Brevet FR2918174A1 — publié le 20090102

Alignement dans une machine d'essai de fatigue en traction La présente invention concerne les machines d'essai de fluage, et plus particulièrement l'alignement des moyens de fixation d'une éprouvette d'essai dans une telle machine. Les essais de fatigue en traction, qui consistent à soumettre une éprouvette d'essai à une succession de cycles alternant des phases d'effort et des phases de repos, pouvant atteindre plusieurs centaines de milliers de cycles pour tester l'endurance d'un matériau soumis à des efforts variables dans le temps, sont en général réalisés au moyen de machines relativement coûteuses car ces essais requièrent notamment une bonne maîtrise des efforts dans l'éprouvette d'essai qui doivent être bien homogènes et exempts d'efforts parasites, afin de répondre à des normes très strictes. En revanche, les essais de fluage où l'on soumet une éprouvette d'essai à un unique cycle sont en général réalisés avec une machine de conception relativement simple et économique, comprenant un bâti équipé de moyens de fixation des extrémités axiales de l'éprouvette d'essai, qui peut être en forme de tige cylindrique ou de tige plate, et un levier de chargement pour appliquer un effort axial de traction à l'un des moyens de fixation. De par sa conception, une machine de ce type présente des imperfections structurelles qui nuisent à l'uniformité des efforts de traction dans l'éprouvette et génèrent des efforts parasites, tels que des efforts de flexion, interdisant l'utilisation de ce genre de machine pour des essais de fatigue du type évoqué ci-dessus. L'invention a notamment pour but d'adapter une machine de fluage, de conception simple et économique, aux exigences des essais de fatigue en traction comportant un grand nombre de cycles. L'invention a en particulier pour but de minimiser les efforts parasites et les défauts d'uniformité de l'effort axial de traction subi par l'éprouvette. Elle propose à cet effet une machine d'essai de fatigue en traction, comprenant un bâti portant des moyens de fixation des extrémités d'une éprouvette d'essai en forme de tige, et des moyens pour appliquer un effort axial de traction à l'un des moyens de fixation, caractérisée en ce que les moyens de fixation comportent des liaisons articulées autour d'axes de rotation qui sont perpendiculaires entre eux et à l'axe de traction pour assurer l'alignement de l'éprouvette sur l'axe de traction. Les liaisons articulées permettent aux moyens de fixation de l'éprouvette, ou lignes d'amarrage, de s'aligner avec l'axe de l'éprouvette lorsqu'ils sont soumis à une traction axiale, ce qui réduit considérablement les efforts parasites appliqués à l'éprouvette et offre une bonne uniformité de l'effort axial de traction dans l'éprouvette. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de fixation comprennent des moyens de positionnement transversal des extrémités de l'éprouvette sur l'axe de traction, pour assurer un alignement optimal de l'éprouvette et des moyens de fixation. Les moyens de fixation des extrémités de l'éprouvette sont avantageusement identiques l'un à l'autre. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, chaque moyen de fixation d'une extrémité de l'éprouvette comprend une chaîne à maillons. Une telle chaîne présente l'avantage d'être un élément simple et économique, d'avoir la propriété de s'aligner naturellement sous l'effet d'une sollicitation en traction, et évite de surcroît tout risque de mise en compression de l'éprouvette en cas de dysfonctionnement de la machine. Dans un second mode de réalisation de l'invention, chaque moyen de fixation d'une extrémité de l'éprouvette comprend une biellette de suspension dont les deux extrémités sont articulées en rotation autour d'axes perpendiculaires l'un à l'autre et à l'axe de traction. La rigidité des biellettes permet de réaliser des chargements plus rapides de l'éprouvette. La machine d'essai de fatigue en traction selon l'invention présente d'autres caractéristiques avantageuses parmi lesquelles : le moyen de fixation de l'extrémité supérieure de l'éprouvette est relié au bâti par une rotule ; chaque moyen de fixation comprend une bague ayant une extrémité axiale comportant un orifice taraudé pour le vissage d'une extrémité filetée de l'éprouvette, cette bague comprenant également des moyens de blocage de l'extrémité de l'éprouvette ; les moyens de blocage comprennent des cales à faces obliques interposées entre l'extrémité de l'éprouvette et une paroi opposée de la bague, et des vis de réglage pour déplacer transversalement une cale par rapport à l'axe de l'éprouvette et faire varier une force axiale de poussée exercée sur l'extrémité de l'éprouvette, cette force de poussée permettant de bloquer axialement l'extrémité de l'éprouvette sans lui appliquer de couple de torsion ; la bague comprend du côté opposé à l'éprouvette, un pivot axial relié, par deux mâchoires semi-cylindriques serrées l'une contre l'autre, à un autre pivot axial opposé solidaire d'une chaîne ou d'une biellette de suspension ; les deux mâchoires comprennent des moyens d'alignement transversal des deux pivots axiaux, de manière à permettre un alignement de l'éprouvette sur l'axe de traction de la machine ; les moyens d'alignement comprennent des vis de centrage vissées dans des orifices des mâchoires et s'appuyant transversalement sur l'un des pivots axiaux ; l'un des moyens de fixation comprend un capteur de force à jauges de contrainte, par exemple à géométrie en S, destiné au pilotage de la machine en fonction de la force de traction appliquée à l'éprouvette ; les moyens pour appliquer un effort de traction à l'un des moyens de fixation comprennent un levier monté pivotant sur le bâti autour d'un axe transversal et ayant une extrémité reliée par un axe à une chape associée au moyen de fixation, et une extrémité reliée à un moyen de charge. De façon générale, l'invention permet d'obtenir un alignement précis de l'éprouvette d'essai sur la ligne de charge et d'appliquer à l'éprouvette un effort de traction qui est uniforme dans toute la section transversale de l'éprouvette, avec une erreur inférieure à 5%. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique en perspective d'une machine d'essai de traction selon l'art antérieur ; la figure 2 est une vue schématique partielle de face d'une machine d'essai de fatigue en traction selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 est une vue à plus grande échelle d'une partie de la figure 2 ; les figures 4 et 5 sont des vues schématiques partielles en coupe axiale, respectivement dans le plan A-A et dans les deux plans définis par la ligne brisée B-B, de la figure 3 ; la figure 6 est une vue schématique partielle de face d'une machine d'essai de fatigue en traction selon un second mode de réalisation de l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 représentant une machine d'essai de fluage 10 d'un type connu, comprenant un bâti 12 portant un levier 14 monté pivotant autour d'un axe transversal 16 et soutenu par un vérin de contrôle 18, et une éprouvette d'essai 20, par exemple en forme de tige cylindrique, qui est fixée à ses extrémités à une tige supérieure 22 de suspension au bâti 12 et à une tige inférieure 24 d'accrochage au levier 14, l'éprouvette 20 et les deux tiges 22 et 24 formant une ligne de charge 26 qui définit un axe de traction 27 sensiblement vertical. L'extrémité supérieure de la tige supérieure 22 est reliée au bâti par une rotule 28. L'axe de rotation transversal 16 du levier est éloigné d'une extrémité du levier portant une masse 30 d'une distance correspondant environ aux trois quarts de la longueur du levier, l'autre extrémité du levier portant un contrepoids d'équilibrage 32. L'extrémité inférieure de la tige inférieure 24 est reliée au levier 14 par une chape 34 montée rotative autour d'un axe transversal 36 du levier, disposé entre la masse 30 et l'axe de rotation 16 du levier et au voisinage de cet axe de rotation 16, de manière à bénéficier d'un bras de levier important. La machine d'essai de fluage fonctionne de la manière suivante : à l'arrêt, le vérin de commande 18 est déployé comme représenté sur la figure 1 et soutient le levier 14 en compensant le poids de la masse 30, le contrepoids 32 servant à équilibrer le levier 14 en l'absence de la masse 30 pour qu'au repos, aucune traction ne soit exercée sur l'éprouvette 20. En service, le vérin 18 est rétracté si bien que la ligne de charge 26 est soumise à une force de traction vers le bas dont l'intensité dépend à la fois du poids de la masse 30 et du bras de levier, cette force de traction étant transmise par les tiges 22 et 24 aux deux extrémités de l'éprouvette, qui tend alors à s'allonger sous l'effet de la traction. Cette machine permet ainsi de réaliser des essais de fluage consistant à soumettre l'éprouvette à une traction constante ou augmentant progressivement et à observer l'évolution dans le temps de l'allongement de l'éprouvette, préalablement équipée d'un capteur de type extensomètre ou analogue pour mesurer cet allongement. L'invention a pour but d'adapter la machine d'essai de fluage pour réaliser d'autres types d'essais, tels que des essais de fatigue comportant un grand nombre de cycles de chargement et de déchargement de l'éprouvette, qui nécessitent une bonne homogénéité des efforts de traction dans l'éprouvette et une absence d'efforts parasites tels que des efforts de flexion. Pour cela, la ligne de charge 26 traditionnelle est remplacée par une ligne de charge 38 représentée en figure 2 ou 40 représentée en figure 6. Dans le mode de réalisation de la figure 2, l'extrémité supérieure de l'éprouvette 20 est montée dans une tête de fixation supérieure 42 suspendue par une chaîne supérieure 44, du type à maillons, à un pivot d'accrochage 46 monté au moyen d'une rotule 28 sur le bâti 12, tandis que l'extrémité inférieure de l'éprouvette est montée dans une tête de fixation inférieure 48 similaire à la tête de fixation supérieure 42 et reliée par une chaîne inférieure 50, du type à maillons, à un capteur de force à jauges de contrainte 52 monté pivotant dans la chape 34 du levier 14 précédemment décrit en référence à la figure 1. Le pivot supérieur 46 comprend une fourche 54 dans laquelle est engagé le maillon d'extrémité supérieure de la chaîne 44. Les pattes de la fourche 54 comportent chacune un orifice transversal (non visible) de passage d'un axe transversal de retenue de la chaîne 44. Le capteur de force 52 comprend une pièce élastiquement déformable en forme de S sur laquelle sont agencées des jauges de contrainte (non visibles sur la figure) reliées à un câble de conducteurs électriques 56. L'extrémité supérieure du capteur 52 est solidaire d'une tête d'accrochage 58 comprenant une fourche analogue à celle du pivot d'accrochage 46 dans laquelle est retenu un maillon d'extrémité inférieure de la chaîne 50. Le capteur 52 comporte à son extrémité inférieure un pivot axial 60 formé d'une tige 62 passant dans un orifice de la chape 34 et comportant, à son extrémité inférieure, une tête 64 de retenue dans la chape 34. Lorsque le capteur de force est soumis à des forces de traction, la pièce en S tend à s'allonger dans la direction de la traction 27 et à provoquer un allongement des jauges de contraintes, induisant une modification des signaux électriques transmis par le câble 56. Chaque tête de fixation 42 et 48 comprend essentiellement trois éléments : une bague 66, 68 de montage de l'éprouvette, une tête d'accrochage de chaîne 74, 76 munie d'une fourche analogue à celle du pivot d'accrochage supérieur 46, et une bague intermédiaire de liaison 70, 72 comportant une paire de mâchoires de serrage semi-cylindriques. Les deux bagues 66 et 68 des têtes de fixation 42 et 48 sont reliées par deux câbles de sécurité 78 pour empêcher la chute de la partie inférieure 48, 50, 52 de la ligne de charge 38 en cas de rupture de l'éprouvette 20. La figure 3 représente la tête de fixation supérieure 42, dans laquelle la bague 66 comporte un orifice cylindrique taraudé 80 formé dans sa paroi transversale inférieure et s'étendant axialement, dans lequel est vissée l'extrémité supérieure filetée 82 de l'éprouvette 20. Une cavité ménagée axialement dans la bague, en communication avec l'orifice taraudé 80, comprend trois cales à faces obliques 84, 86 et 88, ou cales biaisées, interposées entre l'extrémité 82 de l'éprouvette et une paroi transversale supérieure 90 de la cavité, et destinées à assurer un serrage de l'éprouvette. Une première cale 84 ou cale supérieure est en appui axial contre la paroi transversale supérieure 90 de la cavité et présente à son extrémité axiale opposée une face oblique. Une deuxième cale 86 intermédiaire comprend une face supérieure oblique parallèle à et en appui axial contre la face oblique de la première cale 84, et une face inférieure oblique d'inclinaison opposée, en appui axial contre une face parallèle d'une troisième cale 88 ou cale inférieure comprenant une face inférieure sensiblement transversale d'appui axial sur l'extrémité 82 de l'éprouvette 20 pour bloquer axialement l'éprouvette en empêchant son vissage plus loin dans l'orifice taraudé 80. Deux vis de réglages 92 sont montées dans des orifices radiaux de la bague 66 qui sont symétriques par rapport à l'axe de traction, de sorte que leurs extrémités viennent en appui radial contre la surface axiale de la cale intermédiaire 86 de part et d'autre de cette cale. Ainsi, les profondeurs de vissage respectives des vis de réglage 92 définissent la position transversale de la cale intermédiaire 86 et déterminent la pression de blocage exercée par la troisième cale 88 sur l'extrémité 82 de l'éprouvette 20. Du côté opposé à l'éprouvette, la bague 66 comprend un pivot 94 qui est formé d'une tige axiale 96 munie d'une tête de retenue 98 à son extrémité supérieure, et est monté rotatif sensiblement sans jeu radial dans un orifice cylindrique axial de la bague de liaison 70. Comme le pivot d'accrochage supérieur 46, la tête d'accrochage de chaîne 74 comprend une fourche 100 destinée à recevoir le maillon d'extrémité inférieure de la chaîne 50. Les pattes de la fourche 100 comportent chacune un orifice transversal 102 de passage d'un axe (non représenté sur la figure) destiné à retenir le maillon de la chaîne sur la tête d'accrochage 74. A l'opposé de la fourche 100, la tête d'accrochage de chaîne 74 comprend un pivot axial inférieur 104 qui est formé d'une tige axiale 106 munie d'une tête de retenue 108 à son extrémité inférieure, et est monté avec un jeu radial j dans un orifice cylindrique axial de la bague de liaison 70 opposé à l'orifice de montage de la bague 66. La tête de retenue 108 a une forme sensiblement carrée (figure 4) et présente quatre faces perpendiculaires qui coopèrent respectivement avec quatre vis de réglage 110 montées dans des orifices radiaux de la bague de liaison 70 pour permettre un alignement précis de la tête d'accrochage 74 avec l'axe 21 de l'éprouvette 20. La figure 5 montre les deux mâchoires 111 formant la bague de liaison 70 qui sont serrées l'une à l'autre par deux vis 112 supérieures (dont l'une est masquée sur la figure) et par deux vis 114 inférieures (dont l'une est également masquée), chacune des vis inférieures 114 étant positionnée au moyen d'une bague de centrage 116. Le réglage des têtes de fixation 42, 48 s'effectue au moyen d'une éprouvette d'essai 20 équipée de jauges de contrainte, par exemple au nombre de quatre, régulièrement réparties sur ses flancs, et consiste à mettre en service la machine d'essai et à régler par essais successifs les vis de réglage 110 des bagues de liaison 70 et 72 jusqu'à ce que les signaux électriques provenant des différentes jauges soient sensiblement identiques, auquel cas l'effort de traction dans l'éprouvette est sensiblement uniforme. Grâce aux chaînes 44 et 50, qui présentent la propriété de s'aligner naturellement sous l'effet d'un effort de traction axial, et grâce aux moyens de réglage transversal de l'alignement axial des têtes d'accrochage 74 et 76, l'invention fournit une ligne de charge 38 bien alignée apte à réduire au mieux les efforts parasites et à optimiser l'uniformité de l'effort de traction dans l'éprouvette 20. En outre, les chaînes 44 et 50 évitent tout risque de compression de l'éprouvette 20 en cas de dysfonctionnement de la machine. La figure 6 représente une ligne de charge 40 selon un second mode de réalisation de l'invention, analogue au premier mode de réalisation à l'exception des chaînes 44 et 50 qui sont remplacées par des biellettes de suspension rigides, respectivement supérieure 118 et inférieure 120, dont les deux extrémités sont articulées en rotation autour d'axes 122 et 124 perpendiculaires l'un à l'autre et à l'axe de traction 27. Les biellettes comportent, à leurs extrémités axiales, des oreilles d'accrochage destinées à être engagées et retenues dans les fourches respectives du pivot d'accrochage supérieur 46, de la tête d'accrochage 58 du capteur de force, et des têtes d'accrochage respectives 74 et 76 des têtes de fixation 42 et 48, de façon analogue aux maillons de chaînes dans le premier mode de réalisation. Ce second mode de réalisation de l'invention présente les mêmes avantages que le premier mode, en termes d'alignement de la ligne de charge 40, et permet en outre, du fait de la rigidité des biellettes de suspension 118, 120, de procéder à des mises en charges plus rapides de l'éprouvette 20, par exemple en une seconde environ, et donc d'accéder à une plus grande variété de cycles d'essai. D'un point de vue général, il est à noter que l'utilisation d'un capteur de force à jauges de contrainte n'est mentionnée qu'à titre d'exemple de réalisation et est purement facultative, tout moyen de mesure de la traction pour le pilotage de la machine étant admissible dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Machine d'essai de fatigue en traction, comprenant un bâti (12) portant des moyens de fixation (28, 34, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 118, 120) des extrémités d'une éprouvette d'essai (20) en forme de tige, et des moyens (14, 18, 30, 32) pour appliquer un effort axial de traction à l'un des moyens de fixation (48, 50, 52), caractérisée en ce que les moyens de fixation (42, 44, 46, 48, 50, 52, 118, 120) comportent des liaisons articulées autour d'axes de rotation (122, 124) qui sont perpendiculaires entre eux et à l'axe de traction (27) pour assurer l'alignement de l'éprouvette (20) sur l'axe de traction. 2. Machine d'essai de fatigue selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de fixation (42, 48) des extrémités de l'éprouvette (20) comprennent des moyens de positionnement transversal (70, 74, 108, 110) des extrémités de l'éprouvette (20) sur l'axe de traction (27). 3. Machine d'essai de fatigue selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de fixation des extrémités de l'éprouvette sont identiques l'un à l'autre. 4. Machine d'essai de fatigue selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque moyen de fixation d'une extrémité de l'éprouvette comprend une chaîne à maillons (44, 50). 5. Machine d'essai de fatigue selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque moyen de fixation d'une extrémité de l'éprouvette comprend une biellette de suspension (118, 120) dont les deux extrémités sont articulées en rotation autour d'axes (122, 124) perpendiculaires l'un à l'autre et à l'axe de traction (27). 6. Machine d'essai de fatigue selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le moyen de fixation (46) de l'extrémité supérieure de l'éprouvette (20) est relié au bâti (12) par une rotule (28). 7. Machine d'essai de fatigue selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque moyen de fixation comprend unebague (66, 68) ayant une extrémité axiale comportant un orifice taraudé (80) pour le vissage d'une extrémité filetée (82) de l'éprouvette (20), cette bague (66, 68) comprenant également des moyens de blocage (84, 86, 88, 92) de l'extrémité (82) de l'éprouvette. 8. Machine d'essai de fatigue selon la revendication 7, caractérisée en ce que les moyens de blocage comprennent des cales à faces obliques (84, 86, 88) interposées entre l'extrémité (82) de l'éprouvette et une paroi opposée (90) de la bague (66, 68), et des vis de réglage (92) pour déplacer transversalement une cale (86) par rapport à l'axe de l'éprouvette et faire varier une force axiale de poussée exercée sur l'extrémité (82) de l'éprouvette. 9. Machine d'essai de fatigue selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la bague (66, 68) comprend du côté opposé à l'éprouvette (20), un pivot axial (94) relié, par deux mâchoires semi- cylindriques (111) serrées l'une contre l'autre, à un autre pivot axial (104) opposé solidaire d'une chaîne (44, 50) ou d'une biellette de suspension (118, 120). 10. Machine d'essai de fatigue selon la revendication 9, caractérisée en ce que les deux mâchoires (111) comprennent des moyens d'alignement (108, 110) des deux pivots axiaux (94, 104). 11. Machine d'essai de fatigue selon la revendication 10, caractérisée en ce que les moyens d'alignement comprennent des vis de centrage (110) vissées dans des orifices des mâchoires (111) et s'appuyant transversalement sur l'un des pivots axiaux (104). 12. Machine d'essai de fatigue selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'un au moins des moyens de fixation comprend un capteur de force à jauges de contrainte (52), par exemple à géométrie en S. 13.Machine d'essai de fatigue selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que les moyens pour appliquer un effort de traction à l'un des moyens de fixation comprennent un levier (14) monté pivotantsur le bâti (12) autour d'un axe transversal (16) et relié par un axe (36) à une chape (34) associée au moyen de fixation, le levier (14) ayant une extrémité reliée à un moyen de charge.