Brevet FR2593603A1 — publié le 19870731

La présente invention concerne un dispositif de balance dynamométrique destinée à la mesure de précision des efforts exercés par une structure sur une autre, ou bien des efforts subis par une masse de référence soumise à une accélération (ou à un freinage). De tels dispositifs sont utilisés dans des domaines aussi divers que la résistance des matériaux, la tenue en statique et le comportement en dynamique des structures et des équipements, la trajectométrie, etc... Pour une mesure efficace de ces efforts, il est nécessaire de disposer d'au moins six composantes parfaitement découplées, c'est-à-dire mesurées chacune indépendamment des autres, dont les indications ne subissent aucune dérive sur des périodes prolongées et sensibles aussi bien aux sollicitations dynamiques qu'aux excitations statiques. Pour la clarté de la présente description, la constitution d'un tel système est illustrée schématiquement par les figures A à H annexées à la présente demande. Les figures A à F illustrent le principe du découplage des efforts Figures A et B : trois barreaux verticaux B1 - B2 - B3, laissent subsister comme degrés de liberté les forces FX et Fy et le moment Mz. Figures C et D : trois barreaux verticaux B1, B2, B3 et deux barreaux horizontaux B4 et B5 dans la direction X ne laissent plus subsister que la force Fy comme degré de liberté, et Figures E et F : trois barreaux verticaux, B1, B2 , B3, deux barreaux B4 et B5 dans la direction X et un barreau horizontal B6 dans la direction Oy ne laissent subsister aucun degré de liberté, ce qui correspond à un montage isostatique. Les figures G et H illustrent le principe de l'application de ce montage à des systèmes de navigation par inertie La figure G représente le système de base : la masse de référence est un cube creux C relié à la structure rigide S par les six barreaux précédents, et la figure H est une variante dans laquelle, à l'intérieur du cube- creux C tourne un cylindre de masse ml produisant un effet gyroscopique. Les dispositifs de ce genre déjà connus font appel à divers systèmes avec lesquels il n'est pas possible d'obtenir, en raison de leur montage mécanique lui-même, un découplage complet des mesures pour les différents degrés de liberté, de sorte qu'ils nécessitent, pour effectuer ce découplage, un traitement électronique des signaux obtenus, ce qui entraîne une accumulation d'incertitudes. De telles incertitudes sont d'autant plus graves que les ordres de grandeur des valeurs à mesurer sont très différentes pour chacun des degrés de liberté et/ou que les composantes dynamiques sont faibles par rapport aux composantes statiques. Au surplus, ces systèmes présentent tous un ou plusieurs inconvénients suivants - ils n'assurent pas un découplage approprié, notamment quelle que soit la gamme de charges appliquées - ils ne peuvent supporter une charge statique que pendant une durée limitée, et cela encore sous réserve de certaines précautions - ils ne présentent pas une sensibilité suffisante, notamment en présence de certaines contraintes vibratoires, - ils présentent des problèmes vibratoires aux fréquences élevées, - ils nécessitent l'utilisation de capteurs coûteux, - ils exigent une électronique compliquée. En vue d'éliminer tous ces inconvénients, l'invention consiste à utiliser pour l'évaluation de chacune de ces six composantes, au moins un corps d'épreuve indépendant constitué par un barreau métallique encastré à ses deux extrémités et conçu de manière à rendre négligeable sa raideur latérale en flexion par rapport à sa raideur longitudinale en traction-compression. Le moyen le plus simple et le moins coûteux à cet effet, consiste à donner à un tel barreau une section transversale très faible par rapport à sa longueur. Cette réalisation rentre dans le cadre de l'invention. Dans la pratique, on utilisera des moyens plus sophistiqués, consistant à créer dans ledit barreau, près de chacun de ses points d'encastrement, une zone assimilable à une articulation de rotule, ne comportant ni friction ni hystérésis. Cette zone sans friction ni hystérésis peut être obtenue par une conception géométrique de la forme du barreau et/ou par l'utilisation d'un matériau spécifique. Ainsi, selon une première réalisation, liée uniquement à la conception géométrique du barreau, chacune des extrémités dudit barreau comporte, au voisinage des encastrements, un amincissement tel que la raideur locale du barreau en flexion soit faible par rapport à sa raideur en traction-compression. Selon une seconde réalisation, faisant intervenir des éléments mécaniques également liés à la conception géométrique du barreau, chaque extrémité du barreau est reliée à la partie à encastrer par au moins une paire de lames minces situées dans un plan passant par l'axe du barreau. Selon une troisième réalisation, faisant intervenir un matériau étranger, on utilise un plot en matériau élastomère interposé entre l'extrémité du barreau et un cylindre d'acier assurant l'encastrement. Le comportement incompressible de l'élastomère rend alors la raideur en compression-traction élevée par rapport à la raideur en rotation. Un tel corps d'épreuve a ainsi un comportement unidirectionnel et sa déformation peut être mesurée par différents moyens usuels, mis en oeuvre ensemble ou séparément, tels que jauges de contraintes, capteurs monodirectionnels (à quartz ou à céramique), capteurs de proximité, etc... Dans le cas de l'utilisation de jauges de contraintes, la portion du barreau où ces jauges sont appliquées (ou section de mesure) doit avoir un comportement opposé à celui de la zone désignée par "rotule", c'est-à-dire être plus raide en flexion qu'en traction-compression. Un tel comportement peut résulter d'une modification locale de la section droite du barreau et/ou en évidant l'intérieur. Ainsi, selon une réalisation, cette portion peut avoir la forme d'une zone tubulaire creuse de plus grand diamètre extérieur que le barreau lui-même. Ces corps d'épreuve sont logés dans un massif aussi indéformable et léger que possible, en y étant répartis dans les directions des trois axes de coordonnées rectangulaires. Le montage le plus simple utilise trois barreaux dans une première direction, deux dans la- seconde et un dans la troisième, de manière à assurer un supportage isostatique. Pour assurer la compacité du système, les barreaux sont logés à l'intérieur du massif. On peut également concevoir des montages hyperstatiques plus compliqués, pour des gammes d'efforts plus élevées (plusieurs tonnes-force), ce montage faisant intervenir un plus grand nombre de barreaux dans les trois directions d'axes de coordonnées. Grâce à cette disposition, on bénéficie avec l'appareil selon l'invention d'une balance dynamométrique à au moins six composantes parfaitement découplées, et l'emploi de simples jauges de contrainte bon marché permet un fonctionnement sans aucune dérive sur une période prolongée, de l'ordre de plusieurs jours, et fonctionnant en dynamique. L'invention sera mieux comprise grâce à la description qui suit d'un mode de réalisation pratique, correspondant au dessin annexé sur lequel : - la figure 1 est un schéma de principe du système selon l'invention, - la figure 2 est une coupe verticale d'un premier mode de réalisation de l'appareil selon l'invention, - les figures 3 et 4 sont des coupes horizontales suivant III-III et IV-IV respectivement de la figure 2, - la figure 5 illustre une première variante de la zone formant rotule entre un barreau et son encastrement, - la figure 6 illustre une variante de réalisation de la liaison entre un barreau et son encastrement, - la figure 7 est une coupe axiale suivant VII-VII de la figure 6, - la figure 8 est une coupe axiale d'une autre variante de liaison entre un barreau et son encastrement, - la figure 9 illustre un barreau complet, tel qu'utilisé dans l'appareil de la figure 2 et, - la figure 10 illustre schématiquement un appareil plus compliqué que celui de la figure 2 et conçu pour des efforts plus importants. Si l'on se réfère tout d'abord à la figure 1, on y a représenté un massif 1, indéformable, et dans lequel sont encastrés six corps d'épreuve 2,3,4,5,6 et 7 répartis suivant les axes de coordonnées rectangulaires Ox, Oy et Oz, à raison de trois corps, 2,3 et 4 suivant Oy, deux corps 5 et 6 suivant Ox et un corps suivant Oz. I1 est clair comme l'illustraient les figures A à F, que l'ensemble de ces six barreaux assure pour le massif 1 un supportage isostatique, et que l'ensemble des indications fournies par les jauges de contraintes qui leur sont associées donne une mesure des efforts transmis au massif 1 par l'engin sur lequel est montée cette balance. Les figures 2,3 et 4 illustrent un exemple de réalisation pratique d'un tel appareil, conformément à l'invention. On retrouve sur ces trois figures le massif 1 monté dans un boitier cylindriqué 8 lui-même fixé par des pieds 9 sur l'engin soumis aux mesures. Ce massif est en matériau aussi indéformable et léger que possible, par exemple en titane ou en fibres de carbone. Les barreaux 2 à 7 sont répartis dans des logements correspondants de ce massif 1, de la manière indiquée schématiquement sur la figure 1. Chacun des barreaux 2 à 7 est d'une longueur très supérieure à son-diamètre, de sorte qu'il joue le rôle de support de raideur dans la direction de son axe. Au surplus, les portions à diamètre réduit Z de chaque barreau représentent chacune une "rotule" réversible sans frottement ni hystérésis transmettant les efforts provenant du patin d'accrochage A du barreau considéré dans la direction de son axe. On notera que le diamètre des sections de mesure 10 détermine la gamme d'efforts ou de fréquences à mesurer. Chaque barreau est encastré par ses bases B entre le massif et le boîtier rigide 8. Dans le cas ainsi représenté, la zone formant "rotule" Z est simplement une portion à diamètre réduit du barreau, comme il est plus clairement visible sur les figures 5 et 9 qui illustrent la constitution d'un tel barreau en deux portions, B-2-B, assemblées par une section de mesure tubulaire 10 équipée de jauges de contraintes 11. Chaque jauge 11 peut être placée sur le barreau lui-même, par exemple pour la mesure des allongements et raccourcissements, ou encore être associée au barreau par des liaisons appropriées, par exemple dans le cas d'un capteur de proximité. L'ensemble des efforts enregistrés par les jauges de contrainte représente une mesure globale des sollicitations mécaniques de tout genre subis par l'engin auquel est adapté cet appareil, et cela quel que soit l'ordre de grandeur de ces sollicitations. Bien qu'un barreau tel qu'illustré à la figure 9 repésente une réalisation des plus simples, et parfaitement satisfaisante, des variantes en sont possibles, et deux de ces variantes sont décrites ci-après : Dans la variante des figures 6-7, la zone formant "rotule" est constituée par deux ailettes métalliques minces 1212' réunissant l'âme 13 du barreau à la semelle d'encastrement 14. Ces deux ailettes sont situées dans un plan axial, et les ailettes montées respectivement dans les zones 2 situées aux deux extrémités d'un barreau seront avantageusement décalées de 90 , de manière à contrôler respectivement les quatre directions de contraintes possibles, soit en rotation autour de l'axe du barreau, soit en flexion perpendiculairement à cet axe. Dans la variante de la figure 8, le barreau 15 est réuni à la semelle d'encastrement 16 par une masse de matériau élastomère 17, confiné dans une cuvette 18. Enfin, si l'on se reporte à la figure 10, on y a représenté schématiquement un appareil plus compliqué dans lequel les efforts exercés par une structure 101 sur une structure 102 sont mesurés par un plus grand nombre de corps d'épreuve, à savoir quatre (103,104, 105 et 106) au lieu de trois dans la direction OY. L'implantation des autres corps d'épreuve 107 et 108 dans la direction OX et 109 dans la direction OZ, respecte les mêmes principes que précédemment, ce qui illustre la grande diversité de montages possibles. Ainsi les plateaux de liaison 111, 112 et 113 sont solidaires de la structure 101, tandis que les plateaux 110 et 114 sont solidaires de la structure 102. Parmi les applications d'un tel appareil, on peut citer celle où il remplit les fonctions d'une centrale d'inertie dans un engin du type torpille ou analogue. Dans ce cas, la partie sensible devient la masse en mouvement dont on peut connaître instantanément la trajectoire à partir des efforts enregistrés par l'appareil, ce qui en fait une application inverse de son usage classique. A titre d'exemple quantitatif d'application de l'invention, on a réalisé une balance-conforme aux figures 2 à 4 comportant six barreaux d'une longueur de 140mm et d'un diamètre de 13 mm, présentant chacun à 12mm de son encastrement une gorge réduisant son diamètre à 6mm, et ayant individuellement une gamme de 0-200 Kg, avec un taux de précision inférieur à 50g. Sur ces barreaux sont montées des jauges mesurant les efforts subis par le barreau et délivrant donc six signaux électriques, qui sont transformés par multiplication par une matrice de transfert appropriée en des valeurs de forces et de moments correspondants aux trois axes de coordonnées, exprimées respectivement en Kg et en Kg.m. Cette matrice est déterminée expérimentalement --et dépend de la sensibilité des barreaux et de la géométrie de la balance. L'expérience, portant sur l'application d'une force unique de 20 Kg dans la direction OZ, a donné les résultats suivants DIRECTION EFFORT (Kg) MOMENT (Kg.m) COSINUS DIRECTEUR X + 0.008 + 0.001 + 0.000 Y - 0.032 + 6.003 - 0.002 Z - 20.002 - 0.001 - 1.000 La comparaison entre l'expérience et la théorie conduit à évaluer le taux de variation, ou de couplage à moins de 0,1%, aussi bien sur les efforts que sur les moments. I1 apparaît donc que si un tel appareillage peut être encore soumis à des limitations, ces dernières ne sont pas la conséquence de la construction mécanique de l'appareil, mais celles de 1 'électronique associée. REVENDICATIONS 1. Balance dynamométrique à au moins six degrés de liberté découplés pour la mesure des sollicitations mécaniques statiques et dynamiques subies par une machine donnée, caractérisée en ce qu'elle se compose d'au moins six corps d'épreuve répartis autour ou dans un massif aussi léger et indéformable que possible dans les directions des trois axes d'un système de coordonnées rectangulaires, avec au minimum trois dans une première direction, deux dans une seconde direction et un dans la troisième direction, chacun de ces corps d'épreuve étant constitué par un barreau métallique encastré, de grande longueur par rapport à son diamètre, de manière que sa raideur latérale soit négligeable par rapport à sa raideur longitudinale. 2. Corps d'épreuve utilisable dans une balance selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au voisinage de chacun de ses encastrements une zone assimilable à une articulation à rotule ne comportant ni friction ni hystérésis. 3. Corps d'épreuve selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone est un amincissement dudit barreau. 4. Corps d'épreuve selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone est réalisée sous forme d'au moins un couple de lames minces élastiques situées dans un plan passant par l'axe du barreau et reliant l'amie du barreau à l'encastrement. 5. Corps d'épreuve selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites lames prévues aux deux extrémités du barreau sont situées respectivement dans deux plans décalés de 90C l'un par rapport à l'autre. 6. Corps d'épreuve selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone est constituée par une masse de matériau élastomère interposée entre l'extrémité du barreau et l'encastrement. 7. Balance dynamométrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les corps d'épreuve qu'elle comporte sont réalisés selon l'une au moins des revendications 2 à 6. 8. Balance selon la revendication 7 et la revendication 3, caractérisée en ce que le diamètre de la zone amincie donne la qualité du découplage, compte-tenu de la gamme d'efforts ou de fréquences à mesurer. 9. Balance selon l'une quelconque des revendications 1, 7 et 8, caractérisée en ce que pour assurer la compacité de l'appareil, les barreaux sont entièrement logés à l'intérieur du massif. 10. Balance selon l'une quelconque des revendications 1,7 et 9, caractérisée en ce qu'à chaque barreau est associé au moins un moyen de mesure des sollicitations qu'il subit, choisi entre les jauges de contraintes, les capteurs monodirectionnels à céramique ou quartz, les capteurs de proximité et analogues. 11. Balance selon la revendication 10, caractérisée en ce que le moyen de mesure est constitué par une jauge collée sur le barreau lui-même sur une portion du barreau dite "section de mesure". 12. Balance selon la revendication 11, caractérisée en ce que la section de mesure du barreau est de forme tubulaire évidée. 13. Balance selon la revendication 12, caractérisée en ce que l'évidement de ladite section tubulaire permet d'ajuster la balance sur une gamme d'efforts, de sensibilités ou de fréquences fonction de son utilisation.