Brevet FR2661246A1 — publié le 19911025

DISPOSITIF DE MESURE D'UN COUPLE SUR UN ARBRE L'invention concerne un dispositif de mesure d'un couole sur un arbre tournant, sur lequel sont montés deux aimants multipolaires fixés en deux sections droites axialement espacées dudit arbre incluant un moyen compteur fixe, sensible au passage des aimants et qui délivre un signal traité proportionnel au couple. L'invention concerne également un dispositif de mesure de la vitesse de rotation de l'arbre et de la puissance transmise par ledit arbre. La publication FR-A-2 626 386 décrit un dispositif dans lequel la position angulaire de chaque aimant est lue par un capteur à sortie de signal en "tout ou rien" et le couple de torsion de l'arbre est mesuré par un déphasaqe des fronts de signaux traités délivrés par l'un et l'autre capteur. L'invention a pour objet de permettre la mesure du couple sur un arbre, m 9 me lorsque ce dernier est bloqué ou lorsque sa vitesse de rotation varie. L'invention a aussi pour objet un dispositif de construction simple et économique qui permet la mesure des petits angles de torsion. Selon l'invention le moyen capteur est situé entre les deux aimants et possède deux élèments détecteurs des champs d'induction magnétique sinusoïdaux fournis par les aimants, dont les centres sont angulairement décalés d'une distance égale au quart de la période desdits champs d'induction. -2 - D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un exemple de réalisation du dispositif faite en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une *vue en coupe longitudinale d'un montage d'application du dispositif sur un arbre tournant portant une liaison élastique constituée par une barre de torsion. La figure 2 a, est une représentation schématique des is composants de mesure au dispositif. la figure 2 b, illustre la répartition des champs magnétiques d'induction devant le moyen capteur. La figure 3, est le diagramme de variation du champ résultant et des champs d'induction magnétique produits par les aimants. La figure 4 a, est le diagramme de variation du champ résultant et des champs d'induction magnétique en concordance de phase. La figure 4 b, est le diagramme de variation du champ résultant et des champs d'induction magnétique en opposition de phase. La figure 5, est le diagramme de variation du champ résultant sous l'effet de différentes valeurs du couple de torsion. La figure 6, est une représentation schématioue du moyen capteur dans le champ macnétiaue résultant. -3- La figure 7, est une courbe des variations du sicnal de sortie en fonction du décalaqe anqulaire de l'arbre. Les figures 8 et 9, sont des diaqrammes de variation du signal de sortie en fonction des variations du couple pour deux valeurs de rèqlaqe de répartition des champs d'induction. Selon la figure 1, un troncon d'arbre 10 est accouplé à un tronçon d'arbre 12 au moyen d'une liaison élastique déformable constituée par une barre de torsion 11 Le tronçon 10 désigné par convention arbre d'entrée est relié à un ornane moteur non représenté Le tronçon 12 désiqné par convention arbre de sortie est relié à un orqane récepteur non représenté La barre de torsion 11 disposée coaxialement et concentriquement aux tronçons 10 et 12 permet la transmission du mouvement de rotation des dits trancons d'arbre et une déformation de torsion de la barre 11 lorsque l'organe récepteur oppose une résistance mécanique à la rotation imposée par l'organe moteur. Le tronçon d'arbre 10 est guidé en rotation par un palier de roulement 13 sur une portée de la barre de torsion 11. Un emmanchement 14 à cannelures avec jeu anqulaire est aménaqé entre l'arbre d'entrée 10 et l'arbre de sortie 12 et permet d'obtenir un libre déplacement angulaire de l'arbre 11 pour un ancle compatible au jeu de l'emmanchement Au delà de cette valeur -4 - d'anale, l'arbre 10 par les flancs des liés en rotation. et l'arbre 12 sont en contact cannelures et sont directement Un palier à billes 20 est monté serré sur l'arbre de sortie 12 et possède une baque intérieure 21 et une baque extérieure 22 La face intérieure 23 de la bague intérieure 21 constitue l'appui d'un aimant multipolaire 40 solidarisé dans une section droite de l'arbre 12 par exemple par collaqe simultanément sur une portée 24 de l'arbre 12 et la face 23 de la bague 21. Un manchon 25 monté à ajustement libre sur l'arbre d'entrée 10 posséde un épaulement 26 de maintien en appui d'un aimant multipolaire 41 solidarisé par exemple par collaqe simultanément contre l'épaulement 26 et une portée 27 usinée sur le manchon 25 dans une section droite de l'arbre 10. L'écartement des en partie donné manchon 25 dont avec la face récepteur. aimants multipolaires 40 et 41 est par la longueur de la portée 27 du la face 28 est en contact qlissant 29 de la portée 24 de l'arbre Le manchon 25 comporte également une liaison d'immobilisation par vis 30 sur l'arbre moteur 10. Un capteur à effet Hall ou à maqnétorésistance 31 est monté sur une plaque support 32 portant les connexions et sorties électriques 33. -5- La plaque support 32 est enchassêe dans un boîtier fixe 35 entre un épaulement 36 du dit boîtier portant en outre un orifice de passage des conducteurs 37 et une entretoise annulaire 38 en appui contre la face de la bague extérieure 22 du palier 20. Le boîtier 35 contient ainsi l'ensemble des aimants , 41, le capteur 31 et le palier 20 et comporte à son extrémité 39 un bord tombé 43 de retenue axiale du palier 20. Le dispositif comporte en outre des joints d'étanchéité 44 et 45 respectivement montés entre la bague 22 et la bague 21 du palier à roulement et entre le boîtier 35 et le manchon 25 qui ferment le boîtier 35. La figure 2 a, représente une vue éclatée de composants de mesure Les aimants 40 et 41 sont réalisés dans un matériau ferromagnétique tel qu'une plastoferrite formée de particules ferromagnétiques et d'un liant plastique Les aimants sont magnétisés de façon identique sur une de leur face 401 et 411 par un procédé connu d'aimantation multipolaire. Les faces magnétiques 401 et 411 sont tournées l'une vers l'autre Le capteur 31 à effet Hall ou à magnétorésistance est placé entre les deux faces 401 et 411 sans contact avec l'une et l'autre des dites faces magnétiques. -6- Chaque aimant 40 et 41 émet un champ magnétique d'induction H 40 et H 41 dans une direction perpendiculaire aux faces 401 et 411. L'induction magnétique H 40 et H 41 mesurée à mi-distance des faces 401 et 411 dans une direction perpendiculaire aux dites faces présente un profil de fonction cyclique sinusoïdale Le capteur 31 mesure la valeur d'induction magnétique résultant de la combinaison du champ d'induction magnétique H 40 et H 41. La figure 3, est une représentation développée des champs d'induction magnétique H 40 et H 41, déphasés d'une valeur S en un point de mesure situé à mi-distance entre les aimants 40 et 41 en fonction de sa position sur une directrice parallèle aux faces 401 et 411. Le champ d'induction magnétique résultant HR en chaque point de la directrice, est éqal à la somme algébrique des champs H 40 et H 41 sinusoïdaux Le champ HR est une fonction sinusoïdale de meme période P que les deux champs H 40 et H 41. La valeur du déphasage magnétique S est réëlée initialement par une rotation du manchon 25 sur l'arbre d'entrée 10 La vis de blocage 30 assure le maintien de ce réglage initial. La figure 4 a, est une représentation développée de deux champs d'induction magnétique H 40 et H 41 en concordance de phase, lorque le déphasaqe S est nul. alei:ui nale A es puaudau d H 4 ue Imnsi J uo 4 Jlnpu,p dwe 4 q al qa alei 4 Iui uoiç sod el suep 9 E 21 4 a O O auqae,p suo Juo Ju sal 4 uawanbt;sele alladdeu TI uo TS Jo 4 ap auquel 'Inu 4 sa aldnoz al anbsiol Inu 4 sa MH anbi 4 %u 6 ew dweq 4 al ( 2/d = S) apoiued-iwap aun V Ie 6 û a 6 eseq 4 dp un V puodsa J Jom uo Ts Uoq ua a 5 elemep al anbsuol 'eb ainbtj el e aipuasgidai alei Du Jfnale A ej el aunaiaue lna Ie Aaun puaid d H:uevlnse anbi 4 pu 6 ew uotqnpui,p dweqm al TH Da O o H uo'4 mnpu I,p sdweq 4 sal au:ua S anbt;,u 6 ew abesedep np uote D_ 4 Tpow aun ued:fnpeu 4 as aaielnûue 4 uawameldep a 3 'I uois-oap a Jq Je,l ap aueipqwja 4 u T, I ed 17:a O siuewte sap au Je Infue 4 uawaze Idep un au 3 eu:ua 2 T aplios ap a q e,p uo 5 uo-; al la O O agiqua,p auqie,p uo 5 uo; al au;ua uoisuo 4 ap aldnon un,p uoie Dz Idde,l 'al Inu alet 4 %u T inale A aun ? anb;pubew a 6 eseqdgp np a 6 e 16 ô np aq;ns el al Inu inale A aun ainsaw ap 4 uiod 4 no% ua siole puaid;ue;Insl S anbiiubew uot 4 npui,p dweqm a 'T H 4 a O o H sdweq D xnap sap anbuo Dlanb un,j ap apotued-twap aun e leba;sa S a 6 eseqdpp az anbsiol 'aseq 4 d ap uo;jlsoddo ua T H a O O H anb T;:ubew uot 4 npui,p sdweq 4 xnap sap apddola App uo I;efuasqidaj aun; sa 'qi aintj e OL -ainsaw ap 4 uiod:no% ua s;uesodwom sdweqz xnap sap un, p unale A el so 04 2 e aleûp &nale A aun S O ole puaud d H Iue;Inseu anbi; u 6 e 5 W uoflmnpui,p dweqm al S 9 'ZT 99 Z La figure 5, représente la variation du champ d'induction magnétique résultant HR pour trois valeurs du couple de torsion avec un réqlaqe initial o S = 0 sans application du couple. Sans application de couple, le champ d'induction magnétique HR garde une valeur de crîte de + 2 b, comme représenté à la figure 4 a L'application d'un couple intermédiaire entraîne une rotation relative des aimants 40 et 41 et se traduit par un déphasaqe 0 valeur nulle. (a) peut prendre toutes les valeurs entre + 2 b et 0, proportionnellement à S tel que O rigidité en torsion de la barre 11. La transformation en siqnaux électriques des variations du champ d'induction magnétique HR en fonction du couple de torsion est réalisée par le capteur 31 Le capteur 31 est constitué de deux éléments sensibles identiques 301 et 302 à effet -9- Hall ou magnétorésistance et délivre des tensions de sortie proportionnelles au champ d'induction magnétique HR qui les traverse. Comme indiqué à la figure 6, les centres CI, C 2 des éléments sensibles 301 et 302 sont situés en quadrature par rapport au champ d'induction magnétique sinusoïdal HR, c'est-à-dire à une distance d = ( 2 N + 1) P/4 l'un de l'autre, "n" étant un nombre entier positif ou nul. La figure 7, représente la variation du signal représentatif du couple mesuré sur arbre tournant. Pour un couple constant exercé sur la barre de torsion 11, accompagné d'une rotation angulaire théta 9 de l'arbre d'entrée 10, de la barre de torsion 11 et de l'arbre de sortie 12, des signaux électriques de tension V 301 et V 302 sont délivrés par chacun des éléments sensibles 301 et 302. L'amplitude de ces signaux par rapport à une constante de tension Vo, sont proportionnels à la valeur du champ d'induction HR qui traverse chacun des éléments Les signaux sont de même amplitude, et ont chacun des variations de même nature, de même période P que la fonction sinusoïdale HR et sont déphasés l'un par rapport à l'autre de P/4. Les signaux sont centrés sur une valeur Vo à laquelle correspond la tension délivrée par l'un ou l'autre des éléments sensibles en l'absence de champ magnétique. A toute valeur de théta B correspond une valeur VI du signal V 301 et une valeur V 2 du signal V 302 et - la moyenne quadratique définie par la relation Vq = l(VI Vo)> + (V 2 Vo)el xf est indépendante de théta e, angle de rotation simultané des arbres , 11 et 12. Par contre, la moyenne quadratique Vq ne dépend que de l'amplitude des signaux V 301 et V 302, donc de la valeur de crête du champ d'induction magnétique HR et de la valeur du couple appliqué entre l'arbre et l'arbre de sortie 12. On notera que Vq peut-être obtenu directement par la mesure des tensions V 1 et V 2 connaissant la valeur Vo, au moyen d'un traitement électronique ou informatique connu. Cette valeur Vq a été reportée dans la figure 7 en prenant Vo pour origine. La relation entre Vq et le couple de torsion Ct appliqué sur l'arbre 11, lorsque le déphasage magnétique initial est réglé à 0, est représentée à la figure 8 Vq varie alors en proportion inverse du couple appliqué. Lorsque le déphasage magnétique initial est fixé à une valeur S P/2, Vq varie alors proportionnellement au couple appliqué, comme représenté à la figure 9. il - REVENDICATIONS 1) Dispositif de mesure d'un couple de torsion appliqué à un arbre ( 10, 11, 12) qui possède O O deux aimants multipolaires, ( 40, 41), fixés en deux sections droites axialement espacées dudit arbre, un moyen capteur ( 31) fixe, sensible au passage des aimants ( 40, 41) et qui délivre un signal de sortie destiné à fournir un signal traité proportionnel au couple de torsion, caractérisé par le fait que le moyen capteur ( 31) est situé entre les deux aimants ( 40, 41) et possède deux élèments ( 301, 302) détecteurs des champs d'induction sinusoïdaux fournis par les aimants ( 40, 41) dont les centres (Cl, C 2) sont angulairement décalés d'une distance (d) égale au quart de la période desdits champs d'induction. 2) Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'un des aimants, ( 40, 41) est porté par un moyen d'ajustement angulaire ( 25). 3) Dispositif de mesure selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'arbre est constitué de manière en soi connue par deux tronçons ( 10, 12) accouplés par un organe ( 11) de liaison élastiquement 12 - déformable et est porté par un palier ( 20) monté dans le boîtier de montage ( 35) porteur du moyen capteur ( 31). 4) Dispositif de mesure selon l'ensemble des revendications 1 à 3 caractérisé par le fait que le boîtier de montage ( 35) contient l'ensemble des aimants ( 40, 41) et le moyen capteur ( 31) est fermé à chaque extrémité par un joint d'étanchéité, ( 44, 45).