FR2737010A1 - Dispositif de mesure differentielle de couple - Google Patents

Abstract

Dispositif pour la mesure du couple de torsion s'exerçant sur un arbre (1) fixe ou un élément mécanique analogue, muni d'un circuit magnétique, essentiellement cylindrique et disposé autour de l'arbre, qui comprend une pluralité de bobines ou d'aimants permanents (X, Y) et, un entrefer variable ayant deux parties relatives en regard rendues chacune solidaire de l'arbre (1) en des emplacements respectifs décalés l'un de l'autre dans la direction longitudinale de l'arbre, de telle manière qu'une torsion de l'arbre entraîne une modification de l'entrefer qui diffère selon le sens du couple exercé, et des moyens de mesure de la modification de l'entrefer ainsi produite, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits magnétiques (C1, C2) munis chacun d'au moins une bobine (X, Y) ou d'au moins un aimant permanent, d'un entrefer variable et d'un unique entrefer lisse commun aux deux circuits.

Description

L'invention concerne un dispositif magnétomécanique permettant la mesure différentielle du couple transmis par un arbre fixe ou un élément mécanique analogue. Ce dispositif trouve son application partout où l'on juge nécessaire de mesurer le couple de torsion s'appliquant sur un arbre. I1 trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine des engins de transport motorisés, plus particulièrement dans le domaine aéronautique, par exemple appliqué à la mesure du couple de freinage du train d'atterrissage.

Le couple est une grandeur intéressante à bien des égards. En effet, cette grandeur permet de connaître les sollicitations mécaniques auxquelles sont soumis les arbres statiques ainsi que les systèmes en amont et en aval de l'arbre.

Les capteurs de couple pour arbres fixes sont généralement des jauges de déformation fixées directement sur l'arbre. L'utilisation de ces dispositifs est extrêmement limitée par les difficultés de fixation, de collage, de ces jauges et par la tenue dans le temps de ce collage.

Dans le cas des arbres tournants, on connaît déjà un certain nombre de dispositifs permettant d'accéder à l'information de couple.

Le principe général découle des lois de la physique. Le couple appliqué à un arbre provoque une déformation angulaire, une torsion de cet arbre, et la torsion est proportionnelle au couple.

Pour un segment de 1' arbre compris entre des sections A et B, l'angle de la torsion résultante entre A et B est proportionnel à la distance entre A et B et au couple transmis et, de plus, dépend de la section de l'arbre ainsi que de son matériau constitutif.

Certains capteurs de couple utilisent deux capteurs de position angulaire placés respectivement en A et B. La différence des angles mesurés donne l'angle de torsion. Cet angle est toujours petit, donc les capteurs de position doivent avoir une très grande précision. Quelle que soit leur technologie, de tels capteurs de couple sont nécessairement coûteux et assez fragiles.

Certains couplemètres appliqués aux arbres tournants et fonctionnant sur ce principe ont accès à la différence de position angulaire en mesurant le déphasage entre deux trains d'ondes, élaborés par un moyen en A et un autre en B. Ces moyens peuvent être par exemple deux disques rotoriques dentés avec en regard deux couronnes statoriques dentées portant un bobinage (brevet FR-A-1 542 815). L'électronique de traitement associée est alors assez complexe et la qualité du résultat dépend de la vitesse et diminue avec elle, rendant même impossible la mesure à 1 'arrêt. Cela est le cas pour tous les systèmes délivrant une information modulée par la vitesse de rotation.

Le couplemètre proposé dans le brevet FR-2 631 702 avec deux rotors dentés à chaque bout d'arbre et placés en regard d'un stator muni d'enroulements d'électro-aimants, et avec un circuit magnétique excité par des aimants pour former une machine homopolaire, permet, par la mesure de l'intensité du courant dans des circuits formés par les enroulements du stator, d'accéder à une information sur le couple qui est alors peu sensible à la vitesse.

Le couplemètre proposé dans la demande de brevet français N" 93 14168 utilise trois éléments dentés liés au rotor, inclus dans deux circuits magnétiques excités par deux aimants permanents, et permet une mesure différentielle du couple.

Ces deux dispositifs nécessiteront l'emploi d'aimants permanents, ce qui peut rendre difficile leur utilisation en environnement sévère, notamment en termes de température.

Le dispositif décrit dans la demande de brevet DE-A-35 32 351, qui comporte un système de deux roues dentées en vis-à-vis à chaque extrémité de la partie torsible, utilise comme détecteur deux bobines connectées en pont. Ces deux bobines sont alimentées par une tension alternative et la tension du point milieu est modulée en amplitude par la position relative des dents, donc par le couple. Le calcul du couple lui-même se fait donc par l'intermédiaire d'une opération de démodulation synchrone. De tels dispositifs sont adaptés à la mesure du couple transmis par des arbres tournants, mais leurs performances sont limitées par la présence des entrefers entre rotor et stator.

La présente invention a donc pour objectif de fournir un dispositif qui soit adapté à la mesure du couple s'exerçant sur un arbre fixe et qui ne présente pas les inconvénients rencontrés par les dispositifs pour arbres tournants de 1' art antérieur.

Un autre objectif de l'invention est notamment de fournir un tel dispositif perfectionné délivrant un signal continu dont la valeur soit l'image du couple, et de préférence, soit directement proportionnelle au couple.

Un autre objectif de l'invention est de fournir un dispositif qui soit utilisable en environnement sévère, notamment sous contraintes thermiques et mécaniques sévères et/ou en présence de champs magnétiques perturbateurs.

Un objectif de l'invention est notamment de fournir un tel dispo sitif qui réduise au maximum les risques de dérive sous l'effet de perturbations extérieures.

Un autre objectif encore de l'invention est de fournir un tel dispositif qui soit particulièrement fiable, précis et compact, tout en étant peu onéreux et facile à fabriquer.

La présente invention a ainsi pour objet un dispositif pour la mesure du couple de torsion s'exerçant sur un arbre fixe ou un élément mécanique analogue, muni dun circuit magnétique, essentiellement cylindrique et disposé autour de 1' arbre, qui comprend une pluralité de bobines ou d'aimants permanents et, un entrefer variable ayant deux parties relatives en regard rendues chacune solidaire de 1 'arbre en des emplacements respectifs décalés l'un de 1' autre dans la direction longitudinale de l'arbre, de telle manière qu'une torsion de l'arbre entraine une modification de l'entrefer qui diffère selon le sens du couple exercé, et des moyens de mesure de la modification de l'entrefer ainsi produite, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits magnétiques munis chacun d'au moins une bobine ou d'au moins un aimant permanent, d'un entrefer variable et d'un unique entrefer lisse commun aux deux circuits. L'utilisation de bobines est préférée dans le cas où le dispositif est destiné à fonctionner dans un environnement magnétique particulièrement sévère.

De préférence, les parties déterminant les entrefers sont agencées de manière que les deux entrefers soient modifiés différemment lorsqu'un couple s'exerce sur l'arbre, l'application d'un couple d'un premier sens entraînant une augmentation de la réluctance d'un entrefer et une diminution pour l'autre, et inversement pour un couple de sens contraire, ce qui permet d'effetuer une mesure différentielle. Pour cela, les parties formant un entrefer ont une position initiale qui n'est pas symétrique par rapport à un plan séparant ces parties. De même les deux entrefers peuvent ou non présenter une symétrie l'un par rapport à 1' autre. Par symétrie des entrefers l'un par rapport à l'autre, on entend des entrefers équivalents, ce qui peut notamment être obtenu par des entrefers dont les géométries présentent une symétrie ou une symétrie inverse, -alignée ou décalée angulairement.

De manière préférée, les entrefers sont conçus pour que, en l'absence de couple s'exerçant sur l'arbre, le moyen de mesure lit une valeur de référence zéro (correspondant à des flux égaux dans les deux circuits) de part et d'autre de laquelle s'inscrivent les valeurs croissantes de couple correspondant aux couples s'exerçant dans un sens, res pectivement dans l'autre sens.

I1 peut être avantageusement prévu des moyens pour régler de manière précise le flux à zéro. On peut notamment recourir à tous les moyens connus en soi destinés à accroître ou diminuer la puissance de chaque bobine ou aimant, en particulier les shunts magnétiques.

Cette structure est donc de préférence telle que l'induction vue par le moyen de mesure varie autour d'une valeur de référence nulle.

Cela est très avantageux dans ce sens notamment que cela facilite le traitement électronique et permet d'avoir des variations relatives d'induction beaucoup plus grandes et donc d'augmenter la largeur de la plage de mesure.

Le dispositif conforme à l'invention peut aussi comprendre des moyens permettant de régler, notamment angulairement, la position des parties formant les entrefers. Notamment, si une autre valeur de couple présente un intérêt particulier, il est possible de modifier l'entrefer en décalant les parties respectives de telle manière que ces parties soient symétriques (symétrie des entrefers l'un par rapport à l'autre) pour cette valeur particulière de couple qui correspond alors à une valeur zéro de l'information. Cela peut être réalisé à l'avance en fabrication ou encore à l'aide d'un moyen de réglage de type connu. Bien entendu, le dispositif de mesure peut être spécialement conçu pour présenter d'origine une valeur zéro pour une telle valeur de couple particulière.

De préférence les parties déterminant un entrefer s'détendent suivant une forme de couronne concentriquement à l'axe de 1 'arbre. Les parties d'un même entrefer peuvent notamment s'inscrire dans un même plan orthogonal à 1' arbre, donc radialement sur des cercles concentriques de rayons différents.

Suivant le mode de réalisation préféré de l'invention, les entrefers sont formés chacun d'un jeu de dentures s'étendant suivant une forme de couronne. Les dentures peuvent avoir toute forme géométrique ap propriée, en particulier carrée, rectangulaire, trapézoïdale ou délimitée par des arcs de cercle. En outre, les dentures peuvent s'interpénétrer ou non. De préférence, la largeur des dents est comprise entre 20 et 35 % du pas des dents et plus particulièrement entre 25 et 30 % environ.

L'invention va être maintenant décrite plus en détail à l'aide de modes de réalisation non limitatifs se référant au dessin dans lequel
- la figure 1 présente une vue en coupe partielle suivant la direction longitudinale de l'arbre, d'un premier mode de réalisation de l'invention ;;
- la figure 2 présente un autre mode de réalisation de l'invention, dans une représentation analogue de celle de figure 1
- la figure 3 est une vue schématique de deux jeux de dentures du dispositif de la figure 1, au repos
- la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3, mais en présence d'un couple s'exerçant sur l'arbre
- les figures 5 et 6 représentent schématiquement une variante du profil de dentures, dans des représentations analogues à celle des figures 3, respectivement 4
- la figure 7 représente un montage en demi-pont servant de moyen de mesure du couple de torsion
- la figure 8 représente un autre moyen de mesure, sous la forme d'un montage en pont complet
- la figure 9 représente un autre mode de réalisation de l'invention, utilisant des aimants permanents, dans une représentation analogue à celle de la figure 1
- la figure 10 est une vue schématique du jeu de denture du dispositif de la figure 9, au repos
- la figure 11 est une vue analogue à celle de la figure 10 mais en présence d'un couple s'exerçant sur l'arbre ;
- la figure 12 représente un autre mode de réalisation de l'invention, avec aimant permanent, dans une représentation analogue à celle de la figure 1
- la figure 13 est une vue schématique du jeu de denture du dispositif de la figure 12, au repos ; et
- la figure 14 est une vue analogue à celle de la figure 13, mais en présence d'un couple s'exerçant sur 1 'arbre.

A la figure 1, il est représenté une section d'un arbre fixe de torsion 1 sur lequel est monté un dispositif conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif comprend un épaulement 2 lié à l'arbre fixe 1. Le circuit magnétique constitué d'un matériau ferromagnétique comprend fonctionnellement deux pièces distinctes, une culasse magnétique 3 et une pièce de fermeture du flux 4. Ces pièces sont de formes annulaires et coaxiales. La pièce 3 est liée à 1 'épau- lement 2, tandis que la pière 4 est solidaire de l'autre extrémité de l'arbre par l'intermédiaire d'une pièce de liaison 5. Les pièces 3 et 4 définissent deux systèmes de dentures, 3a-4a d'une part, 3b4b d'autre part dont les positions relatives sont représentées par les figures 3 et 4.La pièce 4 définit également une branche centrale 4c qui génère un entrefer lisse en regard de la culasse 3. Cette branche referme le flux magnétique résultant du déséquilibre des flux magnétiques sous l'effet du décalage angulaire différentiel des systèmes de dentures.

Les flux magnétiques sont crées par deux bobinages X et Y (figure 1) alimentés par des courants alternatifs par l'utilisation d'un montage en demi-pont (figures 1 et 7). De manière préférentielle on utilise des bobinages double X1, X2 et Y1, Y2 et un montage en pont complet (figures 2 et 8). Dans les deux cas la tension relevée entre les points D et E est démodulée et la tension ainsi obtenue est une image algébrique, préférentiellement linéaire, du flux circulant dans la branche 4c, donc de la torsion de l'arbre.

Dans le mode de réalisation des figures 3 et 4 (denture extérieure à gauche et intérieure à droite), les dents sont carrées et non pénétrantes, mais elles peuvent être de toute forme appropriée. Au repos, c'est-à-dire en l'absence de couple, les dents 3a et 4a sont décalées angulairement d'une manière identique par rapport aux dents 3b et 4b.

Dans cette position, les entrefers sont rigoureusement identiques (symétriques) ; les champs créés par les bobines X et Y ont des sens opposés dans la culasse centrale commune 4c et leurs flux s'annulent.

Le moyen de mesure détecte donc une valeur nulle.

A la figure 1, un couple de torsion est alors exercé sur l'arbre 1 dans le sens indiqué par la flèche T. Le décalage angulaire des dents 3a et 4a par rapport aux dents 3b et 4b (qui est initialement identique) est modifié et cela de manière différente, c'est-à-dire d'une manière plus poussée pour les dents les plus proches du point d' application du couple, en l'occurence les dents 4a par rapport aux dents 4b. Cela se traduit par une ouverture plus grande de l'entrefer de C2 par rapport à celui de C1. La réluctance de C2 s'accroit alors que celle de C1 diminue et le flux résultant dans la culasse centrale commune 4c passe dans le sens positif. Le moyen de mesure détecte ce sens positif ainsi que la valeur résultante du flux qui est une fonction du couple. Si le couple est exercé en sens contraire, on comprend immédiatement que l'entrefer de C2 se ferme alors que celui de C1 s'ouvre, ce qui se traduit par une diminution de la réluctance de C2 et une augmentation de celle de C1. Le flux résultant sera alors de sens négatif.

Dans le mode de réalisation des fig. 5 et 6, les dents sont rectangulaires et imbriquées. La figure 5 représente ces dentures au repos, denture extérieure à gauche et denture intérieure à droite, tandis que la figure 6 les représente après l'application d'un couple de torsion.

Le principe de fonctionnement est identique à celui précédemment décrit.

Les dimensions des dentures sont choisies de manière que les variations des réluctances génèrent dans la culasse centrale commune 4c un flux proportionnel à l'angle de torsion, donc au couple.

Le moyen de mesure est constitué par un montage en pont des bobines d'excitation des circuits magnétiques suivi d'un démodulateur. I1 peut s'agir d'un montage en demi-pont selon la figure 7 ou en pont complet selon la figure 8.

On peut utiliser de la même manière les systèmes de denture représentés en l'absence de torsion à la figure 5 et en présence de torsion à la figure 6.

La relation entre le couple appliqué C et l'angle de torsion Oc est o( = L C
GJ
G = module d'élasticité transverse de l'arbre
J = moment d'inertie
L = distance des deux points de l'arbre entre lesquels on considère que le couple est appliqué.

La déformation des arbres est en général de l'ordre de quelques degrés, notamment comprise entre moins de 1" et quelques degrés, notamment 5". I1 s'agit d'une constante assez générale dans la conception des arbres, qui tient compte des dimensions et caractéristiques mécaniques des arbres.

Le dispositif de mesure selon 1' invention sera aisément adapté en dimensions à tout type d'arbre de manière à présenter une sensibilité de l'ordre du dégré, notamment comprise entre 1" et 5 environ dans les conditions d'emploi de l'arbre.

La longueur adéquate du dispositif de mesure est notamment déterminée, pour un arbre donné, par la longueur d'arbre correspondant à la sensibilité choisie, par exemple à une torsion comprise entre 1" et 5 .

I1 s'agit là de paramètres parfaitement connus des spécialistes.

on se réfère maintenant aux figures 9, 10 et 11 qui ont trait à un autre mode de réalisation de l'invention, utilisant, à la place des bobinages, des aimants permanents. A la figure 1, on voit l'arbre torsi ble fixe 6, un épaulement 7 lié à 1 'arbre 6 et dont le décalage angulaire est mesuré par rapport à la section fixe A. Une culasse magnétique 8 est liée à cet épaulement et supporte deux aimants annulaires 9 et 10, préférentiellement de même section, et d'aimantation axiale et antiparallèle. Les aimants 9 et 10 sont associés à des couronnes dentées 11, respectivement 13. Une culasse de retour du flux 12 comporte deux systèmes de dentures qui sont en regard des couronnes dentées 11 et 13, ainsi qu'une branche centrale 16 de fermeture de flux, qui guide le flux vers une sonde de mesure 14 de champ magnétique.La sonde de mesure est de préférence une sonde de Hall linéaire grâce à laquelle on obtient un signal électrique proportionnel au couple exercé. La culasse 12 est référencée en rotation à la section A par un moyen de fixation 15.

Les dentures la hauteur de ce mode de réalisation sont représentées aux figures 10 et 11, la denture extérieure étant représentée à gauche de la planche de dessin et la denture intérieure à droite. Au repos, figure 10, les dents en regard sont décalées angulairement entre la denture intérieure et la denture extérieure.

Dans cette position, les entrefers sont rigoureusement identiques (symétriques) ; les champs créés par les aimants 9 et 10 ont des sens opposés dans la culasse de retour de flux 12 et leurs flux s'annulent.

La sonde de mesure 14 détecte donc une valeur nulle. A la figure 11, un couple de torsion a été exercé. on voit donc que le décalage angulaire des dents se fait de manière différente entre les dentures intérieures et extérieures, avec dans le cas présent une augmentation de la réluctance au niveau de la denture intérieure. Le flux résultant dans la culasse de retour de flux 12 n'est plus nul et sa valeur ainsi que son sens est détecté par la sonde de mesure 14.

Les figures 12, 13 et 14 représentent un autre mode de réalisation du dispositif à aimant permanent selon l'invention. Cette réalisation se distingue par le fait que le système de denture est un système imbriqué et que les dents de la culasse 12 sont de hauteur supérieure aux dents des couronnes dentées 11 et 13. Le reste du dispositif est identique à celui du mode de réalisation qui vient d'être décrit et n'est donc pas répété.

La différence de hauteur entre les dents rend la mesure de couple insensible aux déformations en flexion de l'arbre. Ce mode de réalisation est donc préféré par rapport à celui précédemment décrit en regard des figures 9 à 11.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1. Dispositif pour la mesure du couple de torsion s'exerçant sur un arbre fixe ou un élément mécanique analogue, muni d'un circuit magnétique, essentiellement cylindrique et disposé autour de 1 'arbre, qui comprend une pluralité de bobines ou d'aimants permanents et, un entrefer variable ayant deux parties relatives en regard rendues chacune solidaire de l'arbre en des emplacements respectifs décalés l'un de l'autre dans la direction longitudinale de l'arbre, de telle manière qu'une torsion de l'arbre entraîne une modification de l'entrefer qui diffère selon le sens du couple exercé, et des moyens de mesure de la modification de l'entrefer ainsi produite, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits magnétiques (C1, C2) munis chacun d'au moins une bobine (X, Y) ou d'au moins un aimant permanent, d'un entrefer variable et d'un unique entrefer lisse commun aux deux circuits.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties (3a, 3b ; 4a, 4b) déterminant les entrefers sont agencées de manière que les deux entrefers sont modifiés différemment lorsqu'un couple s'exerce sur l'arbre (1), l'application d'un couple d'un premier sens entraînant une augmentation de la réluctance d'un entrefer et une diminution pour l'autre entrefer, et inversement pour un couple de sens contraire.

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les entrefers sont conçus pour que, en l'absence de couple s'exerçant sur l'arbre (1), le moyen de mesure lit une valeur de référence zéro de part et d'autre de laquelle s'inscrivent les valeurs croissantes de couple correspondant aux couples s'exerçant dans un sens, respectivement dans l'autre sens.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que, au lieu de faire correspondre une valeur de référence zéro à un couple nul, on lui fait correspondre une valeur de couple non nulle pour laquelle les entrefers sont réglés pour être symétriques.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les parties déterminant un entrefer (3a, 3b ; 4a, 4b) s'détendent suivant une forme de couronne concentriquement à l'axe de l'abre (1).

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites parties (3a, 3b ; 4a, 4b) s'inscrivent dans un même plan orthogonal à l'arbre (1).