Brevet FR2466761A1 — publié le 19810410

La présente invention concerne un procédé de mesure magnétostric- tive pour la mesure du moment de rotation d'arbres d'entraînement au moyen d'un appareil de mesure, dans lequel on induit un champ magnétique au moyen d'une tension oscillante appliquée à des bobines excitatrices primaires, et dans le- quel on mesure la conductivité magnétique, variable en fonction des contrain- tes mécaniques, des bobines réceptrices secondaires. Un procédé de mesure magnétostrictive et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé ont été décrits dans la revue "Maschinenmarkt" de l'an- née 1972, pages 38 à 41. Selon ce procédé, on exploite le fait que la perméa- bilité du matériau utilisé pour la réalisation de l'arbre d'entraînement se mo- difie lorsqu'il est soumis à des contraintes mécaniques. Pour mesurer ces va- riations, on dispose des bobines fixes équipées de pièces polaires autour de la périphérie de l'arbre, et on utilise la variation du flux magnétique à l'inté- rieur des bobines secondaires pour déterminer le moment de rotation. On a cons- taté qu'il était particulièrement avantageux d'utiliser un toreducteur annu- laire comportant au moins trois pâles annulaires pour effectuer cette mesure. La bague centrale sert de primaire, de pôle annulaire de magnétisation et est alimentée de façon conventionnelle par le réseau. Les deux anneaux extrêmes ser- vent de pôles secondaires et leurs bobines, enroulées en sens opposé, sont con- nectées en série. Si l'arbre n'est pas en charge et n'est soumis à aucune contrainte intérieure, le champ magnétique, entre les différents pôles de magnétisation primaires, est symétrique, de sorte que les lignes de potentiel nul sont dispo- sées symétriquement au milieu, sous les pâles secondaires. Le flux secondaire et la tension secondaire sont nuls lorsque l'arbre n'est pas en charge. Si l'arbre est en charge, des tensions principales apparaissent à la surface de l'arbre, respectivement à + et - 450 par rapport à l'axe de tor- sion. La perméabilité augmente dans la direction de la traction, tandis qu'elle diminue dans la direction de la compression0 Les flux magnétiques, résultant des pâles secondaires, induisent une tension de sortie, fonction du couple de rota- tion, dans les bobines connectées en série. Toutefois, ce procédé de mesure présente différents inconvénients. Il apparaît des dispersions importantes pour une manifestation relativement fai- ble des effets magnétostrictifs dus aux traitements thermiques, en particulier la trempe des arbres d'entraînement leur permettant de supporter des contrain- tes mécaniques élevées. De ce fait, le recours à un processus de durcissement indispensable des arbres d'entraînement rend pratiquement inutilisable l'appli- cation du procédé de mesure magnétostrictive. Un autre inconvénient du dispositif selon l'art antérieur est dû à l'encombrement important et à une consommation relativement élevée, du fait 2. que l'on ne peut que réaliser des densités de flux magnétiques, dont l'hysté- risis et la linéarité sont maintenus dans des limites satisfaisantes dans le domaine des techniques de mesure. C'est pourquoi le but de la présente invention est de réaliser un procédé de mesure magnétostrictive pour la mesure de moments de rotation, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé susceptible de pallier les inconvénients susmentionnés. Ce but est atteint en ce que le procédé selon l'invention est ca- ractérisé en ce que l'arbre de transmission du couple, utilisé pour effectuer des mesures, peut être réalisé en métal ou en matière synthétique, et en ce qu'il est enrobé, revêtu ou traité en surface de telle manière que sa surface périphérique présente une perméabilité de surface homogène et élevée. Les formes de réalisations particulièrement avantageuses du dispo- sitif selon l'invention sont décrites dans les sous-revendications. Le procédé et le dispositif selon l'invention présentent de nom- breux avantages: - Par comparaison avec d'autres méthodes de mesure du moment de ro- tation, le procédé de mesure magnétostrictive, selon l'état de la technique, pré- sente l'avantage de diminuer considérablement les moyens nécessaires pour ef- fectuer une mesure exacte du moment. Grâce aux mesures préconisées, la profondeur de pénétration du flux magnétique dans l'épaisseur de l'arbre est relativement faible. Par ce moyen, on obtient un signal de sortie qui est sensiblement plus intense que celui ob- tenu par les dispositifs de l'art antérieur. Par ce moyen, on supprime égale- ment la dispersion relativement importante des résultats, susceptible de faus- ser le signal de sortie. En outre, le procédé proposé permet également d'effectuer des me- sures de couples sur des arbres en matière synthétique, grâce à un revêtement de ces arbres. La détermination exacte du moment est utilisée dans les entraine- ments comme base de commande et de régulation. Grâce au procédé de détermina- tion exacte du moment sur un véhicule, il est possible d'améliorer considéra- blement la commande du moteur et de l'entraînement. D'autre part, cela permet également d'améliorer la qualité du changement de vitesses sur les boites de vitesses et le choix optimal de la vitesse, de façon à réduire la consommation de carburant. La détermination optimale et exacte du moment présente un inté- rêt pour les boîtes automatiques pour véhicules particuliers, véhicules de transport en commun et véhicules utilitaires, mais également pour indiquer l'é- tat de charge afin de permettre, à des véhicules à accouplement à griffesou à boite synchrone, de rouler dans des conditions optimales. 3. Grâce à la méthode de détermination proposée du couple, il est pos- sible, contrairement aux procédés de l'art antérieur qui étaient exclusivement capables d'effectuer des mesures uniques-(par exemple la mesure du couple sur un banc d'essai), d'effectuer des mesures en série sur des entraînements. Il en résulte une diminution sensible du coût de fabrication d'un dispositif de me- sure du moment de rotation. Grâce'au revêtement, respectivement à l'enrobage de l'arbre au moyen d'un matériau hautement perméable, par exemple par un traitement de surface de l'arbre, il est possible désormais d'obtenir un signal de sortie homogène, tout en réduisant considérablement la consommation énergétique. Cet effet est accru en ce qu'on travaille avec une fréquence plus élevée, de manière à réduire la profondeur de pénétration du flux magnétique dans l'arbre dont on mesure le mo- ment de torsion. Outre l'augmentation de l'intensité du signal de sortie pour une consommagion énergétique réduite et un abaissement de l'hystérisis, le procédé et le dispositif selon l'invention fournissent un signal de sortie plus linéai- re, correspondant au moment de rotation mesuré. Un avantage important de l'objet de la présente invention résulte de ce qu'il est possible de déterminer le moment de rotation et d'obtenir si- multanément une impulsion proportionnelle au nombre de tours, par des mesures effectuées sur le même tronçon de l'arbre. Par la détermination simultanée du moment de rotation et du nombre de tours dans un même appareil de mesure, on abaisse simultanément l'encombrement et le coût de fabrication de l'installa- tion de mesure. Un dispositif électronique simple permet de déterminer le sens de la torsion. Ceci est particulièrement intéressant pour les changements de vites- ses automatiques, par exemple pour déterminer avec précision, sur une pente a- brupte, à quel moment une inversion du sens du moment de rotation affecte l'ar- bre d'entraînement, de manière à éviter au conducteur de rétrograder de façon inappropriée. En outre, il est avantageux que le dispositif de mesure puisse uti- liser un générateur de Hall très peu encombrant ou une plaque de champ, c'est- à-dire une résistance dépendant du flux magnétique. La présente invention sera mieux comprise en référence à la des- cription d'exemples de réalisation et des dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente un toreducteur annulaire utilisé comme ins-, trument de mesure, La figure 2 représente une vue en coupe selon la ligne II-Il de la fig. 1, La fig. 3 représente le circuit de raccordement du toreducteur an- 4. nulaire, La figure 4 illustre le flux magnétique dans un arbre durci, La figure 5 représente un arbre ayant une surface superficielle de haute perméabilité, La figure 6 représente un arbre comportant une partie de mesure en forme de douille, La figure 7 représente le diagramme de l'intensité du signal de me- sure, La figure 8 représente l'intensité d'excitation, en fonction de la surface du pôie d'excitation pour une densité donnée des lignés de champ magné- tique, Les figures 9 à 14 représentent les éléments de traitement du si- gnal de mesure, Les figures 15 à 17c représentent un dispositif permettant de dé- terminer simultanément le nombre de tours et le moment de rotation, et Les figures 18 à 21 représentent un générateur de Hall, respective- ment une plaque de champ utilisée comme instrument de mesure. Les fig. 1 à 3 illustrent le dispositif de mesure utilisé dans le cadre du procédé de mesure magnétostrictive du moment de rotation d'arbres de transmission. Ce dispositif comporte un instrument de mesure 1, se présentant ici sous la forme d'un toreducteur annulaire 5, un arbre 2 d'axe 3. Trois ba- gues polaires 4a, 4b et 4c entourent l'arbre 2. Les bagues polaires portent d'un côté des pièces polaires 6 sur lesquelles sont montées les bobines du dispositif de mesure. La bague polaire 4b centrale porte quatre bobines pri- maires 8, susceptibles d'être excitées par un oscillateur non représenté. Les bagues polaires 4a et 4c, disposées de part et d'autre de la bague polaire cen- trale polaire 4b, portent respectivement deux bobines secondaires 9 diamétrale- ment opposées par rapport à l'arbre, qui induisent un signal de sortie UA lors d'une variation du-champ magnétique. La fig. 3 représente le schéma de raccordement du dispositif de mesure magnétostrictive. Les bobines primaires 8, montées sur la bague polaire centrale 4b, sont connectées en série, le sens des spires étant alternativement inversé. De ce fait, les bobines à spires inversées 8 sont respectivement dési- gnées par S et N. Les bobines secondaires 9 des bagues polaires 4a, 4c sont également connectées en série. Les deux bobines secondaires 9 de la bague po- laire 4a sont bobinées en sens inverse par rapport aux bobines secondaires 9 de la bague polaire 4c. Selon le sens de bobinage, les bobines 9 sont désignées par des références A et B. Lorsque l'arbre n'est soumis à aucune charge ni à des contraintes intérieures, le champ magnétique, entre les différentes bobines N et S, est sy- métrique, de sorte que les lignes de potentiel nul sont disposées symétrique- ment sous les pôles secondaires A et B. Le flux secondaire et la tension secon- daire sont également nuls. La figure 4 représente, de façon simplifiée, le champ magnétique in- duit par les bobines primaires 8 dans l'arbre, selon l'état de la technique. Les fig. 5 et 6 illustrent un arbre 2 qui est enrobé d'un matériau de haute perméabilité, comme cela est proposé par la présente invention. La couche de matériau magnétiquement bon conducteur 11 peut par exemple être col- lée de façon continue sur l'arbre 2. Toutes les autres réalisations, permettant un contact direct entre l'arbre 2 et la couche de matériau magnétiquement bon conducteur 11, sont également envisageables. Certains métaux, tels que par exemple des métaux amorphes, se prê- tent particulièrement bien pour la réalisation de la couche de matériau magné- tiquement bon conducteur. L'utilisation de métaux amorphes permet de réaliser des mesures optimales, du fait qu'ils sont exceptionnellement doux, c'està- dire qu'ils présentent une haute perméabilité (-max. allant jusqu'à 500'000), des forces de champ coercitif faibles et de faible pertes de démagnétisation. Un enrobage de l'arbre, au moyen de ces matériaux, sur une épaisseur inférieure ou égale à 0,1 mm, conduit à ce que les lignes de champ magnétique ne pénètrent que dans cette couche périphérique et engendrent une intensité très élevée du champ magnétique. Cet effet peut encore être renforcé et amélioré par les deux mesures suivantes: - D'une part, on peut interposer, entre la couche-l et l'arbre 2, une couche 13 en un matériau magnétiquement non conducteur. De ce fait, on di- minue encore le risque d'une pénétration des lignes de champ magnétique dans l'arbre 2. - D'autre part, pour diminuer la profondeur de pénétration des li- gnes de champ magnétique dans l'arbre, et de ce fait accroître la densité des lignes de champ magnétique dans la couche périphérique du matériau magnétique- ment bon conducteur 11, il s'est avéré utile d'utiliser une fréquence porteuse d'au moins 1 KHz pour les bobines primaires de magnétisation 8. Pour une telle fréquence d'excitation, on exclut par ailleurs tout phénomène de résonnance avec la fréquence du nombre de tours de l'arbre en rotation. La fig. 6 illustre une autre forme de réalisation du dispositif selon l'invention. Dans ce dispositif, la couche de matériau magnétiquement bon conducteur 11 se présente sous la forme d'une douille 15, qui est rendue solidaire de l'arbre 2 par deux éléments de liaison 16. Le tronçon de mesure en forme de douille 15 n'est pas nécessairement lié de façon rigide à l'arbre 2 sur toute sa longueur, la liaison par l'intermédiaire des deux éléments en- traîneurs 16 étant suffisante. Dans les deux formes de réalisation des fig. 5 et 6, il est sans importance que l'arbre 2 soit réalisé en un métal ou en un alliage. Le procédé de mesure selon l'invention s'applique également pour des matériaux non magné- tiquement conducteurs, par exemple du silumin ou des matériaux synthétiques. Une faible pénétration des lignes de champ magnétique et ce qui en résulte, une densité élevée du champ magnétique à la surface superficielle de l'arbre 2, s'obtient également par un affinage superficiel d'un arbre métallique 2. Cet affinage peut par exemple être obtenu par un traitement thermique, des bains, une électrolyse ou un giclage à la flamme. La fig. 7 représente l'intensité du signal de sortie UA des bobines secondaires 9, par rapport à la charge T du moment de rotation appliquée à l'ar- bre 2. La forme de la courbe 7a correspond à un arbre trempé, tels qu'ils sont couramment réalisés en pratique. Lorsqu'un tel arbre trempé est traité par un procédé permettant un affinage superficiel, les intensités du signal de sortie correspondront à la courbe 7b. Si l'arbre est revêtu d'une couche d'un matériau à haute perméabilité (voir fig. 5 et 6), les intensités du signal de sortie UA correspondront à la courbe 7c. Pour obtenir un signal de sortie UA maximal pour une puissance d'ex- citation donnée de l'oscillateur qui excite les bobines primaires 8, on pro- pose de maintenir la surface des pâles inférieurs à 10 mm2. D'autre part, le nombre des pâles d'excitation ne doit pas dépasser quatre, de façon à diminuer la puissance consommée. Comme le montre la fig. 8, on obtient ainsi une densité plus forte des lignes de champ magnétique (environ 6 KGs) pour une puissance d'excitation relativement faible. Cette puissance a une valeur inférieure à 100 mW. Les fig. 9 à 14 décrivent le traitement du signal de sortie UA. L'oscillateur de génération de la fréquence porteuse est désigné par la réfé- rence 20. La référence 21 désigne le circuit équivalent à l'appareil de mesure 1, à l'inducteur annulaire 5. Les lignes 22, 23, transmettent la fréquence por- teuse aux bobines primaires. Le signal de sortie UA est transmis par les lignes 24 et 25, et fournit une mesure du moment de rotation. La fig. 13 illustre l'aspect du signal de sortie UA, UA représentant l'enveloppe de'la fréquence porteuse modulée, en fonction du temps t. Le point P de cette courbe illustre une inversion de sens du moment de rotation, comme cela se produit par exemple lorsque lors d'une descente, une poussée en provenance des roues s'exerce sur l'entraînement et le moteur. Si le signal UA est transmis à un redresseur 27 tel que représenté par la fig. 11, on obtient, comme signal de sortie, la par- tie positive UE de la courbe UA de la fig. 13. Dans ce cas, l'inversion du sens du moment de rotation ne peut pas être détectée. On obtient un autre résultat lorsque le signal de sortie UA, tel 7. que représenté par la fig. 13, est transmis à un démodulateur 28 représenté par la fig. 10. Un démodulateur de construction connue, susceptible de fonctionner également comme un multiplicateur, est représenté par la fig. 12. Dans cette forme de réalisation, la fréquence d'oscillation porteuse F de l'oscillateur 20 est transmise, par une ligne auxiliaire 30, au démodulateur 28 par son entrée 31. On obtient alors, comme signal de sortie, la courbe représentée par la fig. 14, qui permet de détecter le point d'inversion du moment de rotation. Grâce à cette réalisation, on peut déterminer à chaque moment s'il est nécessaire d'ap- pliquer une force sur les roues par l'intermédiaire du moteur et du mécanisme d'entraînement, ou si le véhicule circule en poussée, c'est-à-dire en frein-mo- teur. Les fig. 15 à 17c permettent de comprendre comment il est possible de mesurer simultanément le moment de rotation et le nombre de tours grâce au même appareil 1. Pour ce faire, il est nécessaire que la couche superficielle de l'arbre 2, respectivement le tronçon de mesure 15 en forme de douille qui est engagé de force sur l'arbre 2, comporte une fente 35 (voir fig. 15). La fig. 17 illustre le dispositif de traitement du signal de sortie UA. On utilise à cet effet un inducteur annulaire 5 tel que décrit, alimenté par un oscilla- teur 20 avec une fréquence porteuse F, et le signal de sortie UA est transmis à un redresseur 27 ou à un démodulateur 28. Le signal de sortie UE est trans- mis par une dérivation 37 à un filtre passe-haut 38 et à un filtre passebas 39. La fente 35, ménagée dans l'enrobage de l'arbre, engendre de très fortes variations magnétiques, qui se manifestent dans le signal de sortie UE sous la forme de pics d'impulsions40, telles que représentées par la fig. 17a. La fig. 17a représente le signal UE pendant une période t. Le filtre passe-bas 39 filtre les pics d'impulsions4O de fréquence élevée dépendant du nombre de tours, de sorte qu'on obtienne un signal ED pur, ne dépendant que du moment de rotation. Ce signal de sortie est représenté par la fig. 17c. Le filtre passe-haut 38 filtre le signal de sortie ED de basse fré- quence correspondant au moment de rotation, de sorte qu'à la sortie de ce fil- tre, le signal EN soit un signal pur ne dépendant que du nombre de tours de l'arbre en rotation, chaque tour correspondant à un pic d'impulsions 40. - Grâce à la fente 35 ménagée dans l'enrobage de l'arbre 2, respec- tivement dans la couche superficielle, il est possible de déterminer simultané- ment la vitesse de rotation et le moment de rotation. Les fig. 18 à 21 illustrent comment on peut obtenir une variation du flux magnétique dépendant du moment de rotation d'un arbre revêtu ou enrobé superficiellement, grâce à un générateur de Hall ou à une plaque de champ. Les fig. 18 et 19 illustrent deux bobines primaires 8, qui sont excitées par un oscillateur non représenté. Un générateur de Hall 50 est dis- 8. posé perpendiculairement par-dessus le noyau de fer 55 conduisant le flux ma- gnétique. De façon connue en soi, le générateur de Hall est alimenté en courant électrique par la ligne 51. Si un moment de rotation est transmis par l'arbre 2 en induisant un champ magnétique dans la zone du générateur de Hall 50, il est possible de mesurer une différence de potentiel aux surfaces 52 et 53. Le signal de sortie transmis par la ligne 54 correspondra à une valeur du moment de rotation. Les fig. 20a à 20c représentent un dispositif quelque peu différent, la fig. 20b étant une coupe selon la ligne A-B de la fig. 20a. Dans ce cas, la bobine d'excitation primaire 18 est bobinée autour du noyau de fer 55 du géné- rateur de Hall 50, disposé sensiblement à 450 par rapport à l'axe de l'arbre 2. Selon le moment de rotation, le flux magnétique varie dans la couche-l1 et l'on obtient, sur la ligne 54, un signal de sortie UA dépendant du moment, de rota- tion. A la place de la bobine 18 et du noyau de fer 55, on peut également interposer un aimant permanent 60 comme cela est représenté sur la fig. 21. Selon une autre forme de réalisation, on peut remplacer le généra- teur de Hall 50 par une plaque de champ 150, c'est-à-dire une résistance va- riable en fonction du flux magnétique, permettant, comme précédemment, de me- surer un signal de sortie dépendant du moment de rotation. REVENDICATIONS ]. Procédé de mesure magnétostrictive, en particulier pour la me- sure du moment de rotation d'arbres d'entraînement, au moyen d'un appareil de mesure dans lequel on induit un champ magnétique au moyen d'une tension oscil- lante appliquée à des bobinesexcitatrices primaires, et dans lequel on mesure la conductivité magnétique, variable en fonction des contraintes mécaniques, des bobines réceptrices secondaires, caractérisé en ce que l'arbre de transmis- sion 2 du moment, utilisé pour effectuer des mesures, peut être réalisé en mé- tal ou en matière synthétique, et en ce qu'il est enrobé, revêtu ou traité en surface de telle manière que sa surface périphérique présente une perméabilité de surface homogène et élevée. 2. Dispositif de mesure pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre 2 est enrobé, respectivement re- vêtu d'une couche 11 en métal amorphe ayant une perméabilité élevée. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte, entre la couche de perméabilité élevée 11 et l'arbre 2, une couche 12 non magnétiquement.conductrice. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche de perméabilité élevée a une épaisseur au plus égale à 0,1 mm. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie de mesure 15 en forme de douille, réalisée en un matériau magnétiquement bon conducteur, est rendue solidaire de l'arbre 2 par deux éléments de liaison 16. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface d'un arbre métallique 2 acquiert une perméabilité de surface homogène suite à des traitements thermique, par trempage dans des bains, par électroly- se, respectivement par giclage à la flamme. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, ca- ractérisé en ce que le signal de sortie UA du toreducteur (toreducteur annu- laire 1) est transmis à un démodulateur 28, pour la détermination du sens de transmission du couple de rotation. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, ca- ractérisé en ce que l'enrobage en forme de douille de la partie de mesure 15, le revêtement en matériau magnétiquement bon conducteur 11, respectivement la surface affinée de l'arbre 2, présentent au moins une fente 35. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le signal de sortie UA est finalement transmis, par l'intermédiaire d'une ligne à dérivations 37, à un organe de filtrage à seuil élevé 38 pour la mesure du nom- bre de tours (signal de sortie EN fonction du nombre de tours), et à un organe 39 de filtrage à seuil bas 39 pour la mesure du moment (le signal de sortie ED fonction du moment de rotation). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendicatigns 2 à 9, ca- ractérisé en ce que la fréquence d'excitation F des bobines primaires 8 est é- gale ou supérieure à 1KHz. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que la surface totale des pôles a une valeur minimale telle que le nombre maximal des pôles d'excitation est de quatre et que la surface des pôles, par excitateur, n'est pas supérieure à O10 mm2. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de Hall 50 servant d'appareil de mesure 1. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la bobine d'excitation 8 du primaire est bobinée sur un noyau en fer 55 solidaire du générateur de Hall 50. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'appareil de mesure est constitué par un aimant perma- nent60, comportant un générateur de Hall 50 disposé à ses extrémités. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce que la mesure se fait au moyen d'une résistance dépendant du champ magnétique (plaque de champ 150).