Brevet FR2614101A1 — publié le 19881021

La présente invention est du domaine des mesures physiques, et plus particulièrement dcs mesures des six composantes qui caractérisent les actions mécaniques entre deux solides (relativement aux axes d'un repère cartésien trehQgnnal). On connaît notamment par un brevet FR 2.503.864, mais aussi par les brevets FR 2.124.790, 2.595.917, 2.551.560, US 4.171.641, 3.272.006 et 3.427.875, de dispositifs de mesures essentiellement constitués de deux parties concentriques reliées par des barreaux flexibles pourvus de jauges d'extensométrie destinées à mesurer électriquement, généralement par déséquilibrage de ponts, les déformations des barreaux. Dans de nombreux cas les dispositifs du type précité sont destinés à la mesure des efforts auxquels sont soumises les roues des véhicules. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif, ou capteur, destiné à la mesure des six composantes d'un torseur comprenant les trois composantes d'une force suivant les trois axes du repère cartésien et les trois couples autour de ces axes, de telle sorte que puissent être mesurées de façon précise et différenciée des forces ou des moments de couples aussi complexes que ceux ou leurs réactions, engendrés par les déplacements des différentes parties d'un corps humain, ou animal en cours d'effort. Selon la présente invention un dispositif du type comprenant deux parties reliées l'une à 1' autre par des barreaux flexibles pourvus de jauges d'extensométrie est caractérisé d'une manière générale en ce que la relation entre lesdites première et deuxième parties est réalisée par le moyen d'une pièce intermédiaire solidaire d'une double pluralité desdits barreaux, les barreaux de la première pluralité ont leurs axes longitudinaux parallèles, les barreaux de la deuxième pluralité sont coplanaires et deux à deux colinéaires, les axes définis par chaque couple de barreaux sont orthogonaux et se rencontrent en un point en lequel une perpendiculaire au plan des axes des barreaux de la seconde pluralité constitue un axe de symétrie pour l'ensemble des barreaux, deux barreaux de la première pluralité et deux barreaux colinéaires de la seconde pluralité sont coplanaires, et les barreaux de chacune des pluralités relient ladite pièce intermédiaire respectivement aux dites première et seconde pièce desquelles les barreaux sont aussi solidaires. De préférence, la première pièce a la forme d'un disque axé sur ledit axe de symétrie, la seconde pièce est composée d'un disque et d'un pilier central axés l'un et l'autre sur ledit axe de symétrie, les barreaux étant solidaires du pilier central, et enfin la pièce intermédiaire est une couronne axée sur ledit axe de symétrie, entourant sensiblement ledit pilier et située à sensiblement égale distance des deux premières pièces. De préférence encore lesdites première et deuxième pluralités de barreaux sont chacune égale à quatre. Suivant une caractéristique secondaire de l'invention, chaque barreau est composé d'une partie médiane de section rectangulaire. Suivant une autre caractétistique secondaire, les barreaux, la pièce intermédiaire, la première pièce et la seconde pièce étant des parties distinctes, les barreaux ont des extrémités cylindriques logées dans des alésages cylindriques correspondant de la première pièce, de la pièce intermédiaire et de la deuxième pièce. Suivant une autre caractéristi o, , ne perppnfliculnire R une face de chacun des barreaux de la première pluralité rencontre ledit axe de symétrie et est coplanaire à l'axe longitudinal des barreaux dc seconde pluralité, et une face de chacun des barreaux de la seconde pluralité est coplanaire avec une face de chacun des autres barreaux de la pluralite. Suivant une autre caractéristique, la section de la partie médiane des barreaux est carrée. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la longueur L/2 de la partie médiane d'un barreau est égale à la distance séparant les deux extrémités ou encastrements dits intérieurs de deux barreaux colinéaires de la première pluralité. Un premier intérêt de cette caractéristique est que la réponse du dispositif est à la fois linéaire et précis.Un deuxième intérêt est d'assurer l'homogénéité des déformations comme cela ressort bien du raisonnement mathématique suivant, à suivre en relation avec les figures 5a, 5b, et 5c, dans lequel on a - M : moment d'encastrement, - T : réaction d'encastrement normale à I - E : module de YOUNG du matériau, - I : moment d'inertie d'un barreau par rapport à son axe de symétrie qui, dans ce cas, est la fibre neutre, - C : couple applique au corps d'épreuve, - Mt : moment fléchissant, - L/2 : longueur active du barreau, - B : distance cherchée entre encastrements. Partant de l'expression générale donnant le moment fléchissant dans le corps d'épreuve soumis à l'action d'un couple Mt = M - T.x Etude de l'équation de la déformée Première intégration En x=O, on a y'=O donc À=O Deuxième intégration En x=O, on a y=O donc e=o Equation générale de la déformée Valeur de la flèche en D c'est-à-dire pour x = L/2 Valeur de la déformation angulaire en D, c'est-à-dire pour x = L/2 sachant que on obtient La statique fournit une équation :: En résolvant (1) et (2), nous tirons En reportant ces valeurs, nous obtenons le moment fïéchis- sant Mt = M - T.x Pour que les déformations en A et D soient égales et homogènes, il faut et il suffit que les moments fléchissants en A et D soient égaux. A l'encastrement A, nous avons x = 0 A l'encastrement D, nous avons x = L/2 Nous obtenons donc une relation géométrique entre B et L Mt = Mt CD > CL - 3B > = (3B - 2L > B = L/2 Suivant une autre caractéristique, les jauges d'extensométrie sont disposées par paire sur au moins une face de certains barreaux, les jauges de clique paire etant implantées chacune au voisinage d'un encastrement Enfin suivant une autre carac éristique de l'invention, aii moins deux pièces en relation l'une avec 1 'autre, de 1'ensemble des pièces comprenant la pluralité de barreaux, la première pièce, la pièce intermédiaire et la seconde pièce, forment une pièce unique. La présente invention sera mieux comprise et des détails en relevant apparaitront à la description qui va être faite d'une forme particulière de réalisation avec les figures des planches annexées dans lesquelles - la fig.l est une coupe axiale d'un dispositif e de 1' invention, - la fig.2 est une vue de dessus d'un dispositif de I 'inv'ntion sans la première partie 1 en forme de disque, - la fig.3 est une illustration de la situation des jauges sur le corps de mesure, à lire avec les montages des figures ci-après, - les fig.4 à 4f sont des schémas préférentiels de montage électrique des jauges en pont dc Wheatstone pour les forces et les couples le long et autour des axes du repère cartésien, et - les fig.Sa, 5h, 5c sont des schémas permettant de suivre le raisonnement mathématique développé plus haut. Sur les fig.1 et 2, un disposi- tif de l'invention est composé d'une première partie 1 en forme de disque, d'une deuxième part; @ constituée d'un disque 2' solidaire de piliers tels quU 2", d'une partie intermédiaire 3 en forme de couronne cylindrique et de huit barreaux tels que 4 et 5. Quatre des barreaux tels que 4 d'axe 7 parallèle à l'axe 6 de l'ensemble relient la partie 1 à la partie intermédiaire 3 tandis que quatre barreaux tels que 5 d'axc R perpendiculaire à l'axe 6 relient la partie intermédiaire 3 aux piliers 2" de ladite deuxième partie 2. Les axes 8 se rencontrent cn un point 6'. Les barreaux 4 et 5 sont constitués de deux extrémités cySindriques le et 13 et d'une partie intermédiaire à section carrée 11 ; ils sont semblables les uns aux autres. Leur extrémité cylindrique permet aux barreaux d'être logés flans des alésages cylindriques 18, 17, I6 et 15 respectivement de la première partie 1, de la partie intermédiaire 3 et du pilier 2"', de la deuxième partie 2. Les ctréleitEs cylindriques sont maintenues dans les alésages soit par emmanchement à chaud ou à froid, soit par collage ou soudage, soit par le moyen de vis ou de goupilles ou de manchons de serrage, soit par tout autre moyen approprié à la nature des matériaux constitutifs des éléments du dispositif. On notera que le pilier 2"' constitué dans le cas d'espèce de quatre blocs peut être encore un cylindre monobloc avec le disque 9" ou encore a r 1' toute autre structure équivalente. Sur les figures 1 et 2 plus particulièrement, on remarque qu'une perpendiculaire à l'une des faces, contenue dans le plan 20, d'un barreau 4, coupe l'axe 6 de symétrie du dispositif, cette perpendiculaire étant parallèle à l'axe 8 de l'un des barreaux 5. Sur les fig.I et 2 plus particulièrement, on remarque que les barreaux 5 ont une face contenue dans le plan 19 perpendiculaire à l'axe 6 et au plan 20 ; on remarque aussi sur cette figure que la partie intermédiaire 3 est située à sensiblement égale distance de la partie 1 et de la partie 2 ; on doit encore noter que, bien que l'on ait représenté le dispositif avec sa partie 2 au-dessus de la partie I, il peut être utilisé dans n importe quelle position ; les disques de ces parties comporteront des alésages, ou autres moyens non représentés, de fixation à une structure de référence et au solide soumis à la mesure. Sur les fig.5a, 5b et 5c, on a représenté la poutre ADFB soumise à un couple C afin d'illustrer le calcul de la déformée et d'étudier la relation entre L et B suivant le raisonnement mathématique établi plus haut. Sur les fig.3 et 4 illustrant la situation des jauges sur les barreaux et leur câblage, on notera cette les nlíméros de référence sont distincts des numéros précédemment utilisés avec lesquels, ils n'ont aucun rapport ; on notera aussi que la situation des jauges est représentée de façon symbolique sous forme de petits rectangles : certains de ces rectangles en trait plein indiquent que la jauge est placée sur la face apparente du barreau, tandis que d'autres en pointillés indiquent que la jauge est placée sur la face opposée, par exemple inférieure pour les barreaux horizontaux tels que les barreaux 5 précités, ou sur une face extérieure pour les barreaux verticaux tels que les barreaux 4 précités.Les références de la fig.3 correspondent bien entendu avec celles de la fig.4 et les schémas de cablage en pont de Wheatstone sont parfaitement compréhensibles pour 1 'électronicien. A titre indicatif, d'excellents résultants ont été obtenus avec une disposition de jauges et de câblages tel que celle des fig.3 et 4 et avec les indications suivantes : pour le matériau constitutif tant des parties 1,2 et 3 que des barreaux, on a choisi l'acier w0 NCD 6, nuance FDMA d'Aubert et Duval présentant une résistance de 130 c3aN/mm2, une limite élastique à 0,2 % de 115 daN/mm2 et un module (: @oung ou Eo?il c d 'él tacite longitudinale de 21000 daN/mm2 ; pour les jauges électriques d'extensométrie, on a choisi la jauge type EA 06 125 A 350 de Wishay-Micromesure, d'une résistance de 350 Ohms et d'un facteur de jauge de l'ordre de 2 ; l'alimentation est de 3 V continu. On notera que le dispositif de l'invention peut être réalisé dans des dimensions très variables allant. de quelques centimètres à plusieurs dizaines et d'une masse de quelques grammes à quelques dizaines, voir centaines de lilogrrammes. L í invention trouvera des applications avantageuses dans le mesure de la plupart des phénomèmes statiques et dynamiques du domaine des sports, de l'automobile, de l'aéronautique, des études sismiques, de la robotique, etc... Bien que l'on ait décrit et représenté une forme particulière de réalisation de l'inven- tion, il doit être compris que la portée de cette dernière n'est pas limité à cette forme mais qu'elle s'étend à tout dispositif de mesure comportant les caractéristiques généra- les énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1.- Dispositif destiné à la mesure des six composantes (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz) d'un torseur par rapport aux axes orthogonaux du repère cartésien, ledit dispositif étant du type comprenant deux parties reliées l'une à l'autre par des barreaux flexibles pourvus de jauges d'extenso symétrie, caractérisé en ce que - la relation entre lesdites première (1) et deuxième (2) parties est réalisée par le moyen d'une pièce intermédiaire (3) solidaire d'une double pluralité des dits barreaux (4,5) - les barreaux (4) de la première pluralité ont leurs axes longitudinaux (7) parallèles, - les barreaux (5) de la deuxième pluralité sont copla naires et deux à deux colinéaires, les axes (8) définis par chaque couple de barreaux sont orthogonaux et se rencontrent en un point (6') en lequel une perpendicu laire (6) au plan des axes (8) des barreaux (5) de la seconde pluralité constitue un axe de symétrie pour l'ensemble des barreaux, - deux barreaux de la première pluralité et deux barreaux colinéaires de la seconde pluralité sont copla naires, et - les barreaux de chacune des pluralités relient ladite pièce intermédiaire respectivement aux dites première et seconde pièce desquelles les barreaux sont aussi soli daires 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première pièce (1) a de préférence la forme d'un disque axé sur ledit axe de symétrie (6), en ce que ladite seconde pièce (2) est composée de préférence d'un disque (2") et d'un pilier central (2"') axés l'un et 1 'autre sur ledit axe de symétrie (6), les barreaux étant solidaires du pilier central, et en ce que ladite pièce intermé diaire (3 > est de préférence une couronne axée sur ledit axe de symétrie (6), entourant sensiblement ledit pilier (2"') et située à sensiblement égale distance des deux premières pièces 3.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième pluralités de barreaux sont chacune égale à quatre 4.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque barreau (4,5) est composé d'une partie médiane (11) de section rectan gulaire 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les barreaux, la pièce intermédiaire, la première pièce et la seconde pièce étant des parties distinctes, les barreaux ont des extrémités cylindriques (12,13) logées dans des alésages cylindriques (15,16,17,18) correspondant de la première pièce, de la pièce intermédiaire et de la deuxième pièce 6.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé :: en ce qu'une perpendiculaire à une face de chacun des barreaux (4) de la première pluralité rencontre ledit axe de symétrie (6) et est coplanaire à l'axe longitudinal (8) des barreaux (5) de la seconde pluralité, et en ce qu'une face de chacun des barreaux (5) de la seconde pluralité est coplanaire avec une face de chacun des autres barreaux de la pluralité 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce nus section de ladite partie médiane (11) des barreaux est carrée 8.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur L/2 de la partie médiane (11) d'un barreau (4,5) est égale à la distance B séparant les deux extrémités ou encastrements dits intérieurs de deux barreaux colinéaires de la première pluralité, d'où il résulte que la réponse du dispositif est à la fois linéaire et précis 9.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que des jauges d'extenso métrie sont disposées par paire sur au moins une face de certains barreaux, les jauges de chaque paire étant implantées chacune au voisinage d'un encastrement 10.-Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins deux pièces en relation l'une avec l'autre, de l'ensemble des pièces comprenant la pluralité de barreaux, ladite première pièce, la pièce intermédiaire et ladite seconde pièce, forment une pièce unique.