Brevet FR2863706A1 — publié le 20050617

Dispositif de mesure de charge sur un palier, palier à roulement et machine à tambour rotatif. La présente invention relève du domaine des dispositifs de mesure de charge mécanique sur un palier, en particulier un palier à roulement. On connaît à cet égard le document DE-A-101 36 438, qui décrit un roulement pourvu de capteurs piézoélectriques montés entre la bague extérieure et le logement de ladite bague extérieure. Les capteurs piézoélectriques présentent l'inconvénient majeur de ne fournir les informations recherchées que lorsque le roulement tourne. Or, de nombreuses applications nécessitent de connaître les charges appliquées sur le roulement indépendamment de la rotation dudit roulement. Par ailleurs, les dispositifs existant à ce jour nécessitent des modifications de la structure du roulement pour l'intégration des capteurs, ce qui est coûteux. Les capteurs peuvent être disposés dans une encoche usinée par enlèvement de copeaux dans la bague extérieure. La fabrication de telles bagues est plus longue et génératrice de déchets. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. L'invention propose une mesure de charge sur un roulement standard, et ce, que le roulement soit en rotation ou non. Le dispositif de mesure de charge sur un palier pourvu de deux bagues dont l'une peut tourner par rapport à l'autre, selon un aspect de l'invention, comprend au moins un condensateur pourvu d'électrodes et d'un isolant disposé entre les électrodes, l'une des électrodes étant formée par une des bagues du palier. L'épaisseur de l'isolant peut varier en fonction de la charge. Le dispositif comprend, en outre, un moyen de mesure de la capacité du condensateur, ladite capacité étant représentative de la charge appliquée perpendiculairement sur les électrodes. On peut ainsi mesurer la charge d'un palier à roulement standard fabriqué en grande série, lors de la rotation du palier ou lors d'une phase stationnaire. On comprend que, avant montage du dispositif de mesure sur le palier, le dispositif de mesure se présente sous la forme d'un sous-ensemble comprenant l'autre électrode, l'isolant et le moyen de mesure de la capacité. Dans un mode de réalisation de l'invention, l'isolant comprend une couche de matériau synthétique. Alternativement, l'isolant peut comprendre une couche de fluide. Avantageusement, l'isolant disposé entre les électrodes est soumis à une pré-charge. On peut ainsi contrôler la déformation de l'isolant en fonction de la charge. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend une pluralité de condensateurs comportant une électrode commune. En d'autres termes, on peut prévoir une pluralité d'électrodes disposées autour de l'isolant lorsque l'isolant est monté autour de la bague extérieure ou dans l'alésage de l'isolant lorsque l'isolant est monté dans l'alésage de la bague intérieure. La détermination de la charge est alors plus précise. On peut également détecter un éventuel balourd lors de la rotation. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend un seul condensateur. L'invention propose également un palier à roulement comprenant deux bagues dont l'une peut tourner par rapport à l'autre, au moins une rangée d'éléments roulants et un dispositif de détection de la charge appliquée au palier. Le dispositif de détection comprend au moins un condensateur pourvu d'électrodes et d'un isolant. L'une des électrodes est formée par une des bagues du palier. L'épaisseur de l'isolant peut varier en fonction de la charge appliquée. Le dispositif de détection comprend, en outre, un moyen de détection de la capacité du condensateur, la capacité étant représentative de la charge. On entend ici par charge la charge mécanique à laquelle est soumis le palier à roulement. Un palier standard peut ainsi être équipé par une opération simple de montage d'un dispositif de mesure. La bague- électrode remplit alors une double fonction, une fonction mécanique de bague et une fonction électrique d'électrode. Dans un mode de réalisation de l'invention, le palier comprend un moyen de mesure de la capacité du condensateur. Avantageusement, le palier comprend un manchon en contact avec l'autre électrode et un boîtier en contact avec le manchon, de façon que le manchon exerce un effort permanent sur l'autre électrode. Pour faciliter le montage, on peut prévoir que le manchon comprenne une surface tronconique en contact avec le boîtier. Le boîtier, de forme générale annulaire, peut comprendre une portion tronconique délimitée par une portion radiale dirigée vers l'extérieur et une portion radiale dirigée vers l'intérieur. Dans un mode de réalisation de l'invention, le palier comprend une bague extérieure servant d'électrode et pourvue d'une surface extérieure cylindrique en contact avec l'isolant, l'autre électrode étant en contact avec un alésage cylindrique du manchon. Dans un mode de réalisation de l'invention, le palier comprend un capteur de paramètres de rotation monté sur un côté des bagues. Dans un mode de réalisation de l'invention, le palier comprend un capteur de température dudit palier monté sur un côté des bagues. La présente invention concerne également une machine à tambour rotatif comprend un châssis non tournant, un tambour rotatif et au moins un palier comprenant une partie solidaire du châssis et une partie solidaire dudit tambour rotatif, le palier comportant un dispositif de capteur de charge permettant de déterminer, en association avec un dispositif de traitement du signal, la charge exercée sur ledit palier. La présente invention concerne également une machine à tambour rotatif, par exemple une machine à laver, comprenant un châssis non tournant, un tambour rotatif et au moins un palier comprenant une partie solidaire du châssis, une partie solidaire du tambour rotatif et un dispositif de mesure de la charge du palier. Le dispositif de mesure comprend un condensateur pourvu d'au moins deux électrodes et d'un isolant. L'une des électrodes est formée par une des bagues du palier. L'isoIant est d'épaisseur variable en fonction de la charge. Le dispositif de mesure comprend, en outre, un moyen de mesure de la capacité du condensateur, ladite capacité étant représentative de la charge. En d'autres termes, l'une des deux bagues du roulement est utilisée comme électrode du condensateur, et l'autre électrode est disposée en regard de ladite bague et séparée de celle-ci par un isolant dont l'épaisseur peut varier avec la charge. L'invention permet donc de réaliser un palier à roulement instrumenté susceptible de fournir de nombreuses informations utiles au pilotage d'une machine, et ce de façon fiable et économique. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de quelques modes de réalisation illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un palier à roulement selon un aspect de l'invention; -la figure 2 est une vue de détail en coupe transversale du condensateur; - la figure 3 est une vue schématique et partielle de face en élévation d'une variante d'un palier à roulement voisin de celui de la figure 1, complétée par un schéma électrique; et -la figure 4 est un diagramme montrant l'évolution de la charge en fonction de la capacité du condensateur. Comme on peut le voir sur la figure 1, un palier à roulement 1 comprend une bague extérieure 2 pourvue d'un chemin de roulement 3, une bague intérieure 4 pourvue d'un chemin de roulement 5, une rangée d'éléments roulants 6, ici des billes, disposés entre les chemins de roulement 3 et 5, une cage 7 de maintien de l'espace circonférentiel des éléments roulants 6, et un flasque d'étanchéité 8 monté sur la bague extérieure 2 et venant former un passage étroit avec une portée cylindrique 4b de la bague intérieure 4, tout en étant disposé radialement entre les deux bagues 2 et 4 et axialement entre les éléments roulants 6 et l'une des surfaces latérales 2a, 4a des bagues 2, 4. Le flasque d'étanchéité 8 est monté dans une rainure annulaire 9 formée dans la bague extérieure 2, à proximité de sa surface latérale radiale 2a. Du côté opposé, la bague extérieure 2 est également pourvue d'une rainure 10, symétrique à la rainure 9, par rapport à un plan passant par le centre des éléments roulants 6. Un bloc-capteur, référencé 11 dans son ensemble, est solidaire de la bague extérieure 2 et comprend un support 12, par exemple une carte de circuit imprimé, un capot métallique 13 présentant une forme de coupelle annulaire à section transversale en L dont une extrémité forme un passage étroit avec une surface frontale 4b de la bague intérieure 4, un élément capteur 14, par exemple une cellule à effet Hall, fixé sur le support 12, et un aimant 15 également fixé sur le support 12. Un élément-codeur 16, de forme annulaire, à section en L, comprend une branche axiale 16a emmanchée sur une portée cylindrique extérieure de la bague intérieure 4 du côté opposé au flasque 8 et une branche radiale 16b s'étendant vers l'extérieur à partir de la branche axiale 16a. La branche radiale 16b est pourvue de fenêtres ou d'encoches, non représentées, et est disposée avec un faible entrefer par rapport au capteur 14. Le codeur 16, réalisé en matériau magnétique, perturbe le champ magnétique généré par l'aimant 15 lors de la rotation de la bague intérieure 4 par rapport à la bague extérieure 2. La perturbation générée est détectée par le capteur 14, ce qui permet de générer un signal électrique représentatif de la rotation du codeur 16. Un boîtier 17, de forme générale annulaire, comprend une portion radiale annulaire 17a en contact à proximité de son alésage avec la face radiale 2a de la bague extérieure 2, une portion légèrement tronconique 17b, présentant une pente de l'ordre de 9 à 13% par rapport à l'axe du roulement, s'étendant à partir de l'extrémité de grand diamètre de la portion radiale 17a en entourant le palier à roulement 1, et une bride radiale 17c dirigée vers l'extérieur à partir de l'extrémité de la portion tronconique 17b opposée à la portion radiale 17a. Une pluralité de trous de fixation 18 sont formés dans la bride radiale 17c pour permettre une fixation du boîtier 17 et du palier à roulement 1 qui s'y trouve disposés au moyen de vis sur un autre élément, non représenté, tel qu'un châssis ou un bâti de machine à laver. Il est encore prévu un manchon de serrage 19, réalisé en matériau synthétique, présentant une surface extérieure tronconique en concordance de forme avec la surface intérieure de la portion tronconique 17b du boîtier 17 et se présentant sous la forme d'un anneau fendu par une fente 20 occupant un faible secteur angulaire, afin de conférer audit anneau une certaine élasticité radiale. En outre, le capot 17 est pourvu de crochets 17d formés sur sa surface intérieure au niveau de la liaison entre la bride radiale 17c et la portion tronconique 17b. Les crochets 17d sont en saillie vers l'intérieur et interfèrent diamétralement avec l'extrémité libre de grand diamètre du capot 13 en formant un moyen de retenue dudit capot 13. Le capot 13 est pourvu en outre d'une nervure annulaire 13a en saillie en direction du palier à roulement 1 et venant en appui sur le support 12, lui-même en appui axial sur un épaulement du manchon 19. Un ensemble unitaire est ainsi formé, comprenant le palier à roulement 1 proprement dit, le boîtier 17, le manchon 19, le bloc-capteur 11 et le capot 13. Ledit ensemble unitaire peut être manipulé sans précautions particulières et est bien protégé contre le risque de démontage accidentel grâce à la coopération des crochets 17d du boîtier 17 avec le capot 13 et contre l'intrusion d'éléments extérieurs indésirables par le flasque d'étanchéité 8 et par le passage étroit formé entre une extrémité du capot 13 et la bague intérieure 4, l'autre extrémité du capot 13 étant en contact avec le boîtier 17. Le manchon fendu 19 présente, sur sa surface intérieure, une nervure 21 dirigée vers l'intérieur et offrant une surface d'appui à la surface radiale 2c de la bague extérieure 2 opposée à la surface radiale 2a. Le manchon fendu 19 comporte en outre une surface radiale 19a disposée à une faible distance de la portion radiale 17a du boîtier 17. Ladite faible distance peut être de l'ordre de quelques millimètres ou dizièmes de millimètres, mais en fonctionnement normal, restera strictement supérieure à zéro. On comprend que, en raison de la conicité de la portion tronconique 17b dont le diamètre se réduit à mesure que l'on se rapproche de la portion radiale 17a et que l'on s'éloigne de la bride radiale 17c, le manchon 19 peut coulisser dans la surface intérieure de ladite portion tronconique 17b tout en se resserrant légèrement, ce qui se traduit par un resserrement de la fente 20. Entre la nervure 21 et la surface radiale d'extrémité 19a, le manchon 19 comprend un alésage 19b dans lequel est disposée une électrode 22 ainsi qu'un isolant 23 visible sur la figure 2. L'isolant 23 est disposé en contact avec la surface extérieure 2b de la bague extérieure 2, l'électrode 22 étant disposée entre la surface extérieure de l'isolant 23 et l'alésage 19b du manchon 19. Un doigt de contact 24 connecté au support 12 vient en contact avec la surface extérieure 2b de la bague extérieure 2. Sur le support 12 est également disposé un organe de mesure 25 de la capacité entre l'électrode 22 et la bague extérieure 2 qui forme également une électrode. Le capteur de mesure 25 est relié électriquement au doigt de contact 24 et à l'électrode 22. En outre, le support 12 peut être équipé d'un module de traitement et de calcul 26 relié électriquement au capteur de mesure 25 et permettant de déduire la charge appliquée au roulement à partir de la capacité mesurée. La relation entre la charge et la capacité est illustrée sur la figure 4 et est soumise à un hystérésis. Pour éviter les effets de l'hystérésis, on cherche à se placer sur une partie relativement linéaire de la courbe afin de pouvoir interpréter facilement la charge en fonction de la capacité, la partie choisie de la courbe a été représentée en trait épais sur la figure 4. Le palier à roulement 1 est maintenu radialement par rapport au boîtier 17 par l'intermédiaire de l'isolant 23 déformable radialement, de l'électrode 22 et du manchon fendu 19 qui peut être enfoncé axialement avec une force prédéterminée dans la portion tronconique 17b du boîtier 17 afin d'assurer une précontrainte suffisante de l'isolant 23 pour se situer dans une partie favorable de la courbe illustrée sur la figure 4 et liant la charge du roulement et la capacité du condensateur formée par l'électrode 22 et la bague-électrode 2. La pente du cône est choisie de telle sorte que le serrage obtenu assure également une retenue axiale mutuelle suffisante du manchon fendu 19 sur le boîtier 17. L'électrode 22 peut se présenter sous la forme d'un clinquant en métal conducteur disposé sur un certain secteur angulaire. A titre d'exemple illustré sur la figure 3, l'isolant 23 est disposé sur l'ensemble de la surface extérieure de la bague extérieure 2 et trois électrodes 22 sont disposées chacune sur un secteur angulaire, de l'ordre de 20 à 50 , avec deux électrodes diamétralement opposées et la troisième en position perpendiculaire aux deux précédentes. L'isolant 23 peut être réalisé en polyéthylène haute densité, en polypropylène ou encore en polyamide-12. La mesure étant basée sur la variation de l'épaisseur de l'isolant 23 sous l'effet de la variation de la charge, le choix de l'épaisseur de l'isolant 23 dépendra des propriétés mécaniques du matériau utilisé et en particulier de son module d'élasticité. A titre d'exemple, on peut utiliser des feuilles d'isolant en polyéthylène, d'une épaisseur d'environ 0,02 mm. L'isolant 23 est précontraint radialement entre les deux électrodes grâce au manchon fendu 19 de serrage et reste donc en contact permanent avec les électrodes 2 et 22. Alternativement au mode de réalisation illustré sur la figure 3, on peut prévoir un isolant 23 occupant les secteurs angulaires sensiblement égaux ou seulement légèrement supérieurs à ceux occupés par les électrodes 22. On sait qu'il existe une relation linéaire entre la variation de la distance entre deux électrodes d'un condensateur et la capacité dudit condensateur. La relation est donnée par la formule suivante: C=(Eo+Er) S/e, dans laquelle: Eo est la permittivité dans le vide, Er est la permittivité de l'isolant, S est la surface en regard de l'entrefer, et e est l'entrefer. Si les électrodes sont disposées de telle sorte que la charge radiale sur le roulement passe par les électrodes, perpendiculairement à celles-ci, il est possible de mesurer les variations de la charge radiale sur le roulement par le biais de la mesure de la variation de capacité des électrodes, ladite variation de capacité résultant du rapprochement sous l'effet de la charge de l'électrode mobile et de l'électrode fixe 22. La précontrainte radiale de l'isolant entre les électrodes par le manchon conique permet d'assurer en permanence un contact étroit entre l'isolant et les électrodes, ce qui garantit une réactivité immédiate du capteur de charge. La pré-charge permet également de s'affranchir des éventuels problèmes d'hystérésis qui pourraient nuire à la fiabilité de la mesure. Si la charge radiale à mesurer est toujours orientée dans la même direction, une électrode 22 judicieusement placée suffira pour mesurer un effort F appliqué au niveau des électrodes 2, 22 dans une direction perpendiculaire auxdites électrodes (figure 2). Si on souhaite connaître, par le biais d'un roulement instrumenté, la charge statique de linge dans un tambour de machine à laver le linge, il suffit d'équiper ledit roulement avec une électrode dans sa partie basse, en plus de la bague-électrode. La détermination de la charge du tambour se fera par mesure de la variation de l'épaisseur de l'isolant séparant la bague-électrode et l'unique autre électrode associée entre l'état vide et l'état chargé du tambour. Par contre, si l'on souhaite obtenir également des informations sur les charges dynamiques en rotation dues par exemple au balourd du tambour, il suffira de disposer par exemple deux électrodes associées complémentaires à 90 , de part et d'autres de la première autre électrode pour obtenir lesdites informations, voir figure 3. Outre le fait d'obtenir des informations sur des charges dans différentes directions, la disposition à trois électrodes à 90 permet également de procéder par mesure différentielle par rapport à une électrode de référence qui pourra être par exemple une des électrodes latérales. En effet, dans le cas d'une machine à laver le linge, les électrodes latérales ne subissent pratiquement pas de variation d'entrefer lors du chargement du tambour puisque les électrodes latérales d'un capteur capacitif se déplacent parallèlement l'une par rapport à l'autre. En mesurant les différences de capacité des différentes électrodes par rapport à une électrode de référence, on peut ainsi éliminer des anomalies de mesure qui pourraient résulter de variations d'entrefer dues par exemple à des variations de température. On peut bien entendu équiper également ce type de roulement d'un capteur de température 27, ce qui peut être particulièrement intéressant dans le cas d'une utilisation dans une machine à laver le linge ou un sèche-linge. Pour monter le dispositif, on dispose tout d'abord le palier à roulement 1 muni du codeur 16 et de la ou des électrodes 22 dans le manchon 19. On dispose ensuite le bloc-capteur 11 sur le manchon 19 et on vient fermer et solidariser le sous-ensemble avec le capot 13. On introduit le sousensemble ainsi formé dans le boîtier 17 jusqu'à ce que le palier à roulement 1 vienne en butée axiale entre le fond radial 17a du boîtier 17. Le serrage du manchon 19 dans le boîtier 17 et sur le roulement assure ensuite la cohésion à l'ensemble sous la forme d'une cartouche facile à manipuler et à transporter, présentant un risque très faible de montage intempestif des éléments. Une telle cartouche offre de nombreux avantages, parmi lesquels un coût réduit grâce à l'absence de modification de la géométrie du roulement, en d'autres termes à l'utilisation possible d'un roulement standard fabriqué en très grande série, à la compacité, l'épaisseur de l'isolant et de l'électrode 22 étant négligeable, et l'épaisseur du bloc-capteur étant extrêmement faible, à la facilité de mise en oeuvre par l'utilisateur et la possibilité de combiner dans le même palier à roulement instrumenté un système de détection des charges appliquées sur le palier et un système de mesure de paramètres de rotation du roulement et/ou un système de mesure de la température. Un palier à roulement instrumenté 1, utilisé dans une machine à laver le linge, permet donc en plus de sa fonction mécanique de base, de fournir les informations utiles pour un pilotage complet de la machine et en particulier du moteur électrique d'entraînement. Bien entendu, on pourrait prévoir, à titre de variante, un palier à roulement à bague extérieure tournante et à bague intérieure fixe. On peut également concevoir de réaliser l'isolant par une simple couche d'air. Il n'est plus alors nécessaire de prévoir une couche de matériau synthétique pour séparer la bague extérieure du roulement et l'électrode 22. REVENDICATIONS 1-Dispositif de mesure de charge sur un palier (1) pourvu de deux bagues (2, 4), dont l'une peut tourner par rapport à l'autre, d'au moins un condensateur pourvu d'électrodes et d'un isolant (23) disposé entre lesdites électrodes, l'épaisseur de l'isolant (23) pouvant varier en fonction de la charge, le dispositif comportant en outre un moyen de mesure (25) de la capacité du condensateur, ladite capacité étant représentative de la charge appliquée perpendiculairement sur les électrodes, caractérisé par le fait que l'une des électrodes (2) est formée par une des bagues du palier (1). 2-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'isolant (23) comprend une couche de matériau synthétique. 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'isolant comprend une couche de fluide. 4-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes, caractérisé par le fait que l'isolant (23) est pré-chargé entre les électrodes (2, 22). 5-Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de condensateurs comportant une électrode commune. 6-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comprend un seul condensateur. 7-Palier à roulement (1) comprenant deux bagues (2, 4) dont l'une peut tourner par rapport à l'autre, au moins une rangée d'éléments roulants (6) , et un dispositif de détection de la charge appliquée au palier, le dispositif de détection comprenant au moins un condensateur pourvu d'électrodes (2, 22) et d'un isolant (23), l'épaisseur de l'isolant (23) pouvant varier en fonction de la charge appliquée, le dispositif de détection comprenant, en outre, un moyen de détection (25) de la capacité du condensateur, ladite capacité étant représentative de la charge, caractérisé par le fait que l'une des électrodes (2) est formée par une des bagues du palier (1). 8-Palier à roulement (1) selon la revendication 7, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de mesure (25) de la capacité du condensateur, ladite capacité étant représentative de la charge appliquée au palier. 9-Palier selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend un manchon (19) en contact avec l'autre électrode (22) et un boîtier (17) en contact avec le manchon (19) de façon que le manchon exerce un effort permanent sur l'autre électrode (22). 10-Palier selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le manchon (19) comprend une surface tronconique de contact avec le boîtier (17). 11-Palier selon la revendication 9 ou 10, caractérisé par le fait que le boîtier (17), de forme générale annulaire, comprend une portion tronconique (17b) délimitée par une portion radiale (17c) dirigée vers l'extérieur et par une portion radiale (17a) dirigée vers l'intérieur. 12-Palier selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait qu'il comprend une bague extérieure (2) servant également d'électrode et pourvue d'une surface extérieure cylindrique en contact avec l'isolant (23), l'autre électrode (22) étant en contact avec un alésage cylindrique du manchon (19). 13-Palier selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur (14) de paramètres de rotation monté sur un côté des bagues (2, 22). 14-Palier selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur de température (27) dudit palier, monté sur un côté des bagues (2, 22). 15-Machine à tambour rotatif comprenant un châssis non tournant, un tambour rotatif et au moins un palier (1) comprenant une partie solidaire du châssis et une partie solidaire dudit tambour rotatif, caractérisée par le fait que le palier comporte un dispositif de capteur de charge, comprenant au moins un condensateur pourvu d'électrodes et d'un isolant (23) disposé entre lesdites électrodes, l'une des électrodes (2) étant formée par une des bagues du palier (1), l'épaisseur de l'isolant (23) pouvant varier en fonction de la charge, permettant de déterminer, en association avec un dispositif de traitement du signal, la charge exercée sur ledit palier. 16-Machine à tambour rotatif, suivant la revendication 15, caractérisée par le fait que le dispositif de mesure comprend au moins un condensateur pourvu d'électrodes (2, 22) et d'un isolant (23), l'une des électrodes (2) étant formée par une des bagues du palier (1), l'épaisseur de l'isolant (23) pouvant varier en fonction de la charge appliquée, le dispositif de mesure comprenant, en outre, un moyen de mesure (25) de la capacité du condensateur, ladite capacité étant représentative de la charge.