Brevet FR3130027A1 — publié le 20230609

Ce dispositif de mesure du couple d’une chaîne de transmission (4) de couple comprend deux anneaux de mesure (12) disposés sur un arbre de transmission (10) de la chaîne de transmission (4) et à distance l’un de l’autre, deux capteurs (14) de mesure d’angle de rotation des anneaux de mesure chacun positionné en regard d’un anneau de mesure (12), et un moyen (16) de calcul de couple à partir des mesures des capteurs (14). Figure pour l’abrégé : Fig 1 Dispositif et procédé de mesure du couple d’une chaîne de transmission La présente invention concerne les dispositifs et les procédés de mesure de couple, en particulier la mesure de couple dans les arbres de transmission de chaîne de transmission de couple. De manière générale, l’invention s’applique à tout type de machine comprenant un système de transmission, par exemple un véhicule. Techniques antérieures La mesure du couple appliqué à un arbre de transmission est nécessaire dans plusieurs applications de manière à vérifier que la consigne de couple est respectée ou bien que l’arbre de transmission ne risque pas d’être endommagé. La mesure de couple permet également, après analyse, d’optimiser les performances et de limiter les vibrations. La mesure d’un couple s’effectue usuellement à l’aide d’un capteur de couple, aussi appelé couplemètre. Cependant, cette solution nécessite d’incorporer le couplemètre dans la chaîne de transmission dès son montage ou par modification de la chaîne de transmission, solution qui n’est parfois pas possible, notamment lorsque le volume abritant la chaîne de transmission est restreint et ne permet pas d’y loger le couplemètre. Une autre solution consiste à utiliser une jauge de déformation sur une partie relativement flexible du système de transmission et de calibrer la déformation en statique pour en déduire le couple. Cependant, les jauges de déformation doivent également être embarquées sur la chaîne de transmission. De plus, un dispositif de télémesure est également nécessaire et doit être intégré dans la chaîne de transmission. Il faut que ce dispositif souvent encombrant soit intégrable dans le système de transmission à caractériser sans apporter trop d’inertie à l’ensemble pour ne pas perturber le comportement dynamique de la chaîne de transmission à caractériser. La télémesure est également à proscrire dans certaines machines comprenant des chaînes de transmission. La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir un dispositif de mesure de faible taille sans modification majeure de la chaîne de transmission. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure du couple d’une chaîne de transmission de couple comprenant deux anneaux de mesure disposés sur un arbre de transmission de la chaîne de transmission et à distance l’un de l’autre, deux capteurs pour la mesure d’angle de rotation des anneaux de mesure chacun positionné en regard d’un anneau de mesure, et un moyen de calcul de couple à partir des mesures des capteurs. Ainsi, ce dispositif permet une mesure du couple sans contact et sans ajout d’un élément dans la mécanique de la chaîne de transmission autre que l’ajout d’un anneau de mesure et donc sans modification de l’inertie de la chaîne de transmission. Par ailleurs, la mesure peut s’effectuer en temps réel. Avantageusement, les anneaux de mesure sont parcourus chacun d’une alternance de rayures à fort contraste, les rayures étant régulièrement espacées et tracées parallèles à l’axe longitudinal de l’arbre de transmission. Avantageusement, les anneaux de mesure comprennent chacun une raie de référence plus large que les autres rayures. Dans un mode de réalisation, les anneaux de mesures comprennent des rubans adhésifs à appliquer sur l’arbre de transmission. Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif de mesure du couple comprend en outre une bande de mesure de sens de rotation de l’arbre de transmission, placé à proximité directe de l’un quelconque des anneaux de mesure et comprenant des rayures en quadrature avec les rayures de l’anneau de mesure à proximité. Dans un mode de réalisation supplémentaire, le dispositif de mesure du couple comprend un ou plusieurs anneaux de mesure associés à un ou plusieurs capteurs supplémentaires. L’invention a également pour objet un procédé de mesure du couple d’une chaîne de transmission de couple comprenant les étapes suivantes : - Modélisation torsionnelle de la chaîne de transmission par éléments finis entre deux anneaux de mesure du dispositif tel que défini précédemment, et récupération de la raideur de la chaîne de transmission ; - Mesure de l’angle de rotation de chaque anneau de mesure avec les capteurs ; et - Détermination du couple de la chaîne de transmission par modélisation torsionnelle en fonction de la raideur, de l’emplacement des anneaux de mesure, des angles de rotation mesurés et de la longueur de l’arbre de transmission. Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape de récupération du coefficient d’amortissement de la chaîne de transmission, et une étape de mesure de la vitesse de rotation de chaque anneau de mesure avec les capteurs. Avantageusement, le procédé comprend une étape de calibration préliminaire de manière à étalonner l’origine angulaire des anneaux de mesure et à supprimer les non linéarités angulaires des anneaux de mesures. Avantageusement, le procédé comprend une étape de détection de la mise en résonnance par flexion de l’arbre de transmission par étude de la modulation de l’amplitude de la mesure de l’angle de rotation. L’invention a également pour objet un programme d’ordinateur configuré pour mettre en œuvre le procédé tel que défini précédemment lorsqu’il est exécuté par l’ordinateur. L’invention porte également sur un support d'enregistrement lisible par ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un ordinateur, conduisent celui-ci à mettre en œuvre les étapes du procédé tel que défini précédemment. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : illustre schématiquement un dispositif de mesure du couple d’une chaîne de transmission de couple selon l’invention ; est une vue à plat illustrant un mode de réalisation d’un anneau de mesure d’un dispositif de mesure du couple d’une chaîne de transmission selon l’invention ; et est un organigramme illustrant schématiquement les étapes d’un procédé de mesure du couple d’une chaîne de transmission de couple selon l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté schématiquement sur la un dispositif 2 de mesure du couple d’une chaîne de transmission 4 de couple. La chaîne de transmission 4 relie par exemple un moteur 6 à une hélice 8 et comprend au moins un arbre de transmission 10. Il s’agit d’une chaîne de transmission 4 d’un véhicule motorisé, un aéronef par exemple. La rotation de l’arbre de transmission 10 est donc limitée aux rotations généralement présentes dans les véhicules motorisés, de l’ordre de plusieurs milliers de tours par minute. Le dispositif 2 est destiné à mesurer le couple de l’arbre de transmission 10. Le dispositif 2 comprend deux anneaux de mesure 12 disposés sur l’arbre de transmission 10 ainsi que deux capteurs 14 positionnés chacun devant un anneau de mesure 12. Chaque capteur 14 est par exemple un capteur optique 14. Le capteur 14 comprend par exemple un système optique comprenant une lentille focalisante, une fibre optique, une diode et une photodiode. Le dispositif 2 comprend en outre un moyen 16 de calcul de couple à partir des mesures des capteurs 14. Le moyen 16 de calcul de couple est par exemple un ordinateur ou une carte électronique embarquée. Plus précisément, les deux anneaux 12 sont positionnés à distance l’un de l’autre, par exemple l’un en amont vers le moteur 6, et l’autre en aval vers l’hélice 8. La distance qui les sépare permet de prendre en compte la raideur de l’arbre de transmission 10 entre les deux anneaux de mesure 12. Autrement dit, la souplesse entre les deux anneaux de mesure 12 doit être suffisante pour que l’écart angulaire mesuré entre les deux anneaux de mesure soit plus élevé que la précision de mesure des capteurs 14. Dans un mode particulier de réalisation, un anneau de mesure 12 est un ruban adhésif appliqué et collé sur la surface de l’arbre de transmission 10, de manière à en faire le tour. Dans d’autres modes de réalisation, un anneau de mesure 12 peut également être gravé dans l’arbre de transmission 10. Plus généralement, un anneau de mesure 12 peut être réalisé par tout autre moyen permettant de modifier la réflectivité sur le périmètre de l’arbre de façon régulière : il peut s’agir d’une roue crantée, ou encore d’une variation d’état de la surface. On a représenté sur la une vue à plat d’un mode de réalisation d’un anneau de mesure 12. Un anneau de mesure 12 a une largeur L de quelques centimètres. Il comprend une alternance de rayures 18 foncées et claires à fort contraste, par exemple une alternance de rayures 18 blanches et noires. Les rayures 18 sont régulièrement espacées et ont une largeur E, également appelée épaisseur E semblable entre elles. Les rayures 18 sont en outre destinées à être tracées parallèles à l’axe longitudinal A de l’arbre de transmission 10. Autrement dit, les rayures 18 sont tracées dans la largeur L de l’anneau de mesure 10. Le nombre et l’épaisseur E des rayures 18 sont déterminés en prenant en compte la résolution angulaire des capteurs 14 ainsi qu’en prenant en compte la vitesse de rotation maximale de l’arbre de transmission 10 et la fréquence d’échantillonnage des capteurs 14 afin de respecter le critère de Shannon et d’éviter un repliement de spectre. Ainsi, avec F la fréquence d’échantillonnage minimum, n le nombre de passage d’une rayure claire vers une rayure foncée, et ω la vitesse de rotation maximale en tour par minute au niveau d’un anneau de mesure 12, le critère à respecter est donné par l’équation suivante : Un anneau de mesure 12 comprend en outre une raie de référence 20 plus épaisse que les rayures 18. La raie de référence 20 remplace par exemple une rayure 18 foncée. La raie de référence 20 permet de définir une origine angulaire relative pour la mesure d’angle par rapport aux autres capteurs 14. La définition de l’origine angulaire, aussi appelée calibration, s’effectue par exemple préalablement lorsque l’arbre de transmission 10 tourne à une vitesse de rotation lente, de l’ordre de quelques tours par minute. Lorsque les anneaux de mesure 12 sont réalisés à partir de ruban adhésif, la raie de référence 20 est par exemple obtenue à la jonction du début et de la fin du ruban adhésif positionné sur le tour de l’arbre de transmission 10. La raie de référence 20 a une taille T suffisamment importante pour être aisément identifiée par rapport aux rayures 18 mais suffisamment fine pour ne pas créer de zone aveugle lors de la mesure d’angle. A titre d’exemple, les rayures 18 ont une épaisseur E de quelques millimètres et la raie de référence 20 a une taille T environ deux fois plus grande que les rayures 18. Optionnellement, le dispositif 2 de mesure du couple comprend une bande 22 de mesure du sens de rotation de l’arbre de transmission 10. La bande 22 est placée à proximité directe de l’un quelconque des anneaux de mesure 12 de sorte que la raideur de l’arbre de transmission 10 entre la bande 22 et ledit anneau de mesure 12 est proche de l’infini. La bande 22 peut être visible par un capteur 14 observant ledit anneau de mesure 12 ou par un capteur 14 supplémentaire dédié. La bande 22 comprend également des rayures 18 réparties similairement audit anneau de mesure 12. Cependant, les rayures 18 de la bande 22 de mesure de sens sont disposées légèrement décalées par rapport aux rayures 18 dudit anneau de mesure 12. Ce léger décalage permet au capteur 14 et au moyen de calcul 16 de détecter le sens de rotation de l’arbre de transmission 10. Le dispositif 2 tel que décrit précédemment permet de déterminer le couple de l’arbre de transmission 10 à l’aide d’une modélisation torsionnelle et lorsque le premier mode de la modélisation torsionnelle est excité très majoritairement par rapport aux autres modes. En pratique, pour une chaîne de transmission 4 classique d’un véhicule, la décomposition modale de la chaîne de transmission 4 peut montrer une prépondérance du premier mode de la modélisation torsionnelle. Ce premier mode fait en particulier apparaître des variations de vitesses angulaires plus importantes du côté du moteur que du côté de l’hélice, dont le profil des vitesses angulaires est plus lissé. La modélisation torsionnelle est établie sur la base d’un système inertie-ressort en torsion et permet d’obtenir l’équation suivante : avec C le couple de l’arbre de transmission 10, x la position sur l’axe longitudinal A de l’arbre de transmission 10, t le temps, k la raideur, également appelée rigidité, torsionnelle locale de l’arbre de transmission 10 en Newton.mètre²/radian, θ l’angle de rotation de l’arbre de transmission 10 et µ le facteur d’amortissement torsionnel local de l’arbre de transmission 10 en Newton.mètre².seconde/rad. En vérifiant la base modale sur le modèle torsionnel par simulation, il est possible de vérifier que le couple est majoritairement influencé par le premier mode et que le couple est alors indépendant de la position dans la chaîne de transmission 4. Avec k et µ respectivement la raideur torsionnelle totale d’un arbre de transmission 10 de la longueur totale X et le facteur d’amortissement torsionnel total de ce même arbre de transmission 10, et x1 et x2 les positions de deux anneaux de mesure 12, le couple s’exprime alors : Il est à noter que pour une chaîne de transmission comprenant plusieurs éléments, on peut calculer une raideur équivalente totale ainsi qu’un facteur d’amortissement équivalent total. Par exemple, pour une chaîne de transmission de longueur Xeq comprenant un premier élément de longueur X1 et de raideur k1 et un second élément de longueur X2 et de raideur k2, la raideur équivalente keq s’exprime de la manière suivante : Le facteur d’amortissement équivalent total s’obtient de manière similaire. Par ailleurs, le terme associé au facteur d’amortissement µ est parfois négligeable et permet de simplifier la formule précédente de manière à réduire la mesure de couple à une simple différence d’angles. A l’inverse, dans de rares cas, d’autres modes que le premier mode du modèle torsionnel peuvent influer sur le couple. Pour mesurer le couple dans la chaîne de transmission 4 dans un tel cas, le dispositif 2 comprend alors un ou plusieurs anneaux de mesure 12 supplémentaires et optionnellement un ou plusieurs capteurs 14 supplémentaires, un capteur 14 pouvant être utilisé pour l’observation d’un unique anneau de mesure 12. Il faut par exemple trois anneaux de mesure 12 en tout pour prendre en compte le deuxième mode, quatre anneaux de mesure 12 pour le troisième mode, etc… On a représenté sur la les différentes étapes d’un procédé de mesure du couple d’une chaîne de transmission. Le procédé illustré est mis en œuvre par le dispositif 2 illustré à la . Optionnellement et en amont, on peut effectuer en préparation une étape 32 de calibration préliminaire de manière à étalonner l’origine angulaire des anneaux de mesure 12 sur la raie de référence 20 et à supprimer les non linéarités angulaires des anneaux de mesures 12. En particulier, des non linéarités angulaires apparaissent par exemple en raison de défauts de collage des anneaux de mesure 12. Ce sont des défauts qui apparaissent clairement à basse vitesse de rotation de l’arbre de transmission 10, car la torsion de l’arbre est alors nulle. L’écart angulaire entre les anneaux de mesure ne doit par varier en théorie. Le cas échéant, il existe des non linéarités angulaires qui peuvent être corrigées en moyennant les écarts angulaires sur plusieurs tours de l’arbre de transmission. Ces défauts de linéarité peuvent donc être caractérisés de manière statistique en faisant l’hypothèse que les fréquences de torsion excitées sont très majoritairement asynchrones par rapport à la fréquence de rotation de la chaîne de transmission. Ainsi sur une durée d’acquisition suffisamment longue, l’écart angulaire moyen entre deux capteurs est principalement lié à la non-linéarité différentielle entre ces deux capteurs. Pour la mise en œuvre du procédé, on effectue en amont une étape 34 de modélisation torsionnelle de la chaîne de transmission par éléments finis. En particulier, on effectue cette modélisation pour une partie de la chaîne de transmission située entre deux anneaux de mesure 12 du dispositif 2. Cette étape 34 permet de définir le positionnement et le nombre de capteurs 14 ainsi que la manière d’estimer le couple à partir des mesures angulaires à venir. Cette étape peut être menée en parallèle de l’étape 32 précédente. Dans le même temps, on récupère la raideur de la chaîne de transmission 4 depuis la modélisation torsionnelle, qui est une donnée d’entrée fournie par le constructeur de la chaîne de transmission 4 ou mesurée lors d’essais de caractérisation. On effectue ensuite une étape 36 de mesure de l’angle de rotation de chaque anneau de mesure 12 avec les capteurs 14. Cette étape est effectuée en temps réel. Puis, on détermine en temps réel lors d’une étape 38 le couple de la chaîne de transmission 4 par modélisation torsionnelle en fonction de la raideur de la chaîne de transmission 4, ou plus particulièrement des raideurs des différents éléments de la chaîne de transmission 4, de l’emplacement des anneaux de transmission 12, des angles de rotation mesurés à l’étape 36 et de la longueur de la chaîne de transmission, ou plus particulièrement des longueurs des éléments composant la chaîne de transmission 4 comme décrit à l’aide des équations précédemment énoncées. Les différents éléments d’une chaîne de transmission 4 sont par exemple plusieurs arbres de transmission 10. Dans un mode de mise en œuvre particulier où le terme associé au facteur d’amortissement µ n’est pas négligeable, on effectue en amont une étape 40 de récupération du coefficient d’amortissement de la chaîne de transmission qui est une donnée d’entrée fournie par le constructeur de la chaîne de transmission 4 ou mesurée lors d’essais de caractérisation, et utilisée pour l’étape 34 de modélisation torsionnelle. L’étape 40 permet par exemple de récupérer la valeur du coefficient d’amortissement depuis ladite modélisation torsionnelle effectuée à l’étape 34. On effectue en outre une étape 42 de mesure de la vitesse de rotation de chaque anneau de mesure 12 avec les capteurs 14 en temps réel. Les étapes 40 et 42 sont par exemple effectuées respectivement parallèlement aux étapes 34 et 36. L’étape 38 est alors effectuée en prenant également en compte les paramètres des étapes 40 et 42. Optionnellement, après l’étape 42 de mesure de la vitesse de rotation, on effectue une étape 44 de filtrage de la vitesse angulaire avec un filtre passe-bas afin de réduire le bruit de mesure introduit par exemple par une méthode d’interpolation ou par le capteur. Optionnellement, une étape de filtrage de la valeur de couple déterminée à l’étape 38 est également effectuée. En outre, on peut effectuer une étape 46 de détection de la mise en résonnance par flexion de l’arbre de transmission 10 par étude du contraste ou de la modulation d’amplitude de la mesure de l’angle de rotation. Cette étape 46 permet ainsi d’avoir une mise en évidence et un suivi des modes de flexion en plus des modes torsionnels. Cette étape 46 est réalisé par l’analyse du signal perçu par les capteurs 14. Le signal réel et/ou idéal des anneaux de mesure est un signal créneau dû au rayures 18. Le signal perçu est en revanche un signal proche d’une sinusoïde et dont le contraste diminue lorsque le capteur 14 s’éloigne de l’arbre de transmission 10. Ainsi, en étudiant, le contraste du signal perçu, on remonte à la distance entre le capteur 14 et l’arbre de transmission 10, et ainsi à sa flexion. Les étapes précédentes du procédé de mesure du couple d’une chaîne de transmission peuvent être mises en œuvre par un programme d’ordinateur. Le programme d’ordinateur peut être un programme implémenté dans un microcontrôleur embarqué permettant un calcul quasi en temps réel. Dispositif de mesure du couple d’une chaîne de transmission (4) de couple, caractérisé en ce qu’il comprend deux anneaux de mesure (12) disposés sur un arbre de transmission (10) de la chaîne de transmission (4) et à distance l’un de l’autre, deux capteurs (14) de mesure d’angle de rotation des anneaux de mesure chacun positionné en regard d’un anneau de mesure (12), et un moyen (16) de calcul de couple à partir des mesures des capteurs (14). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les anneaux de mesure (12) sont parcourus chacun d’une alternance de rayures (18) à fort contraste, les rayures (18) étant régulièrement espacées et tracées parallèles à l’axe longitudinal (A) de l’arbre de transmission (10). Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les anneaux de mesure (12) comprennent chacun une raie de référence (20) plus large que les autres rayures (18). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les anneaux de mesures (12) comprennent des rubans adhésifs à appliquer sur l’arbre de transmission (10). Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant en outre une bande (22) de mesure de sens de rotation de l’arbre de transmission (10), placé à proximité directe de l’un quelconque des anneaux de mesure (12) et comprenant des rayures (18) en quadrature avec les rayures (18) de l’anneau de mesure (12) à proximité. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un ou plusieurs anneaux de mesure (12) associés à un ou plusieurs capteurs (14) supplémentaires. Procédé de mesure du couple d’une chaîne de transmission de couple caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : Modélisation (étape 34) torsionnelle de la chaîne de transmission (4) par éléments finis entre deux anneaux de mesure (12) du dispositif (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, et récupération de la raideur de la chaîne de transmission ; Mesure (étape 36) de l’angle de rotation de chaque anneau de mesure (12) avec les capteurs (14) ; et Détermination (étape 38) du couple de la chaîne de transmission (4) par modélisation torsionnelle en fonction de la raideur, de l’emplacement des anneaux de mesure (12), des angles de rotation mesurés et de la longueur de l’arbre de transmission (10). Procédé selon la revendication 7, comprenant en outre une étape (40) de récupération du coefficient d’amortissement de la chaîne de transmission (4), et une étape (42) de mesure de la vitesse de rotation de chaque anneau de mesure 12) avec les capteurs (14). Procédé selon l’une des revendications 7 et 8, comprenant une étape (32) de calibration préliminaire de manière à étalonner l’origine angulaire des anneaux de mesure (12) et à supprimer les non linéarités angulaires des anneaux de mesures (12). Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, comprenant une étape (46) de détection de la mise en résonnance par flexion de l’arbre de transmission (10) par étude de la modulation de l’amplitude de la mesure de l’angle de rotation.