Brevet FR2390717A1 — publié le 19781208

La présente invention, due à Vasily Ivanovich PECHUK, Vladimir Mikhailovich POMPEEV, Nikolai Borisovich KARIKH, concerne les capteurs dynamométriques et, plus précisément, les capteurs dynamométriques mesurant les efforts de compression qui sont utilisés pour la mesure d'un poids suspendu au crochet d'une grue,ou pour la mesure des efforts engendrés sous l'écrou de la vis de serrage des châssis d'un laminoir, ou pour la mesure d'efforts dans des appareils de pesage~, ou à toute autre fin. On connaitdéjà des capteurs dynamométriques, servant à mesurer les efforts de charge appliqués aux cylindres d'un laminoir, qui utilisent, en tant que convertisseurs des efforts de charge en déformations, des bagues pleines présentant des zones deformables et une saillie recevant la charge. La surface de la zone déformable de tels capteurs porte des jauges extensométri- ques collées destinées à transformer les déformations de la bague en un signal de sortie électrique dont la valeur correspond aux efforts de charge. A titre d'exemple de tels capteurs, on peut citer le capteur dynamométrique décrit dans le brevet américain N" 3520.182. L'inconvénient majeur de ces capteurs réside dans le fait que leur signal de sortie dépend de la-précision de la mise en place de l'appareil, de ses gauchissements éventuels, de l'excentricité de l'application de la charge, de l'application de la charge à -une partie seulement de la surface de contact. Ces inconvénients se traduisent par une répartition instable et irré guibre des tensions suivant la section de la bague et, par con séquent, engendrent des différences pour les indications des capteurs extensométriques collés, indications qui dépendent des valeurs des déformations locales. Une certaine diminution des erreurs peut être obtenue par un traitement minutieux des surfaces de contact. Cette amélioration est réelle au début de l'utilisation du capteur, mais, en cours d'exploitation et lorsque les surfaces de contact sont exposées à l'action intense d'un milieu corrosif et à des conditions critiques -(hautes températures, vapeurs1etc.) il est pratiquement impossible de conserver un degré de finition élevé des surfaces mentionnées. De plus, même en cas d'une conservation de la haute qualité des surfaces de contact, l'irrégularité de l'effort transmis par l'assemblage' par filetage (écrou - vis de serrage) peut aller jusqu'à lS et même 20%. Ainsi, l'inconvénient majeur des capteurs dynamométriques connus réside dans le fait que les capteurs extensométriques collés utilisés mesurent des déformations locales qui ne traduisent pas de façon univoque la charge appliquée au capteur et varient dans le temps sous l'effet des facteurs susmentionnés. On connais aussi un capteur dynamométrique, décrit dans le brevet américain NO S757.573, comprenant un corps cylindrique creux, sur la paroi interne duquel est prévu un gradin, et un élément élastique placé dans le susdit corps sur une multitude de billes s'appuyant sur le susdit gradin, cet élément élastique présentant, sur un c6té, une saillie destinée à recevoir la charge à mesurer1 et, sur l'autre côté, des montants équipés de capteurs extensométriques tendus entre lesdits montants. L'élément élastique d'un tel capteur extensométrique est réalisé sous forme d'un corps de révolution possédant une saillie sphérique de réception de la charge d'un côté et présentant un disque plat du c6té opposé, ce disque étant muni à sa périphérie de montants répartis sur une circonférence. Les montants portent un fil résistant enroulé en spirale. Lors de l'application d'une charge à un tel capteur, l'élément élastique fléchit en écartant les montants ce qui entraine l'extension de la résistance extensométrique. Malgré que ce capteur connu réponde aux exigences de haute sensibilité et assure la mesure dans une large gamme de charges, son domaine d'application est limité à des objets permettant d'utiliser des capteurs dynamométriques à disque, c'est-à-dire à des objets pour lesquels le point d'application de la charge se trouve sur l'axe du capteur. L'invention a pour objet principal de procurer un capteur dynamométrique ne présentant pas les inconvénients susvmentionnés, c'est-à-dire un capteur dynamométrique compact, de faible hauteur, insensible à l'irrégularité d'application de la charge à mesurer,et présentant une sensibilité fiable à la déformation. Le capteur dynamométrique selon l'invention, comprend un corps cylindrique creux dont la paroi interne présente un gradin, et un élément élastique placé dans ledit corps sur une multitude de billes s'appuyantsur ledit gradin, cet élément élastique présentant d'un côté une saillie exposée à la charge à mesurer, tandis que son autre côté est équipé ve montants portant des résistances extensométriques tendues entre ces montants, le susdit capteur étant caractérisé en ce que les montants sont disposés sur ledit élément élastique suivant des circonférences concentri- ques, les résistances extensométriques étant tendues entre ces montants, de préférence suivant une configuration d'allure radiale. Une telle disposition assure l'indépendance des indications des résistances extensométriques par rapport aux déformations locales, la stabilité des dimensions de l'élément élastique déterminant la déformation, et l'indépendance de cette déformation vis-à-vis du frottement des surfaces de contact. Pour obtenir une sensibilité intégrale à la déformation, il est avantageux de réaliser les résistances extensométriques sous forme d'un fil continu qui contourne les montants- et suit un trajet d'allure sinusordale ou en étoile. La disposition principale de l'invention peut être mise en oeuvre aussi bien dans les capteurs dynamométriques à disque que dans les capteurs dynamométriques annulaires. Dans le cas d'un capteur dynamométrique à disque, l'élément élastique peut être réalisé sous forme d'un corps de révolu- tion avec une saillie sphér-isue soumise à la charge et disposée au centre de l'élément élastique, ce qui assure une répartition uniforme des déformations. Dans le cas d'un capteur dynamométrique annulaire, par exemple d'un capteur destiné à mesurer la charge sous l'écrou de la vis de serrage d'un chassies de laminoir, il est avantageux d'exécuter l'élément élastique sous forme d'une bague ayant une saillie circulaire sensible à la charge et s'appuyant par sa périphérie sur des billes se trouvant sur un gradin prévu sur la paroi interne du corps du capteur, la susdite bague présentant un profil en caisson. Cette forme du capteur dynamométrique assure une répartition uniforme des déformations suivant la circonférence de l'élément élastique sous l'effet de la charge appliquée à la surface d'appui de la saillie circulaire. Etant donné que, dans les bagues subissant l'action des efforts de compression dans le sens axial la déformation croit vers le centre de la bague, il y a intérêt à décaler la saillie sensible à la charge par rapport à l'axe de symétrie de la section radiale de l'élément élastique vers la périphérie de façon que l'inégalité des bras formés soit proportionnelle à l'inégalité des rigidités des contours extérieur et intérieur de l'élément élastique. Cela élimine les erreurs des indications du capteur dynamométrique, provenant de l'irrégularité de la répartition des déformations dans l'élément élastique dans le sens radial lors du fléchissement dudit élément élastique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la descrip tion donnée ci-après de quelques modes de réalisation non limitatifs, en se référant aux dessins ci-annexés dans lesquels: -la figure l est une coupe transversale d'un capteur dynamométrique conforme à l'invention, -la figure 2 est une coupe de ce capteur dynamométrique suivant II-II figure l; -la figure 3 est une section radiale d'un capteur dynamométrique selon un autre mode de réalisation de l'invention; -la figure 4, enfin, est une vue du capteur dynamométriquf suivant la flèche A de la figure 3, une partie du corps étant éliminée pour laisser voir les résistances extensométriques. Sur ces différentes figures, les mêmes références numériques désignent les mêmes organes. Le capteur dynamométrique illustré sur la figure 1 comporte un corps cylindique creux l dans lequel est montré un élément élastique 2 réalisé sous forme d'un corps de révolution présentant, d'un côté, une saillie sphérique 3 de réception de la charge, et du côté opposé, une surface circulaire 4, des montants 5 (fig.1 et 2) étant disposés sur ladite surface à une certaine die tance l'un de l'autre suivant deux circonférences concentriques. Les montants 5 portent des isolateurs 6 sur lesquels s'appuient des résistances extensométriques 7. L'élément élastique 2 repos par sa surface circulaire 4, sur des billes 8 qui, à leur tour, s'appuient sur un gradin annulaire prévu dans le corps 1. Les résistances extensométriques 7 contournent les montants 5 suivant un trajet ondulé ou en zig-zag, c'est-à-dire que le fil résistan s'appuie tour à tour sur le côté extérieur d'un montant et sur le côté intérieur du montant suivant. Ainsi, les tronçons-de fi: résistant disposés entre deux montants successifs 5 ont une orie tation approximativement radiale (fiv.2). Comme le montrent les figures 3 et 4, un capteur dynamomé trique conforme à un autre mode de réalisation de l'invention comprend un élément élastique annulaire 2 présentant une saillie également annulaire 3 venue d'une seule pièce avec ledit élément et destinée à recevoir la charge, et une embase dont la tranche terminale est une surface annulaire 4. L'élément élastique 2 possède aussi deux brides annulaires situées de part et d'autre de la-saillie 3 recevant la charge, à savoir, une bride intérieure 9 et une bride extérieure 10, ces deux brides présentant à leur périphérie et à leur base des surfaces d'appui annulaires 11. Sur la surface 4 on retrouve des montants 5 solidaires de l'élément élastique 2. Les montants 5 portent des isolateurs 6 formant deux rangées annulaires de supports pour les résistances extensométriques 7, constituées en constantan ou en tout autre matériau dont la résistivité varie en fonction de l'extension. Pour assurer une déformation uniforme de l'élément élastique 2 sous l'action des efforts de charge, la saillie 3 recevant la charge est légèrement décalée vers la périphérie de l'élément élastique 2, ce décalage (visible fig.3) présentant une valeur ce décalage assure une inégalité des bras de leviers radiaux proportionnelle à l'inégalité des rigidités des contours extérieur et intérieur de l'élément élastique 2. Le capteur dynamométrique illustré fig.3 comprend un corps annulaire l présentant la forme d'une gouttière délimitée par des parois verticales intérieure 12 et extérieure 13. Ces deux parois présentent, à leur partie supérieure, des gradins annulaires 14 disposés en regard mais à une certaine distance des surfaces d'appui périphériques respectives des brides intérieure 9 et extérieure 10. Entre les surfaces d'appui Il des brides 9 et 10 et les gradins 14 sont disposées une pluralité de billes 8 formant un roulement encagé et servant d'appui pour l'élément élastique 2 en assurant un contact de roulement entre les susdites surfaces Il et les susdits gradins 14. Grace à la section en caisson du corps l, les montants 5 avec le fil résistant et les surfaces d1appui de l'élément élastique 2 et du corps 1 peuvent être isolés du milieu extérieur. A cette fin, les jeux éventuels peuvent etre rendus étanches avec garnitures annulaires plates. L'étanchéité peut être obtenue par tout procédé connu, par exemple par soudage. Comme on peut le voir-sur la figure 3, les surfaces d'appui Il de l'élément élastique 2 sont disposées entre le plan neutre a (représenté sur la figure 3 par un trait en pointillé) et la surface annulaire inférieure 4, ce qui permet d'éliminer l'influence du frottement sur les indiRations du capteur du fait que le déplacement de l'élément élastique 2 par rapport aux points d'appui constitués par les billes 8 est insignifiant lors de son fléchissement dans ce plan. La figure 4 montre le capteur dynamométrique de la fig.3 vu dru côté opposé à la saillie annulaire 3. Sur cette figure les résistances 7 sont réparties sur plusieurs secteurs équidistants l'un de l'autre suivant toute la longueur de la circonférence de l'élément élastique 2. Dans ce mode de réalisation du capteur dynamométrique,les montants 5 sont disposés entre les surfaces d'appui interne et externe de l'élément élastique 2 suivant deux circonférences concentriques entre lesquelles évolue le fil résistant en contournant à tour de rôle les montants de support 5 intérieurs et extérieurs et en prenant une configuration ondulée ou en étoile. Il y a lieu de noter que les dimensions des secteurs peuvent être différentes, ainsi que la longueur du fil résistant dans chaque secteur. Ce fil résistant peut etre continu sur toute la circonférence de l'élément élastique 2. Sous charge, l'effort appliqué à la saillie 3 recevant la charge provoque une répartition uniforme des contraintes dans toute la masse de l'élément élastique 2. Dans ce cas, l'élément élastique fléchit dans le sens d'application de la charge P en écartant les montants 5, c'est-à-dire en augmentant la distance entre les montants intérieurs et extérieurs, ce qui aboutit à la variation-de la résistance du fil résistant. Le capteur dynamométrique conforme à l'invention transforme les efforts de compression en une déformation de flexion, assure la linéarité de la caractéristique et la sensibilité intégrale à la charge.Ilpbxsreen akre une réduction de l'influence du frottement entre les surfaces d'appui et de l'influence de l'hystérésis aux valeurs négligeables. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se'limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse au contraire, toutes les variantes. -REVENDICATIONS- 1. - Capteur dynamométrique comprenant: un corps de-révolution creux dont la paroi interne présente un gradin jouant le rôle de palier d'appui, et un élément élastique reposant dans le dit corps sur une pluralité de billes s'appuyant sur le susdit gradin, ledit élément élastique présentant d'un côté une saillie recevant la charge, et, de l'autre côté, des montants portant des résistances extensométriques tendues entre ces montants, le susdit capteur étant caractérisé en ce que les susdits montants sont disposés sur l'élément élastique suivant des circonférences concentriques, les résistances extensométriques étant tendues entre ces montants suivant une configuration approximativement radiale. 2.- Capteur dynamométrique selon la revendication l, caractérisé en ce que les résistances extensométriques sont tendues entre les montants de façon qu'elles contournent ces montants en se disposant suivant une ligne ondulée. 3.- Capteur dynamométrique selon la revendication l, caractérisé en ce que l'élément élastique a la forme d'un corps de révolution avec une saillie sphérique recevant la charge, le point d'application de cette charge se trouvant sur l'axe de l'élément élastique. 4.- Capteur dynamométrique selon la revendication l, caractérisé en ce que son corps présente une forme annulaire à profil en caisson et en ce que l'élément élastique présente également une forme annulaire correspondante avec une saillie annulaire sur un de ses côtés et des surfaces annulaires d'appui (intérieur re et extérieure) de l'autre côté, lesdites surfaces d'appui coopérant, par l'intermédiaire d'une pluralité de billes, avec des gradins aménagés sur les parois internes en regard du susdit corps. 5.- Capteur dynamométrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la saillie recevant la charge est décalée vers la périphérie par rapport à l'axe de symétrie de la section radiale de l'élément élastique, de façon que l'inégalité des bras formés soit proportionnelle à l'inégalité des rigidités des contours extérieur et intérieur de l'élément élastique.