Brevet FR2524636A1 — publié le 19831007

La présente invention concerne un appareil pour la mesure d'une force comprenant un plan de décomposition de la force incliné sur la direction de cette force, ainsi qu'un dispositif de mesure des forces comportant un organe de mesure et servant à mesurer la composante de la force qui agit dans le plan de décomposition, l'appareil compre- nant au moins deux éléments fonctionnels qui présentent des surfaces contenues dans le plan de décomposition ou paral- lèles à ce plan, dont l'un, qui est un élément d'appui, est fixé solidairement à un bâti qui -reçoit l'appareil et l'autre, qui est un élément d'application de la force, est monté mobile en translation relative par rapport au bâti dans le plan de décomposition et ancré au bâti par l'inter- médiaire du dispositif de mesure des forces. On connatt un mode d'appui du plateau de charge d'une bascule, solidaire d'une capsule dynamométrique, dans lequel la charge est décomposée en une composante ver- ticale et une composante horizontale et o la grandeur de la charge est déterminée à partir de la composante horizon- tale, le plateau de charge étant appuyé par l'intermédiai- re de coulisseaux sur un guide constitué par un plan incli- né, quii est incliné d'un angle c K, parallèlement à la mesure de la force, les coulisseaux présentant un canal de fluide sous pression qui débouche sur leur côté dirigé vers leur surface de glissement et qui est relié par des canalisa- tions tubulaires à un dispositif servant à acheminer un mi- lieu fluide, par exemple de l'huile de faible viscosité (brevet de la R F A DE-PS 23 31 149) Il s'agit ici d'un appareil équipé de surfaces de glissement hydrostatiques et qui sert à décomposer la force pour mesurer la coimiposan- te qui agit dans le plan de déco 1 tposition de la force. La production du film hydrostatique de fluide sous pression, qui assure un déplacement sans frottement des coulisseaux les uns par rapport aux autres implique la présence d'une installation hydraulique équipée de tous les éléments fonctionnels correspondants du circuit hydrau- lique, comme le réservoir, le filtre, la pompe, les orga- de distribution, etc Par ailleurs, il est indispensable d'enfermer les coulisseaux sous des enceintes étanches à la poussière parce que le circuit hydraulique doit être maintenu absolument exempt de particules de salissures La dépense de moyens techniques que ceci implique est importante et ce mode d'appui exige en outre de l'énergie et une alimentation en énergie. Toutefois, d'un autre côté, l'appui hydrostatique d'un appareil de pesage présente l'énorme avantage d'une construction robuste, qui permet de réaliser la décomposi- tion de la force avec n'importe quel rapport voulu et sans que ceci n'exige de fléaux de balance,de leviers, de sus- pensions pendulaires, d'articulations à cuvette et couteau ni aucun des autres dispositifs mécaniques analogues, habi- tuels de la technique du pesage D'autres avantages résul- tent, d'une part, de la faible hauteur d'encombrement du dispositif d'appui hydrostatique utilisé pour un appareil de pesage pour fortes charges, lequel peut alors se dispen- ser d'une fosse de pesage codteuse et profonde,contraire- ment aux appareils de pesage classiques correspondants et, d'autre part, des propriétés optimales d'amortissement de l'ensemble du mécanisme de pesage. Le but de l'invention est de perfectionner un ap- pareil de pesage du genre cité au début, avec pour but de conserver les avantages des dispositifs hydrostatiques de décomposition des forces, et d'éviter en même temps la dé- pense de moyens techniques nécessaires pour ces disposi- tifs, en particulier la dépense représentée par une instal- lation hydraulique, son alimentation en énergie ainsi que l'inconvénient de dépendre d'une alimentation en énergie. Le problème est résolu dans un appareil pour la mesure d'une force comprenant un plan de décomposition de la force incliné sur la direction de la force, du genre ci- té au début, par le fait qu'au moins une couche intermédi- aire à action élastique est interposée entre les surfaces mutuellement opposées des éléments fonctionnels, et par le fait que l'organe de mesure du dispositif de mesure des forces est construit de manière à travailler sous charge presque sans déplacement. L'appareil selon l'invention apporte le résultat étonnant de conserver tous les avantages d'un dispositif de décomposition des forces et de mesure de nature hydros- tatique En effet, en faisant coopérer des éléments fonc- tionnels équipés de couches intermédiaires à action élasti- que, avec un organe de mesure travaillant presque sans dé- placement, la construction selon l'invention permet d'obte- nir une décomposition de la force qui est à la fois exacte et pratiquement dépourvue de frottement, et par conséquent exempte d'erreurs, ce qui constitue la condition nécessai- re pour assurer une mesure parfaite de la force De la for- ce mesurée, on ne prend pour la mesure qu'une composante qui est petite comparativement à la force et qu'on peut maintenir aussi petite qu'on le veut, par le choix de la valeur de l'angle d'inclinaison du plan de décomposition par rapport à la direction de la force Ceci permet avanta- geusement de monter un appareil de mesure et d'indication d'autant plus petit et, par conséquent, d'autant plus sen- sible et apporte, comme autre avantage, une hauteur d'en- combrement de l'appareil de pesage extrêmement réduite puisque la construction n'exige pas de fléaux de balance, de leviers, de suspensions pendulaires, d'articulations à cuvette et couteau ni d'éléments de pesage mécaniques ana- logues On obtient également l'avantage d'un amortissement optimal des oscillations qui peuvent se produire au moment de l'application de la force puisque la couche intermédiai- re élastique possède des propriétés d'amortissement maxima- les, extrêmement favorables En outre, l'appareil suivant l'invention ne demande pas d'énergie et il est donc indé- pendant de toute alimentation en énergie. Le fonctionnement avantageux de l'appareil selon l'invention résulte, de façon étonnante, du fait que la couche intermédiaire élastique est presque incompressible dans la direction perpendiculaire au plan de décomposition de la force tandis que, dans la direction parallèle à ce plan, et pour des courses de déplacement minimes, par exem- ple inférieures à 0,2 mm, elle présente une élasticité qui correspond à peu près à la fluidité d'un film de liquide. Dans une forme avantageuse de réalisation de l'ao- pareil, il est prévu d'utiliser comme éléments fonction- nels un élément d'application de la force ainsi qu'un élé- ment d'appui et, entre ces deux éléments, un élément de dé- composition de la force possédant des surfaces en coins. La couche intermédiaire peut s'étendre sur toute la surface d'un élément fonctionnel et présenter la forme d'un coussin plat. On obtient un fonctionnement optimal de l'appa- reil selon l'invention par le fait que la couche intermédi- aire est constituée par une matière solide élastique telle qu'un élastomère, du caoutchouc, une matière plastique ou, de préférence un caoutchouc de silicone possédant une dure- té comprise entre 20 et 40 Shore, de préférence une dure- té d'environ 20 Shore. On obtient une nouvelle amélioration de l'élasti- cité dans la direction de la translation de l'élément de décomposition de la force dans le plan de décomposition de la force par le fait que la couche intermédiaire est for- mée d'au moins un corps creux élastique muni d'un remplis- sage de liquide ou d'une matière solide possédant les pro- priétés des gels. Ce remplissage de liquide ou d'une matière solide superflexible rend la couche intermédiaire à peu près in- compressible dans la direction perpendiculaire au plan de décomposition de la force tandis que, pour de très petites courses, par exemple, inférieures à 0,2 mm, il permet un déplacement pratiquement sans frottement dans la direction parallèle au plan de décomposition de la force De cette façon, la couche intermédiaire élastique possède des propriétés qui sont à peu près identiques à celles d'un film de liquide hydrostatique. On obtient une nouvelle amélioration de ces pro- priété par le fait que la couche intermédiaire présente un empilement stratifié et alterné de couches d'élastomère et de lamelles de matière solide telles que des lamelles mé- talliques. On évite de cette façon que les parties à action élastique de la couche intermédiaire ne puissent cèder per- pendiculairement au plan de décomposition sous l'action de la force par suite d'une déformation élastique Les lamel- les s'opposent à ce type de déformation et favorisent ain- si la propriété avantageuse de la couche intermédiaire élastique consistant en ce que cette dernière est capable de supporter des charges élevées et très élevées dans une direction perpendiculaire au plan de décomposition de la force, cette couche permettant d'obtenir des mouvements de translation pratiquement sans frottement dans la direction parallèle au plan de décomposition de la force dans le cas de petits mouvements Dans une forme de réalisation de l'appareil selon l'invention, il est prévu en outre de pouvoir agencer en remplacement d'une couche intermédiaire en une seule pièce ou munie d'un remplissage, un tapis de ressorts qui est composé de plusieurs éléments élastiques. Finalement, il est également prévu la possibilité d'assembler plusieurs appareils en une chatne de charge et de les réunir au bâti par l'intermédiaire d'un dispositif de mesure des forces. Les Figures du dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, feront bien comprendre comment l'inven- tion peut être réalisée Sur ces dessins, -la figure 1 montre une forme de réalisation de l'appareil selon l'invention, en partie en élévation et en partie en coupe, avec une couche intermédiaire élastique réalisée sous la forme d'un coussin plat; la figure 2 représente en coupe un appareil selon lafigure 1 mais équipé d'une couche intermédiaire consti- tuée par un corps creux élastique et muni d'un remplissage de liquide; la figure 3 représente une forme de réalisation analogue, qui comporte également comme couche intermédiai- re un corps creux élastique, utilisant comme remplissage une matière solide présentant les propriétés des gels; la figure 4 représente, également en coupe, un ap- pareil qui comprend un élément d'application de la force, un élément d'appui, et, entre ces éléments, un élément de décomposition de la force comportant des surfaces incli- nées en coin, ainsi que des couches intermédiaires compo- sées chacune d'un empilement stratifié alterné de couches d'élastomère et de lamelles métalliques; la figure 5 est une vue de dessus de l'élément d'appui de l'appareil de la figure 4, avec une couche intermédiaire élastique et un remplissage de matière solide analogue à un liquide, qui possède les proprié- tés des gels; la figure 6 représente par une vue de côté un ap- pareil comportant comme couche intermédiaire un tapis de ressorts; la figure 7 représente, en partie en coupe et en partie en élévation, un appareil selon l'invention réalisé sous la forme d'un pèse-personne et comprenant des couches intermédiaires élastiques agencées séparément. L'appareil selon la figure 1 est monté sur un bâ- ti simple 1 Sur ce bâti est fixé un élément d'appui 2 en forme de coin dont la su-rface supérieure 3 est inclinre sur le plan horizontal et forme un angle avec ce plan Sur cet élément se trouve une couche intermédiaire élastique 4 réalisée sous la forthe d'un coussin de caoutchouc plat à haute élasticité Ce coussin porte l'élément 5 d'applica- tion de la force sur sa face supérieure 6 Le plan E de dé- composition de la force s'étend entre l'élément d'appui 2 ou, plus précisément, la surface supérieure 3 de cet élé- ment, et l'élément 5 d'application de la force ou, plus précisément, la surface inférieure 6 ' de cet élément Ce plan passe donc approximativement par le milieu de la cou- che intermédiaire 4 Une patte 8 est fixée à la face fron- tale 7 de l'élément 5 d'application de la force et une pat- te 9 est fixée sur le bâti 1, en face de la première pat- te Le dispositif 10 de mesure de la force est tendu entre les deux pattes 8 et 9, avec une suspension 26, 26 ' repré- sentée purement schématiquement. La figure 2 montre une disposition analogue, avec le bâti 1 ainsi qu'un élément d'appui 2 en forme de coin, la couche intermédiaire 4 et l'élément 5 d'application de la force Dans cet exemple de réalisation, la couche inter- médiaire 4 est constituée par un corps creux élastique pré- sentant la forme d'une manchette 12 Cette manchette ren- ferme un remplissage 13 constitué par un liquide Dans l'exemple considéré, il s'agit d'une huile de silicone à basse viscosité Les autres éléments de l'appareil, en par- ticulier, par exemple, les moyens de montage du dispositif de mesure 10, sont désignés par les mnmes références que sur la figure 1 dans la mesure o ils exercent la même fonction. La figure 3 montre une construction analogue de l'appareil selon l'invention Ici, l'élément d'appui 2 et l'élément 5 d'application de la force sont constitués par une paire de plaques parallèles à un même plan La couche intermédiaire élastique 4 est composée d'une partie margi- nale périphérique fermée 14, comprise entre la surface 16 de la plaque inférieure 2 et la surface 16 ' de la plaque supérieure 5, et qui forme un corps creux élastique garni d'un remplissage 13 Dans l'exemple représenté, le garnis- sage 13 est constitué par une matière solide possédant les propriétés des -gels, par exemple d'un polymérisat d'un caoutchouc de silicone d'une dureté Shore de 20 à 25 Cet- te matière solide possède, dans le cas de petits déplace- ments,des propriétés qui sont très analogues à celles d'un film de liquide hydrostatique L'angle -a d'inclinaison du plan E de décomposition de la force est formé par une cou- che intermédiaire métallique 15 en forme de coin, interpo- sée entre le bâti 1 et la face inférieure 16 " de l'élément d'appui 2 Le bras fixe 9 du bâti 1 est équipé d'un dispo- sitif de réglage réalisé sous la forme d'une vis moletée 17 qui est vissée dans le dispositif 10 de mesure de la force et permet de cette façon de régler exactement le point zéro du dispositif de mesure des forces 10. La figure 4 montre l'agencement d'un coin 18 de décomposition de la force qui présente des surfaces incli- nées 18 ' et 18 " Ce coin est placé entre les deux couches intermédiaires 4, 4 ' Ces couches intermédiaires 4, 4 ' sont constituées par des parties marginales fermées, 14, 14 ' constituant des corps creux élastiques avec des rem- plissages 13, 13 ' Les parties marginales 14, 14 ' sont constituées par des empilements stratifiés de couches d'élastomère 19, 19 ' et de lamelles métalliques 20, 20 ' noyées entre ces couches L'élément 5 d'application de la force est muni d'un canal obturable 21 servant à introdui- re les remplissages 13, 13 ' Il peut également être prévu en supplément un canal d'évent parallèle, agencé en supplé- ment mais au'on a omis de représenter pour la clarté du dessin. Pour recevoir la force 11, f 11 est prévu dans l'é- lément 5 d'application de la force un évidement 2 qui re- çoit une bille de pression 23 sur laquelle agit le corps 24 d'application de la force A son extrémité de traction , le coin 18 est relié à un dispositif 10 de mesure de la force par l'intermédiaire d'un élément de liaison 26. Il s'agit d'un capteur DMS sollicité à la flexion et tra- vaillant sans déplacement Dans l'appareil de la figure 4 les éléments fonctionnels qui sont identiques par ailleurs à ceux des formes de réalisation précédentes sont désignés par les mêmes numéros de référence. La figure 5 montre par une vue en plan une surfa- ce de l'élément d'appui 2 et une surface du coin 18, avec la partie marginale 14 qui forme la couche intermédiaire élastique 4 Comme l'indique la figure 4, cette partie mar- ginale est composée d'un empilement stratifié d'élastomère et de lamelles métalliques La représentation montre essen- tiellement la forme de la partie marginale 14 et l'espace enfermé dans cette partie est destiné à recevoir le rem- plissage 13 La figure 6 montre un appareil selon l'inven- tion dans lequel la couche intermédiaire est formée d'un aemblage de ressorts 27 distincts Ces ressorts sont agen- cés entre des surfaces 28, 28 ' disposées obliquement L'an- gle d'inclinaison des surfaces 28, 28 ' détermine en méme temps la direction du plan de décomposition de la force (non représentée) De cette façon, on obtient un triangle de décomposition de la force qui présente un angle aigu et dont le vecteur force -l est décomposé en une composante il' perpendiculaire au plan de décomposition de la force et en une composante 11 " parallèle à ce plan La composan- te 11 " est mesurée par un dispositif 10 de mesure des for- ces qui est tendu entre l'élément 5 d'application de la force et le bâti 1. Il est d'importance essentielle pour le fonction- nement de l'invention de n'utiliser pour le dispositif 10 de mesure des forces que des dispositifs dont le mécanisme de mesure travaille presque sans déplacement sous la char- ge Dans le sens de l'invention, on doit entendre par"pres- que sans déplacement", une course inférieure à 0,2 mm On connaît déjà des dispositifs de mesure des forces possé- dant la propriété exigée sous de nombreuses formes de réa- lisation dans l'état de la technique Par exemple, on peut utiliser pour cela des capteurs de compression et/ou d'ex- tension (DMS), des cellules de mesure gyroscopique, des capteurs de force piézoélectriques, etc Finalement, à titre d'exemple d'application remar- quable de l'invention, la figure 7 représente un pèse-per- sonne Cet appareil est composé d'un élément d'appui 2 et d'un élément 5 d'application de la force Ces deux élé- ments sont des plaques de formes symétriques opposées, réa- lisées de préférence en matière plastique-en une seule piè- ce, portant des bossages obliques 29 qui présentent des surfaces inclinées 28, 28 ' Entre ces deux plaques sont agencées des couches intermédiaires de grand volume, réali- sées sous la forme d'éléments élastiques qui, dans la di- rection transversale, occupent la largeur de la plate-for- me de pesée formée par l'élément 5 d'application de la for- ce Sous l'influence d'une force 11, par exemple de la charge d'un corps humain, l'élément 5 d'application de la force tend à céder vers la droite, selon une composante 11 " de décomposition de la force Toutefois, étant donné que l'élément 5 d'application de la force et l'élément d'appui 2 sont ancrés l'un à l'autre par l'intermédiaire du dispositif de mesure de la force 10 et par la suspen- sion 26, la composante 1 l" est captée sans déplacement et mesurée par le dispositif 10 de mesure de la force La for- me de réalisation de ce pèse-personne extrêmement simple représenté sur la figure 7 illustre d'une façon très ex- pressive les avantages de l'appareil selon l'invention. Cet appareil permet de façon surprenante de réaliser une construction robuste, particulièrement avantageuse du point de vue du prix, puisque tous les accessoires de transmission tels que les leviers, suspensions pendulai- res, articulations à cuvette et couteau et autres éléments mobiles sont supprimés La possibilité de fabriquer les pièces essentielles du pèsepersonne en deux éléments de matière plastique d'une seule pièce, identiques et oppo- sés, réduit les coûts d'une façon étonnante qui, jusqu'à présent n'aurait pas été considérée comme possible, cepen- dant qu'on obtient un résultat de pesage très précis grâce à une décomposition exacte de la force, qui repose sur le propriété particulière de la couche intermédiaire élasti- que utilisée suivant l'invention, couche qui, dans le cas de très petits déplacements de mesure dans la direction du plan de décomposition de la force, se comporte comme un film de lubrifiant hydrostatique sans que l'appareil selon l'invention n'ait besoin pour cela d'une installation hy- draulique. Il va de soi que des modifications pourront être apportées au mode de réalisation qui vient d'être décrit notamment par substitution des moyens techniques équiva- lents sans sortir pour cela du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Appareil pour la mesure d'une force compre- nant un plan de décomposition de la force incliné sur la direction de cette force, ainsi qu'un dispositif de mesure des forces comportant un organe de mesure et servant à me- surer la composante de la force qui agit dans le plan de décomposition, l'appareil comprenant également au moins deux éléments fonctionnels qui présentent des surfaces con- tenues dans le plan de décomposition de la force ou paral- lèles à ce plan, dont l'un, qui est un élément d'appui, est fixé solidairement à un bâti qui reçoit l'appareil et l'autre, qui est un élément d'application de la force, est monté mobile en translation relative par rapport au bâti dans le plan de décomposition et est ancré au bâti par l'intermédiaire du dispositif de mesure des forces, carac- térisé en ce qu'au moins une couche intermédiaire à action élastique ( 4, 13, 27) est interposée entre les surfaces mu- tuellement opposées ( 3, 6, 16, 16 ', 28, 28 ') des éléments fonctionnels ( 2, 5) et en ce que l'organe de mesure du dis- positif de mesure des forces ( 10) est construit de manière à travailler sous charge presque sans déplacement. 2 Appareil selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que, comme éléments fonctionnels, il comprend un élément ( 5) d'application de la force ainsi qu'un élément d'appui ( 2), et, entre ces deux éléments, un élément ( 18) de décomposition de la force possédant des surfaces de coin ( 18 ', 18 "). 3 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que la couche intermédiai- re ( 4) s'étend sur toute la surface d'un élément fonction- nel ( 2, 5, 18) et présente la forme d'un coussin plat. 4 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la couche intermédiaire ( 4) est constituée par une matière solide élastique telle qu'un élastomère, du caoutchouc, une matière plastique ou, de préférence un caoutchouc de silicone, possédant une du- reté comprise entre 20 et 45 Shore, de préférence, une dureté d'environ 20 Shore. Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la couche intermédiaire ( 4) est formée d'au moins un corps creux élastique ( 12, 14) muni d'un remplissage ( 13) fait d'un liquide ou d'une matière solide possédant les propriétés des gels. 6 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la couche intermédiaire ( 4) présente un empilement stratifié alterné de couches d'élastomère ( 19, 19 ') et de lamelles ( 20, 20 ') d'une ma- tière solide telles que des lamelles métalliques. 7 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce que la couche intermédiaire est un tapis de ressorts composé d'un grand nombre d'élé- ments élastiques ( 27). 8 Appareil selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que la couche intermédiaire ( 4, 14, 27) présente une élasticité minimale dans la direc- tion perpendiculaire au plan de décomposition (E) et une élasticité maximale dans la direction parallèle au plan de décomposition 9 Appareil selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que la couche intermédiaire ( 4, 14, 27) est pres- que incompressible dans la direction perpendiculaire au plan de décomposition (E)