Brevet FR2014815A1 — publié le 19700424

'invention concerne un dispositif servant à mesurer des forces de compression. Elle concerne particulièrement la mesure de la force de compression entre une tête de boulon et une pièce Elle peut aussi servlr à mesurer la force de compression entre deux surfaces planes quelconques. L'invention a pour objet une bague de mesure de force de compression de structure particulière à la périphérie de la quelle sont montés un ou plusieurs extensomètres. On comprendra mieux l'invention en se référant aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue latérale d'une combinaison d'écrou et de boulon comportant la bague de mesure de force de l'invention; la figure 2 est une vue en plan de la bague de force, à une échelle agrandie; la figure 3 est une coupe suivant la ligne 3-3 de la figure 2. Comme le montre la figure 3, la bague présente la forme d'une rondelle usuelle mais elle est fraisée sur les deux tiers environ de l'aire de sa face. Chacune des portions planes 20 et 20' de la bague telle qu'on l'a représentée constitue environ 30-40 % de l'aire totale de section horizontale de la bague mais elle peut constituer jusqu'à 60 % de celle-ci ou davantage. Par suite de cette structure spéciale, les forces de compression appliquées à la rondelle sont supportées entièrement par les portions planes annulaires extérieures opposées 20 et 201 ce qui permet de mesurer avec précision l'effort de compression appliqué à la bague au moyen des extensomètres montés au bord périphérique de celle-ci. Cette structure permet aussi de mesurer avec plus de précision l'effort de compression car, si l'on suppose que ia force est constante, l'effort est proportionnellement plus grand sur l'aire réduite que sur une bague complètement plane. Quand on a mesuré lteffort de compression appliqué à la portion plane 20, de la façon décrite plus complètement ciaprès, on peut déterminer l'effort proportionnel sur une bague de même grandeur mais complètement plane, en connaissant l'aire de sectioii de la bague par rapport à l'aire de la portion plane 2(J. Comme le montre la figure 1, on utilise de préférence la bague de force 10 avec deux bagues supplémentaires Il et 12? placées ltlme au-dessus et l'autre en dessous de la bague de force 10. La bague 11 place au-dessus de la bague de force présente un diamètre légèrement plus grand, de manière à proté- ger les extensomètres situés à la périphérie de la bague de force. La bague 12 située en dessous de la bague de force 10 présente à peu près le même diamètre que celle-ci. les deux bagues Il et 12 empêchent la bague de force de s'encastrer dans l'écrou ou autre pièce métallique située en dessous et elles sont au moins aussi dures et de préférence plus dures que la bague de force et par suite, le frottement réduit entre elles et la bague de force permet de mesurer l'effort de compression appliqué à la bague de force, sans que la bague de force soit retenue par frottement ou retenue latéralement dtune autre façon. Les bagues 11 et 12 présentent aussi des surfaces d'appui uniformes pour la bague de force, quelle que soit la matière qui se trouve au-dessus ou en dessous d'elles. Cela permet de mesurer des forces dans des conditions ide-ntiques meme si le métal sur lequel la bague de force s'appuie en fin de compte est différent. Par exemple, si la bague de force s'appuie sur de l'aluminium, cette matière permet un degré élevé dXencastre- ment et la caractéristique de frottement n'est pas la même que dans le cas de'l'acier. La face inférieure de la bague inférieure trempée 12 peut détecter ces différences mais ce n'est pas le cas pour sa face supérieure (sur laquelle s'appuie la bague de force). La bague supérieure trempée Il joue aussi les mêmes rôles. le diamètre intérieur du trou des trois bagues est lé gèrenent plus grand que le diamètre maximal de la portion filetée lb ou du corps du boulon 1 (figure 1). Le diamètre extérieur de la bague de force 10 et de la bague inférieure 12 est appro ximativement égal à la largeur entre plats de la tête de boulon ou de l'écrou sous lequel elle doit servir de sorte que la bague inférieure plane présente à la pièce à peu près la même aire d'appui que la tête de boulon ou l'écrou. La bague supérieure Il est fraisée aux dimensions maximales du filet situé sous la tête de boulon a sous laquelle elle doit servir, de sorte que le filet situé sous la texte de boulon n'a pas tendance à dilater la bague ni éventuellement à la briser ou à gêner le mouvement de la portion qui s'appuie sur la bague de mesure de force. Non seulement la bague de mesure de force présente un trou de diamètre légèrement supérieur à celui du boulon sous lequel elle doit servir et un diamètre extérieur égal à la largeur entre plats de la tête ae boulon ou de l'écrou sous lequel elle doit servir mais, comme on lla dit plus haut, elle est fraisée sur ses deux faces, de préférence sous un angle de 100 environ. Chacun de ces fraisages 21 et 21' (figure 3) couvre environ les deux tiers de l'aire de face annulaire de la bague de force 10. Comme on l'a dit, les fraisages sont nécessaires de façon que la majeure partie de la force de compression soit supportée par les deux surfaces planes 20 et 20', figure 3, et que les extensomètres situés à la périphérie de la bague soient soumis à la majeure partie de l'effort. En diminuant l'aire du fraisage à 10 et en augmentant ainsi l'aire plane de la bague de force, on arrive à mesurer des efforts plus élevés sans risquer de dépasser la limite élastique en compression de la matière de la bague de force, de sorte que l'on peut mesurer des efforts atteignant la chargé de rupture de boulons en acier allié traités thermiquement. Toute fois, la bague de force devient alors moins précise à 85 % en dessous de sa capacité maximale. Par contre, on peut améliorer la précision dans la gamme inférieure et mesurer avec plus de précision des efforts relativement faibles en diminuant le module Young de la matière de la bague de force. Par exemple, l'aluminium a un module Young qui vaut environ un tiers de celui de l'acier. Ainsi, en utilisant l'aluminium comme matière pour le corps de la bague de force et en appliquant la configuration normale et une compensation similaire de température, il est possible de mesurer avec précision des efforts inférieurs des deux tiers à ceux que l'on peut mesurer avec précision en utilisant des bagues de force en acier traité thermiquement. Le petit diamètre de la bague de force présente un autre fraisage, 22 (figure 3) de préférence de l'ordre de 450 de sorte que lton peut l'utiliser sans les deux bagues planes trempées. En pareil cas, le fraisage élimine les forces latérales partant du filet QU du rayon sous la tette de boulon et assure que les extensomètres mesurent seulement les forces de compression véritables. Comme on l'a dit plus haut, les surfaces annulaires planes d'appui 20 et 2û' (figure 3) de la bague de force ont une aire inférieure à l'aire de section de la tête de boulon ou de l'écrou sous lequel elle doit servir. Pour cette raison, il est nécessaire de tremper la bague de force de façon qu'elle puisse résister à l'effort axial d'essai des boulons traités thermiquement de qualité SAE 5 et 8. Si elle n'est pas traitée thermiquement, elle se déforme de façon permanente sous les efforts maximaux de boulon et donne ainsi des lectures fausses. On a trouvé qu'un traitement thermique poussé jusqu'à environ 58 sur l'échelle Rockwell C donne une dureté suffisante pour résister à l'effort d'essai de boulons de qualité SAE 8 sans dépasser la limite élastique en compression de la bague de force. Par exemple, l'effort d'essai d'un boulon de qualité SAE 8 est de 8400 kg/cm. Le traitement thermique d'une bague de force formée d'acier inoxydable de qualité 440 C produit une dureté 58 sur l'échelle Rockwell C. A cette dureté, cet acier présente une limite élastique qui équivaut à la limite élastique en compression d'environ 19.300 kg/cm2 qui est suffisante pour résister à un effort de boulon de 8400 kg/cm2 sur une aire réduite de 40 %. les bagues planes Il et 12 (figure 1) utilisées immédiatement au-dessus et en dessous de la bague de force doivent être aussi dures ou légèrement plus dures que celle-ci de façon que la bague de force ne s'encastre pas dans ces bagues, ce qui restreindrait son mouvement. Il est extremement important que le mouvement de la bague de for-ce ne soit pas restreint de façon qu'elle puisse fonctionner seulement en compression. Les bagues planes ont une épaisseur telle qu'elles peuvent résister à des efforts ae compression atteignant au moins l'effort essai des boulons de qualité SAE 8 sans se briser ni se déformer de façon permanente. En pratique, on a trouvé que cette épaisseur était de 1,2 mm pour des diamètres de boulon de 6,4-12,7 mm et de 1,6 mm- pour des diamètres de boulon de 14,3-19,1 mm, et de 2,0 mm pour des diamètres de 22,2-25,4 mm. Après avoir fabriqué la bague de force et les deux bagues planes trempées et les avoir durcies ae la façon décrite plus haut, il faut les meuler ou les polir ae manière à obtenir une surface lisse, plane et uniforme. Un ou plusieurs extensomètres, de préférence du type à feuille, sont montés verticalement à la périphérie de la bague de force pour mesurer l'effort de compression. Sur la figure 2, à titre d'exemple, on a indiqué schématiquement quatre extensomètres 14, 15, 16 et 17 montés à la périphérie de -la bague de' force 10. Pour réduire les effets de l'effort angulaire, il est désirable de monter le plus possible d'exteflsomètres uniformément espacés sur la bague de force pour mesurer-l'effort de compression. On a trouvé que quatre extensomètres de 120 ohms montés sur une bague de 6,4 mm, six sur une bague de 7,9-11,1 mm et neuf sur une bague de 12,7-25,4 mm donnent un résultat satisfaisant. Pour monter les extensomètres, on commence par appliquer sur la surface cylindrique extérieure lisse et propre de la bague 10 un adhésif qui, après durcissement, peut résister à environ 1500C ou davantage sans détérioration. On colle alors les extensomètres à la bague de force, on durcit l'adhésif et il colle les extensomètres à la bague. Les extensomètres sont alors branchés de préférence de manière à donner une résistance totale de 120 ohms, étant donné que la plupart des instruments du commerce sont normalisés de manière à mesurer ce niveau de résistance. On peut alors inclure les extensomètres dans le circuit d'un pont Wheatstone pour mesurer la variation de résistance due à la force ae compression appliquée à la bague de force. On peut aussi les relier à tout autre instrument usuel d'enregistrement ou à un instrument enregistreur spécialement conçu pour mesurer cette variation et donc la force de compression appliquée à la bague. Si l'on utilise quatre extensomètres ordinaires de 120 ohms, on peut les combiner de manière à donner une résistance totale de 120 ohms en reliant la moitié d'entre eux en série et l'autre moitié en série, puis en reliant les deux groupes en parallèle. Par exemple, sur la figure, on a représenté schématiauement quatre extensomètres montés à la périphérie de la bague de force 10; les èxtensomètres 14 et 15 sont reliés en série ensemble et de meme les extensomètres 16 et 17 et les deux paires 14-15 et 16-17 sont alors-reliées an parallèle. Comme le montre la figure 2, le conducteur 32 relie ltextenso mètre 14 en série avec l'extensomètre 15 et le conducteur 31 relie l'extensomètre 16 en série avec l'extensomètre 17. Le con docteur 34 partant de l'extensomètre 15 et le conducteur 33 partant de l'extensomètre 17 relient les deux paires. en parallèle au point 37. Les condueteurs 30 et 35 complètent le branchement en parallèle des deux paires 14-15 et 16-17 par une jonction au point 36. Les connecteurs 13 et 13' partent des points respectifs 36 et 37 et se relient-à l'équipement d'enregistrement de manière à mesurer la variation de résistance du ou des extensomètres. Quand on utilise six extensomètres sur une grande bague, trois des extensomètres, espacés de- 1200, sont reliés en série et de même les trois autres. Les deux groupes de trois extensomètres sont alors reliés en parallèle, ce qui donne un total de 180 ohms que l'on peut réduire alors à 119 ohms en incluant une résistance supplémentaire de 350 ohms en parallèle aux deux groupes. Quand on utilise neuf extensomètres, trois extensomètres espacés de 1200 sont reliés en série, un autre groupe de trois extensomètres espacés de 1200 sont reliés en série et les trois autres, espacés de 1200, sont aussi reliés en série. les trois groupes sont alors reliés en parallèle, de manière à donner une résistance de 120 ohms. Ainsi,-que l'on utilise un ou plusieurs extensomètres, on peut utiliser un extensomètre normalisé de 120 ohms et~dans chaque cas la résistance globale reste d'environ 120 ohms et on peut les utiliser dans un équipement usuel qui est conçu pour lire les variations de l'effort dans un circuit présentant une résistance d'environ 120 ohms comme étalon. Du fait que plusieurs extensomètres sont prévus à la périphérie de la bague de force 10, on obtient la moyenne de la force de compression appliquée à la bague et non la force en un point localisé de la bague. Il est désirable de choisir des extensomètres à feuille du type à compensation automatique de- température qui conviennent au coefficient de dilatation thermique de la matière de la bague de force, de facon-que la bague de force complète ne soit pas affectée par les variationside -températurel~Par exemple, l'acier inoxydable de qualité 440C présente.un:coefficient de dilatation thermique de 40,1- x 0.6 parties par million/0C et il faut, pour lui convenir, un extensomètre à feuille présentant un coefficient de compensation correspondant. On a aussi trouvé désirable d'assurer la compensation de température des fils con acteurs qui vont de la bague de force au connecteur en utilisans un système à trois fils, deux des fils conaucteurs étant d'égale longueur et étant inclus dans des branches adjacentes -d'un circuit en pont Wheatstone, tout effet de la température sur la-résistance étant ainsi annulé. Une fois que les extensomètres ont été collés à la bague de force-et câblés de la façon décrite, on leur applique un revêtement protecteur de résine d'époxyde ou de caoutchouc ou d'une autre matière appropriée qui les protège contre la corrosion et les court-circuits dûs à l'humidité ou à d'autres causes. On utilise-un système à deux fils conducteurs (comme indiqué en 13, 131,-figures 1 et 2) ou un système à trois fils, mentionné plus haut maIs non représenté, de façon que la bague de force puisse eotre-reliée à un instrument capable de lire la variation de l'ef- sorte appliqué à la bague. T'une des caractéristiques de l'invention sous sa forme préférentielle réside dans la forme et les dimensions de la ba guede force.Comme le montrent les dessins,'le bord périphérique extérieur de la bague de force 10 forme une surface verticale annulaire qui s'étend de façon continue de l'une à l'autre des surfaces annulaires extérieures planes d'appui 20 et 20', sur les-faces opposées de la bague. Le diamètre de cette surface verticale annulaire (diamètre extérieur de la bague de force) tel-qu'an l'a représenté est d'environ 1,5 D et ne doit pas dé passer-no'ableme-nt cette valeur, D étant le diamètre intérieur -dè- la- bague, donc pratiquement le diamètre extérieur de la portion filetée au boulon qui doit passer à travers la bague. L'é- paisseur de la bague ae force est d'environ 3,8 mm mais ne dépasse pas 0,4 D environ; chacun des fraisages 21 et 21' présente de--préférence un diamètre extérieur maximal (correspondant au diamètre intérieur des surfaces extérieures annulaires planes 20 et-2O') compris entre D + C,64 mm et 1 > 32 D, avec une marge de 5 % en plus ou an moins. Avec cette construction préférentielle, on.peut comprendre le résultat donné par la nouvelle bague de force en la com parant à une bague antérieure dont la périphérie extérieure comprend des surfaces inclinées donnant à la bague une forme de fût, cette forme ayant pour but d'empêcher la portion périphérique de bomber vers l'extérieur sous l'effort de compression appliquée à la bague, car on considérait que ce bombement empêchait une mesure sûre de la force au :noyen des extensomètres prévus sur la bague. Avec cette forme de fût, l'épaisseur de la bague de force antérieure était considérablement supérieure à son diamètre intérieur. On a découvert que la forme de fût et l'épaisseur rela tivoment f grande de cette bague-de-force-ante'zieure force antérieure ne sont pas nécessaires pour obtenir des mesures précises de force dans une large gamme de forces de compression. Cela est démontré par des mesures réelles de force effectuées avec cette dernière bague et avec la nouvelle bague de l'invention, sous sa forme préférentielle décrite ci-dessus. Les mesures comparatives sont exécutées avec un dispositif hydraulique dtétalonnage de boulons Skidmore-Wilhelm comprenant une pompe hydraulique qui sert à tendre le boulon et un manomètre indiquant l'effort appliqué au boulon. On utilise comme instrument de lecture des extensomètres un instrument amplificateur à pont Ellis, modèle n 3S, neuf extensomètres étant également espacés à la périphérie de la bague de force antérieure et six étant espacés de façon similaire sur la bague nouvelle. On réduit les dimensions de la bague antérieure de façon qu'elle reçoive un boulon de 7,9 mm, grandeur utilisée dans les essais comparatifs. Chose surprenante, les essais montrent que la nouvelle bague de force donne des mesures au moins aussi précises que la bague antérieure, sur toute la gamme de 454-3175 kg d'effort, les essais se faisant par incréments de 454 kg. La raison de ce bon résultat donné par la nouvelle bague n'est pas entièrement claire, mais il semble, ou bien que la nouvelle bague convienne bien pour éviter le bombement que la bague antérieure visait à empecher, ou bien que le bombement qui se produit éventuellement avec la nouvelle bague ne nuise pas notablement à Les mesures de force. - REVENDICATIONS i - Dispositif destiné à servir dans un appareil à mesurer une force de compression exercée entre deux surfaces planes opposées et caractérisé par le fait qutil comprend une bague annulaire de force dont les faces supérieure et inférieure présentent chacune une portion annulaire plane extérieure et une portion annulaire intérieur évidée, de sorte que la portion annulaire plane extérieure est conçue pour supporter la force, le bord périphérique formant une surface verticale annulaire qui s'étend de façon continue de l'une à l'autre des portions annulaires planes, un extensomètre au moins étant monté au bord périphérique extérieur. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque portion évidée se dirige radialement vers l'intérieur en partant de la portion annulaire plane adjacente pour arriver au diamètre intérieur de la bague. 3 - Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la bague est d'au moins 3,8 mm mais n'est pas notablement supérieure à 0,4 DS D étant le diamètre intérieur de la bague. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le diamètre extérieur de la bague est d'environ 1,5 D. 5 - Dispositif selon l'une des revendicatiom i à 4, caractérisé par le fait que les portions évidées sont au moins partiellement formées par des fraisages présentant chacun un diamètre extérieur maximal, correspondant au diamètre intérieur de la portion annulaire plane extérieure adjacente, qui est compris entre D + 0,64 mm et 1,32 D, + 5 %. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chacun des fraisages fait un angle d'enviton 100 avec la portion annulaire plane extérieure adjacente, 7 - Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé par le fait qu'au moins le fraisage de la face supérieure de la bague de force se termine auprès du diamètre intérieur de la bague de force par une portion fraisée qui fait, avec la portion annulaire extérieure plane, un plus grand angle que la parie du fraisage qui est adjacente à la portion annulaire plane, de manière à loger un filet ou rayon situé sous une tte de boulon, auprès de la tige du boulon. 8 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, conçu pour mesurer une force de compression appliquée par un boulon à une surface plane et caractérisé par le fait que le diamètre intérieur de la bague de force est légèrement supérieur au diamètre maximal du boulon, le diamètre extérieur de la bague de force etant à peu près égale à la largeur-entre plats de la toute de boulon. 9 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend deux bagues supplémentaires dont l'une est située au-dessus de la face supérieure de la bague de force et l'autre en dessous de la face inférieure de celle-ci, ces bagues supplémentaires étant au moins aussi dures que la bague de force. 10 - Dispositif-selon la revendication 9, caractérisé par le fait que la bague-supérieure présente un plus grand diamètre extérieur que la bague de force0 11 - Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10 caractérisé par le fait que chacune des bagues supplémentaires présente une surface annulaire plane conçue pour s..' appliquer à toute l'aire de la surface annulaire plane opposée de la bague de force,