Brevet FR2681687A1 — publié le 19930326

Le dynamomètre suivant l'invention concerne la mesure des forces de réaction s'exerçant dans un plan sur un solide. Ce dynamomètre est plus particulièrement conçu pour la modélisation des conditions d'équilibre statique d'un solide soumis à un système de charge composé de forces et/ou de couples. On connaît les dynamomètres à ressort hélicoïdal qui sont principalement utilisés pour la mesure de forces s'exerçant dans l'axe du ressort. Ces dynamomètres conviennent plus particulièrement pour la mesure des forces s'exerçant verticalement et ne peuvent mesurer une force que si l'axe du ressort se confond avec celui du vecteur-force. De tels dynamomètres s'appliquent mal à l'étude statique de l'équilibre d'un solide car les changements d'orientation des forces s'exerçant sur le solide dans un plan, entraînent un changement d'orientation de l'axe du ressort hélicoïdal et donc un déplacement important de ce solide. On a recherché la possibilité de réaliser un dynamomètre permettant la mesure de forces s'exerçant dans une direction quelconque dans un plan déterminé, et permettant aussi la mesure de couples s'exerçant autour d'un axe perpendiculaire à ce plan, sans que ces forces et/ou les couples n'entraînent un déplacement notable d'un solide soumis à leur action. On a recherché plus particulièrement la possibilité de réaliser un dynamomètre permettant l'étude des forces et des couples s'exerçant dans un plan horizontal sur un solide en vue de déterminer ses conditions d'équilibre statique par rapport à un système de coordonnées comportant deux axes perpendiculaires situés dans un plan parallèle à ce plan horizontal de travail. On a recherché enfin la possibilité d'utiliser les caractéristiques de tels dynamomètres pour la réalisation de bancs d'étude permettant la modélisation des actions mécaniques exercées par au moins une force et/ou au moins un couple sur un solide dans des conditions quasi statiques. Le dynamomètre suivant l'invention, ainsi que le banc d'étude qui le met en oeuvre, permettent d'atteindre l'ensemble de ces résultats. Ce dynamomètre est constitué par une poutre dynamométrique rectiligne qui comporte un composant allongé, déformable élastiquement, lequel est solidarisé à chaque bout avec une pièce d'extrémité indéformable. Le composant allongé est constitué par plusieurs tiges de mêmes caractéristiques et dimensions, d'un métal ou alliage métallique ayant, de préférence, une haute limite élastique, les tiges étant parallèles à un axe et réparties autour de lui. L'une des deux pièces d'extrémité est prévue pour être solidarisée avec un moyen support fixe, l'autre étant apte à être soumise à l'action d'une force, s'exerçant dans une direction quelconque dans un plan perpendiculaire à l'axe du composant allongé. Ce composant allongé, en forme de poutre- cage, comporte avantageusement quatre tiges parallèles à l'axe et réparties autour de celui-ci. Ces tiges sont équidistantes de cet axe et équi-distantes entre elles. De préférence, elles sont de section circulaire ou polygonale régulière. Chacune de ces tiges est solidarisée avec chacune de ces pièces d'extrémité de façon à ce qu'elle se comporte par rapport à elle comme une poutre encastrée. On constate dans ces conditions qu'en exerçant une force transversale sur la pièce d'extrémité libre du dynamomètre, dans une direction quelconque, dans un plan perpendiculaire à son axe, sans dépasser la limite élastique des tiges qui constituent la poutrecage, le déplacement transversal de cette pièce d'extrémité est fonction uniquement de l'intensité de la force exercée et non de son orientation autour de l'axe. Au cours de ce déplacement transversal, l'axe de la pièce d'extrémité reste sensiblement parallèle à celui de l'autre pièce d'extrémité solidaire du moyen support fixe. En limitant le déplacement élastique transversal de l'extrémité libre du dynamomètre à quelques pour cent de la longueur de l'axe du composant allongé, la distance entre cette extrémité libre et le plan de base n'est réduite que de façon très faible. Dans la pratique, pour les expériences de modélisation des équilibres statiques du solide sous l'action de systèmes de forces et/ou de couples, on observe des déplacements limités dans le plan d'action de ces forces ou couples et des déplacements encore bien plus faibles dans une direction perpendiculaire, déplacements qui peuvent être considérés le plus souvent comme négligeables. Afin de mesurer avec précision les forces ou couples exercés sur les dynamomètres, on utilise des moyens de mesure précis du déplacement élastique transversal des pièces d'extrémité libres de ceux-ci. On utilise avantageusement des comparateurs mécaniques dont le déplacement de la tige de mesure est assuré par une faible poussée élastique, de l'ordre de, par exemple, 0,1 à 0,2 N. dynamométrique peuvent être envisagés, tels que, par exemple, des moyens optiques, électriques ou autres, permettant de mesurer de faibles déplacements avec une précision élevée. Pour éviter les déformations du composant allongé au delà de sa limite élastique, on met en place, de préférence, autour du dynamomètre, un moyen limiteur de déplacement transversal permettant d'empêcher ce déplacement au delà d'une distance déterminee par raport à l'axe. Ce moyen limiteur est avantageusement constitué par un tube de section circulaire dont l'axe correspond à celui du dynamomètre au repos, tube qui est solidarisé à l'une de ses extrémités avec le moyen support fixe, dans une zone annulaire entourant le dynamomètre, et dont la longueur est telle qu'il vient entourer la pièce d'extrémité, apte à se déplacer transversalement, sur une partie de sa hauteur. Le jeu entre cette pièce d'extrémité et la paroi du tube est déterminé de façon à ce qu'elle ne vienne en appui contre le tube, pour un déplacement transversal dans une direction quelconque autour de l'axe du composant allongé, que sous l'action d'une force dont l'intensité est au moins egale à la limite supérieure des forces qu'on se propose de mettre en oeuvre dans les expériences de modélisation. Les expériences de modélisation concernant l'équilibre statique des solides font le plus souvent appel à plusieurs dynamomètres suivant l'invention. On met avantageusement en oeuvre un moyen support fixe en forme de plaque support dont la face supérieure plane et sensiblement horizontale comporte deux échelles de coordonnées orthogonales et un réseau d'emplacements permettant de positionner un ou plusieurs dynamomètres suivant l'invention en des points ayant des coordonnées bien définies par rapport à ces échelles. On peut ainsi utiliser pour simuler un solide indéformable, une poutre rectiligne disposée horizontalement au dessus de la plaque de base. On peut relier par exemple les deux extrémités de cette poutre horizontale à deux dynamomètres suivant l'invention dont l'axe du composant allongé est perpendiculaire au plan horizontal de la plaque de base. On peut alors appliquer à cette poutre horizontale, en différents points et suivant différentes directions dans un plan parallèle à celui de la plaque de base, des vecteurs-force d'intensités diverses. Ces vecteurs-force sont par exemple matérialisés par des fils reliés en des points déterminés de la poutre horizontale, tendus dans un plan parallèle à celui de la plaque de base et reliés par des poulies de renvoi à des poids déterminés. Les déviations transversales de chacun des deux dynamomètres sous l'action des forces mises en jeu sont couramment déterminées par mesure des deux composantes de la déviation suivant deux axes orthogonaux correspondant par exemple aux axes de coordonnées que comporte la plaque support. Des courbes d'étalonnage de ces dynamomètres permettent à partir de ces déviations de déterminer les intensités des vecteurs-force correspondants. On peut aussi faire agir un ou plusieurs couples sur le solide constitué par cette poutre horizontale en calant en un point quelconque de celle-ci un palonnier intersectant en son milieu à angle droit un axe perpendiculaire au plan de travail des forces, un couple de forces égales parallèles et de sens contraire étant appliqué aux extrémités des deux bras égaux de ce palonnier. Pour certaines combinaisons de forces et/ou de couples appliquées à un solide, on peut effectuer la modélisation au moyen de deux poutres horizontales, en T dans un même plan. Les trois extrémités de cet assemblage peuvent alors venir en appui sur trois dynamomètres, suivant l'invention, à axe vertical au repos. Un tel assemblage permet l'étude de l'équilibre statique d'un système complexe de forces et de couples agissant sur un solide indéformable dans un plan. Le dynamomètre suivant l'invention peut aussi être mis en oeuvre pour la mesure de forces de direction quelconque ayant une composante s'exerçant dans un plan perpendiculaire à l'axe de ce dynamomètre. On peut en particulier concevoir l'utilisation de tels dynamomètres pour la mesure de forces aérodynamiques, hydrauliques, ou autres. On peut ainsi réaliser une balance aérodynamique comportant au moins un tel dynamomètre. Une telle balance aérodynamique s'applique en particulier à la modélisation des forces et/ou couples appliqués à des solides par des fluides en déplacement. Les figures et l'exemple ci-après décrivent, de façon non limitative, un mode de réalisation du dynamomètre suivant l'invention ainsi qu'un mode de réalisation d'un banc d'étude permettant la modélisation de systèmes de forces et/ou de couples appliqués à des solides et incorporant des dynamomètres suivant l'invention. La figure 1 est une vue en élévation du dynamomètre suivant l'invention, utilisé pour l'étude des forces s'exerçant sur une poutre prenant appui sur un tel dynamomètre. La figure 2 est une vue suivant le plan de coupe A - A de la figure 1 montrant les 4 tiges, de section circulaire, dont est constitué le composant allongé circulaire, dont est constitué le composant allongé formant poutre-cage du dynamomètre suivant l'invention. La figure 3 montre, vue de dessus, la disposition des deux comparateurs mécaniques mesurant les deux composantes orthogonales du déplacement transversal de la pièce d'extrémité du dynamomètre soumise à la poussée du système de forces et/ou de couples s'exerçant sur la poutre reliée à ce dynamomètre. La figure 4 est une vue d'ensemble de dessus d'une plaque support sur laquelle est monté un assemblage en T de deux poutres horizontales rectilignes, assemblage supporté par trois dynamomètres suivant l'invention et soumis à l'action d'un système de forces et de couples. Comme le montrent les figures 1 à 3, le dynamomètre suivant l'invention comporte un composant allongé 1 formant poutre-cage qui comprend quatre tiges 2, 3, 4, 5 équi-distantes par rapport à l'axe X1-X1 et équidistantes entre elles. Dans le cas du présent exemple, ces tiges sont en fil d'acier à ressort de 2 mm de diamètre traité pour une limite élastique d'au moins 900 N/mm2. Les pièces d'extrémité 6, 7 de section circulaire, métalliques également, comportent des logements tels que 6A, 6B, 7A, 7B dans lequels sont encastrées les extrémités de ces tiges 2, 3, 4, 5 de façon à les solidariser avec ces pièces 6, 7 qui doivent demeurer indéformables dans les conditions d'utilisation. La pièce d'extrémité inférieure 7 du dynamomètre est solidarisée, par exemple, par vissage, avec la plaque de base 8 sur laquelle on assemble la structure permettant de modéliser l'action de forces et/ou de couples s'exerçant sur un solide. La pièce d'extrémité supérieure 6 de ce dynamomètre est solidarisée avec une poutre rectiligne 9 montée parallèlement à la plaque de base 8, poutre qui, comme le montre la figure 4, est assemblée en T avec un tronçon de poutre 14, l'ensemble reposant sur trois dynamomètres dont on voit les pièces d'extrémité supérieures 6, 10, 11. Chacun de ces dynamomètres est contrôlé par deux comparateurs mécaniques tels que 12, 13 (voir Fig. 1, 3 et 4) disposés orthogonalement pour mesurer les deux composantes de la déviation transversale de la pièce d'extrémité supérieure 6, 10, 11 sous l'action de forces s'exerçant sur l'assemblage en T qui modélise le solide. Comme le montre la figure 4, on applique à la structure constituée par les deux poutres en T, 9, 14 des forces F1, F2, F3 orientées dans un plan parallèle à la plaque de base, 8, au moyen de fils 15, 16, 17 accrochés à des points d'attache prévus le long de ces poutres. Des poulies de renvoi 18, 19, 20 à axes horizontaux tels que X2-X2, X3-X3, X4-X4 permettent d'appliquer à ces fils des poids, non représentés, correspondant aux forces qu'il s'agit d'appliquer en ces points d'attache. Des palonniers tels que 25 permettent d'exercer des couples dans le même plan que les forces F1, F2, F3 sur la même structure en T 9, 14. Les couples sont réalisés de la même façon que les forces F1, F2, F3 au moyen de fils 26, 27 reliés aux extrémités de palonniers tels que 25, orientés parallèlement et en sens inverse dans le même plan que les forces F1, F2, F3 et tendus par des poids égaux, non représentés, au moyen de poulies de renvoi 28, 29 qui exercent ainsi des forces C1 et C2 égales et de sens contraire aux extrémités de ce palonnier 25. Un tel banc permet de réaliser une grande variété de combinaisons de vecteurs-force et de couples agissant sur une structure simulant un solide indéformable, les dynamomètres suivant l'invention permettant de déterminer la résultante de ces forces et de ce ou ces couple(s). L'utilisation de comparateurs mécaniques tels que ceux 12, 13 représentés figure 3, dont la tige de mesure 30, 31 vient en appui tangentiel contre la paroi de révolution de la pièce d'extrémité 6, permet la mesure du déplacement transversal de l'extrémité supérieure 6 du dynamomètre par rapport à l'axe tel que X1-X1 et donc la détermination des forces qui s'exercent sur ce dynamomètre. Comme on le voit aux figures 1 et 3, chaque comparateur tel que 12, 13 est porté par une tige fixe 32,33 solidaire de la plaque de base 8. Les tiges de mesure telles que 30, 31 viennent en appui contre la paroi de révolution de la pièce d'extrémité telle que 6 du dynamomètre sous l'action d'une force qui peut être par exemple de 0,1 à 0,2 N. On peut mesurer ainsi des déplacements transversaux de la pièce d'extrémité 6, 10, 11 d'un tel dynamomètre de plusieurs mm qui correspondent à des forces s'exerçant dans la direction considérée pouvant atteindre plusieurs daN. La sensibilité de la mesure de déplacement est couramment de l'ordre de 0,01 mm environ. D'autres modes d'utilisation du dynamomètre suivant l'invention peuvent être envisagés. Ce dynamomètre peut être mis en oeuvre chaque fois qu'il s'agit de mesurer une force s'exerçant dans une direction quelconque dans un plan déterminé. Le composant allongé 1 de ce dynamomètre, formant poutre-cage, peut comporter un nombre plus ou moins grand de tiges rectilignes parallèles, réparties autour de cet axe (le nombre est au moins égal à trois). Suivant les applications, la section et la longueur de ces tiges peuvent être ajustées en fonction de l'intensité des forces qui doivent entrer en action et en fonction de la sensibilité de mesure qu'on désire obtenir. De préférence, on cherche à travailler dans le domaine où il y a une relation sensiblement linéaire entre la force appliquée et le déplacement transversal de la pièce d'extrémité du dynamomètre. Dans le cas de l'exemple des figures 1 à 4, le composant allongé formant poutre-cage du dynamomètre suivant l'invention, a une longueur de 90 mm mesurée entre les pièces d'extrémité 6, 7 et les quatre tiges, telles que 2, 3, 4, 5 en acier à ressort de limite élastique d'environ 900 à 1100 MPa et de 2 mm de diamètre, sont disposées en carré avec une distance entre axes de 10 mm. Dans ces conditions, la déviation transversale de la pièce d'extrémité libre du dynamomètre sous l'action d'une force s'exerçant dans un plan perpendiculaire à l'axe de la poutre cage au repos est de l'ordre de 1 mm par daN tant que le déplacement total ne dépasse pas quelques mm. On remarque que la section totale transversale des 4 tiges constituant la poutre cage est de 3,14 mm2. Le diamètre du cercle circonscrit à ces tiges est 7200 = 14,14 mm et la surface de ce cercle circonscrit est de 157 mm2. Afin d'éviter que l'un de ces trois dynamomètres soit soumis à des contraintes transversales dépassant sa limite élastique, chacun d'eux est entouré, comme le premier (voir figures 1, 2, et 3) d'un moyen limiteur de déplacement transversal constitué par un tube vertical tel que 40 dont l'axe correspond à celui de la poutre-cage en l'absence de déviation. Le tube tel que 40 a une longueur suffisante pour, étant solidarisé avec la plaque support 8 par des pattes d'attache telles que 41, 42, dépasser légèrement la base de la pièce supérieure d'extrémité 6, 10, 11, afin que celle-ci vienne en appui contre son bord intérieur lorsque le déplacement transversal de cette pièce d'extrémité 6, 10, 11 atteint une valeur limite à ne pas dépasser. On peut par exemple déterminer le diamètre intérieur de ce tube limiteur de déplacement tel que 40 de façon à ce que la force à exercer sur le dynamomètre pour que son déplacement transversal l'amène au contact du tube par sa pièce d'extrémité supérieure telle que 6, 10, 11, ne dépasse pas par exemple 20 % de la limite élastique des tiges telles que 2, 3, 4, 5. De très nombreuses autres modifications ou adaptations du dynamomètre et du banc d'étude de modélisation, qui font l'objet de l'invention, peuvent être effectuées qui ne sortent pas du domaine de l'invention. De même, ainsi que cela a été précisé dans la description générale, le dynamomètre suivant l'invention peut s'appliquer à la mesure de forces aérodynamiques, hydrauliques ou autres. Il peut convenir en particulier à la réalisation de balances aérodynamiques. De telles balances peuvent permettre en particulier la modélisation des forces et/ou des couples exercés sur des solides par des fluides en déplacement. REVENDICATIONS 1) Dynamomètre permettant la mesure de forces par déformation élastique d'un composant métallique caractérisé en ce qu'il est constitué d'une poutre orientée suivant un axe (X1 - X1), comportant un composant allongé (1) déformable élastiquement comprenant plusieurs tiges (2, 3, 4, 5) d'un métal ou alliage métallique à haute limite élastique, parallèles à l'axe et réparties autour de lui, cette poutre comportant deux pièces d'extrémité indéformables (6, 7) avec lesquelles sont solidarisées chacune des tiges, l'une (7) de ces deux pièces d'extrémité étant solidaire d'un moyen support fixe 8 et l'autre étant apte à être soumise à l'action d'une force s'exerçant dans une direction quelconque dans un plan perpendiculaire à l'axe de la poutre dynamométrique 1 au repos, au moins un moyen de mesure (12, 13) étant disposé de façon à déterminer au moins une composante du déplacement transversal de cette pièce d'extrémité 6 par rapport à sa position au repos sous l'action de cette force. 2) Dynamomètre suivant revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte quatre tiges (2, 3, 4, 5) équidistantes de l'axe (X1 - X1) de la poutre et équidistantes entre elles en l'absence de contraintes transversales. 3) Dynamomètre suivant revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que les tiges (2, 3, 4, 5) sont de section circulaire. 4) Dynamomètre suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le moyen de mesure permettant de déterminer au moins une composante du déplacement transversal de la pièce d'extrémité est un comparateur mécanique (12, 13). 5) Dynamomètre suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'un limiteur de débattement (40) est disposé autour du dynamomètre de façon à ce que les déplacements transversaux de son extrémité libre 6 ne dépassent pas le domaine de déformation élastique de ce dynamomètre. 6) Dynamomètre suivant revendication 5 caractérisé en ce que le limiteur de débattement 40 est un tube disposé coaxialement par rapport au dynamomètre, une extrémité de ce tube étant solidaire du moyen support fixe (8) comme la pièce d'extrémité correspondante (7) du dynamomètre, l'autre extrémité de ce tube entourant sur une partie de sa hauteur l'autre pièce d'extrémité 6 du dynamomètre en laissant un jeu suffisant pour son déplacement transversal dans le domaine élastique d'utilisation. 7) Dynamomètre suivant revendication 6 caractérisé en ce que le jeu disponible pour le déplacement transversal de la pièce d'extrémité supérieure (6) du dynamomètre est tel que la force à exercer sur le dynamomètre pour que le déplacement transversal de sa pièce d'extrémité supérieure (6) amène celle-ci au contact du tube (40) ne dépasse pas 20 % de la limite élastique des tiges (2, 3, 4, 5) constituant le composant allongé (1) déformable élastiquement. 8) Banc d'étude permettant la modélisation des actions mécaniques exercées sur un solide (9) dans un plan sensiblement horizontal par au moins une force ou au moins un couple d'intensité et de direction quelconque caractérisé en ce qu'il comporte au moins une poutre rectiligne, solidarisée en deux points avec les pièces d'extrémité libres (6, 10) de deux dynamomètres suivant l'une des revendications 1 à 6 de façon à ce que leurs axes soient, au repos, sensiblement perpendiculaires à une plaque de base rigide avec laquelle sont solidarisées les pièces d'extrémité fixes des deux dynamomètres, des comparateurs disposés suivant deux axes orthogonaux, parallèles au plan de la plaque de base permettant de mesurer les deux composantes du déplacement transversal de la pièce d'extrémité libre de chaque dynamomètre sous l'action des forces et/ou couples auxquels il est soumis. 9) Banc d'étude suivant revendication 8 caractérisé en ce que la poutre rectiligne comporte au moins un palonnier permettant l'application d'un couple. 10) Banc d'étude suivant revendication 8 ou 9 caractérisé en ce qu'il comporte deux poutres rectilignes assemblées en T dans un plan et venant en appui sur trois dynamomètres à axe vertical au repos.