Brevet FR3035503A1 — publié le 20161028

COUPLEMÈTRE À JAUGE DE CONTRAINTE 1. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un couplemètre. En particulier, l'invention concerne un couplemètre pour la mesure d'un couple d'un élément de transmission en rotation d'un turbomoteur d'un aéronef. 2. Arrière-plan technologique Les couplemètres sont des dispositifs de mesure de couple qui existent sous plusieurs formes selon le domaine d'application, l'équipement dont le couple doit être mesuré et le degré de précision souhaité. Dans le domaine de l'aéronautique, on utilise fréquemment des couplemètres hydrauliques. Ces couplemètres fonctionnent par exemple grâce à un pignon intermédiaire à dentures hélicoïdales, pour lesquels le couple appliqué provoque une poussée axiale proportionnelle au couple à mesurer. Cette poussée axiale est appliquée à un piston lié au pignon intermédiaire. Un autre mode de réalisation fréquemment rencontré est la mesure de la poussée axiale d'une couronne de train épicycloïdal, elle aussi proportionnelle au couple à mesurer. Plus généralement, la mesure sur tout pignon hélicoïdal est possible par la récupération de la composante longitudinale axiale de l'engrènement. Le mouvement du piston en fonction du couple mesuré provoque une pression sur l'huile dans une chambre de mesure alimentée par un circuit hydraulique jusqu'à l'équilibrage de la pression exercée par le piston sur l'huile et par l'huile sur le piston. La mesure de la pression à cet équilibre par un capteur de pression permet de déduire le couple mesuré. Ces couplemètres hydrauliques ont pour inconvénients d'être sensibles aux frottements, dus aux éléments d'étanchéité et aux roulements, et aux fuites, dues au vieillissement des éléments d'étanchéité, la variation de viscosité de l'huile, à la température, etc. Ainsi, la précision des couplemètres hydrauliques n'est pas assurée et leur maintenance est régulièrement nécessaire. De plus, il est impossible de mesurer un couple négatif avec de tels couplemètres. D'autres couplemètres utilisés sont les couplemètres à torsion, comparant le déphasage de l'arbre soumis au couple avec un autre arbre en rotation qui lui est non 3035503 2 soumis au couple. Néanmoins, la précision de la mesure du couple par les couplemètres à torsion dépend de la longueur de l'arbre, ce qui entraine un encombrement important des couplemètres à torsion pour une mesure précise. De par son encombrement en longueur, il peut être difficile à installer dans le système de transmission mécanique. De 5 plus, l'arbre en rotation non soumis au couple, qui sert de référence, représente un coût et un poids supplémentaires pour le système. 3. Objectifs de l'invention L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des couplemètres connus. 10 En particulier, l'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un couplemètre peu encombrant. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un couplemètre n'utilisant pas d'éléments hydrauliques. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de 15 l'invention, un couplemètre précis. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un couplemètre fiable, nécessitant peu de maintenance. L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un couplemètre dont la maintenance est facilitée. 20 4. Exposé de l'invention Pour ce faire, l'invention concerne un couplemètre comprenant un carter et un pignon à dentures hélicoïdales adapté pour être entrainé en rotation par un élément de transmission dont on cherche à mesurer le couple, la rotation du pignon entrainant un déplacement du pignon en translation par rapport au carter selon une direction 25 longitudinale, ledit déplacement étant proportionnel au couple transmis au pignon, caractérisé en ce qu'il comprend : une membrane s'étendant au moins en partie dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale et comprenant une tige solidaire de la membrane et sensiblement perpendiculaire à la 30 membrane, la membrane étant reliée au carter via un support, un palier du pignon, comprenant une première bague reliée 3035503 3 solidairement au pignon, une deuxième bague reliée solidairement à la tige de la membrane, et des éléments roulants agencés entre la première bague et la deuxième bague, de sorte que le palier puisse transmettre des efforts longitudinaux du pignon à la tige de façon à ce 5 que le déplacement du pignon entraine une déformation de la membrane, au moins une jauge de contrainte montée sur la membrane et adaptée pour mesurer la déformation de la membrane, et en ce que la membrane, le support et la deuxième bague forment un 10 ensemble démontable, le support étant apte à être séparé du carter et la deuxième bague étant apte à être séparée des éléments roulants du palier. Un couplemètre selon l'invention permet donc de mesurer le couple d'un élément de transmission d'une chaine de transmission, par exemple un arbre de 15 transmission, sans recourir à un arbre de puissance ou de référence ni à des éléments hydrauliques. Un pignon à dentures hélicoïdales se déplace en translation par rapport à un carter du fait du couple qui lui est appliqué. Une membrane étant reliée d'une part au carter qui est fixe et d'autre part au pignon qui se déplace par rapport au carter, le déplacement du pignon entraine la déformation de la membrane via la tige de la 20 membrane. La déformation de la membrane est donc représentative du couple, et la mesure de cette déformation grâce à au moins une jauge de contrainte permet de déterminer le couple. Le couplemètre occupe ainsi un encombrement faible par rapport à un couplemètre à torsion et un encombrement sensiblement équivalent ou inférieur à un couplemètre hydraulique, sans nécessiter de circuit hydraulique et donc sans 25 nécessiter d'étanchéité associée à ce circuit hydraulique. L'absence de circuit hydraulique facilite en outre la maintenance. En outre, le fait que la membrane soit reliée d'une part au carter via un support et d'autre part au pignon via un palier démontable permet le démontage de ces éléments afin de procéder facilement à une maintenance voire à un remplacement de 30 tout ou partie de l'ensemble démontable, notamment de la membrane, sur laquelle au moins une jauge est montée. 3035503 4 Avantageusement et selon l'invention, la membrane comprend au moins une zone d'affaiblissement local, configurée pour subir une déformation plus importante que la déformation moyenne de la membrane, et au moins une jauge de contrainte est agencée sur ladite au moins une zone d'affaiblissement local. 5 Selon cet aspect de l'invention, la zone d'affaiblissement local permet une meilleure sensibilité de la mesure de la déformation du fait de la déformation plus importante de cette zone de la membrane. Cette meilleure sensibilité de la mesure de la déformation entraine donc une meilleure sensibilité de la mesure du couple par le couplemètre. L'affaiblissement local peut être réalisé par exemple par une diminution 10 de l'épaisseur de la membrane, un perçage ou une ouverture de la membrane. Plus généralement, toute forme de la membrane permettant d'augmenter la déformation au niveau de la ou des jauges de contrainte est un affaiblissement local. Avantageusement et selon l'invention, le palier du pignon est choisi parmi un 15 des types de palier suivants : un roulement à billes à contact oblique, un roulement à rouleaux à contact oblique, une butée à billes, une butée à aiguilles, 20 une butée à rouleaux. Selon cet aspect de l'invention, les variantes proposées sont toutes adaptées pour être démontables. Plus précisément, pour chaque variante, la deuxième bague est apte à être séparée des éléments roulants sans nécessiter de démonter la première bague. En outre, les variantes de pignon proposées sont toutes adaptées à supporter les 25 efforts axiaux dus au déplacement longitudinal du pignon. Avantageusement et selon l'invention, la membrane délimite deux espaces du couplemètre, d'une part un espace interne situé du côté du palier et du pignon, et d'autre part un espace externe, ledit couplemètre et au moins une jauge de contrainte 30 est montée sur la membrane du côté de l'espace externe. Selon cet aspect de l'invention, la ou les jauges de contrainte situées dans la membrane du côté de l'espace externe sont protégées de l'espace interne par la 3035503 5 membrane. En effet, du fait de la présence d'éléments mécaniques en mouvement, notamment le palier et le pignon, l'espace interne est exposé à la présence de lubrifiant pour les éléments mécaniques et d'impuretés dont est chargé le lubrifiant, ainsi qu'à des variations de température. Les jauges de contrainte situées du côté de l'espace externe 5 peuvent ainsi mesurer la déformation de la membrane sans que cette mesure soit perturbée par la présence de lubrifiant et/ou par une variation trop importante de la température. En outre, le vieillissement des jauges de contrainte est ainsi ralenti. La perturbation parasite de la température peut être limitée par l'installation des jauges en pont de Wheatstone de façon à améliorer la précision de mesure. 10 Avantageusement et selon ce dernier aspect de l'invention, l'espace externe est clôt par un capot de fermeture amovible. Selon cet aspect de l'invention, la ou les jauges de contrainte situées dans l'espace externe sont en outre protégées des perturbations, pollutions pouvant provenir 15 d'autres équipements à proximité du couplemètre. Notamment, dans le cadre de l'utilisation d'un couplemètre dans un turbomoteur, des équipements environnants peuvent provoquer par exemple une exposition thermique. Le capot de fermeture permet ainsi de protéger les jauges de contrainte de l'environnement extérieur. En outre, l'espace externe est ainsi rendu accessible au personnel de maintenance par 20 retrait du capot de fermeture amovible. Avantageusement et selon ce dernier aspect de l'invention, les jauges de contrainte sont adaptées pour transmettre des signaux représentatifs de la déformation mesurés, et le capot de fermeture amovible comprend un boitier de traitement des 25 signaux transmis par chaque jauge de contrainte. Selon cet aspect de l'invention, le traitement des signaux provenant de chaque jauge de contrainte est effectué dans un boitier situé à proximité des jauges, évitant ainsi les perturbations dues à une connexion d'une longueur trop importante pouvant entrainer des perturbations des signaux, et permettant de limiter les interfaces. En 30 pratique, les jauges de contrainte ont une résistance variable en fonction de la déformation mesurée et c'est cette variation de résistance qui est mesurée afin d'en déduire la déformation. Les signaux sont représentatifs de cette variation de résistance 3035503 6 et donc de la déformation. De préférence, chaque jauge de contrainte est connectée au boitier de traitement des signaux par un fil de connexion traversant le capot, permettant ainsi la transmission des signaux. 5 L'invention concerne également un turbomoteur comprenant un élément de transmission, caractérisé en ce qu'il comprend un couplemètre selon l'invention relié mécaniquement à l'élément de transmission de manière à pouvoir mesurer le couple appliqué à l'élément de transmission. 10 L'élément de transmission peut être par exemple un arbre, un pignon à dentures internes ou externes hélicoïdales, etc. Le couple mesuré est ainsi le couple transitant dans la transmission dont fait partie l'élément de transmission. L'invention concerne également un couplemètre et un turbomoteur caractérisés 15 en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci- après. 5. Liste des figures D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se 20 réfère aux figures annexées dans lesquelles : la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un couplemètre selon un mode de réalisation de l'invention, la figure 2 est une vue schématique de détail en coupe d'un couplemètre selon un mode de réalisation de l'invention, 25 la figure 3a est une vue schématique d'un couplemètre en coupe démonté selon un premier mode de réalisation de l'invention, la figure 3b est une vue schématique d'un couplemètre en coupe démonté selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la figure 3c est une vue schématique d'un couplemètre en coupe démonté selon 30 un troisième mode de réalisation de l'invention, 6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention 3035503 7 Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de 5 différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté. La figure 1 représente schématiquement un couplemètre 10 selon un mode de 10 réalisation de l'invention. Le couplemètre 10, d'axe X, est représenté en coupe selon un plan comprenant l'axe X. Seule une partie supérieure du couplemètre est représentée, la partie inférieure étant symétrique à la partie supérieure selon l'axe X. Le couplemètre 10 comprend un carter 12, ici représenté en deux parties 12a et 12b, qui est un élément fixe du couplemètre 10. Le couplemètre 10 comprend en outre 15 un pignon 14 à dentures hélicoïdales, adapté pour être entrainé en rotation autour de l'axe X par un élément de transmission (non représenté), dont on cherche à mesurer le couple. Cet élément de transmission peut par exemple être un arbre, un autre pignon à dentures hélicoïdales, etc. Du fait de la présence des dentures hélicoïdales, la rotation du pignon 14 génère des efforts axiaux au niveau des dentures, ce qui entraine un 20 déplacement du pignon 14 en translation par rapport au carter 12 selon une direction longitudinale suivant l'axe X, ledit déplacement étant proportionnel au couple transmis au pignon 14. Le pignon 14 est relié à une pluralité de roulements 16a, 16b à rouleaux permettant la rotation du pignon 14 par rapport au carter 12. Les roulements 16a, 16b à 25 rouleaux ne subissent pas d'efforts longitudinaux du fait du déplacement longitudinal du pignon 14. Le couplemètre comprend un palier 18 du pignon, comprenant une première bague 20 reliée solidairement au pignon 14, une deuxième bague 22, et des éléments 24 roulants agencés entre la première bague 20 et la deuxième bague 22. Le palier 18 du 30 pignon est adapté pour transmettre les efforts longitudinaux dus au déplacement longitudinal du pignon 14. En l'occurrence, les efforts longitudinaux se transmettent successivement à la première bague 20, puis aux éléments 24 roulants, puis à la 3035503 8 deuxième bague 22. Dans le mode de réalisation représenté, la première bague 20 est une bague externe du palier 18 et la deuxième bague 22 est une bague interne du palier 18. Le couplemètre comprend en outre une membrane 26 qui s'étend au moins en 5 partie dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale et comprend une tige 28 solidaire de la membrane, ladite tige 28 de la membrane étant sensiblement perpendiculaire à la membrane 26, soit ici sensiblement parallèle à la direction longitudinale. La tige 28 de la membrane est reliée solidairement à la deuxième bague 22 du 10 palier 18 du pignon. Ainsi, le palier 18 transmet les efforts longitudinaux du pignon à la tige 28 de la membrane. La membrane 26 étant reliée au carter 12 via un support 30, le déplacement de la tige 28 entraine une déformation de la membrane 26. La déformation de la membrane 26 est donc liée au déplacement longitudinal du pignon 14 et donc au couple à mesurer. 15 La déformation de la membrane 26 est mesurée grâce à au moins une jauge 32 de contrainte, ici deux jauges 32 de contrainte, montées sur la membrane 26, et dont les résistances varient en fonction de la déformation de la membrane 26. La mesure de la résistance de chaque jauge 32 de contrainte est transmise sous forme de signaux électriques à un boitier 34 de traitement des signaux. La résistance mesurée permet 20 ainsi de déduire la déformation de la membrane 26 et donc le couple à mesurer. Pour améliorer la mesure du couple et notamment la sensibilité du couplemètre, la membrane 26 comprend une zone 36 d'affaiblissement local sur laquelle est agencée au moins une jauge 32 de contrainte, ici les deux jauges 32 de contrainte, ladite zone 36 d'affaiblissement local étant configurée pour subir une déformation plus importante 25 que la déformation moyenne de la membrane 26. La déformation de la membrane 26 dans cette zone 36 d'affaiblissement local est ainsi amplifiée et permet donc une meilleure mesure du couple. Dans ce mode de réalisation, la zone 36 d'affaiblissement local est réalisée par une diminution de l'épaisseur de la membrane 26. Dans d'autres modes de réalisation, la zone 36 d'affaiblissement local peut être réalisée par un 30 perçage, une ouverture de la membrane 26, ou toute forme permettant d'augmenter la déformation de la membrane 26 sur une partie de la membrane 26 où est montée au moins une jauge 32 de contrainte. 3035503 9 La figure 2 représente schématiquement en coupe et en détail un couplemètre 10 selon un autre mode de réalisation de l'invention. Ce mode de réalisation reprend les caractéristiques du mode de réalisation décrit en référence à la figure 1. 5 La membrane 26, le support 30 et la deuxième bague 22 tels que décrits en référence à la figure 1 forment un ensemble 40 démontable, ici représenté par des hachures. Plus précisément, le support 30 est apte à être séparé du carter 12 et la deuxième bague 22 est apte à être séparée des éléments 24 roulants. Lors du démontage de l'ensemble 40 démontable, la membrane 26, reliée solidairement au 10 support 30 et à la deuxième bague 22, est donc aussi séparée du reste du couplemètre 10. Cette possibilité de démontage permet une maintenance facile du couplemètre 10, et permet notamment de changer aisément la membrane 26 et/ou les jauges 32 de contrainte si ceux-ci sont endommagés. Le support 30 est relié au carter 12 via une fixation amovible, ici une vis 41 de 15 fixation. En outre, entre le support 30 et le carter 12 est installé un joint 42 d'étanchéité statique, permettant d'empêcher le passage de fluides d'une part et d'autre de la membrane 26. L'étanchéité étant uniquement statique, les problèmes d'étanchéité des couplemètres hydrauliques dus à la nécessité d'une étanchéité dynamique pour des éléments en mouvement ne sont pas présents. 20 La membrane 26 délimite deux espaces du couplemètre 10, d'une part un espace interne 44 situé du côté du palier 18 et du pignon 14, et d'autre part un espace externe 46. L'espace interne 44, dans lequel se trouve des éléments en mouvements tel que le palier 18 et le pignon 14, est exposé à la présence de fluides, notamment de lubrifiant pour les éléments en mouvement, ledit lubrifiant pouvant comprendre des 25 impuretés. L'espace 46 externe n'est pas exposé à ce lubrifiant, du fait notamment de la présence de la membrane 26 et du joint 42 d'étanchéité statique. Ainsi, au moins une jauge 32 de contrainte, ici les deux jauges 32 de contrainte, sont de préférence montées sur la membrane 26 du côté de l'espace externe 46. Pour protéger davantage l'espace externe 46, le couplemètre 10 comprend en 30 outre un capot 38 de fermeture amovible, fixé sur le support 30 qui permet la clôture de l'espace externe 46, celui-ci étant ainsi délimité par la membrane 26, le support 30 et le capot 38. Dans ce mode de réalisation, le capot 38 comprend le boitier 34 de traitement 3035503 10 du signal. Le capot 38 est en outre fixé au support par la vis 41 de fixation. Les figures 3a, 3b, et 3c représentent schématiquement un couplemètre 10 respectivement selon un premier, un deuxième et un troisième mode de réalisation, 5 dans lesquels un ensemble 40a, 40b, 40c démontable est représenté comme démonté du reste du couplemètre 10. Les trois modes de réalisations diffèrent uniquement par le type de palier utilisé. Le premier mode de réalisation représente un palier 18a de type roulement à billes à contact oblique, comprenant notamment une première bague 20a et une 10 deuxième bague 22a. L'ensemble 40a démontable comprend ici le support 30, la membrane 26 et la deuxième bague 22a. Le deuxième mode de réalisation représente un palier 18b de type butée à billes, comprenant notamment une première bague 20b et une deuxième bague 22b. L'ensemble 40b démontable comprend ici le support 30, la membrane 26 et la deuxième 15 bague 22b. Le troisième mode de réalisation représente un palier 18c de type butée à rouleaux, comprenant notamment une première bague 20c et une deuxième bague 22c. L'ensemble 40c démontable comprend ici le support 30, la membrane 26 et la deuxième bague 22c. 20 D'autres types de palier peuvent être utilisés, par exemple une butée à aiguilles, un roulement à rouleaux à contact oblique, ou plus généralement tout palier dont la deuxième bague peut être facilement séparée des éléments roulants et/ou de la première bague pour permettre le démontage de l'ensemble 40 démontable. Selon d'autres modes de réalisation, les éléments roulants peuvent être séparables de la 25 première bague et peuvent donc faire partie de l'ensemble démontable. REVENDICATIONS1. Couplemètre comprenant un carter (12) et un pignon (14) à dentures hélicoïdales adapté pour être entrainé en rotation par un élément de transmission dont on cherche à mesurer le couple, la rotation du pignon (14) entrainant un déplacement du pignon (14) en translation par rapport au carter (12) selon une direction longitudinale, ledit déplacement étant proportionnel au couple transmis au pignon (14), caractérisé en ce qu'il comprend : - une membrane (26) s'étendant au moins en partie dans un plan sensiblement perpendiculaire à la direction longitudinale et comprenant une tige (28) solidaire de la membrane et sensiblement perpendiculaire à la membrane (26), la membrane (26) étant reliée au carter (12) via un support (30), - un palier (18) du pignon, comprenant une première bague (20) reliée solidairement au pignon (14), une deuxième bague (22) reliée solidairement à la tige (28) de la membrane, et des éléments (24) roulants agencés entre la première bague (20) et la deuxième bague (22), de sorte que le palier (18) puisse transmettre des efforts longitudinaux du pignon (14) à la tige (28), de façon à ce que le déplacement du pignon (14) entraine une déformation de la membrane (26), - au moins une jauge (32) de contrainte montée sur la membrane (26) et adaptée pour mesurer la déformation de la membrane (26), et en ce que la membrane (26), le support (30) et la deuxième bague (22) forment un ensemble démontable, le support (30) étant apte à être séparé du carter (12) et la deuxième bague (22) étant apte à être séparée des éléments (24) roulants du palier. 2. Couplemètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (26) comprend au moins une zone (36) d'affaiblissement local, configurée pour subir une déformation plus importante que la déformation moyenne de la membrane (26), et en ce qu'au moins une jauge de contrainte est agencée sur ladite au moins une zone (36) 3035503 12 d'affaiblissement local. 3. Couplemètre selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le palier (18) du pignon est choisi parmi un des types de palier suivants : 5 - un roulement à billes à contact oblique, - un roulement à rouleaux à contact oblique, - une butée à billes, - une butée à aiguilles, - une butée à rouleaux. 10 4. Couplemètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la membrane (26) délimite deux espaces du couplemètre (10), d'une part un espace interne (44) situé du côté du palier (18) et du pignon (14), et d'autre part un espace externe (46), et en ce qu'au moins une jauge (32) de contrainte est montée sur la 15 membrane (26) du côté de l'espace externe (46). 5. Couplemètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'espace externe (46) est clôt par un capot (38) de fermeture amovible. 20 6. Couplemètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que les jauges (32) de contrainte sont adaptées pour transmettre des signaux représentatifs de la déformation mesurés, et en ce que le capot (38) de fermeture amovible comprend un boitier (34) de traitement des signaux transmis par chaque jauge (32) de contrainte. 25 7. Turbomoteur comprenant un élément de transmission, caractérisé en ce qu'il comprend un couplemètre (10) selon l'une des revendications 1 à 6 relié mécaniquement à l'élément de transmission de manière à pouvoir mesurer le couple appliqué à l'élément de transmission. 30