Brevet FR2895078A1 — publié le 20070622

DISPOSITIF DE MESURE DE CHARGE La presente invention concerne le domaine des logements pour paliers, en particulier pour les paliers a roulements, permettant la detection de la charge appliquee sur ledit palier en fonctionnement ou a 1'arret. Les documents DE 2729699 et US 2002/0026839 decrivent des dispositifs de logements pour roulements. Les logements sont pourvus de jauges de contraintes afin de permettre, par la mesure des variations de contraintes en certains endroits du logement, une mesure des charges appliquees sur les roulements. De tels dispositifs utilisent des jauges de contraintes dont la mise en place est relativement delicate et souvent peu compatible avec une production en grande serie a des cofits raisonnables. Le document FR 2 863 706 decrit un dispositif de mesure de charge sur un palier pour machine a laver, comprenant des condensateurs pourvus d'un isolant dont 1'epaisseur peut varier en fonction de la charge et d'un moyen de mesure de la capacite du condensateur, la capacite etant representative de la charge appliquee perpendiculairement sur les electrodes, rune des electrodes etant formee par une des bagues du palier. Ce dispositif fonctionne de facon satisfaisante. Toutefois, dans certaines applications, it est souhaitable de beneficier d'une precision de mesure elevee selon au moins une direction perpendiculaire a 1' axe du roulement et par consequent de beneficier d'une variation d'entrefer plus importante et d'une hysteresis nulle ou negligeable. Par ailleurs, les zones de captage comprennent des pieces ou des parties de pieces dont les coefficients de dilatation thermique sont differents. I1 en resulte, lors de variations de temperature, des dilatations differentielles dans la zone de detection susceptibles de provoquer des variations d'entrefer qui vont perturber les mesures effectuees car elles seront interpretees comme des variations de charge. Ce phenomene est d'autant plus penalisant que la precision recherchee est elevee. L'invention a notamment pour but de remedier aux defauts evoques ci-dessus. L'invention vise une mesure de charge fiable et precise, basee sur la mesure des deplacements dus a des deformations elastiques du logement sous la charge, independamment de la temperature. L'invention a egalement pour but de realiser un dispositif de mesure de charge tres peu sensible aux variations de variations de temperature. Le dispositif de detection d'une charge comprend un corps d'epreuve pourvu d'une partie fixe et d'une partie mobile, la partie mobile etant reliee a la partie fixe par au moins deux elements de liaison elastiquement deformables sous 1' effet de la charge appliquee, les parties fixe et mobile etant separees par un entrefer entre des electrodes supportees par la partie fixe et par la partie mobile. La detection de la charge est determinee par la mesure des deplacements entre partie mobile et partie fixe au niveau de 1'entrefer. L'entrefer reste sensiblement constant lorsque la temperature varie, les epaisseurs et les coefficients de dilatation thermique des portions du corps d'epreuve susceptibles de faire varier 1' entrefer et des electrodes etant determines de telle sorte qu'une variation positive d'au moins un element est compensee par une variation negative d'au moins un autre element. Dans un mode de realisation, la somme des produits de 1'epaisseur par le coefficient de dilatation thermique des elements produisant une variation positive de 1' entrefer est sensiblement egale a la somme des produits de 1' epaisseur par le coefficient de dilatation thermique des elements produisant une variation negative de 1'entrefer. On parvient ainsi a une compensation des variations de 1' entrefer. Dans un mode de realisation, le dispositif etant symetrique par rapport a un plan passant par un axe geometrique dudit dispositif, le produit du coefficient de dilatation thermique de la partie fixe et de la distance entre le plan et une face de la partie fixe est egal a la somme du produit du coefficient de dilatation thermique de la partie mobile et de la distance entre le plan et une face de la partie mobile et du produit du coefficient de dilatation thermique d'une premiere electrode et de 1'epaisseur de 1'electrode. L'entrefer peut etre sensiblement constant sur une plage de temperatures, par exemple de 0 a + 50 C dans le domaine de 1' electromenager. La partie fixe et la partie mobile peuvent etre constituees du meme materiau. Dans un mode de realisation, la partie fixe et une portion de detection de la partie mobile sont constituees dans des materiaux differents, la portion de detection de la partie mobile formant une electrode et la partie fixe formant une autre electrode. Dans un mode de realisation, le dispositif comprend une paire d'electrodes. Le dispositif peut comprendre deux paires d'electrodes pour effectuer une mesure differentielle. Dans un mode de realisation, le corps d'epreuve est monobloc. Dans un mode de realisation, le systeme de detection de la charge appliquee comprend une portion de detection mobile nee rigidement a la partie interne et ainsi mobile sous 1' action de la charge. La portion de detection de la partie interne est decouplee de la partie externe par rapport a laquelle ladite portion de detection peut se deplacer sans contact, la partie externe comprenant une portion de detection fixe venant en regard avec la portion de detection mobile pour former au moins un entrefer avec la portion de detection mobile. Le systeme de detection de la charge appliquee comprend egalement des moyens de detection pour mesurer les deplacements de la partie interne par 1'intermediaire des variations de 1'entrefer entre les portions de detection fixe et mobile. Les portions de detection peuvent etre disposees a proximite d'un plan axial de symetrie, sensiblement perpendiculaire a la charge a mesurer. Le dispositif peut comprendre au moins deux plans de symetrie perpendiculaires entre eux. Avantageusement, la partie externe, la partie interne et les elements de liaison forment un ensemble monobloc. Ledit ensemble monobloc peut etre obtenu en grande serie par moulage d'un alliage metallique ou d'un materiau synthetique ayant des proprietes mecaniques, notamment d'elasticite, souhaitees pour 1'application consideree. Un meme moule prevu pour un ensemble monobloc peut servir a la fabrication d'ensembles monoblocs de caracteristiques elastiques differentes, selon la composition choisie du materiau, ce qui s'avere particulierement economique. Dans un mode de realisation, la portion de detection fixe est rapportee a 1'interieur de la partie externe. Dans un autre mode de realisation, la portion de detection fixe est monobloc avec la partie externe. Grace a l'invention, on beneficie d'un logement permettant une mesure simple et fiable de la charge appliquee, en evitant un effet des variations thermiques nuisible a la precision. La presente invention sera mieux comprise a 1'etude de la description detaillee de quelques modes de realisation pris a titre d'exemples nullement limitatifs et illustres par les dessins annexes, sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un dispositif de logement muni d'un palier monte sur un arbre ; -les figures 2 et 3 sont des vues en perspective du dispositif de logement de la figure 1 ; - la figure 4 est une vue de detail en coupe radiale du dispositif de la figure 1 ; - les figures 5 et 6 montrent des variantes de la figure 4 ; et - les figures 7 a 9 correspondent aux figures 4 a 6. Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif de logement est pourvu d'un corps d'epreuve 1 comprenant une partie externe 2 et une partie interne 3 separees par un espace 4. Les parties externe 2 et interne 3 sont delimitees par deux plans radiaux. La partie interne 3 est pourvue d'un alesage, dans lequel est dispose un palier a roulement 5 monte sur un arbre 6. La partie externe 2 est prevue pour etre disposee dans un ensemble mecanique, par exemple un carter, un bati ou un support, non represents. Le palier a roulement 5 comprend une bague exterieure 7, une bague interieure 8, une ranges d'elements roulants 9, ici des billes, maintenus a espacements circonferentiels reguliers par une cage 10. Les elements roulants 9 sont disposes entre un chemin de roulement interieur de la bague exterieure 7 et un chemin de roulement exterieur de la bague interieure 8. Le palier a roulement 5 est delimits par la surface exterieure axiale de la bague exterieure 7, 1' alesage de la bague interieure 8 et les surfaces frontales radiates des bagues exterieure 7 et interieure 8 qui passent d'un cote et de 1' autre des elements roulants 9, chacune par un plan radial, confondu d'un cote avec le plan radial delimitant le corps d'epreuve 1. Les bagues 7 et 8 sont ici realisees en metal, par exemple en acier, et les chemins de roulement font 1'objet d'un usinage avec enlevement de copeaux. L'arbre 6 est susceptible de subir une charge radiale orientee dans le sens de la fleche 11. Ladite charge provoque un leger 6 deplacement radial de 1'arbre 6, du palier a roulement 5 et de la partie interne 3 par rapport a la partie externe 2. La structure du corps d'epreuve 1 est exposee plus en detail sur les figures 2 et 3. La partie interne 3 comprend un corps de forme annulaire, delimite axialement par les plans radiaux precites et presentant une epaisseur sensiblement constante. La partie interne 3 comprend egalement deux portions de detection mobile 13, en forme d'oreilles diametralement opposees s'etendant vers 1'exterieur a partir du corps 12. Dans 1'exemple illustre, les portions de detection mobile 13 presentent une longueur axiale sensiblement egale a celle du corps 12 et du corps d'epreuve 1. La partie interne 3 comprend egalement un rebord 14, se presentant sous la forme d'une pluralite de segments separes les uns des autres et circonferentiellement regulierement repartis, affleurant avec Fun des plans radiaux delimitant le corps d' epreuve 1 et s' etendant radialement vers 1' interieur a partir de 1'alesage 12a du corps annulaire 12. Le rebord 14 sert de butee axiale au palier a roulement 5, lors du montage dudit palier a roulement 5 dans le logement, et garantit ainsi un positionnement axial du palier a roulement 5. Les portions de detection mobile 13 et le rebord 14 sont monoblocs avec le corps 12. La partie externe 2 comprend un corps 15, prevu pour etre monte dans 1'alesage d'un carter ou equivalent. Le corps 15 comprend deux portions epaisses 16, symetriques par rapport a un plan passant par 1' axe du corps d'epreuve 1, et deux portions 17 de faible epaisseur radiale, chacune en forme de toit, possedant deux pans 17a et 17b, se rejoignant dans un plan de symetrie passant par 1'axe du corps d'epreuve 1. Les pans 17a et 17b presentent une epaisseur sensiblement constante, sauf a 1'endroit de leur jonction, en raison d'un large conge de raccordement, du cote concave, c'est-a-dire du cote interieur. Les pans 17a et 17b se raccordent aux portions epaisses 16 a 1' oppose de 1' arete du toit. Chaque portion epaisse 16 comprend une rainure 18 s' etendant axialement sur toute la longueur du corps d'epreuve 1, et clans laquelle vient en saillie la portion de detection mobile 13 de la partie interne 3. 7 La portion epaisse 16 se prolonge radialement vers 1'interieur pour former des portions de detection fixe 19 et 20, en forme de machoire, entourant la portion de detection mobile 13. Le corps d'epreuve 1 se complete par une portion de liaison 21 pourvue de quatre bras 22, de forme arrondie et deformable, se raccordant a la partie externe 3, sensiblement au niveau du raccordement entre la portion epaisse 16 et la portion de faible epaisseur 17, et se raccordant a la partie interne 3 au droit de la jonction entre les pans 17a et 17b de la portion de faible epaisseur 17. Au meme endroit, deux bras 22 symetriques se raccordent egalement Fun a 1'autre. Entre les raccordements precites, les bras 22 presentent une forme arrondie entre la partie interne 3 et la portion de faible epaisseur 17 et s' etendent axialement sur tout ou partie de la longueur du corps d' epreuve 1. La partie externe 2, la partie interne 3 et la partie de liaison 21 sont monoblocs et peuvent etre realisees par moulage d'un materiau synthetique conducteur, ou encore par moulage d'un metal, par exemple d'un alliage d'aluminium. Le corps d'epreuve 1 est symetrique par rapport a deux plans perpendiculaires passant par 1' axe dudit corps d'epreuve 1, 1'un des plans passant par la jonction entre les pans 17a et 17b, et 1' autre plan passant par les portions de detection mobile 13, qui sont ainsi angulairement decales de 180 . A 1'etat de repos, 1'entrefer 25 entre la portion de detection mobile 13 et la portion de detection fixe 19 est egal a 1'entrefer 26 entre la portion de detection mobile 13 et la portion de detection fixe 20, et ce d'un cote et de 1' autre du corps d' epreuve 1. Lorsqu'une charge radiale est appliquee, par exemple selon la direction 11, c'esta-dire verticalement vers le bas, la partie externe 2 reste sensiblement immobile, tandis que la partie interne 3 se deplace dans le sens de la charge appliquee. Ainsi, 1'entrefer 25 entre la portion de detection mobile 13 et la portion de detection fixe 19 diminue, et 1'entrefer 26 entre la portion de detection mobile 13 et la portion de detection fixe 20 s' accroit. Les bras de liaison 22 se deforment vers le bas, sans substantiellement deformer la portion interne 3 en raison, d'une part, 8 de sa structure annulaire, et d'autre part, de la symetrie du corps d'epreuve 1 dans son ensemble, et sans non plus deformer substantiellement la partie externe 2, notamment en raison de la forte epaisseur de la portion epaisse 16, une Legere deformation de la portion de faible epaisseur 17 pouvant titre toleree sans nuire a la mesure. Comme illustre sur la figure 4, la partie externe 2 supporte deux electrodes rapportees 23 et 24, respectivement disposees sur les portions de detection fixes 19 et 20, sur les bords opposes de la rainure 18. Chaque electrode 23, 24 comprend une couche isolante 23a, 24a, par exemple realisee en materiau synthetique, une couche conductrice 25b, 26b disposee du cote de la portion de detection mobile 13, et une couche conductrice 23c, 24c interne ou electrode de garde formant un blindage electromagnetique. Plus particulierement, chaque electrode 23, 24 peut titre realisee par une portion de carte de circuit imprimee, dont le support forme la couche isolante 23a, 24a, et dont les circuits conducteurs metalliques forment les couches conductrices 23b, 24b et 23c, 24c. Les electrodes 23 et 24 peuvent ainsi titre fabriquees a faible coat, puis fixees, par exemple par collage, sur les bords de la rainure 18. On forme ainsi un circuit electrique comprenant deux condensateurs de capacites variables, Cl et C2, le condensateur Cl etant forme par la couche conductrice 24b et la portion de detection mobile 13 separee par 1'entrefer 26, et le condensateur C2 etant forme par la couche conductrice 23b de 1' electrode 23, et la portion de detection mobile 13 separee par 1'entrefer 25. La capacite de chaque condensateur Cl, C2 est directement representative de la valeur des entrefers 25 et 26 et, par consequent, de la charge appliquee sur la partie interne du corps d'epreuve 1, dans la mesure ou 1' application de la charge provoque le deplacement de la portion de detection mobile 13 par rapport aux electrodes 23 et 24 qui restent fixes. Chaque electrode 23, 24 est pourvue d'un fil de sortie 27, 28, et la masse conductrice du corps d'epreuve 1 est reliee par un fil 29 permettant ainsi 1'exploitation des signaux de sortie. 9 Dans le mode de realisation illustre sur la figure 5, le dispositif est depourvu d'electrode 23. Seule la capacite Cl varie alors en fonction de 1'entrefer entre la portion de detection mobile 13 et 1'electrode 24. L'entrefer entre la portion de detection mobile 13 et le bord de la rainure 18 oppose a 1'electrode 24 reste sans influence, dans la mesure ou les deux surfaces sont equipotentielles grace a la realisation monobloc en materiau conducteur de la partie externe 2, de la partie interne 3 et de la partie de liaison 21 du corps d'epreuve 1. Dans le mode de realisation illustre sur la figure 6, le schema electrique est semblable a celui de la figure 4, avec deux condensateurs Cl et C2. Toutefois, la partie interne 3 comprend deux portions de detection mobile 30 et 31, en saillie radialement vers 1'exterieur, definissant entre elles une rainure 32 allongee axialement. La partie externe 2 comprend une languette 33 dirigee radialement vers 1'interieur, disposee dans la rainure 32 entre les portions de detection mobile 30 et 31. La languette 33 comprend un corps en materiau synthetique 34 isolant, dans lequel sont disposees une electrode de mesure 35 et une electrode de mesure 36 faisant face respectivement aux portions de detection mobile 30 et 31 de la partie interne 3, et deux electrodes de garde 37 et 38 et disposees a une faible distance des electrodes de mesure 35 et 36 a 1'interieur de la languette 33, tandis que les electrodes de mesure 35 et 36 sont disposees en surface. Une couche dielectrique 39, 40 est disposee entre 1'electrode 35, 36 et 1'electrode de garde 37, 38. La languette 33 peut etre realisee sous la forme d'une portion de carte a circuit imprimee multicouche. Dans tous ces modes de realisation, des electrodes de garde peuvent egalement etre disposees autour des electrodes de mesure, dans le 'name plan que ces dernieres. Avantageusement, les electrodes de mesure et les electrodes de garde peuvent etre excitees simultanement afin de creer un blindage actif efficace. 10 Grace a 1'ensemble de ces precautions, on peut ainsi delimiter parfaitement d'un point de vue electrique les electrodes de mesure et eviter les efforts de bord. On evite egalement grace au blindage electromagnetique par les electrodes de garde les capacites parasites et les perturbations de mesure de capacite qui seraient dues a des champs electromagnetiques exterieurs. On s' assure ainsi que la mesure de capacite effectuee est bien representative de la variation d'entrefer entre 1'electrode de mesure et 1'electrode correspondante lui faisant face, c'est-a-dire entre les electrodes fixes et mobiles. Les modes de realisation des figures 4 et 6 permettent d'effectuer des mesures de capacites differentielles, ce qui augmente considerablement la fiabilite et la precision de la mesure des variations d'entrefer par le biais des mesures de capacites. En effet, des variations parasites de capacites qui peuvent titre sensibles au niveau de chaque couple d' electrodes s'annulent ou s' attenuent mutuellement par la mesure differentielle. Le corps d'epreuve 1, considers ici comme un corps d'epreuve deformable, est utilise dans son domaine elastique. Cette utilisation permet d'avoir une relation entre charge et deformation sans hysteresis, puisqu'il n'y a pas de frottement. Pour limiter la fatigue des materiaux, le dimensionnement des bras de liaison 21 limite leur utilisation sous un plafond. On peut choisir une contrainte maximale appliquee, de l'ordre de 80% de la limite elastique du dispositif de logement, pour pouvoir supporter 10 millions de cycles de deformation elastique sans deformation permanente significative. Les materiaux des differents elements voisins de 1' entrefer, c'est-adire du corps d'epreuve 1 et des electrodes, sont choisis avec des coefficients de dilatation et des dimensions tels que les variations dimensionnelles des elements dues aux changements de temperature se compensent et ne provoquent pas de variations significatives d'entrefer. Dans ce but, le rapport entre les coefficients de dilatation thermique des materiaux utilises pour lesdits elements voisins de 1'entrefer, est choisi proche de l'inverse du ratio des epaisseurs desdits 11 elements pour permettre un entrefer constant sur une large plage de temperature. Par exemple, si on dispose d'un corps d'epreuve en alliage d'aluminium avec un coefficient d'expansion thermique de 23 ppm/ K, laissant un entrefer initial E; de 1,5 mm avant assemblage de 1'electrode rapportee, on peut choisir une electrode rapportee composee par exemple d'un circuit imprime type verre-teflon, de coefficient d'expansion thermique de l'ordre de 34,5 ppm/ K et d'epaisseur standard d'1 mm. L'entrefer du corps d'epreuve en aluminium se dilate de 1,5 mm x 23 ppm/ K = 34,5 nanometre/ K. L'electrode rapportee se dilate de 1 mm x 34,5 ppm/ K = 34,5 nanometre/ K. L'entrefer utile de mesure separant la face de 1'electrode rapportee et la face correspondante en aluminium est alors constant et egal a 1,5 ù 1 = 0,5 mm. A l'inverse, on peut choisir d'optimiser 1'entrefer initial du support en fonction des materiaux utilises pour le circuit imprime formant 1'electrode. Par exemple, sachant qu'une electrode rapportee realisee en un materiau possedant un coefficient d'expansion thermique de 50 ppm/ K et d'epaisseur standard de 0,5 mm est particulierement economique et en designant par E; 1'entrefer initial du corps d'epreuve en aluminium, on aura la relation : E, x 23 = 0,5 x 50, d'ou on deduit E, = 1,086 mm, soit un entrefer utile de mesure de E, ù 0,5 = 0,586 mm. Comme illustre sur les figures 7 a 9, la valeur E de 1'entrefer 23 est egale a la difference entre la distance C separant le plan de symetrie du corps d'epreuve 1 du bord de la rainure 18 et la somme de la distance A separant le plan de symetrie du corps d'epreuve 1 du bord de la portion de detection mobile 13 et de 1'epaisseur B de 1'electrode, soit E = C - A - B. En cas de variation thermique, la variation d'entrefer dE = dC - dA ù dB = C K2 ù A K3 ù B K23, avec K2 le coefficient de dilatation thermique du materiau constituant la partie externe 2, K3 le coefficient de dilatation thermique du materiau constituant la partie interne 3 et K23 le coefficient de dilatation thermique du materiau constituant 1'electrode 23. 12 Dans le mode de realisation illustre sur les figures 7 et 8, on a K2 = K3 = Ka, avec Ka, le coefficient de dilatation thermique du metal constituant les parties externe 2 et interne 3, d'ou (C ù A)Ka, = B K23. Dans le mode de realisation illustre sur la figure 9, on a A = 0, d'ouCKa,=BK23. On peut, bien entendu, prevoir de prendre en compte un nombre de materiaux plus eleve, par exemple trois ou quatre. Le dispositif de logement capteur realise suivant un aspect de l'invention est particulierement precis et fiable. La mesure effectuee est sans hysteresis significative et n'est pratiquement pas affectee par des phenomenes exterieurs parasites, tels que des variations de temperature ou d'hygrometrie. Grace a l'invention, on dispose donc d'un logement a capteurs de charge particulierement economique, pouvant etre utilise avec des roulements conventionnels ou pourvu de capteurs de vitesse et/ou de temperature, pouvant etre montes de facon simple, le logement assurant une mesure precise et fiable de la charge. REVENDICATIONS 1-Dispositif de detection d'une charge comprenant un corps d'epreuve (1) pourvu d'une partie fixe (2) et d'une partie mobile (3), la partie mobile etant reliee a la partie fixe par au moins deux elements de liaison (21) elastiquement deformables sous 1'effet de la charge appliquee, les parties fixe et mobile etant separees par un entrefer (25) entre des electrodes (13, 23) supportees par la partie fixe et par la partie mobile, la detection de la charge etant determinee par la mesure des deplacements entre partie mobile et partie fixe au niveau de 1'entrefer, caracterise par le fait que 1'entrefer (25) reste sensiblement constant lorsque la temperature varie, les epaisseurs et les coefficients de dilatation thermique des portions du corps d'epreuve susceptibles de faire varier 1'entrefer et des electrodes etant determines de telle sorte qu'une variation positive d'au moins un element est compensee par une variation negative d'au moins un autre element. 2-Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la somme des produits de 1'epaisseur par le coefficient de dilatation thermique des elements produisant une variation positive de 1'entrefer est sensiblement egale a la somme des produits de 1'epaisseur par le coefficient de dilatation thermique des elements produisant une variation negative de 1'entrefer. 3-Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, le dispositif etant symetrique par rapport a un plan passant par un axe geometrique dudit dispositif, le produit du coefficient de dilatation thermique de la partie fixe et de la distance entre le plan et une face de la partie fixe est egal a la somme du produit du coefficient de dilatation thermique de la partie mobile et de la distance entre le plan et une face de la partie mobile et du produit du coefficient de dilatation thermique d'une premiere electrode et de 1'epaisseur de 1'electrode. 4-Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la partie fixe et la partie mobile sont constituees du meme materiau. 14 5-Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la partie fixe et une portion de detection de la partie mobile sont constituees dans des materiaux differents, la portion de detection formant une electrode et la partie fixe formant une autre electrode. 6-Dispositif selon 1'une quelconque des revendications precedentes, comprenant une paire d'electrodes. 7-Dispositif selon 1'une quelconque des revendications precedentes, comprenant deux paires d'electrodes pour effectuer une mesure differentielle. 8-Dispositif selon 1'une quelconque des revendications precedentes, dans lequel le corps d'epreuve (1) est monobloc.