WO1997019369A1

WO1997019369A1 - Roue instrumentee pour la mesure dynamique de parametres physiques

Info

Publication number: WO1997019369A1
Application number: PCT/FR1996/001780
Authority: WO
Inventors: Alain Jolivet
Original assignee: Centre National De La Recherche Scientifique
Priority date: 1995-11-20
Filing date: 1996-11-12
Publication date: 1997-05-29
Also published as: FR2741440B1; FR2741440A1

Abstract

Deux demi-jantes (21, 22) sont montées à rotation sur une fusée (50, 60), supportent les deux bords périphériques libres d'une enveloppe semi-annulaire creuse (1), réalisée en élastomère de polyuréthane, moulé à la forme générale d'un pneumatique, avec des contours latéraux, interne et externe, de ligne piriforme. Auprès de chacun de ses bords périphériques libres, elle loge, avec verrouillage de forme, une pluralité d'inserts de fixation, en matériau dur (121, 122). La fusée (50) est munie, entre ses deux paliers porte-roulements, d'un manchon (70) de forme générale cylindrique, sur lequel est fixé le capteur (8), et à travers lequel (711, 712) passent des liaisons électriques avec ce capteur.

Description

Roue instrumentée pour la mesure dynamique de paramètres physiques

L'invention concerne les systèmes capteurs mobiles.

La géophysique a recours à la prospection électrostatique du sous-sol. Une solution intéressante a été proposée dans le Brevet français FR-A-2 680 582, déposé sous le No 91 10528 le 22 août 1991. L'idée est d'introduire un capteur dans une roue creuse. La réalisation décrite faisait appel, notamment, à l'adaptation d'un pneumatique existant; il en découle des contraintes pratiques, génératrices de compromis imparfaite¬ ment satisfaisants.

Plus généralement, de nombreux capteurs, de dimensions et d'applications diverses, sont susceptibles d'être déplacés à des vitesses plus ou moins grandes au contact ou à très faible distance de surfaces planes ou irrégulières. Leur introduction dans une roue offre alors une solution à ce problème pour autant qu'il soit possible d'adapter les caractéristiques de cette roue à la forme et aux conditions d'emploi spécifiques des capteurs déplacés.

II faut naturellement que la roue assure un bon maintien du capteur, en même temps que sa protection mécanique. La plupart du temps, il faut que la roue assure également la fonction d'isoler électriquement le capteur du milieu dont il est approché, et celle de le soustraire à l'influence de masses conductrices et/ou magnétiques trop proches.

Or, aucun pneu commercial ne remplit ces conditions : les élastomères utilisés contiennent toujours du carbone qui les rend faiblement conducteurs et plusieurs éléments métalliques renforcent leur structure, que ce soit dans les talons ou la carcasse. De plus, par définition, l'usage des pneus est conçu en fonction d'une pression de gonflage, sans laquelle ni forme ni tenue mécanique de l'enveloppe ne sont assurées; il faut donc y pallier. Enfin, les pneus font l'objet d'optimisations délicates liées à leur fonction première, qui les rend très éloignés de ce qu'on attend dans les applica¬ tions ici visées.

Le Brevet précité donne l'exemple d'un artifice qui a permis de rigidifier le pneu, utilisé non gonflé, pour l'application décrite. Il s'agit de l'introduction, dans l'enveloppe, d'une virole cylindrique semi-rigide en résine verre-époxyde qui, fortement appliquée contre sa face interne, lui redonne forme et résistance.

Toutefois, il faut introduire la virole dans le pneu ce qui oblige à découper l'un ou l'autre des éléments à rapprocher: ou bien on découpe la virole suivant une génératrice puis l'on joue de son élasticité pour la faire pénétrer et se détendre à l'intérieur du pneu; ou bien l'on découpe le pneu en deux parties selon son plan médian, et l'on emboite ces deux moitiés de pneu sur la virole pour les ressouder par vulcanisation d'un bandage rapporté. Ces deux solutions n'offrent pas une fiabilité satisfaisante et, surtout, sont impropres à une fabrication à l'échelle industrielle.

De plus, la virole est nécessairement interposée entre le capteur et le sol, en plus du pneu, ce qui n'est pas propice à des performances optimales. Ceci est d'autant plus vrai que les découpages mentionnés ci-dessus obligent à augmenter la distance capteur/sol.

La présente invention vient apporter une meilleure solution.

Elle part du dispositif connu comprenant au moins une roue, comportant deux demi-jantes montées à rotation sur une fusée, et supportant respectivement les deux bords périphériques libres d'une enveloppe semi-annulaire creuse, du genre pneumatique non gonflé, qui forme surface de roulement, tandis qu'au moins un organe capteur, fixé sur la fusée à l'intérieur de l'enveloppe, est placé au voisinage de la zone de cette enveloppe au contact du sol.

Selon l'invention, l'enveloppe est réalisée en élastomere de polyurethane, moulé à la forme générale d'un pneumatique. Après de nombreuses recherches, l'ensemble des problèmes rencontrés pour la réalisation des roues a pu être résolu par moulage d'un élastomere de polyurethane, les tentatives effectuées avec des matériaux usuels pour les pneumatiques ayant toutes été insatisfaisantes. Il s'est avéré que, de tous les matériaux plastiques de synthèse essayés, le polyurethane est le seul à présenter le choix d'une gamme de duretés étendue, recouvrant à la fois celle des caoutchoucs et celle des thermodurcissables à grande résistance mécani- que. Sa résistance à l'usure et l'abrasion sont d'autre part exceptionnelles. On dispose ainsi d'un matériau propre à la réalisation de pièces d'usure comme l'enveloppe et aussi de presque toutes les pièces mécaniques associées dont la maîtrise complète des formes permet de réduire le nombre.

De préférence, auprès de chacun de ses bords périphériques libres, l'enveloppe loge, avec verrouillage de forme, une pluralité d'inserts en matériau dur, espacés de façon sensiblement régulière, et traversés chacun par un alésage fileté, homologue d'un alésage correspondant ménagé dans la partie radiale d'un épaulement de la demi-jante associée, pour une fixation par vis.

Avantageusement, les contours latéraux, interne et externe, de chaque enveloppe, sont de ligne piriforme, obtenue par exemple par le raccordement de trois arcs de cercle.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexes, sur lesquels :

- la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un disposi¬ tif de roue selon l'invention, sans l'enveloppe;

- la figure 2 est une vue en coupe partielle comparable à la figure 1, mais comportant en outre l'enveloppe et le capteur à l'intérieur de celle-ci; - la figure 3 est un dessin coté illustrant une forme de réalisation particulière de l'enveloppe;

- la figure 4 est une vue partielle montrant une disposition possible d'un capteur de grandeur physique à l'intérieur de l'enveloppe;

- les figures 5 et 5A sont deux vues correspondantes illus¬ trant de manière plus détaillée le bras et l'axe formant fusée; et

- la figure 6 est une illustration schématique d'un exemple d'application de l'invention.

Les dessins annexés sont, pour l'essentiel, de caractère certain. En conséquence, ils font partie intégrante de la description, et pourront non seulement servir à mieux faire comprendre celle-ci, mais également contribuer à la défini¬ tion de l'invention. Ceci est tout particulièrement vrai pour la figure 3, qui définit la forme de l'enveloppe.

Sur la figure 1, un bras creux 60 est élaboré, venu de matière, avec un axe 50. L'ensemble est mieux visible sur la figure 5, ou l'on voit en 62 un insert pour la fixation du bras sur un arbre porteur, qui peut être par exemple du genre décrit dans le document Brevet FR-A-2 680 582, déjà cité. Les bras sont en principe prévus pour être maintenus à 45° sur la verticale.

De façon générale, la quasi-totalité des éléments utilisés dans le dispositif selon l'invention est réalisée en élasto¬ mere de polyurethane moulé. Les inserts sont fixés par verrouillage de forme à l'intérieur du polyurethane moulé.

A partir du bras 60 (figures 1 et 5), l'axe 50 comporte une première partie cylindrique 500, qui va rester libre. Vient ensuite une seconde partie cylindrique 501 qui, compte tenu de l'épaulement qu'elle forme avec la partie 500, va loger le roulement à billes 42, muni extérieurement d'une cage ou bague surajoutée 32, sur laquelle vient se fixer un flasque 232 qui formera demi-jante. La partie cylindrique suivante, une nouvelle fois de diamètre plus faible, supportera extérieurement un manchon 70, dont l'extrémité droite, de préférence biseautée, vient s'appuyer sur le roulement 42. Son extrémité gauche, également de préférence biseautée, vient servir d'appui à un autre roulement 41, dont le diamètre intérieur est inférieur à celui du roulement 42, et qui est porté par une nouvelle partie cylindrique 503, encore une fois de diamètre plus faible. Les diamètres extérieurs des roulements peuvent être identiques.

De l'autre côté, le roulement 41 est tenu par une rondelle 53 fixée par une vis 52 sur un insert 51 qui, comme précédem- ment, est logé par verrouillage de forme au moulage, coaxia¬ lement et en bout, dans l'axe 50.

L'axe 50 définit par ailleurs intérieurement un trou borgne 509, débouchant dans une cavité 610 où il rejoint le trou borgne 609 du bras 60, tandis que cette cavité 610 peut être fermée par un bouchon 612 en regard du trou borgne 509, et par un bouchon 611 en regard du trou borgne 609. Dans l'axe 50 sont ménagés des passages tels que 511 et 512, placés en regard de passages homologues 711 et 712 du manchon 70. On prévoit par exemple quatre passages de ce genre, compte-tenu de la position à 45° du bras porteur 60, de sorte qu'un même bras puisse être monté indifféremment à droite ou à gauche. Ceci est illustré sur la figure 5A dans la vue en coupe de la pièce 50, cette figure 5A étant une coupe suivant la ligne A- A de la figure 5. A gauche de la figure 1, un autre flasque 21 est fixé comme le flasque 22 par des vis non représentées, traversant des alésages 231, placés en regard d'alésages filetés tels que 311 dans la bague externe 31 du roule¬ ment 41. Les vis de fixation tels que 231 et 232 sont par exemple au nombre de six, régulièrement réparties sur la périphérie.

Les trous 511/512, 509, 609 et 621 assurent la continuité d'un passage protégé pour les câbles reliant l'électronique du capteur 8 (non représentée), située avec lui dans la roue, au reste de l'appareillage de mesure, qui est à l'extérieur du dispositif décrit.

De préférence, les flasques 21 et 22 sont eux aussi réalisés en élastomere de polyurethane moulé, comme le reste du dispositif, et les passages tels que 231 sont alors munis de tubes insérés au moulage, comme visible sur la figure 1 et la figure 2.

Avant de continuer la description de la partie roue, on restera sur la figure 5, pour y observer encore que le trou borgne 609 communique dans un espace 620 avec un trou transversal 621 ménagé dans l'insert 62, tandis que celui-ci porte, comme visible en 631 et 632 sur la figure 5A, deux passages de fixation sur l'arbre qui porte l'équipage de roue, par des moyens de suspension non représentés.

Il est maintenant fait référence aux figures 1 et 2 conjoin- tement. Les deux demi-jantes comportent des épaulements 241 et 242 en forme générale de L qui se font face. La partie radiale de chaque L présente en 221 et 222 des passages, lesquels sont eux aussi munis de tubes au moment du moulage.

La figure 2 montre que l'enveloppe selon l'invention est munie elle aussi d'inserts montés avec verrouillage de forme dans le polyurethane au moulage. Ces inserts 121 et 122 coopèrent respectivement avec des vis 1210 et 1220 traversant les passages 221 et 222, pour la fixation du pneumatique en périphérie. Les fixations de ce type sont par exemple au nombre de douze, régulièrement réparties sur la périphérie de chaque demi-jante.

Le manchon (ou bague-entretoise) 70 est en matière synthéti¬ que, par exemple en DELRIN (Marque Commerciale). Extérieure- ment, il est muni de méplats tels que 72, qui supportent chacun une plaque telle que 81, fixée sur le manchon par des vis telles que 811 et 812. L'ensemble soutient le capteur 8, dont la forme générale est visible sur la figure 2. On remarquera que l'ensemble des éléments de la roue peut être monté progressivement de la droite vers la gauche. Après montage et fixation de l'enveloppe sur la demi-jante droite, on implante le capteur 8, puis la demi-jante gauche, que l'on fixe alors à l'enveloppe, ce qui termine le montage.

La forme précise de l'enveloppe, dans un mode de réalisation particulier actuellement préféré, est illustrée sur la figure 3. La partie droite de la figure 3 donne les cotes de l'extérieur de l'enveloppe, tandis que sa partie gauche donne les cotes de l'intérieur, l'enveloppe elle-même étant symétrique.

Il est utile de rappeler ici que l'enveloppe n'est absolument pas gonflée, et qu'en conséquence il est nécessaire qu'elle résiste par sa forme propre aux contraintes de toutes sortes rencontrées lors du roulement et du mouvement, bien entendu sans apporter aucun dommage matériel, ni au capteur 8 lui- même, ni à son fonctionnement.

L'examen de la figure 2, qui fait apparaître le très faible interstice régnant entre le capteur 8 et l'enveloppe, permet de mieux comprendre la nature des difficultés à vaincre.

De façon générale, la partie basse de l'enveloppe est plane, avec des nervures dont les dimensions sont données sur la figure 3.

Hors tout, l'enveloppe comporte un diamètre externe de 460 mm et un diamètre intérieur de 442 mm, pour une épaisseur de 9 mm. Au niveau de ses bords libres internes (radialement), l'enveloppe offre un diamètre de 240 mm, tandis que le diamètre entre les axes des points de fixation est de 260 mm.

A partir de là, le contour interne de l'enveloppe est défini (partie gauche de la figure 3) : - a partir d'un centre situé à 119 mm de l'axe et à 96 mm du plan de référence (le bas externe de l'enveloppe), on définit un arc de cercle de rayon 47 mm et d'angle 36,31°;

- à partir d'un point situé 36 mm à gauche de l'axe du plan de symétrie vertical et 35 mm au-dessus du plan de référence, on définit un arc de cercle de rayon 56 mm qui part de la terminaison du précédent et couvre 38,16°.

- Sur le rayon terminal de ce second arc (au niveau duquel l'épaisseur de l'enveloppe est de 5 mm), on prend un centre à 25 mm, et l'on trace un arc de cercle de 88,15°, propre au raccordement avec la partie basse de l'enveloppe.

Pour l'extérieur de l'enveloppe (partie droite de la figu¬ re 3) :

- à partir d'un point situé 115 mm à droite et 85 mm au- dessus du point de référence, on prend d'abord un arc de cercle de rayon 31 mm et d'angle 29,05°;

- à partir d'un point situé à 35 mm au-dessus du point de référence et 25 mm à droite du plan de symétrie vertical, on prend un arc de cercle de rayon 72 mm et d'angle 33,34°;

- comme précédemment, un troisième point central est pris sur le rayon terminal de l'arc précédent, avec un rayon de 32 mm, et un raccordement en arc de cercle est prévu avec ce rayon de 32 mm pour un angle de 85,71°.

L'enveloppe ainsi obtenue comporte latéralement un aspect piriforme, plus bombé côté intérieur que côté extérieur, et avec une épaisseur de matière qui décroît jusqu'à la partie sensiblement verticale des flancs latéraux de l'enveloppe, pour augmenter à nouveau ensuite vers la partie basse de soutien.

La figure 4 montre un exemple des capteurs utilisés pour mesurer la résistivité des sols. Sur le manchon 70 en ses deux méplats situés de part et d'autre sont montées les deux plaques 81 et 82 par des vis telles que 810 et 830. Les vis sont par exemple en nylon. Ces plaques descendent à l' intérieur de la roue pour porter une plaque transversale 83, dont les deux extrémités libres sont, côté bas, munies de formes telles que des épaulements, leur permettant de loger avec précision deux tubes 84 et 85. Les deux tubes sont placés pour être sensiblement à égale distance du sol, et comportent des diamètres qui sont sensiblement dans un même plan horizontal. En des points opposés de ces diamètres, 840 et 850, des vis maintiennent un feuillard de matériau électriquement conducteur, de façon qu'il prenne une forme voulue pour rejoindre très rapidement la face interne du pneumatique, et rester à distance constante de celui-ci dans la zone de roulement de ce pneumatique (l'expression "pneumatique" est conservée par habitude, bien qu'il s'agisse d'une enveloppe non gonflée). Le capteur jouxte l'enveloppe sur un angle qui est ici sensiblement de 60°.

Le Demandeur a observé que ce type de capteur logé à l'inté¬ rieur d'une roue présente un rapport signal/bruit intéres¬ sant, tout en étant très avantageux par son montage très commode en pratique, notamment si des réparations sont nécessaires, et sur les autres éléments du problème posé.

Bien entendu, de nombreux autres types de capteurs ayant vocation à être déplacés vite et près du sol peuvent être montés de cette manière.

Un autre avantage de l'invention est la possibilité de réaliser des systèmes multipolaires de prospection électros¬ tatique.

Ainsi (figure 6) , un premier chariot Cl articulé en 01 sur un véhicule tracteur peut porter un premier arbre Al muni de deux roues Rll et R12 selon l'invention, espacées transversa¬ lement de 2,28 m, et un deuxième arbre A2 muni d'une seconde paire de roues espacées de 0,80 m. Un second chariot C2 articulé en 02 et qui porte un arbre A3 muni de deux roues R31 et R32 espacées de 1,20 m, qui forment dipôle d'injec¬ tion. Le chariot Cl comporte également des roues classiques de roulement et support XI et X2. Les distances en longueur entre les axes de roues des paires R11/R12 et R21/R22 sont 1,00 m. Entre la paire R11/R12 et la paire R31/R32, on a 1,28 m (compte non tenu de l'articulation ni des bras des roues) .

Bien entendu, on peut utiliser des configurations de paires de roues différentes.

Un avantage non négligeable de l'invention est qu'il y a un minimum de masse métallique en mouvement dans la roue, puisqu'elle est presque tout entière faite de polyurethane moulé, sauf éventuellement les inserts, les vis de fixation, et les roulements.

Il n'est pas procédé ici à la description générale de l'emploi du dispositif, puisque celle-ci a déjà été faite dans le Brevet français déjà cité.

Le recours général au moulage du polyurethane est avantageux, car il s'agit d'une technique bien connue dont les indus- triels spécialisés contrôlent tout le processus, depuis la fabrication du moule à partir du dessin de la pièce finie jusqu'à l'obtention de cette dernière. Aux avantages propres à la technique du moulage, faible coût des pièces et parfaite reproductibilité, s'ajoute donc celui d'une fabrication intégrée ne faisant intervenir qu'un seul opérateur.

L'invention permet que les caractéristiques du capteur déterminent forme et dimensions de l'enveloppe et non l'inverse. Les contraintes propres à l'utilisation d'un autre type de capteur se traduiraient de la même façon par l'étude d'un profil spécifique de l'enveloppe, celle de son diamètre et de son épaisseur, et la prise en compte de son environne¬ ment mécanique. La conception du pôle électrostatique décrit plus haut n'est donc qu'un exemple d'application des techniques proposées pour la réalisation d'une roue instrumentée destinée à la mesure dynamique d'un paramètre géophysique, par exemple.

Bien que le polyurethane moulé ait été mentionné comme préféré actuellement, il est clair que l'on pourra trouver, parmi les nombreuses autres matières synthétiques existantes ou à venir, des matériaux moulables équivalents, et donc susceptibles de convenir pour la mise en oeuvre de l'inven¬ tion.

Claims

Revendications

1. Dispositif capteur mobile, du type comprenant au moins une roue, comportant deux demi-jantes (21,22) montées à rotation sur une fusée (50,60), et supportant respectivement les deux bords périphériques libres d'une enveloppe semi-annulaire creuse (1), du genre pneumatique non gonflé, qui forme surface de roulement, tandis qu'au moins un organe capteur (8), fixé sur la fusée à l'intérieur de l'enveloppe, est placé au voisinage de la zone de cette enveloppe qui contacte le sol, caractérisé en ce que l'enveloppe (1) est réalisée en élastomere de polyurethane, moulé à la forme générale d'un pneumatique.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'auprès de chacun de ses bords périphériques libres, l'enveloppe (1) loge, avec verrouillage de forme, une pluralité d'inserts en matériau dur (121,122), espacés de façon sensiblement régulière, et traversés chacun par un alésage fileté, homologue d'un alésage correspondant (221,222) ménagé dans la partie radiale d'un épaulement de la demi-jante associée (21,22), pour une fixation par vis.

3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les contours latéraux, interne et externe, de l'enveloppe, sont de ligne piriforme.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, carac¬ térisé en ce que la fusée (50) est munie, entre ses deux paliers porte-roulements, d'un manchon (70) de forme générale cylindrique, sur lequel est fixé le capteur (8), et à travers lequel (711,712) passent des liaisons électriques avec ce capteur, tandis que les demi-jantes (21,22) sont fixées par vis sur des bagues faisant partie du corps externe des roulements.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fusée (50) comprend un bras porteur (60) sensiblement perpendiculaire à sa partie axiale, laquelle définit des décrochements cylindriques (500,501,502,503) dont le diamètre décroît depuis le bras jusqu'à l'extrémité opposée, en laquelle le roulement (41), maintenu par vis/butée en bout (51,52,53), possède un diamètre intérieur plus faible que celui (42) situé du côté du bras.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ensemble est pour l'essentiel en matériau non-métalli¬ que.

7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur (8) est un capteur de prospection géophysique, en particulier de prospection électrostatique.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capteur (8) comprend un feuillard de matériau électri¬ quement conducteur (89) monté entre deux tubes-supports (84,85) pour affleurer la surface interne de l'enveloppe.

9. Application d'au moins une paire de dispositifs (R11,R12) selon l'une des revendications précédentes, montés à distance choisie sur un même arbre (Al) porté par un chariot (Cl) tracté via une articulation (01).

10. Application d'au moins deux paires de dispositifs (R11,R12;R21,R22;R31,R32) selon l'une des revendications 1 à 8, montés à distances respectives choisies sur des arbres respectifs (A1;A2;A3) portés par au moins un chariot (C1;C2) tracté via une articulation (01;02).