Brevet FR2503864A1 — publié le 19821015

La présente invention concerne un dispositif pour mesurer les composantes d'une force et d'un moment selon plusieurs directions et elle vise plus particulièrement un dispositif pour mesurer ces composantes selon trois axes orthogonaux. Un tel dispositif s'applique plus particuliè- rement à des systèmes d'essais de pneumatiques, à des balances de souf- flerie et autres systèmes similaires. On connaît divers dispositifs et équipements conçus de façon à me- surer les composantes d'une force selon plusieurs directions prédétermi- nées. Des exemples typiques de tels dispositifs sont notamment décrits dans le brevet japonais n' 775. 978 ainsi que dans la demande de brevet japonais publiée sous le n' 52-133270, publications auxquelles on se référera. Comme décrit dans ces publications, un tel dispositif se compose généralement d'un moyeu central, d'une couronne circulaire et de quatre rayons reliant le moyeu à la couronne circulaire et sur lesquels sont fixées les jauges de contrainte. Lorsque l'un des éléments, moyeu ou couronne, est fixe et qu'une force est appliquée à l'autre élément, il se produit des contraintes variées dans les rayons, ce qui entraîne une modification des résistances des jauges de contrainte respectives. Par conséquent, si les jauges de contrainte sont reliées de façon appropriée dans un circuit, les contraintes et les compo- santes correspondantes de la force ainsi appliquée peuvent être détectées dans les directions des rayons. Cependant, les dispositifs selon cette technique antérieure présen- tent un certain nombre d'inconvénients parmi lesquels on peut citer la dif- ficulté de mesure d'un moment de torsion appliqué à un rayon spécifique, cette difficulté étant due à des interférences de déviation des autres rayons. Il en résulte que le dispositif devient si compliqué et si coûteux pour sur- monter cet inconvénient qu'il est hors de portée des utilisateurs. L'invention se propose de pallier cet inconvénient. En conséquence, l'invention se propose d'apporter un dispositif de mesure du type décrit ci-dessus mais perfectionné de façon à être simple et facile à fabriquer tout en permettant des mesures des composantes d'une force et d'un moment, individuellement, sans interférences. 2503 864 -2 - Un dispositif selon la présente invention pour mesurer les com- posantes d'une force et d'un moment dans plusieurs directions comprend un moyeu et une couronne circulaire rigide. Pour réaliser une mesure, l'un de ces composants est fixe et on applique une force à l'autre. Le dispositif comprend par ailleurs quatre rayons qui s'étendent vers l'extérieur à partir du moyeu, selon des directions radiales mutuellement orthogonales, et chaque rayon présente une section droite rectangulaire, sa largeur étant parallèle au plan radial et sa hauteur étant perpendiculaire à ce plan radial. Un élément en forme de corde est couplé latéralement par son milieu au sommet de chaque rayon et il est également couplé aux deux extrémités de la couronne circulaire. L'élément en forme de corde est conçu et réalisé de façon à présenter une souplesse relativement importante par rapport à une force de flexion s'exerçant dans le sens de la direction d'extension du rayon correspondant. Afin de détecter les contraintes mécaniques qui appa- raissent dans chaque rayon, on prévoit une pluralité d'éléments transduc- teurs mécano-électriques, qui sont fixés sur les surfaces des rayons. Selon une caractéristique de la présente invention, chaque rayon présente une partie en forme de fourreau adjacente au moyeu et une partie terminale adjacente à l'élément en forme de corde, la largeur de la section droite de la partie terminale étant sensiblement inférieure à celle de l'élé- ment en forme de fourreau, de manière que la partie terminale présente une souplesse relativement importante par rapport à un effort de torsion s'exerçant selon la direction d'extension du rayon. Les éléments transduc- teurs sont fixés sur les quatre surfaces de l'élément en forme de fourreau. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif selon la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, qui en illustrent divers exemples de réalisation dé- pourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins: - la figure 1 est une vue en élévation frontale représentant un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon la technique antérieure - la figure 2 est une vue en coupe selon II-II de la figure 1, représentant 25313 861 -3 - selon une échelle exagérément aggrandie, un état de déformation sous l'effet d'un moment s'exerçant selon l'axe X-X; - la figure 3 est une vue en perspective illustrant un autre exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon la technique antérieure; - la figure 4 est une vue en élévation frontale représentant un mode de réalisation d'un dispositif de mesure selon la présente invention; - la figure 5 est une vue partielle, en élévation frontale, du dispositif représenté sur la figure 4, cette figure servant à expliquer le fonc- tionnement de ce dispositif; - les figures 6 et 7 sont des vues partielles, respectivement en éléva- tions frontale et postérieure, représentant les emplacements des éléments transducteurs mécano-électriques fixés aux rayons du dis- positif - la figure 8 est une vue en perspective représentant le dispositif illus- tré par la figure 4; - les figures 9a à 9f représentent des schémas de circuits en pont, pour mesurer selon l'invention les composantes des forces et des moments et, - la figure 10 est une vue en élévation frontale représentant un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Sur toutes les figures les éléments similaires ou correspondants ont été désignés par les mêmes références. On a représenté sur la figure I un exemple typique d'un disposi- tif de mesure selon la technique antérieure, conformément au brevet japo- nais n0 775. 978, cité ci-dessus. Comme on peut le voir sur la figure 1, ce dispositif comprend: un moyeu central l; quatre éléments en forme de rayon 2, 3, 4 et 5, s'étendant vers l'extérieur à partir du moyeu 1; un élé- ment en forme de couronne annulaire rigide 10, et quatre éléments en forme de corde 6, 7, 8 et 9, couplés latéralement par leur milieu aux sommets des rayons 2, 3, 4 et 5, respectivement, ces cordes étant également cou- plées aux deux extrémités de la couronne annulaire. De préférence tous les éléments de ce dispositif connu sont réalisés sous la forme d'un système monobloc. Des éléments tranducteurs mécano-électriques, constitués par 2503 864 -4- exemple des jauges de contrainte, GI, G2,... G8 sont fixés sur les deux faces latérales des rayons 2, 3, 4 et 5, respectivement, ces éléments étant conçus de façon à détecter les efforts de tension et de compression appliqués au dispositif, sous la forme d'un changement de résistance élec- trique. On considère maintenant l'axe X-X, s'étendant selon la direc- tion des rayons 2 et 3, l'axe Y-Y, s'étendant selon la direction des rayons 4 et 5, et l'axe Z-Z, perpendiculaire au plan du dessin (voir les figures 1 à 3). Lorsque la couronne annulaire 10 est fixe et qu'une force est appli- quée au moyeu 1 selon l'axe X-X, les rayons 2 et 3 sont soumis à un effort de tension et de compression, et les rayons 4 et 5 sont soumis à un effort de flexion. Cependant, la dimension selon l'axe X-X ou la largeur des cordes 6 et 7 est choisie de façon à présenter une valeur relativement inférieure à celle de la dimension suivant l'axe Z-Z (ou hauteur) de ma- nière que les éléments en forme de corde 6 et 7 soient suffisamment fle- xibles par rapport à la force qui s'exerce selon l'axe X-X. Par conséquent cette force appliquée au moyeu 1 est pratiquement absorbée sous forme d'effort de flexion par les rayons 4 et 5, et elle peut être détectée par les jauges de contrainte G5, G6, G7 et G8. De même que les éléments en for- me de corde 6 et 7, les éléments en forme de corde 8 et 9 présentent des largeurs sensiblement inférieures à leur hauteur respective et ils présen- tent une flexibilité suffisante dans la direction de l'axe Y-Y. Il en résulte un mode de flexion des rayons 4 et 5 du type "cantilever" (c'est à dire en porte à faux). On peut donc mesurer une force appliquée au moyeu 1, selon l'axe Y-Y, à l'aide des jauges de contrainte Gi, G2, G3 et G4. Par consé- quent, d'une façon générale on peut mesurer les composantes des forces s'exerçant selon les directions X-X et Y-Y, sans interférences des com- posantes des forces selon les directions Y-Y et X-X, respectivement. Cependant, un tel dispositif présente un inconvénient lorsqu'un moment selon l'axe X-X et/ou selon l'axe Y-Y, s'exerce sur le moyeu 1. Par exemple, comme représenté à une échelle aggrandie exagérément sur la figure,2, le moment Mx selon l'axe X-X, entraîne une torsion des rayons '13 86tA -5- 2 et 3 ainsi qu'une flexion selon Ilaxe Z-Z des rayons 4 et 5. En raison de la rigidité des rayons, divers contraintes et efforts qui apparaissent dans les rayons interfèrent mutuellement et il en résulte qu'il est pratiquement impossible de mesurer le moment Mx par le procédé décrit ci-dessus met- tant en oeuvre des dispositifs de détection des efforts de flexion. Pour surmonter cet inconvénient on a proposé un dispositif per- fectionné,décrit notamment dans la demande de brevet japonais publiée sous le n0 52-133270, citée ci-dessus, et dont la structure générale est repré- sentée sur la figure 3. Ainsi que cela ressort clairement de l'examen de cette figure, on prévoit un certain nombre de parties de flexion pour élimi- ner les interférences des forces de torsion sur la contraine de flexion, afin de permettre de réaliser une mesure des composantes d'un moment et éga- lement des composantes d'une force, selon les trois axes X-X, Y-Y, Z-Z, individuellement, en utilisant les jauges de contrait.e G, comme représenté sur le dessin. Cependant, comme cela ressort de l'examen de la figure 3, on obtient une structure particulièrement compliquée, qui est donc très difficile à fabriquer et dont le prix de revient est particulièrement élevé. On décrira maintenant, en référence aux figures 4 à 8, un pre- mier exemple de réalisation d'un dispositif de mesure selon la présente in- vention, perfectionné de façon à ne pas présenter les inconvénients des dis- positifs selon la technique antérieure décrits ci-dessus. En se référant à la figure 4, on voit que le dispositif selon la présente invention comprend un moyeu central 23, une couronne annulaire rigide 24, quatre rayons 25, 26, 27 et 28 et quatre éléments en forme de corde 19, 20, 21 et 22, couplés respectivement par leur milieu aux rayons, et par leurs deux extrémités à la couronne annulaire, comme le dispositif connu représenté sur la figure 1. Cependant, dans le dispositif selon la présente invention, les éléments en forme de rayon 25, 26, 27 et 28 sont constitués d'éléments en forme de fourreau 11, 12, 13 et 14, et d'éléments terminaux 15, 16, 17 et 18, respectivement, chaque élément terminal pré- sentant une largeur inférieure à celle de l'élément correspondant en forme 2503 864 - 6 - de fourreau, cependant que tous ces éléments présentent sensiblement la même hauteur, comme spécifié ci-dessus. La largeur de chaque élément terminal de rayon est suffisamment petite pour que cet élément soit flexible sous l'effet d'une force de torsion s'exerçant selon la direction d'extension du rayon. Comme cela ressort clairement de l'examen de la figure 8, la couronne annulaire 24 présente quatre parties de base relativement minces 24a et quatre parties relativement épaisses en forme de bossages 24b, s'étendant vers l'avant selon l'axe Z-Z. Les éléments en forme de corde 19, 20, 21 et 22, sont pontés entre les bossages 24b, en laissant un cer- tain jeu, par rapport aux parties de base 24a. Naturellementla forme de la couronne annulaire 24, du dispositif selon la présente invention, peut être identique à celle du dispositif selon la technique antérieure, représentée sur la figure 1, comme on l'a figurée sur la fig. 10. Cependant, il demeure bien entendu que la structure représentée par les figures 4 et 8 présente l'avantage d'offrir un diamètre hors-tout réduit, par rapport à la structure illustrée par la figure 10. On se réfère maintenant à la figure 5, sur laquelle à titre d'exemple, on a considéré que la couronne annulaire 24 est fixe et qu'une force est appliquée au moyeu 23. L'élément en forme de corde 19 peut flé- chir selon la direction - ci-dessus. Par conséquent les mesures de Fx et de Mx peuvent être effec- tuées sans effet dus auxdourreaux rigides Il et 12 des rayons 25 et 26. Comme c'est le cas dans chaque cadran du dispositif, il en résulte que les composantes selon X-X de la force Fx et du moment Mx, apparaissent sous la forme de contraintes de flexion dans les rayons 27 et 28, les composantes 257 8 6' -7- selon Y-Y de la force Fx et du moment Mx apparaissent sous la forme de contraintes de flexion dans les rayons 25 et 26, et les composantes selon Z-Z de Fz et de Mzapparaissent sous la forme de contraintes de flex. ion dans tous les rayons 25 à 28. Afin de détecter ces contraintes de flexion, en vue de mesurer les composantes de force et de moment, on prévoit des jauges de contrainte 51 à 82, qui sont respectivement fixées aux parties en forme de fourreau des rayons respectifs 25, 26, 27 et 28, comme on peut le voir sur les figures 6 et 7. Bien que dans l'exemple de réalisation non limitatif décrit ici, les jauges de contrainte soient du type jauges à semi- conducteurs ou jauges à câbles, qui détectent les contraintes de surface sous la forme d'une modification de sa résistance électrique, on peut, sans sortir du cadre de la présente invention, utiliser d'autres types d'éléments de conversion mécano-électriques, par exemple des éléments piezo-électri- ques. Comme on peut le voir sur les figures 6 et 7, chacune des quatre surfaces de la partie en forme de fourreau de chaque rayon supportedeux jauges de contrainte disposées longitudinalement et chaque rayon est pourvu au total de huit jauges de contrainte. Ces jauges sont reliées dans six cir- cuits séparés en pont, comme représenté sur les figures 9a à 9f. Les jau- ges de contrainte 51 à 66 des trois ponts des figures 9a, 9b, et 9c, appar- tiennent à un premier groupe, adjacent au moyeu 23, alors que les autres jauges 67 à 82, dans les trois ponts des figures 9d, 9e et 9f, appartiennent à un second groupe qui est éloigné de ce moyeu. Bien que dans la description qui suit, les premier et second groupes de jauges de contrainte soient utilisés pour mesurer les composantes des forces Fx, Fy et Fz, et les composantes des moments Mx, My et Mz, respectivement, on pourrait utiliser d'autres connexions sans sortir du cadre de la présente invention. Dans chaque cir- cuit en pont, une tension constante est appliquée sur des bornes P, à partir d'une source de tension B et on mesure les modifications de tension sur les jonctions Q à l'aide d'un voltmètre V. Comme on l'a mentionné ci-dessus, la composante de la force Fx 2503 864 -8 apparaît sous la forme de contraintesdans les rayons 28 et 27, ces con- traintes étant provoquées par les flexions selon X-X de ces rayons et étant détectées par les jauges de contrainte 51, 52, 53 et 54, sur les deux sur- faces latérales de ces rayons. Dans ce cas, les jauges de contrainte 51 et 53 présententides changements de résistance de polarité opposée par rapport aux jauges de contrainte 52 et 54, respectivement. On comprend que la connexion illustrée par la figure 9a peut être réalisée selon le mode diffé- rentiel de façon à obtenir une modification de tension plus importante sur les jonctions Q. De la même façon, la composante de la force Fy est mesu- rée à l'aide des jauges de contrainte 55, 56, 57 et 58 sur les deux surfaces latérales des rayons 26 et 25, par l'intermédiaire du circuit en pont repré- senté sur la figure 9b. La composante de la force Fz apparait sous la forme de contraintes dans tous les rayons, ces contraintes étant provoquées par la flexion suivant l'axe Z-Z de tous ces rayons, et ces contraintes sont détec- tées, par conséquent, par les jauges de contrainte 59 à 66, sur les surfaces frontale et postérieure de ces rayons, par l'intermédiaire du circuit en pont représenté sur la figure 9c. On comprend également que ce circuit en pont est conçu et réalisé de façon à obtenir un changement de tension plus élevé sur le voltmètre V. Par ailleurs, la composante du moment Mx apparaît sous la for- me de contraintes dans les rayons 27 et 28, ces contraintes étant provo- quées par des flexions en sens opposé selon l'axe Z-Z de ces rayons et elles sont détectées par les jauges de contrainte 67, 68, 69 et 70 sur les surfaces fiontale et postérieure de ces rayons. Dans ce cas, les jauges de contrainte 67 et 70 présentent des changements de résistance dont la polarité est oppo- sée par rapport à celle des jauges de contrainte 68 et 69 respectivement. Par conséquent, la liaison en pont représentée sur la figure 9b, peut procu- rer un changement de tension plus élevé sur le voltmètre V. De la même façon la composante du moment My est mesurée à l'aide des jauges de contrainte 71, 72, 73 et 74 sur les surfaces frontale et postérieure des rayons 25 et 26, par l'intermédiaire du circuit en pont de la figure 9e. La c omposante du moment Mz apparaît sous la forme de contraintes dans tous 2503 864 -9- les rayons, ces contraintes étant provoquées par des flexions en sens oppo- sé, selon Y-Y des rayons 25 et 26 et par des flexions en sens opposé, selon X-X, des rayons 27 et 28, ces contraintes étant détectées par les jauges de contrainte 75 à 82 sur les deux surfaces latérales de tous les rayons, par l'intermédiaire du circuit en pont représenté sur la figure 9f, ce circuit étant également réalisé de manière à assurer un plus grand changement de tension. De la lecture de la description qui précède on comprend que chacune des jauges de contrainte est utilisée exclusivement pour effectuer la mesure de chacune des six composantes Fx, Fy, Fz et Mx, My, Mz, mais non com- mune à deux ou plusieurs composantes. En outre, ces six composantes sont respectivement mesurées à l'aide des six circuits séparés en pont,comme représenté sur les figures 9a à 9f. Par conséquent, le dispositif selon l'invention permet de mesurer simultanément n'importe lesquelles de deux ou plusieurs composantes, sans qu'il se produise d'interférence avec les autres composantes. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux divers exemples de réalisation décrits et représentés ici, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. Par exemple, la couronne annulaire 24 pourrait 9tre de forme carrée au lieu de présenter une forme générale circulaire. 2503 864 - 10 - REVENDICATIONS 1) Dispositif pour mesurer les composantes d'une force et d'un moment selon plusieurs directions et notamment selon trois axes orthogo- naux qui comprend: une partie centrale en forme de moyeu (23); une partie rigide en forme de couronne annulaire (24); quatre parties en forme de rayons (25, 26, 27 et 28) s'étendant vers l'extérieur à partir dudit moyeu vers des directions radiales mutuellement orthogonales, chacun de ces rayons présentant une section droite rectangulaire avec une largeur para- llèle au plan radial et une hauteur perpendiculaire à ce plan; quatre par- ties en forme de cordes (19, 20, 21, 22),chacune de ces parties étant cou- plée. latéralement par son milieu au sommet de chaque rayon, et également couplée par ses deux extrémités à ladite couronne circulaire de manière à présenter une flexibilité relativement importante par rapport à une force de flexion appliquée selon la direction d'extension de ladite partie en forme de rayon et, une pluralité d'éléments de conversion mécano-électrique, détec- tant les contraintes, ces éléments étant fixés auxdits rayons, ce dispositif étant caractérisé en ce que chacun desdits éléments en forme de rayons comporte une partie en forme de fourreau (11, 12, 13, 14, respectivement) adjacente à ladite partie en forme de moyeu (23) et une partie d'extrémité (15, 16, 17, 18, respectivement) adjacente à ladite partie en forme de corde, en ce que la largeur de ladite partie d'extrémité est sensiblement infé- rieure à celle de la partie en forme de fourreau de manière que cette partie d'extrémité présente une souplesse sensiblement importante par rapport à une force de torsion s'exerçant sur elle, selon la direction d'extension du- dit rayon et en ce que les dits éléments de conversion (51-82) sont fixés aux quatre surfaces de ladite partie en forme de fourreau. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que chacun des rayons (25, 26, 27, 28) comporte huit éléments de conversion mécano- électriques, fixés à sa partie en forme de fourreau, quatre de ces éléments étant utilisés pour mesurer les composantes d'une force et les quatre autres étant utilisés pour mesurer les composantes d'un moment. ,l 86' - il - 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite partie centrale en forme de moyeu (23), la partie annulaire rigide en forme de couronne (24), les quatre parties en forme de rayons (25, 26, 27, 28) et les parties en forme de cordes (19, 20, 21, 2Z) sont constituées d'un seul et même matériau de façon à constituer un ensemble monobloc.