Brevet FR2975773A1 — publié le 20121130

L'invention concerne un capteur de couple de rotation qui peut être employé par exemple dans des systèmes de commande et de régulation pour des entraînements. Un capteur de couple de rotation selon l'invention comprend un positif à roue libre comprenant un premier élément rotatif au moyen duquel un couple de rotation à déterminer est susceptible d'être transmis à un second élément rotatif coaxial au premier élément rotatif dans un sens de rotation, et des moyens pour déterminer une rotation du premier élément rotatif par rapport au second élément rotatif dans le sens de rotation précité ainsi que pour déterminer le couple de rotation au moyen de la rotation déterminée. Conformément à l'invention, en s'aidant du degré de la rotation des deux éléments rotatifs l'un par rapport à l'autre dans la direction précitée il est possible de conclure quant au couple de rotation qui provoque cette rotation. Avantageusement, le dispositif à roue libre peut remplir une double fonction en tant qu'élément de machine qui transmet le couple de rotation et en tant que composant de capteur qui engendre l'effet de mesure. Pour être utilisé comme capteur de couple de rotation le dispositif à roue libre n'a besoin que de légères modifications. Alors qu'il serait possible de détecter directement le degré de rotation des éléments rotatifs l'un par rapport à l'autre, les moyens précités pour la détermination de la rotation réciproque sont prévus, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, pour déterminer l'angle de rotation des deux éléments rotatifs indépendamment l'un de l'autre. Judicieusement, les moyens pour déterminer la rotation des éléments rotatifs peuvent former en outre des dérivées de l'angle de rotation détecté dans le temps, et déterminer ainsi la vitesse de rotation n du premier élément rotatif et la vitesse de rotation n' du second élément rotatif. Les moyens pour déterminer la rotation des éléments rotatifs comparent par exemple en permanence n et n'. Si la vitesse de rotation n du premier élément rotatif atteint la vitesse de rotation n' du second élément rotatif, cela indique alors le commencement de la transmission d'un couple de rotation. Les moyens pour déterminer la rotation des éléments rotatifs déterminent l'angle de rotation parcouru depuis cet instant et continuent aussi à déterminer les vitesses de rotation n et n'. La vitesse de rotation n dépasse temporairement la vitesse de rotation n' et se rapproche à nouveau de n' à couple de rotation constant. Lorsque que n = n', le dispositif à roue libre transmet alors le couple de rotation à mesurer. L'angle a de la rotation réciproque résulte de la différence des angles de rotation, déterminés à l'instant précité, des éléments rotatifs. En s'aidant d'une relation mémorisée entre l'angle a et le couple de rotation, le capteur de couple de rotation détermine alors le couple de rotation à déterminer. Les moyens pour déterminer la rotation réciproque des éléments rotatifs comprennent de préférence au moins une bague de mesure coaxiale à l'un des éléments rotatifs et présentant un marquage périphérique, et un détecteur qui palpe le marquage. Le marquage peut être un motif en traits susceptible d'être palpé par voie optique. De préférence, le marquage est formé par une aimantation de la bague de mesure qui varie en direction périphérique. De façon correspondante, le détecteur détecte cette aimantation. Judicieusement, la bague de mesure est aimantée en périphérie en correspondance d'une fonction périodique. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'aimantation se limite à une bague extérieure de la bague de mesure, le détecteur étant situé radialement à l'opposé de cette bague extérieure.30 De préférence, le détecteur comprend deux capteurs de valeurs de mesures écartés en direction périphérique de la bague de mesure, dont l'écartement est ainsi choisi qu'il est possible, à partir des valeurs mesurées, de déterminer des positions du détecteur à l'intérieur d'une période de la fonction périodique, tandis que la détermination d'angles de rotation plus importants peut avoir lieu par comptage des périodes. Dans un mode de réalisation de l'invention, on peut prévoir deux dispositifs à roue libre agissant dans des sens de rotation opposés. Ainsi, il est possible de procéder à des mesures de couple de rotation dans les deux sens de rotation, c'est-à-dire des mesures de couples de rotation positifs et négatifs. Dans une autre réalisation de l'invention, il est prévu des moyens pour enregistrer un glissement entre le premier et le second élément rotatif. Un tel glissement entraînerait une annulation de la relation univoque entre l'angle a de la rotation des éléments rotatifs l'un par rapport à l'autre et le couple de rotation M provoquant cette rotation, et une falsification de la valeur mesurée du couple de rotation. On obtient des possibilités pour le contrôle du glissement si le couple de rotation présente une évolution temporelle déterminée, en particulier une périodicité. Ceci est en particulier le cas si le couple de rotation est appliqué au dispositif à roue libre via la bielle d'une pédale de bicyclette. Un couple de rotation maximum se produit chaque fois que la force de pédalage est appliquée perpendiculairement à la tige de la bielle concernée. De préférence, on prévoit des moyens pour détecter la durée de période T. Dans un autre développement de l'invention, on peut prévoir des moyens pour détecter des instants auxquels la rotation entre les éléments rotatifs atteint une valeur extrême.30 Les moyens précités pour enregistrer un glissement entre les éléments rotatifs peuvent comparer alors des écarts temporels entre les valeurs extrêmes successives de la rotation entre les éléments rotatifs avec la durée de période T. Si les écarts temporels correspondent à la durée de période T, on peut alors exclure un glissement entre les éléments rotatifs. Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, on prévoit des moyens pour détecter la rotation entre les éléments rotatifs pendant une phase déterminée T' de l'évolution temporelle du couple de rotation à déterminer. Judicieusement, il se produit pendant la phase déterminée un maximum de la rotation a entre les éléments rotatifs. Les moyens précités pour la détection de la rotation pendant la phase déterminée peuvent être prévus pour détecter la rotation Aa depuis l'instant auquel se produit le maximum jusqu'à la fin de la phase déterminée T'. A proximité du maximum il faut compter sur une minimisation du glissement. L'invention sera expliquée dans ce qui suit plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins ci-joints qui se rapportent à ces modes de réalisation. Les figures montent : figure 1, une représentation schématique d'un capteur de couple de rotation selon l'invention ; figure 2, une représentation pour expliquer le palpage d'une bague de mesure du capteur de couple de rotation de la figure 1 par un détecteur; figure 3, une représentation pour expliquer l'aimantation d'une bague de mesure du capteur de couple de rotation de la figure 1 ; figure 4, un diagramme qui représente l'évolution temporelle de la rotation réciproque a des éléments rotatifs du capteur de couple de rotation ; et figure 5, une relation entre le couple de rotation à mesurer et une variation Aa de l'angle a de la rotation réciproque. Un capteur de couple de rotation comprend un dispositif à roue libre 1, réalisé sous forme de palier à roue libre, avec un premier élément rotatif 2 et un second élément rotatif 3 coaxial au premier élément rotatif 2. L'élément rotatif 2 pourrait par exemple être relié à un arbre d'entraînement coaxial et l'élément rotatif 3 pourrait se trouver par exemple en liaison d'entraînement avec une roue d'une bicyclette (l'arbre d'entraînement et la roue n'étant pas représentés). Entre les éléments rotatifs cylindriques creux 2 et 3 on a prévu des paliers à billes 4 et 5. Le chiffre de référence 6 indique des moyens pour l'entraînement du second élément rotatif 3 par le premier élément rotatif 2 de telle façon qu'il est possible de transmettre par le premier élément rotatif 2 un couple de rotation au second élément rotatif 3 dans un sens de rotation. Dans le sens de rotation opposé une telle transmission n'est pas possible. L'élément rotatif 3 peut tourner librement sur l'élément rotatif 2 dans ce sens. Comme on peut encore le voir dans la figure 1, l'élément rotatif 2 est relié à une bague de mesure 7, et l'élément rotatif 3 est relié à une bague de mesure 8. Les bagues de mesure 7 et 8 agencées coaxialement sur les éléments rotatifs 2, 3 et en décalage axial présentent, d'après la figure 3, une couche extérieure 9 qui est aimantée en périphérie en correspondance d'une évolution fonctionnelle indiquée par 10. Des détecteurs 11 et 12 agencés stationnaires sur les surfaces extérieures annulaires respectives des bagues de mesure 7 et 8, et reliés chacun à une unité d'évaluation 15, palpent les aimantations, avec variation périodique en direction périphérique, des bagues de mesure 7, 8. Comme le montre la figure 2, chaque détecteur comprend deux capteurs de mesure 13, 14 fournissant chacun un signal, qui sont agencés en direction périphérique des bagues de mesure 7, 8 à une distance telle qu'il est possible de déterminer la position exacte de la bague de mesure à l'intérieur d'une période respective de l'aimantation, à partir du rapport des signaux de mesure des capteurs de mesure 13, 14. En fonctionnement en roue libre, dans lequel on ne transmet aucun couple de rotation, la vitesse de rotation n' de l'élément rotatif 3 est supérieure à la vitesse de rotation n de l'élément rotatif 2, lequel est éventuellement immobile. Lors de l'application d'un couple de rotation au premier élément rotatif 2, une accélération de la rotation de l'élément rotatif 2 assure une égalisation de la vitesse de rotation n à la vitesse de rotation n' et ensuite un dépassement. Les détecteurs 11 et 12 déterminent en permanence et indépendamment l'un de l'autre les angles de rotation et les vitesses de rotation des bagues de mesure 7, 8, qui coïncident avec les angles de rotation et respectivement les vitesses de rotation n, n' des éléments rotatifs 2, 3. A partir de l'instant auquel la vitesse de rotation n de l'élément rotatif 2 vient de dépasser la vitesse de rotation n' de l'élément rotatif 3, on détermine la rotation réciproque, donc la différence entre les angles de rotation mesurés de l'élément rotatif 2 et de l'élément rotatif 3. Plus l'angle a de la rotation réciproque est élevé, plus important est le couple de rotation transmis. En s'aidant d'une relation mémorisée entre la rotation a et le couple de rotation M, l'unité d'évaluation 15 détermine le couple de rotation M transmis. L'angle de rotation peut être déterminé d'une part par comptage des périodes parcourues de l'aimantation. Une détermination exacte de positions intermédiaires à l'intérieur des périodes peut avoir lieu par évaluation des deux signaux de mesure des capteurs de mesure 13 et 14 par l'unité d'évaluation 15. Au moyen de l'évolution de la fonction périodique il en résulte à l'intérieur des périodes une association univoque entre le rapport des deux signaux de mesure et la position de la bague de mesure. Les bagues de mesure 7, 8 peuvent également être aimantées chacune suivant plusieurs pistes, par exemple en correspondance d'une fonction sinus et d'une fonction cosinus, et une piste respective peut être attribuée aux capteurs de mesure 13, 14. Il serait alors possible de déterminer à partir des signaux de mesure des capteurs de mesure 13, 14 aussi bien des positions exactes que des sens de rotation. Lors de la détermination du couple de rotation de la manière décrite dans ce qui procède, on a supposé que les éléments rotatifs 2, 3 tournent, dans les cas où n > n', sans glissement l'un par rapport à l'autre de l'angle a, et on engendre un couple de rotation antagoniste M(a) correspondant à l'angle de rotation incident, le couple de rotation antagoniste augmentant constamment avec l'angle a et étant approximativement proportionnel à l'angle a. On ne peut cependant pas toujours supposer qu'il se produira une rotation réciproque sans glissement. Surtout après une durée de service prolongée du dispositif à libre 1, malgré que la condition n = n' soit satisfaite, il peut se produire un retard notable du blocage du dispositif à roue libre. En outre, des mouvements de glissement réciproques des éléments rotatifs 2 et 3 ne peuvent pas être exclus après apparition du blocage alors que la condition n = n' est toujours satisfaite, c'est-à-dire que des mouvements de glissement peuvent également encore se produire dans le dispositif à roue libre 1 pendant la transmission du couple de rotation. De tels mouvements de glissement entre les éléments rotatifs 2, 3 ont pour conséquence qu'il n'existe plus, entre le couple de rotation M appliqué au dispositif à roue libre 1 et l'angle a de la rotation réciproque des éléments rotatifs 2, 3, une relation univoque permettant la détermination univoque de M. Le but doit par conséquent être d'éliminer l'influence des mouvements de glissement sur la détermination du couple de rotation M. On va maintenant expliquer dans ce qui suit en s'aidant de la figure 4 des possibilités à cet égard. La figure 4 montre l'évolution de l'angle a de la rotation des éléments rotatifs 2, 3 quand le couple de rotation à mesurer M est appliqué à l'élément rotatif 2 par exemple via une bielle à pédale, en particulier la bielle de pédale d'une bicyclette. Chaque fois que la force de pédalage exercée est perpendiculaire à la tige de bielle, le couple de rotation M atteint un maximum. En raison de la proportionnalité entre M et a, un tel maximum se produit également pour l'angle a. Lors d'un actionnement régulier de la bielle de pédale et sans glissement, on est en présence de l'évolution temporelle périodique a (t), montrée dans la figure 4, avec la durée de période T. La durée de période T, c'est-à-dire le temps par exemple entre deux maximums de l'angle a de rotation réciproque des éléments rotatifs 2, 3 peut être mesurée. En variante, on peut déterminer la durée de période T par mesure de la vitesse angulaire, c'est-à-dire de la vitesse de rotation n de l'élément rotatif 2 au moyen de la relation n = 2n/T. Lors d'un actionnement régulier de la bielle de pédale, à chaque fois après la durée de période T, aussi longtemps que l'on atteint un maximum de l'angle a et également à cet égard la même valeur angulaire, on peut exclure un glissement entre les éléments rotatifs 2, 3. Il est possible d'exécuter un contrôle permanent pour savoir s'il se présente un glissement ou non, en détectant à chaque fois l'instant t', auquel se produit un maximum de l'angle a et la vitesse angulaire n, et on constate alors si un maximum se produit à nouveau à l'instant t'+T. Si c'est le cas, il ne s'est alors pas produit de glissement et la valeur déterminée a de l'angle de rotation entre les éléments rotatifs 2, 3 peut être utilisée pour déterminer le couple de rotation M. Si l'on est cependant en présence d'un glissement, ce qui importe pour la détermination de M, c'est de déterminer une rotation des éléments rotatifs 2, 3 l'un par rapport à l'autre pendant une phase de l'évolution temporelle a(t) dans laquelle le glissement est le plus faible possible. Selon la figure 4, on peut prendre à cet effet en considération par exemple une phase, de durée T', qui suit une valeur maximum amax, cette durée T' étant en relation fixée arbitrairement par rapport à la durée de période T. Pendant cette phase T', la rotation réciproque des éléments rotatifs 2, 3 diminue de l'angle Da, tel que M se trouve dans un certain rapport avec amax. Entre le couple de rotation maximum Mmax correspondant à amax et l'angle Da il existe une relation fonctionnelle qui peut être exploitée pour déterminer Mmax à partir des valeurs mesurées de Da. Approximativement, il existe une proportionnalité entre Mn. et Ma, comme il ressort de la figure 5. Pour mesurer Mme, on détermine donc l'instant t' auquel se produit un maximum amax, et on détermine ensuite la variation Aa qui résulte après cet instant jusqu'à la fin de la phase T'. La durée de période T et ainsi la durée de la phase T' peuvent être déterminées à partir de la vitesse angulaire n de l'élément rotatif 2 (T = 21t/n), la mesure de la vitesse angulaire n pouvant avoir lieu par exemple simultanément avec la détermination de l'instant T'. À titre de phase T', on pourrait par exemple également utiliser l'écart temporel entre les deux points de rebroussement proches de amax de la fonction a(t) et amax, ou l'écart temporel entre les deux points de rebroussement précités. REVENDICATIONS1. Capteur de couple de rotation caractérisé par un dispositif à roue libre (1) comprenant un premier élément rotatif (2) au moyen duquel un couple de rotation à déterminer est susceptible d'être transmis à un second élément rotatif (3) coaxial au premier élément rotatif (2) dans un sens de rotation, et par des moyens (7-15) pour déterminer une rotation a du premier élément rotatif (2) par rapport au second élément rotatif (3) dans le sens de rotation précité ainsi que pour déterminer le couple de rotation N au moyen de la rotation déterminée. 2. Capteur de couple de rotation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (7-15) pour déterminer la rotation réciproque a des éléments rotatifs (2, 3) sont prévus pour déterminer l'angle de rotation des éléments rotatifs (2, 3) indépendamment l'un de l'autre. 3. Capteur de couple de rotation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens (7-15) pour déterminer la rotation réciproque a des éléments rotatifs (2, 3) sont prévus pour déterminer des dérivées de l'angle de rotation des deux éléments rotatifs (2, 3) dans le temps. 4. Capteur de couple de rotation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens (7-15) pour déterminer la rotation réciproque a des éléments rotatifs (2, 3) comprennent au moins une bague de mesure (7, 8) coaxiale à l'un des éléments rotatifs (2, 3) avec un marquage périphérique (10), et un détecteur (11, 12) qui palpe le marquage. 5. Capteur de couple de rotation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le marquage est formé par une aimantation (10), variable en direction périphérique, de la bague de mesure (7, 8).35 6. Capteur de couple de rotation selon la revendication 5, caractérisé en ce que la bague de mesure (7, 8) est aimantée en direction périphérique en correspondance d'une fonction périodique. 7. Capteur de couple de rotation selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'une couche extérieure (9) de la bague de mesure (7, 8) est aimantée. 8. Capteur de couple de rotation selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le détecteur (11, 12) comprend deux capteurs de valeurs de mesure (13, 14) agencés en direction périphérique de la bague de mesure à une distance telle qu'il est possible de déterminer la position de la bague de mesure (7, 8) à l'intérieur d'une période de la fonction périodique à partir des valeurs de mesure des capteurs (13, 14). 9. Capteur de couple de rotation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le capteur de couple de rotation comprend plusieurs dispositifs à roue libre coaxiaux agissant dans des sens de rotation opposés. 10. Capteur de couple de rotation selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour enregistrer un glissement entre les éléments rotatifs (2, 3). 11. Capteur de couple de rotation selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le couple de rotation à déterminer présente une évolution temporelle déterminée, en particulier une périodicité. 30 12. Capteur de couple de rotation selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour détecter la durée de période (1). 13. Capteur de couple de rotation selon l'une des revendications 1 à 12,25caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour détecter des instants (t') auquel la rotation a Entre les éléments rotatifs (2, 3) atteint une valeur extrême. 14. Capteur de couple de rotation selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que les moyens pour enregistrer le glissement entre les éléments rotatifs sont prévus pour comparer les écarts temporels entre des valeurs extrêmes successives de la rotation (a) entre les éléments rotatifs (2, 3) avec la durée de période (T). 15. Capteur de couple de rotation selon l'une des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour détecter la rotation (Da) entre les éléments rotatifs (2, 3) pendant une phase déterminée (T') de l'évolution temporelle du couple de rotation à déterminer. 16. Capteur de couple de rotation selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'un maximum de la rotation (a) entre les éléments rotatifs (2, 3) se produit pendant la phase déterminée. 17. Capteur de couple de rotation selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens pour détecter la rotation (Da) pendant la phase déterminée sont prévus pour détecter la rotation (Da) depuis l'instant (t') auquel se produit le maximum jusqu'à la fin de la phase déterminée (T'), la durée (T') de la phase se trouvant dans une relation déterminée avec la période (T).