Brevet FR2517134A1 — publié le 19830527

La présente invention concerne les outils électriques, et plus particulièrement un outil por- tatif à commande de couple qui utilise un élément de mesure pour agir sur le moteur électrique de l'outil. Pour commander, ou si nécessaire pour limi- ter, le couple de l'outil et simultanément pour éli- miner le risque d'accident, étant donné l'augmenta- tion continuelle de la puissance et du couple de tels outils, on a proposé dans la demande de brevet allemand publiée No 24 42 260 que la déformation de la poignée dépassant du carter soit mesurée et réglée en fonction de la puissance à la sortie du moteur d'entraînement Pour mesurer le couple du moteur, on utilise des jauges de contrainte a fil ou des piézo- résistances, qui sont de préférence placées dans une zone de l'outil o la section droite du carter est réduite. La mesure de la contrainte dans le carter dans la zone de la poignée présente l'inconvénient que, pour chaque construction différente de carter, il est nécessaire d'effectuer un réglage laborieux du trans- ducteur, ainsi que du câblage En outre, il existe un risque que la commande ne fonctionne pas correcte- ment si, dans des circonstances particulières ou bien par négligence, l'outil n'est pas tenu par la poignée, ou bien si des accessoires fixés sur l'outil réduisent ou empêchent la sollicitation de la poignée par le couple du moteur. L'invention a pour but de fournir un outil électrique comportant une commande de couple qui soit simple, sûre et sensible et qui soit universellement adaptable Ce problème est résolu en utilisant des pignons à denture spirale ou bien une denture spi- rale formée sur l'arbre du moteur électrique du côté de prise de force, en combinaison avec un dé- tecteur de pression servant d'élément de mesure de la poussée axiale de l'arbre de moteur. Cette mesure de couple est basée sur le fait connu que la poussée axiale, plutôt gênante en elle- même et nécessitant un palier de butée associé à des pignons à denture spirale ou à une denture spirale formée sur l'arbre de moteur,(ce type de denture étant habituellement choisi pour son fonctionnement silen- cieux en sa meilleure transmission de charge), peut être utilisée pour une mesure de couple Puisque cette mesure de couple est effectuée directement sur le moteur d'entraînement, elle offre l'avantage de pouvoir être appliquée à des outils de formes et types différents, par exemple des machines électriques portatives de perçage, de vissage, de sciage, etc, sans modification du type de carter d'outil notam- ment On effectue seulement la mesure du couple, à partir de performances mécaniques réelles, et pas seulement sur la réaction due à l'inertie lors du démarrage ou de l'arrêt électrique du moteur. En conséquence, la présente invention concerne un outil comprenant un moteur électrique pourvu d'un arbre qui comporte une denture spirale par l'intermé- diaire duquel le moteur entraîne l'outil, un détecteur de pression disposé de manière à être soumis à la poussée axiale prcduite sur l'arbre de moteur par la denture spirale pendant le fonctionnement de l'outil, et un moyen de commande de couple relié au détec- teur de pression pour influencer le moteur en réponse à ladite poussée axiale. A l'aide d'un dispositif à commutation com- mandée d'un type connu, le signal émis par le détec- teur de pression peut être utilisé pour limiter le couple à une valeur présélectionnée, et par consé- quent, pour établir un couple désiré pour le serrage de vis, ou bien pour assurer une protection contre des surcharges, ou bien pour limiter la puissance de sortie à la valeur nécessaire pour l'outil particulier. En outre, le couple du moteur peut être indiqué vi- suellement; ou bien le couple peut être utilisé pour déclencher certaines opérations en marche, par exemple le changement automatique de vitesses, au cas o des seuils prédéterminés seraient dépassés. Le détecteur de pression peut être placé entre le moteur électrique et son support axial dans le carter d'outil, ou bien il peut être placé à l'in- térieur du moteur, notamment entre le palier princi- pal d'arbre de moteur s'étendant transversalement au pignon à denture spirale ou à la denture spirale de l'arbre et le support axial de ce palier Cet emplacement est relativement éloigné des parties du moteur qui sont soumises à une forte contrainte et, en conséquence, il devient chaud pendant que le mo- teur est en marche. Si nécessaire, un élément de transmission de chaleur ou une isolation thermique peuvent additionnellement être prévus pour protéger le détecteur de pression contre cette chaleur dégagée. Le détecteur de pression peut être tout dispositif convertissant une force mécanique en un signal électrique. Ainsi, on peut utiliser par exemple des convertisseurs piézoélectriques Cependant, de préférence, le détecteur de pression comprend une matière plastique électriquement conductrice dont la résistance varie en fonction de la pression exercée sur elle Une telle matière plastique, également appelée "matière plastique conductrice" est connue sous de nombreuses formes Par exemple, on peut utiliser du caoutchouc de silicone mélangé à des particules métalliques ou à du noir de fumée, comme décrit dans la demande de brevet allemand publiée sous le No. 43 455 On sait également utiliser un tel matériau comme contacteur sensible à la pression pour assurer une sécurité contre des surcharges, comme décrit dans le brevet allemand No 20 45 385, et comme une résistance constamment variable pour la régulation de consommation de courant électrique pour la commande de vitesse de perceuses portatives comme décrit dans le brevet U S. No 3 386 067 Les signaux fournis par de tels détecteurs de pression sont relativement forts du fait que la résistance électrique de la matière plastique conductrice varie relativement vite avec la pression, par exemple de plusieurs puissances de dix En conséquence, le dispositif a commutation commandée peut être simple et sûr Cependant les détecteurs de pression propre- ment dits sont insensibles aux perturbations, sont d'un fonctionnement sûr et ont une longue durée de service En conséquence, ils conviennent pour les conditions sévères de fonctionnement d'outils élec- triques. De préférence, la matière plastique conduc- trice se présente sous la forme d'un petit disque, qui est interposé entre une plaque de pression et une plaque pourvue d'électrodes placées à distance l'une de l'autre De préférence, le petit disque, la plaque à électrodes et la plaque de pression ont des formes annulaires ayant approximativement les mêmes diamètres intérieur et extérieur et elles sont placées en arrière d'un roulement à billes prévu à l'extrémité de l'arbre de moteur dans une zone éloignée du pignon à denture spirale ou de la denture spirale de l'arbre, les diamètres intérieur et ex- térieur coïncidant avec les dimensions correspondan- tes du roulement à billes. Du fait qu'un détecteur de pression fonction- nant à l'envers peut répondre, aussi bien à une traction qu'à une poussée, on peut également utili- ser de tels dispositifs pour mesurer une force pro- duite par un déplacement en opposition à une réaction, par exemple sous la forme d'une variation de distance qui peut être mesurée à l'aide d'un détecteur inductif de proximité ou d'un capteur à effet Hall. 17134 D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion apparaîtront à la lecture de la suite de la descrip- tion, donnée à titre d'exemple non limitatif et sur les dessins annexés dans lesquels:- la Fig I est une vue latérale, en partie en coupe, d'un moteur électrique pour un outil électrique comportant un détecteur de pression pour commande de couple conformément à la présente invention;- la Fig 2 est une vue éclatée du détecteur de pression du moteur de la Fig 1; la Fig 3 est une vue éclatée montrant l'agencement du détecteur de pression dans le moteur de la Fig 1; la Fig 4 est une vue en plan, à échelle agrandie, de la plaque à électrodes du détecteur de pression de la Fig 2; et la Fig 5 est une vue latérale schématique d'une perceuse électrique portative conforme à l'invention et utilisant le moteur de la Fig 1, la moitié du carter d'out-il ayant été enlevé et certaines parties étant repré- sentées schématiquement ' La Fig I représente un moteur électrique d'une perceuse portative ou d'un outil électrique portatif semblable Elle comporte un stator I entourant un rotor 2. L'arbre 3 du rotor 2 comporte un enroulement d'induit standard, non représenté en détail, et un collecteur 4 (pour simplifier les balais et les porte-balais n'ont pas été représentés), et il est prévu un pignon à denture spirale 5 2 5 1 7 1 3 4 sur le côté de prise de force Le pignon à denture spirale 5 est en prise dans l'outil électrique, avec un engrenage correspondant à denture spirale 21 (fi- gure 5) Sur le côté du pignon à denture spirale 5, l'arbre 3 comporte un tourillon 6 qui forme, en coopé- ration avec un coussinet (non représenté) un palier glissant dans le carter d'outil et qui peut également recevoir un roulement à billes 22 (figure 5) A l'ex- trémité opposée de l'arbre 3, un roulement à billes 7 est emmanché sur l'arbre 3 Le roulement 7 est logé dans un alésage 8 d'un étrier 9 qui est monté sur le stator 1 Comme on peut le voir, l'alésage 8 comporte un épaulement à son extrémité intérieure Pour réduire le bruit, une bague de caoutchouc 10, qui supporte élastiquement la bague extérieure du roulement à billes 7, est insérée dans l'alésage 8 Comme le montrent les figures 1 et 3, la bague de caoutchouc 10 est un manchon annulaire comportant à son extrémité inté- rieure une collerette faisant saillie radialement vers l'intérieur. Lorsque l'arbre 3 transmet un couple par l'in- termédiaire du pignon à denture spirale 5, il se pro- duit, sous l'effet de la denture spirale, une poussée axiale dont la direction est fonction du sens de rota- tion et dont la grandeur dépend du couple transmis. Cette poussée axiale agit, si l'on suppose une cer- taine direction de rotation, comme une force de pression sur un détecteur de pression Il placé en arrière du roulement à billes 7 dans l'alésage 8. Le détecteur de pression H 1 est placé en contact physique avec le coté extérieur du roulement 7 et la transmission de force s'effectue par l'intermédiaire du roulement à billes 7. La Fig 3 représente, en vue éclatée, l'agencement des composants structuraux individuels dans l'alésage 8. A la base, c'est-à-dire à l'extrémité intérieure, de l'alésage 8, est placée la bague de caoutchouc 10 dans laquelle est logé le roulement à billes 7 Ensuite, il est prévu le détecteur de pression Il qui s'appuie contre le roulement 7 La bague de caoutchouc 10, le roulement 7 et le détecteur 11, après insertion dans l'alésage 8, sont étroitement maintenus en place dans celui-ci par l'inter- médiaire d'une bague d'arrêt 23 qui pénètre dans une gorge ménagée dans la paroi de l'alésage 8 Au moyen de ce sys- tème de fixation, la bague d'arrêt 23 absorbe également les forces axiales transmises par l'arbre 3. La Fig 2 représente le détecteur de pression Il comportant une plaque de pression 12, constituée d'un matériau électriquement isolant et qui est directement juxtaposékau roulement à billes 7 Après la plaque de pression 12, il est prévu un petit disque 13 de forme annulaire, constitué d'une matière plastique conductrice sensible à la pression et, dans une position adjacente à ce disque, il est prévu une plaque annulaire à électrodes 14 comportant des anneaux conducteurs extérieur 15 et intérieur 16 De ces anneaux 15, 16 font saillie radialement des électrodes 17 qui sont imbriquées les unes dans les autres à la façon d'un peigne Les électrodes 17 s'étendant vers l'intérieur à partir de l'anneau 15 ne touchent pas les électrodes 17 s'étendant vers l'extérieur à partir de l'anneau intérieur 16, les deux ensembles d'électrodes 17 étant reliés électrique- ment par l'intermédiaire du disque 13 en matière plas- tique conductrice, qui fonctionne comme une résistance sensible à la pression Des fils électriques 18 sont reliés aux anneaux intérieur et extérieur 16, 15. La figure 4 est une vue de la plaque à élec trodes 14, dans la direction de l'axe de rotation du moteur Elle est agencée d'une façon semblage à une plaquette à circuit imprimé, c'est-à-dire en d'autres termes qu'elle est constituée d'une couche ou feuille de matière isolante sur un côté de laquelle a été déposé un revêtement de cuivre, ce revêtement ayant été sélectivement décapé d'une manière connue pour ob- tenir l'anneau extérieur 15, l'anneau intérieur 16 et les électrodes 17 en forme de peignes. En fonctionnement, une résistance s'établit entre les fils 18, reliés aux anneaux extérieur et intérieur 15, 16, cette résistance étant fonction de la poussée axiale de l'arbre de moteur 3, et par conséquent du couple qu'il produit Cette résistance est utilisée pour agir sur le moteur électrique 1, en particulier pour régler ou limiter son couple, par l'intermédiaire d'un moyen approprié de commande de couple, tel qu'un dispositif à commutation commandée de type connu. La figure 5 représente le moteur électrique des figures 1 à 4, monté sur une perceuse électrique portative Il est à noter que le moteur 1 a été repré- senté avec son axe longitudinal tourné de 180 à par- tir de sa position de la figure 1 Le moteur 1 est supporté et retenu dans le carter d'outil 25 par l'in- termédiaire de parties d'appui moulées 26 L'arbre 3 du moteur tourne, à l'extrémité avant, dans le roule- ment à bille 22 et le pignon à denture spirale 5 est en prise avec un plus grand engrenage à denture spi- rale 21 L'engrenage 21 fait partie du mécanisme de transmission classique de la perceuse électrique, le reste de ce mécanisme de transmission étant représenté schématiquement par le boîtier 28 Le mécanisme de transmission 2 ' assure l'entraînement d'une broche 34 sur laquelle est monté un mandrin (non représenté) servant à la fixation de forets A partir du détecteur de pression 11, disposé dans l'alésage 8 de l'étrier 9, les fils électriques 18 (dont un seulement est visible sur la figure 5) aboutissent à un circuit de commande 29 qui contient le circuit d'analyse des si- gnaux fournis par le détecteur pression 11 Le circuit de commande 29 comporte également une connexion 30 avec le contacteur principal 31 de la perceuse, ce contacteur 31 étant actionné par une gâchette 32 clas- sique. En général, on peut utiliser des détecteurs de pression qui réagissent aussi bien à une poussée qu'à une traction et qui sont par conséquent efficaces pour les deux sens de rotation du moteur Pour obtenir ces résultats, on peut utiliser des détecteurs séparés 25171,34 ou bien des détecteurs qui réagissent à des forces orientées dans des sens opposés Dans l'exemple re- présenté, cependant, seule la force exercée dans un sens de rotation du moteur est mesurée Cela est sou- haitable par exemple si, pour une machine à visser, le couple de serrage de vis est limité alors que, dans l'opération de dévissage, le couple maximal doit toujours être disponible. Si, en fonction d'autres exigences plus sé- vères, on doit éviter que le détecteur de pression soit sensible à la température ou à d'autres influ- ences, il est possible de relier ensemble quatre détec- teurs de pression disposés symétriquement dans un cir- cuit à pont, dont une diagonale est alimentée par une tension d'entrée tandis que l'autre diagonale émet le signal de commande Les quatre détecteurs de pres- sion disposés symétriquement peuvent par exemple être formés par subdivision de l'anneau intérieur 15 et de l'anneau extérieur 16 de la plaque à électrodes 14 (figure 4) comportant les électrodes 17 en forme de peignes, en quatre quadrants qui sont isolés l'un de l'autre, chaque quadrant formant, en combinaison avec un quadrant séparé semblable de la plaque de pression 13, un détecteur de pression séparé. Il est à noter qué-le pignon à denture spi- rale 5 peut être formé directement sur l'arbre de mo- teur 3, comme indiqué, ou bien qu'il peut se présenter sous la forme d'un pignon rapporté qui est monté sur l'arbre 3 La forme de la denture spirale est de pré- férence hélicoidale. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écar- te de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1 Outil électrique comportant un moyen de commande de couple ( 29) qui utilise un élément de mesure ( 11) pour agir sur le moteur électrique ( 1, 2) de l'outil, caractérisé en ce que l'arbre ( 3) du moteur comporte un pignon à denture spirale ( 5) par l'inter- médiaire duquel le moteur entraîne l'outil et en ce que l'élément de mesure ( 11) est un détecteur de pression ( 11) disposé de manière à être soumis à la poussée axiale de l'arbre de moteur ( 3) engendré par le pignon à denture spirale ( 5) pendant le fonctionnement de l'outil. 2 Outil électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit détecteur de pression ( 11) est placé entre le moteur ( 1, 2) et un support axial de ce dernier dans l'outil. 3 Outil électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit pignon à denture spirale ( 5) est placé à une extrémité de l'arbre de moteur ( 3) et en ce que l'autre extrémité de l'arbre de moteur ( 3) est montée dans un palier ( 7), ledit détecteur de pression ( 11) étant placé entre ledit palier ( 7) et un support axial ( 23) de celui-ci. 4 Outil électrique selon l'une des revendi- cations 1, 2 et 3, caractérisé en ce que ledit détec- teur de pression ( 11) comprend une matière plastique électriquement conductrice ( 13) dont la résistance électrique varie en fonction de la pression exercée sur elle. 5. Outil électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite matière plastique conductrice se présente sous la forme d'un disque ( 13) disposé entre une plaque de pression ( 12) et une plaque à électrodes ( 14), ladite plaque ( 14) comportant des électrodes ( 17) espacées l'une de l'autre. 6. Outil électrique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit disque ( 13), ladite plaque de pression ( 12) et ladite plaque à électrodes ( 14) sont annulaires. 7. Outil électrique selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite plaque à électrodes ( 14) est une plaquette à circuit imprimé portant un anneau intérieur conducteur ( 16) muni d'électrode rada Ie_( 17) s'étendant vers l'extérieur et un anneau extérieur conduc- teur ( 15) comportant des électrodes radiales ( 17) s'étendant vers l'intérieur, les électrodes ( 17) s'étendant vers l'intérieur et vers l'extérieur étant imbriquées avec espacement les unes par rapport aux autres. 8 Outil électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit palier ( 7) est monté dans un alésage ( 8) d'uné élément de support de palier ( 9) et en ce que ledit détecteur de pression ( 11) est logé dans ledit alésage ( 8) en contact avec ledit palier ( 7). 9 Outil électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit palier ( 7) est un roulement à billes ( 7) et est monté dans une bague élastique ( 10), ladite bague élastique ( 10) étant montée dans ledit alésage ( 8). 10. Outil électrique selon l'une des revendica- tions 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit détecteur de pression comporte un dispositif pour mesurer électriquement un changement de distance, ledit dispositif mesurant le déplacement de l'arbre de moteur ou du moteur provoqué par la poussée axiale de l'arbre de moteur contre un support électrique.