Brevet FR3047803A1 — publié le 20170818

L'invention concerne un procédé de détection d'un état vibratoire d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant ainsi que l'application d'un tel procédé au diagnostic embarqué d'une défaillance d'un ensemble mécanique qui correspond à l'état vibratoire détecté. En particulier, l'invention peut être mise en oeuvre pour le diagnostic d'une défaillance de l'organe tournant d'un palier, notamment de la bague tournante ou fixe d'un roulement, de guidage en rotation d'un ensemble mécanique. En variante, l'invention peut être mise en oeuvre pour diagnostiquer la défaillance d'un autre organe, y compris fixe, d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant. Par exemple, l'ensemble mécanique peut appartenir à une boîte de vitesses, un motoréducteur, un variateur de vitesse, un autodémarreur, une turbine, un réacteur, une transmission, un embrayage, une broche ou un support de broche d'usinage. On connaît du document WO-2010/122240 un procédé de détection d'un défaut structurel, notamment à des fins de diagnostic, dans lequel un spectre de la vitesse instantanée de l'organe tournant est surveillé à au moins une fréquence caractéristique de l'apparition du défaut. Pour ce faire, une analyse préalable doit être menée pour identifier les fréquences d'apparition de chacun des défauts à détecter. Toutefois, cette analyse ne prend en compte l'impact du défaut que sur la vitesse de rotation de l'organe, rendant ainsi difficilement détectable les défauts qui auraient un effet faible sur ladite vitesse. En particulier, la demanderesse a analysé que l'état vibratoire de l'ensemble mécanique était un marqueur pertinent pour diagnostiquer une défaillance dudit ensemble, éventuellement en complément de l'exploitation des variations de sa vitesse de rotation. 3047803 2 Pour détecter un état vibratoire, on utilise classiquement un capteur de vibration dédié afin d'obtenir la précision attendue. Toutefois, cette réalisation nécessite l'ajout d'au moins un capteur qui, outre son coût, présente des contraintes importantes d'intégration dans l'ensemble mécanique comprenant un organe 5 tournant. L'invention vise à perfectionner l'art antérieur en proposant notamment un procédé de détection d'un état vibratoire d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant qui ne nécessite pas de moyens de mesure difficilement 10 implantables, ledit procédé étant particulièrement adapté au diagnostic embarqué d'une défaillance dudit ensemble mécanique. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un procédé de détection d'un état vibratoire d'un ensemble mécanique comprenant un organe 15 tournant, ledit procédé prévoyant une analyse préalable d'identification d'une signature fréquentielle caractéristique de l'apparition de l'état vibratoire sur un tour de rotation dudit organe, et les étapes itératives de : - mesure de la vitesse instantanée de rotation de l'organe tournant ; - échantillonnage angulaire de ladite mesure pour obtenir un signal 20 échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de la vitesse de rotation de l'organe ; - analyse harmonique spatiale du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la variation de la vitesse instantanée de rotation de l'organe ; - surveillance de l'énergie du spectre pour la signature caractéristique de 25 sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l'apparition de l'état vibratoire correspondant. Selon un deuxième aspect, l'invention propose une application d'un tel procédé au diagnostic embarqué d'une défaillance d'un ensemble mécanique qui 30 correspond à l'état vibratoire détecté. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en relation avec un ensemble mécanique comprenant un palier à 3047803 3 roulement formé d'un organe tournant, d'un organe fixe et d'au moins une rangée de corps roulants disposée entre lesdits organes pour permettre leur rotation relative. En outre, la description est faite en relation avec un palier de guidage en rotation d'un ensemble mécanique qui est embarqué dans un véhicule 5 automobile, notamment un roulement de guidage en rotation d'un arbre de boîte de vitesses. Toutefois, l'invention peut s'appliquer à la détection d'un état vibratoire d'un autre type d'ensemble mécanique comprenant un organe tournant et/ou dans une 10 autre application, par exemple une application statique comme dans une machine-outil portant un organe tournant. En particulier, l'état vibratoire à détecter peut apparaître du fait des contraintes mécaniques induites par la rotation de l'organe tournant. Ainsi, le procédé permet 15 de diagnostiquer une défaillance de l'ensemble mécanique pour, en assurant une maintenance prédictive, alerter d'une panne dudit ensemble. En particulier, le procédé permet la détection des vibrations qui peuvent être induites notamment par une défaillance d'un roulement, d'une roue d'engrenage ou d'un montage incorrect de l'organe tournant. 20 Par exemple, dans le cas d'un palier à roulement, l'état vibratoire peut être induit par un écaillage de la piste de roulement de l'organe fixe, de l'organe tournant et/ou des corps roulants. Dans le cas d'un ensemble mécanique comprenant un arbre tournant, notamment de transmission, d'une boîte de vitesses ou moteur, 25 l'état vibratoire peut être induit par un défaut structurel formé sur une dent d'engrenage dudit arbre. Le procédé prévoit une analyse préalable d'identification d'une signature fréquentielle caractéristique de l'apparition de l'état vibratoire sur un tour de 30 rotation de l'organe tournant. Selon une réalisation, il prévoit l'identification préalable de plusieurs signatures fréquentielles qui correspondent chacune à un type d'état vibratoire à détecter. 3047803 4 En particulier, l'analyse peut être réalisée par étude géométrique de l'ensemble mécanique, en particulier à partir des relations cinématiques entre les différents composants mécaniques dudit ensemble, de sorte à localiser au moins une fréquence identifiant chacun des états vibratoires susceptibles de se produire. 5 Après l'identification des signatures fréquentielles caractéristiques des états vibratoires qui sont susceptibles de se produire, le procédé prévoit des étapes itératives de détection de l'état vibratoire correspondant à l'une de ces signatures caractéristiques. En variante, le procédé peut être mis en oeuvre pour détecter 10 chacun des états vibratoires susceptibles de se produire. Le procédé prévoit la mesure de la vitesse instantanée de rotation de l'organe tournant, ladite mesure pouvant être réalisée sur l'organe tournant à surveiller ou sur un autre organe tournant qui lui est associé dans l'ensemble mécanique. 15 En particulier, la mesure de la vitesse instantanée peut être réalisée au moyen d'un ensemble codeur - capteur. Le codeur est solidaire en rotation de l'organe tournant et peut être de type magnétique en comprenant une piste multipolaire annulaire qui présente une succession alternée de pôles magnétiques Nord et 20 Sud dont la géométrie est identique. En variante, une technologie optique peut être utilisée. En particulier, le codeur peut être fixé sur l'organe tournant ou sur un composant tournant lié en rotation audit organe tournant. Dans l'exemple d'un palier à 25 roulement, le codeur peut être fixé à l'organe tournant pour détecter un état vibratoire sur ledit palier, ou pour détecter un état vibratoire sur l'ensemble tournant qui est guidé en rotation par ledit palier. Le capteur est fixe et comprend au moins un élément sensible qui est disposé en 30 regard et à distance de lecture de la piste multipolaire. Dans un exemple de réalisation, les éléments sensibles sont des sondes à effet Hall, des magnétorésistances ou des magnétorésistances géantes. En particulier, le 3047803 5 capteur peut comprendre une pluralité d'éléments sensibles alignés tel que décrit dans le document FR-2 792 403. Selon une réalisation, le capteur est agencé pour délivrer un signal comprenant 5 des fronts qui sont espacés d'un pas angulaire constant. En particulier, le signal délivré par le capteur peut être interpolé de sorte que le pas angulaire séparant les fronts soit inférieur à l'écart angulaire entre les pôles magnétiques. La vitesse mesurée comprend une contribution liée aux variations de vitesse 10 instantanée qui sont induites par l'état vibratoire de l'ensemble mécanique, notamment en ce qu'il induit des déplacements tangentiels périodiques des éléments sensibles relativement au codeur. Le procédé prévoit en outre un échantillonnage angulaire de la mesure de la 15 vitesse instantanée de rotation pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de la vitesse de rotation de l'organe. De façon avantageuse, le procédé prévoit l'échantillonnage angulaire de la mesure à laquelle a été soustraite la moyenne synchrone au tour de la vitesse de rotation de l'organe tournant, afin d'en soustraire toutes les contributions périodiques au 20 tour. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on mesure le temps écoulé entre deux fronts, notamment au moyen d'une carte de comptage qui est couplée au capteur, le signal échantillonné donnant la variation instantanée du temps écoulé 25 entre chaque front du signal mesuré de sorte à connaître la variation instantanée de la vitesse de rotation. La variation instantanée de la vitesse de rotation étant échantillonnée, le procédé prévoit de réaliser une analyse harmonique du signal échantillonné pour obtenir 30 un spectre de ladite variation. Selon une réalisation, l'analyse harmonique spatiale est réalisée par transformée de Fourier spatiale (FFT) du signal échantillonné. 3047803 6 Ensuite, le procédé prévoit une surveillance de l'énergie du spectre pour la signature fréquentielle caractéristique de sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l'apparition de l'état vibratoire correspondant. En particulier, la signature peut comprendre au moins une fréquence caractéristique de 5 l'apparition de l'état vibratoire sur un tour de rotation de l'organe. Selon une réalisation, l'énergie du spectre peut être surveillée pour chacune parmi plusieurs signatures caractéristiques de sorte à en déduire l'apparition des états vibratoires correspondant à chacune de ces signatures. 10 Cette surveillance peut être réalisée dans une fenêtre comprenant au moins une fréquence caractéristique et/ou à au moins une harmonique de cette fréquence. En particulier, lorsque plusieurs états vibratoires doivent être détectés chacun au moyen d'une signature caractéristique, les fréquences surveillées doivent être différentes pour pouvoir discriminer chacun des états. 15 L'apparition de l'état vibratoire peut être détectée pour une valeur de l'amplitude d'au moins une fréquence caractéristique du spectre qui est supérieure à un seuil. En outre, on peut prévoir une quantification de l'état vibratoire en fonction de l'amplitude et/ou de la forme du spectre pour la signature caractéristique. 20 Selon une réalisation, le procédé prévoit en outre une détermination préalable de la signature propre au codeur, ladite signature étant soustraite du signal de la vitesse instantanée pour réaliser la surveillance de l'énergie sur le spectre obtenu. 25 La mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus trouve particulièrement son application au diagnostic embarqué d'une défaillance de l'ensemble mécanique qui correspond à l'état vibratoire détecté. En particulier, le procédé peut détecter tout état vibratoire anormal afin d'en déduire une défaillance de fonctionnement 30 de l'ensemble mécanique. Selon une réalisation avantageuse, un défaut structurel de l'ensemble mécanique est également diagnostiqué par une analyse préalable d'identification 3047803 7 d'une fréquence caractéristique de l'apparition du défaut sur un tour de rotation de l'organe, et les étapes itératives de : - échantillonnage angulaire de la mesure de la vitesse instantanée de rotation de l'organe tournant pour obtenir un signal échantillonné qui est 5 représentatif de ladite vitesse instantanée ; - analyse harmonique spatiale du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la vitesse instantanée de rotation de l'organe ; - surveillance de l'amplitude du spectre pour la fréquence caractéristique de sorte, en fonction de ladite amplitude, à en déduire l'apparition du défaut 10 correspondant. En particulier, le défaut structurel peut être diagnostiqué également en fonction de l'état vibratoire détecté. 15 REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'un état vibratoire d'un ensemble mécanique comprenant un organe tournant, ledit procédé prévoyant une analyse préalable d'identification d'une signature fréquentielle caractéristique de l'apparition de l'état vibratoire sur un tour de rotation dudit organe, et les étapes itératives de : - mesure de la vitesse instantanée de rotation de l'organe tournant ; - échantillonnage angulaire de ladite mesure pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de la variation instantanée de la vitesse de rotation de l'organe ; - analyse harmonique spatiale du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la variation de la vitesse instantanée de rotation de l'organe ; - surveillance de l'énergie du spectre pour la signature caractéristique de sorte, en fonction de ladite énergie, à en déduire l'apparition de l'état vibratoire correspondant. 2. Procédé de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il prévoit l'échantillonnage angulaire de la mesure à laquelle a été soustraite la moyenne synchrone au tour de la vitesse de rotation de l'organe tournant. 3. Procédé de détection selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'analyse harmonique spatiale est réalisée par transformée de Fourier spatiale du signal échantillonné. 4. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mesure de la vitesse instantanée est réalisée au moyen : - d'un codeur solidaire en rotation de l'organe tournant, ledit codeur comprenant une piste multipolaire ; - d'un capteur fixe comprenant au moins un élément sensible qui est disposé en regard et à distance de lecture de la piste multipolaire, ledit capteur étant agencé pour délivrer un signal comprenant des fronts espacés d'un pas angulaire constant. 3047803 9 5. Procédé de détection selon la revendication 4, caractérisé en ce que la piste multipolaire présente une succession alternée de pôles magnétiques Nord et Sud. 5 6. Procédé de détection selon la revendication 5, caractérisé en ce que le pas angulaire séparant les fronts est inférieur à l'écart angulaire entre les pôles. 7. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, 10 caractérisé en ce que le signal échantillonné donne la variation instantanée du temps écoulé entre chaque front du signal mesuré de sorte à connaître la variation instantanée de la vitesse de rotation. 8. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, 15 caractérisé en ce que l'apparition de l'état vibratoire est détectée pour une valeur de l'amplitude d'au moins une fréquence caractéristique du spectre qui est supérieure à un seuil. 9. Procédé de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 20 caractérisé en ce que la surveillance est réalisée à au moins une fréquence caractéristique et/ou à au moins une harmonique de cette fréquence. 10. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 au diagnostic embarqué d'une défaillance d'un ensemble mécanique qui correspond 25 à l'état vibratoire détecté. 11. Application selon la revendication 10, dans laquelle un défaut structurel de l'ensemble mécanique est également diagnostiqué par une analyse préalable d'identification d'une fréquence caractéristique de l'apparition du défaut sur un 30 tour de rotation de l'organe, et les étapes itératives de : échantillonnage angulaire de la mesure de la vitesse instantanée de rotation de l'organe tournant pour obtenir un signal échantillonné qui est représentatif de ladite vitesse instantanée ; 3047803 10 - analyse harmonique spatiale du signal échantillonné pour obtenir un spectre de la vitesse instantanée de rotation de l'organe ; - surveillance de l'amplitude du spectre pour la fréquence caractéristique de sorte, en fonction de ladite amplitude, à en déduire l'apparition du défaut 5 correspondant. 12. Application selon la revendication 11, caractérisé en ce que le défaut structurel est diagnostiqué également en fonction de l'état vibratoire détecté. 10