représentation schématique du premier support du dispositif de mesure de couple selon l'invention.
A la figure 1a, est représenté, un vélo électrique V pourvu d'un carter 1 de système d'assistance au pédalage, fixé autour d'un arbre rotatif, ici fixé autour de l'axe de pédalier 2a.
Ledit carter 1 comprend :
· l'axe du pédalier 2a, comportant à chacune de ses deux extrémités un bras de pédalier et une pédale 2,
• des moyens de transmission 2b', de forme cylindrique, solidaire de l'arbre rotatif que constitue l'axe du pédalier 2a, par exemple entourant ledit axe, l'axe du pédalier 2a est de préférence encastré dans les moyens de transmission 2b', ou bien l'axe du pédalier 2a et les moyens de transmission 2b' sont soudés localement, lesdits moyens de transmission 2b' et l'axe du pédalier 2a étant concentriques. Lesdits moyens de transmission 2b' entraînent sur un premier côté un plateau 2c, sur lequel se trouve une chaîne ou courroie de transmission 4,
· un moteur d'assistance électrique 3 entraînant l'axe du pédalier 2a par l'intermédiaire d'un pignon de transmission d'assistance 3a et d'une couronne de transmission d'assistance 2d,
• une carte électronique 5 de commande d'assistance, commandant via un signal S le moteur d'assistance électrique 3.
Le fonctionnement d'un vélo électrique V est connu de l'art antérieur. Comme expliqué précédemment, selon l'art antérieur, le vélo électrique V comprend un capteur de couple mesurant l'intensité du couple C sur l'axe du pédalier 2a, provenant de l'appui du cycliste sur les pédales 2. Ce capteur de couple est relié à une unité de gestion comprise dans la carte électronique 5 de commande d'assistance contrôlant le fonctionnement du moteur d'assistance électrique 3. Lorsque le couple C appliqué par le cycliste sur l'axe du pédalier 2a dépasse une valeur prédéterminée, l'unité de gestion qui reçoit l'information sur la valeur du couple appliqué, commande le fonctionnement du moteur électrique 3, qui entraine alors l'axe du pédalier 2a, soulageant ainsi le cycliste dans son effort. Or, les capteurs de couple de l'art antérieur présentent plusieurs inconvénients, présentés précédemment. L'invention propose que le vélo électrique V soit équipé d'un dispositif de mesure de couple D, compris dans le carter 1 de système d'assistance au pédalage et tel qu'illustré aux figures 1 b et 2.
Ledit dispositif de mesure de couple D comprend :
· des moyens de transmission 2b du couple C comportant une première partie R1 solidaire de l'arbre, c'est-à-dire de l'axe du pédalier 2a et recevant le couple C appliqué audit arbre et une deuxième partie F solidaire de la première partie R1 et apte à se déplacer par rapport à la première partie R1 lorsqu'un couple C est appliqué à la première partie R1 , · au moins une première électrode E1 solidaire de la deuxième partie F,
• un premier support 2e solidaire de la première partie R1 , comprenant au moins une deuxième électrode E3 située en vis-à-vis de la première électrode E1 , lorsqu'aucun couple C n'est appliqué à l'arbre, la première et la deuxième électrode E1 , E3 générant une première capacité C1 dont la valeur varie selon un déplacement Ad de la deuxième partie F,
• des moyens de mesure M1 de la première capacité C1 ,
• des moyens de conversion M2 de la première capacité C1 en une valeur du couple C appliqué à l'arbre rotatif, c'est-à-dire appliqué à l'axe du pédalier 2a.
Les moyens de transmission 2b, solidaires de l'axe du pédalier 2a, entraînent, comme dans l'art antérieur sur un premier côté un plateau 2c sur lequel se trouve une chaîne ou une courroie 4 liée à la roue arrière du vélo électrique V.
Selon l'invention, du côté opposé au premier côté, se trouve le dispositif de mesure de couple D (cf. figure 1b).
Les moyens de transmission 2b sont réalisés en matériau métallique tel qu'un alliage à base d'aluminium ayant un module d'élasticité inférieur à celui d'un acier.
La première partie R1 des moyens de transmission 2b est directement solidaire de l'axe du pédalier 2a, par exemple, la première partie R1 est soudée à l'axe du pédalier 2a et reçoit directement le couple C appliqué à l'axe du pédalier 2a.
La deuxième partie F est une partie des moyens de transmission 2b, qui est solidaire de la première partie R1. Ladite deuxième partie F peut être une partie découpée dans les moyens de transmission 2b, comme illustré aux figures 2 et 3. On entend par partie découpée, une partie qui comprend deux rainures longitudinales D1 , D2, c'est-à-dire orientées selon un axe longitudinal X-X' des moyens de transmission 2b. Les moyens de transmission 2b se présentant sous la forme d'un cylindre d'épaisseur e, de longueur L, et comprenant un diamètre extérieur Dext et un diamètre intérieur Dint, les rainures D1 , D2 sont réalisées dans toute l'épaisseur e du cylindre. Ladite épaisseur e peut être égale à quelques millimètres, par exemple comprise entre 4 et 6 mm. Ces rainures longitudinales D1 , D2 s'étendent sur une longueur L1 , commençant à partir d'une face transversale des moyens de transmission 2b, se situant du côté où se trouve le dispositif de mesure de couple C, c'est-à-dire du côté opposé au premier côté. La face transversale est perpendiculaire à l'axe longitudinal X-X' des moyens de transmission 2b.
Les rainures D1 , D2 s'étendent sur une portion (L1 ) de la longueur L des moyens de transmission 2b. La longueur L1 des dites rainures D1 , D2 est comprise entre 30 % et 70 % de la longueur L desdits moyens de transmission, et est égale à, par exemple 50 % de la longueur L desdits moyens de transmission 2b.
Chacune de ces deux rainures D1 , D2 a une largeur I comprise entre 1 et 5 mm par exemple. La largeur I est définie en fonction du déplacement Ad de la deuxième partie F que l'on souhaite mesurer (ceci est expliqué ci-dessous).
Entre les deux rainures D1 , D2 se trouve la deuxième partie F espacée de chaque côté de la première partie R1 des moyens de transmission 2b par lesdites rainures D1 , D2.
Cette deuxième partie F possède une première extrémité libre T1 du côté de la face transversale des moyens de transmission 2b, et une deuxième extrémité T2 liée à la première partie R1 (cf. figure 2). On entend par extrémité « libre » une extrémité qui n'est pas liée à la première partie R1. On entend par extrémité « liée », une extrémité ou la deuxième partie F est solidaire de la première partie R et des moyens de transmission 2b.
Dans un mode préférentiel de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention, du côté de la deuxième extrémité T2, la première et deuxième rainure D1 , D2 se terminent en formant des évidements Z par exemple de forme arrondie plus larges que les rainures D1 , D2.
Dans l'exemple illustré aux figures 2 et 3, les moyens de transmission 2b comprennent deux deuxièmes parties F de préférence diamétralement opposées. Entre les deux deuxièmes parties F, se trouvent, deux premières parties R1 , également, de préférence diamétralement opposées. Lesdites deux premières parties R1 sont directement solidaires de l'axe du pédalier 2a, par exemple soudées audit axe et reçoivent le couple C appliqué à l'axe. Les deux premières parties F ne sont pas solidaires de l'axe du pédalier 2a, elles peuvent se déplacer chacune par rapport aux deux premières parties R1.
Dans un but de clarté, l'invention sera détaillée ici en considérant une seule deuxième partie F et une seule première partie R1.
Selon l'invention, la deuxième partie F, sur la face transversale des moyens de transmission 2b, c'est-à-dire du côté de la première extrémité libre T1 comprend un élément sensible 2f (cf. figure 2), de type une surface capacitive, par exemple une première électrode E1 . On entend par électrode, une plaque métallique conductrice, par exemple en cuivre.
Le premier support 2e est fixé sur la première partie R1 de la face transversale des moyens de transmission 2b. Ledit premier support 2e a la forme d'un anneau plat de mêmes diamètres intérieur Dint et extérieur Dext que les moyens de transmission 2b. Le premier support 2e est maintenu sur la première partie R1 par deux vis V1 , V2 situées sur la circonférence du premier support 2e1 solidarisant le premier support 2e aux moyens de transmission 2b au niveau de ladite première partie R1.
La deuxième partie F n'étant pas solidarisée au support émetteur 2a, elle peut donc se déplacer par rapport à la première partie R1 et donc également par rapport au premier support 2e
Le premier support 2e comprend une deuxième électrode E3, qui lorsqu'aucun couple C n'est appliqué à l'axe du pédalier 2a, est située en vis-à-vis de la première électrode E1. Ceci est illustré à la figure 4.
Préférentiellement, la première et la deuxième électrode E1 et E3 sont en cuivre, par exemple, de forme rectangulaire, ou en forme d'arc de cercle ou de portion d'anneau (d'angle d'ouverture, par exemple, compris entre 5° et 20°) et de dimensions identiques. Si on définit Si , la surface métallique de la première électrode E1 , (qui est égale à la surface métallique de la deuxième électrode E3), et SCi comme étant la surface métallique commune entre les deux électrodes E1 , E3, c'est-à-dire la portion commune de surface métallique entre la première électrode E1 et la deuxième électrode E3 lorsqu'on projette la première électrode E1 sur la deuxième électrode E3, dans une direction perpendiculaire au plan de la première électrode E1 , alors lorsqu'aucun couple C n'est appliqué sur la deuxième partie F, on a S! = SCi .
Le couple d'électrodes défini par la première et deuxième électrodes E1 , E3 situées en vis-à-vis, crée aux bornes de la deuxième électrode E3 une première capacité C1 , définie par :
ç+ £XSC1
~~ dl
Avec :
SCi : surface métallique commune aux deux électrodes E1 , E3,
d 1 : distance entre les deux électrodes E1 , E3,
£ : constante diélectrique de l'air.
La valeur de ladite première capacité C1 est mesurée à l'aide de moyens de mesure M1 .
Ces moyens de mesure M1 comprennent, une bobine de résonance B1 d'inductance L1 , connectée à la deuxième électrode E3 formant ainsi un circuit électrique résonant passif du type « inductance-capacité », appelé aussi « circuit LC ». On entend par circuit « passif », un circuit électronique non alimenté en tension.
Le circuit résonant passif LC a une fréquence de résonance propre fR dépendante de la valeur de l'inductance L1 de ladite bobine de résonance B1 , qui est une valeur fixe et de la première capacité C1 dudit circuit résonant.
Ainsi :
f 1
J R 2XUX^L1XC1
Avec
Π : constante égale à 3,14
L1 : inductance de la bobine de résonance B1 ,
C1 : première capacité.
Préférentiellement, la bobine de résonance B1 est circulaire et comprend un nombre d'enroulements N de fil de cuivre, enroulés de façon circulaire sur la périphérie du premier support 2e (cf. Figure 5).
Comme illustré à la figure 5, le premier support 2e est constitué d'un circuit électronique imprimé « double face », c'est-à-dire d'un circuit imprimé sur les deux faces A1 , A2, du premier support 2e.
Sur une première face A1 , se trouve la deuxième électrode E3 en cuivre. Sur une deuxième face A2, se trouve la bobine de résonance B1 , connectée d'un côté à la deuxième électrode E3 par un via VX1 traversant la première et deuxième face A1 , A2 et de l'autre côté connectée à la masse par un via VX2, qui est lui-même relié à une vis de fixation V1.
Les moyens de mesure M1 comprennent également un deuxième support 2f qui est distant et disjoint du premier support 2e. Le deuxième support 2f est situé en vis-à- vis du premier support 2e, préférentiellement le premier et le deuxième support 2e, 2f sont dans des plans parallèles entres eux. Le deuxième support 2f est par exemple, compris sur la carte électronique 5 de commande d'assistance, située en bout d'axe de pédalier 2a.
Le deuxième support 2f comprend une bobine excitatrice B2.
Préférentiellement, la bobine excitatrice B2 est circulaire, de même dimensions que la bobine de résonance B1 , et comprenant le même nombre N d'enroulements de fil de cuivre. La bobine excitatrice B2 est apte à générer un champ électromagnétique en direction de la bobine résonante B1 , et est apte à recevoir en retour un champ électromagnétique induit en provenance de la bobine résonante B1.
Les moyens de mesure M1 de la première capacité C1 comprennent en outre des moyens d'émissions E d'un champ électromagnétique B1 et des moyens de réception R d'un champ électromagnétique, ainsi que des moyens de commutation sous la forme d'un multiplexeur MUX relié d'un côté à la bobine excitatrice B2 et de l'autre côté soit moyens d'émissions E, soit aux moyens de réception R montés en parallèle.
Les moyens d'émission E comprennent un circuit d'émission E. Les moyens de réception R comprennent un circuit de réception R.
Les moyens de conversion M2 de la première capacité C1 en une valeur de couple C appliqué à l'arbre comprennent un microcontrôleur μ relié électriquement d'un côté aux circuits émetteurs E et récepteurs R et de l'autre côté à la carte électronique 5 de commande d'assistance.
Le multiplexeur MUX fonctionne comme un interrupteur, dans une première position, il est relié électriquement au circuit émetteur E, et dans une deuxième position il est relié électriquement au circuit récepteur R. Le microcontrôleur μ contrôle le fonctionnement du multiplexeur MUX, et sa fréquence de commutation entre la première et la deuxième position.
Le circuit émetteur E consiste, par exemple, en un amplificateur tension- courant intégrant un filtre, qui reçoit un signal d'horloge issu du microcontrôleur μ. Ledit signal d'horloge possède une fréquence variable et contrôlable par le microcontrôleur μ. Le signal d'horloge est amplifié, et filtré par l'amplificateur et le filtre du circuit émetteur E et est converti en courant. Ledit courant alimente la bobine excitatrice B2, induisant la création d'un champ magnétique d'excitation en direction de la bobine de résonance B1. Le microcontrôleur μ intègre une fonction de balayage de fréquences permettant de faire varier la fréquence du signal d'horloge envoyé au circuit émetteur E. Ladite fréquence du signal d'horloge contrôle la fréquence du courant d'excitation envoyé à la bobine d'excitation B2 et donc la fréquence du champ magnétique d'excitation.
Le circuit de réception R comprend par exemple un amplificateur de tension recevant en entrée une tension représentative de la force magnétomotrice issue de la bobine excitatrice B2. Lorsque le multiplexeur MUX est relié électriquement au circuit récepteur R, la bobine excitatrice B2 se comporte en tant que bobine réceptrice de champ électromagnétique. La bobine excitatrice B2 reçoit alors le champ électromagnétique induit envoyé par la bobine résonante B1 , en réponse au champ électromagnétique envoyé préalablement par la bobine excitatrice B1. Le circuit récepteur R reçoit alors une tension qui est une image du champ électromagnétique reçu par la bobine excitatrice B2. Ladite tension est alors amplifiée par le circuit récepteur R puis transmise au microcontrôleur μ qui en déduit la fréquence de résonance fR du circuit LC.
Dans ce but, une fonction numérique intégrée dans le microcontrôleur μ analyse le signal de tension reçu afin de trouver la fréquence pour laquelle l'amplitude de tension est la plus grande. Cette fréquence correspond à la fréquence de résonance fR de la bobine résonante B2. , _
1 1
Le multiplexeur MUX, le microcontrôleur μ, le circuit émetteur E et le circuit récepteur R peuvent être intégrés dans la carte électronique 5 de commande d'assistance, qui permet de contrôler le moteur d'assistance électrique 3. Le microcontrôleur μ est relié à l'unité de gestion de la carte électronique 5 de commande d'assistance. La carte électronique 5 de commande comprend des fonctions, connues de l'homme du métier permettant de déclencher et piloter l'alimentation du moteur d'assistance électrique 3 selon des conditions prédéterminées. Le but desdites fonctions étant d'assurer que le moteur d'assistance électrique 3 fournisse un couple d'assistance si et seulement si le cycliste est en action de pédalage, c'est-à-dire en train d'appliquer un couple sur les pédales 2, ce qui est le fonctionnement d'un vélo électrique V.
Le fonctionnement du dispositif de mesure de couple D est décrit ci-dessous :
Lorsqu'un couple C est appliqué sur l'axe du pédalier 2a par le cycliste, ledit couple C est transmis directement aux moyens de transmission 2b, qui sont solidaires de l'axe du pédalier 2a.
Le couple C est directement reçu par la première partie R1 .
Le couple C ainsi appliqué engendre une force F1 à la périphérie de la deuxième partie F, qui provoque un déplacement latéral Ad, (indiqué par la flèche d sur la figure 3) de la deuxième partie F par rapport à la première partie R1 , la force F1 étant définie par :
Fl =— x 2
Dext
Avec
F1 : Force appliquée à la périphérie de la deuxième partie F,
C : couple appliqué aux moyens de transmission 2b,
Dext : diamètre externe des moyens de transmission 2b,
La deuxième partie F se comporte alors mécaniquement comme une poutre qui se déplace avec la force F1 . La deuxième partie F subit un déplacement latéral Ad relatif par rapport à la première partie R1 et également par rapport au premier support 2e.
En effet, le déplacement latéral Ad est dépendant de la force F1 appliquée à la deuxième partie F, on a :
Ad= i(Fl) = kfxFl
Avec
kf : constante dépendante des dimensions de la seconde partie F et du matériau de la seconde partie F.
Le premier support 2e étant solidaire de la première partie R1 , la première électrode E1 subit par conséquent le même déplacement latéral Ad par rapport à la deuxième électrode E3. Comme illustré à la figure 4, lorsque la première électrode E1 se déplace par rapport à la deuxième électrode E3, c'est-à-dire lorsque F1 >0, la première et deuxième électrode E1 , E3 ne sont plus entièrement en vis-à-vis, la nouvelle surface commune SC2 entre la première et la deuxième électrode E1 , E3 est réduite par rapport à la surface commune SCi en vis-à-vis de la première et deuxième électrode E1 , E3 lorsqu'aucune force F1 =0 n'est appliquée à la deuxième partie F.
En effet, la nouvelle surface commune SC2 entre la première et deuxième électrode E1 , E3 est également, une fonction de la force F1 appliquée à la deuxième partie F.
Sc2 = f2(Fl
Lorsque F1 >0, Sc2<Sc ) la réduction de surface métallique commune entre les deux électrodes E1 , E3 (c'est-à-dire (Sc1-Sc2)) engendre une variation dans la valeur de la première capacité C1.
Lorsque F1 >0, la nouvelle première capacité C1 ' aux bornes de la deuxième électrode E3 est inférieure à la première capacité C1 , mesurée lorsque F1 =0.
L'invention réside dans le fait que cette nouvelle première capacité C1 ' est proportionnelle au déplacement latéral Ad de la première électrode E1 , et donc à la force F1 appliquée à la deuxième partie F et par conséquent proportionnelle également au couple C appliqué à l'axe du pédalier 2a.
En mesurant la valeur de ladite nouvelle première capacité C1 ', le dispositif de mesure de couple selon l'invention permet d'obtenir la valeur du couple C appliqué à l'axe du pédalier 2a. Ceci est expliqué ci-dessous.
Cette nouvelle première capacité C1 ' modifie la valeur de la fréquence de résonance fR' du circuit LC du premier émetteur 2, le circuit LC fonctionnant alors avec une nouvelle fréquence de résonance fR.
Les moyens de mesure M1 mesurent la première capacité C1 , et donc la valeur de la nouvelle première capacité C1 ' par l'intermédiaire de la nouvelle fréquence de résonance fR du circuit LC.
Puis, les moyens de mesure M1 transmettent la nouvelle fréquence de résonance fR> aux moyens de conversion qui en déduisent le couple C appliqué à l'axe du pédalier 2a comme expliqué ci-dessous.
Dans un premier temps, le multiplexeur MUX est dans la première position, et la bobine excitatrice B2 génère à l'aide du circuit émetteur E relié au microcontrôleur μ, un champ électromagnétique, qui est reçu par la bobine résonante B1.
La bobine de résonance B1 génère en retour en direction de la bobine excitatrice B2, un champ électromagnétique induit à la nouvelle fréquence de résonance fR-. I
Dans un deuxième temps, le multiplexeur MUX est dans la deuxième position et le champ électromagnétique reçu par la bobine excitatrice B2 en provenance de la bobine de résonance B1 modifie la tension aux bornes de ladite bobine excitatrice B2, ladite tension est reçue par le circuit récepteur R puis mesurée par le microcontrôleur μ. 5 De cette tension, le microcontrôleur μ en déduit la nouvelle fréquence de résonance fR-, l'inductance L1 de la bobine de résonance B1 étant connue, la nouvelle première capacité C1 ' peut être calculée par le microcontrôleur μ.
En effet, on a :
Cl' = (JR,x2xn)2xLl
0 Avec
CV : nouvelle première capacité lorsque F1 >0,
fR' : nouvelle fréquence de résonance lorsque F1 >0,
L1 : inductance de la bobine de résonance B1.
Puis, la nouvelle surface commune SC2 est calculée par le microcontrôleur μ. :
dix.CH
I Sc2 =
Avec :
SC2 : nouvelle surface commune aux électrodes E1 , E3 lorsque F1 >0, d1 : distance entre les deux électrodes E1 , E3,
C1 ' : nouvelle première capacité lorsque F1 >0,
0 S : constante diélectrique de l'air.
Dans l'hypothèse où la première et la deuxième électrodes E1 , E3 sont de forme rectangulaire, si on considère h, la largeur des première et deuxième électrodes E1 , E3 le déplacement Ad de la première électrode E1 par rapport à la deuxième électrode E3, c'est-à-dire le déplacement Ad de l'élément sensible F est égal à :
5 Δά = (5c2" i)
h
Avec :
SCi : surface commune aux deux électrodes E1 , E3 lorsque F1 =0 SC2 : surface commune aux deux électrodes E1 , E3 lorsque F1 >0.
Le déplacement latéral Ad est fonction de la force F1 appliquée :
0 Ad = kF x Fl
Avec :
kF : constante dépendante des dimensions et du matériau de la seconde partie F
Selon la théorie des poutres, en considérant la force F1 uniformément répartie 5 à la périphérie de la seconde partie F sur la longueur L1 , la constante kF peut se calculer de la manière suivante : . .
14
F 8xExI
Avec :
L1 : longueur des rainures D1 , D2,
E : module d'élasticité du matériau de la deuxième partie F,
I : module d'inertie de la deuxième partie F.
On en déduit alors la force F1 , en effet :
_„ AdxSxExl
La force F1 étant connue, le couple C appliqué aux moyens de transmission peut être déduit par :
C = FlxDext
2
Avec :
C : couple appliqué aux moyens de transmission 2b,
F1 : Force appliquée à la périphérie de la deuxième partie F,
Dext : Diamètre extérieur des moyens de transmission 2b.
Le microcontrôleur μ envoie la valeur du couple C qu'il a ainsi calculé à l'unité de gestion comprise dans la carte électronique 5 de commande d'assistance, afin de déclencher la mise en marche du moteur électrique d'assistance 3, si la valeur dudit couple C dépasse un seuil prédéterminé.
L'invention concerne également un procédé de mesure de couple, utilisant le dispositif de mesure de couple D décrit ci-dessus.
Le procédé de mesure de couple, selon l'invention, comprend les étapes suivantes :
• Etape 1 : montage sur l'arbre rotatif de moyens de transmission 2b du couple comportant, une première partie solidaire R1 de l'arbre et recevant le couple C appliqué audit arbre 2a, et une deuxième partie F solidaire de la première partie R1 et apte à se déplacer par rapport à la première partie R1 lorsqu'un couple C est appliqué à la première partie 1 ,
• Etape 2 : fixation d'une première électrode solidaire de la première partie F,
• Etape 3 : montage d'un premier support 2e, solidaire de la deuxième partie R1 comprenant au moins une deuxième électrode E3, située en vis-à-vis de la première électrode E1 , lorsqu'aucun couple C n'est appliqué à l'arbre 2a, la première et la deuxième électrodes E1 , E3 générant une première capacité C1 dont la valeur varie selon un déplacement Ad de la deuxième partie F, • Etape 4 : mesure de la première capacité C1 ', lorsqu'un couple C est appliqué à l'arbre, par les moyens de mesure M1 ,
• Etape 5 : calcul de la valeur du couple C appliqué à l'arbre 2a en fonction de la première capacité C1 par les moyens de conversion M2. Le dispositif de mesure de couple selon l'invention, permet donc, de mesurer le couple appliqué à un arbre rotatif, de manière simple, fiable et robuste. L'avantage de l'invention réside dans l'utilisation d'un capteur capacitif, d'une bobine de résonance, et d'une bobine excitatrice, et de composants électroniques (circuits récepteur et émetteur, multiplexeur) peu coûteux par rapport aux capteurs de couple de l'art antérieur pour déterminer, sans lien filaire avec l'arbre rotatif, le couple qui lui est appliqué.
L'invention utilise dans ce but, judicieusement, la capacité, mesurée à l'aide d'une fréquence de résonance.
Bien sûr, l'invention ne se limite pas aux moyens de mesure de la première capacité C1 , décrit précédemment, c'est-à-dire en utilisant la fréquence de résonance du circuit « LC », lorsque la capacité C1 est reliée électriquement à une bobine de résonance, mais s'applique à tous moyens de mesure de la première capacité C1 , celle- ci étant représentative du couple C appliqué à l'axe du pédalier 2a.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de couple (D) appliqué à un arbre rotatif (2a),comprenant:
• des moyens de transmission (2b) du couple comportant, une première partie solidaire (R1 ) de l'arbre et recevant le couple (C) appliqué audit arbre (2a), et une deuxième partie (F) solidaire de la première partie (R1 ) et apte à se déplacer par rapport à la première partie (R1 ) lorsqu'un couple (C) est appliqué à la première partie (R1 ),
• au moins une première électrode (E1 ) solidaire deuxième partie (F),
• un premier support (2e), solidaire de la deuxième partie (R1 ) comprenant au moins une deuxième électrode (E3), située en vis-à-vis de la première électrode (E1 ), lorsqu'aucun couple (C) n'est appliqué à l'arbre (2a), la première et la deuxième électrodes (E1 , E3) générant une première capacité (C1 ) dont la valeur varie selon un déplacement (Ad) de la deuxième partie (F),
· des moyens de mesure (M1 ) de la première capacité (C1 ),
• des moyens de conversion (M2) de la première capacité (C1 ) en une valeur du couple (C) appliqué à l'arbre (2a),
ledit dispositif étant caractérisé en ce que les moyens de transmission (2b) ayant une forme d'un cylindre entourant l'arbre rotatif (2a), la deuxième partie (F) est une partie du cylindre comprise entre deux rainures (D1 , D2) selon un axe longitudinal (Χ-Χ') du cylindre, commençant à partir d'une face transversale du cylindre appelée extrémité libre (T1 ) et s'étendant jusqu'à une extrémité liée (T2), située à l'opposé de la dite extrémité libre (T1 )
2. Dispositif de mesure de couple (D), selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens de mesure (M1 ) de la première capacité (C1 ) comprennent :
• une bobine résonante (B1 ) connectée à la deuxième électrode (E3), formant avec la deuxième électrode (E3) un circuit résonant passif ayant une fréquence de résonance (fR) dépendante de la première capacité (C1 ),
• un deuxième support (2f), situé en vis-à-vis du premier support (2e), et distant du dit premier support (2e) comprenant une bobine excitatrice (B2) apte à générer un champ électromagnétique à destination de la bobine résonante (B1 ) et apte à recevoir un champ magnétique induit en provenance de la bobine résonante (B1 ),
• des moyens d'émission (E) d'un champ électromagnétique, · des moyens de réception (R) d'un champ électromagnétique, dont la fréquence de résonance (FR) dépend du couple (C) appliqué à l'arbre,
• des moyens de commutation (MUX), reliés électriquement d'un côté à la bobine excitatrice (B2) et de l'autre coté, soit aux moyens d'émission (E), soit aux moyens de réception (R).
3. Dispositif de mesure, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de conversion (M2) comprennent un microcontrôleur (μ) relié électriquement d'un côté aux moyens de réception (R) et aux moyens d'émission (E).
4. Dispositif de mesure, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, les deux rainures (D1 , D2) comprennent chacune à leur extrémités liées (T2) un évidemment (Z) de forme arrondie.
5. Dispositif de mesure selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une longueur des rainures (L1 ) est comprise entre 30 % et 70 % d'une longueur (L) des moyens de transmission (2b).
6. Dispositif de mesure, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le premier support (2e) comprend un circuit imprimé à deux faces (A1 , A2),
• la première face (A1 ) comprend la première électrode (E1 ),
• la deuxième face (A2) comprend la bobine résonante (B1 ) reliée électriquement d'un côté à la première électrode (E1 ) par un via (Vx ) et de l'autre côté reliée électriquement à la masse.
7. Dispositif de mesure, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, les moyens de transmission (2b) étant un cylindre ayant un diamètre extérieur (Dext) et un diamètre intérieur (Dint) :
• la première électrode (E1 ) est située sur une face transversale du cylindre, · le premier support (2e) a la forme d'un anneau plat, de diamètre extérieur égal au diamètre extérieur (Dext) du cylindre et de diamètre intérieur égal au diamètre intérieur (Dint) du cylindre.
8. Procédé de mesure d'un couple appliqué à un arbre rotatif (2a), caractérisé en ce qu'il comprend :
• Etape 1 : montage sur l'arbre rotatif (2a) de moyens de transmission (2b) du couple ayant une forme d'un cylindre entourant l'arbre rotatif (2a), comportant, une première partie solidaire (R1 ) de l'arbre et recevant le couple (C) appliqué audit arbre (2a), et une deuxième partie (F) solidaire de la première partie (R1 ), la deuxième partie (F) étant une partie du cylindre comprise entre deux rainures (D1 , D2) selon un axe longitudinal (Χ-Χ') du cylindre, commençant à partir d'une face transversale du cylindre appelée extrémité libre (T1 ) et s'étendant jusqu'à une extrémité liée (T2), située à l'opposé de la dite extrémité libre (T1 ) et ladite deuxième partie (F) étant apte à se déplacer par rapport à la première partie (R1 ) lorsqu'un couple (C) est appliqué à la première partie (R1 ),
• Etape 2 : fixation d'une première électrode solidaire de la première partie (F),
• Etape 3 : montage d'un premier support (2e), solidaire de la deuxième partie (R1 ) comprenant au moins une deuxième électrode (E3), située en vis-à-vis de la première électrode (E1 ), lorsqu'aucun couple (C) n'est appliqué à l'arbre (2a), la première et la deuxième électrodes (E1 , E3) générant une première capacité (C1 ) dont la valeur varie selon un déplacement (Ad) de la deuxième partie (F),
• Etape 4 : mesure de la première capacité (C1 '), lorsqu'un couple (C) est appliqué à l'arbre, par des moyens de mesure (M1 ).
• Etape 5 : calcul du couple (C) appliqué à l'arbre (2a).en fonction de la première capacité (C1 ) par des moyens de conversion (M2).
9. Vélo électrique (V), comprenant un dispositif de mesure (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
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