Brevet FR3147362A1 — publié le 20241004

Ce procédé de surveillance de l’usure d’un élément d’une chaine mécanique mise en rotation par un moteur comprend les étapes suivantes : - Récupération (étape 9) des valeurs de couple appliquées à l’élément ; - Calcul (étape 11) des contraintes de cisaillement appliquées à l’élément ; - Identification et comptage (étape 13) de cycles de contraintes ; - Détermination (étape 15), pour chaque cycle de contrainte identifié, d’une valeur de dommage ; - Somme (étape 17) de toutes les valeurs de dommage déterminées pour chaque cycle de contrainte identifié en une valeur de dommage total ; et - Comparaison (étape 19) de la valeur de dommage total à une valeur de dommage seuil pour laquelle l’élément présente un risque de rupture. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Procédé de surveillance de l’usure d’un élément d’une chaine mécanique mise en rotation par un moteur La présente invention concerne les procédés de prédiction de l’usure de composants d’une chaine mécanique. En particulier, la présente invention concerne la surveillance de l’usure d’une goupille de sécurité dans un système d’actionnement et de compensation d’effort dans un aéronef, tel qu’un actionneur de trim d’un hélicoptère, et notamment un actionneur de trim actif. De manière générale, l’invention s’applique à tout élément d’une chaine mécanique dont l’usure ou la durée de vie doit être surveillée à des fins de maintenance ou de sécurité. Techniques antérieures Un système de compensation d’effort d’un aéronef a pour fonction principale de restituer au pilote de l’aéronef un effort résistant sur les commandes de vol sous la forme d’un retour d'effort. Ce retour d’effort peut être généré par un ressort, un dispositif de friction ou un moteur relié au manche de pilotage de l’aéronef par la chaine mécanique du système de compensation d’effort. Les architectures actuelles des systèmes de compensation d’effort, tels que les actionneurs de trim d’hélicoptère, comportent des arbres formant un chemin d’effort le long de la chaine mécanique. Lesdits arbres sont reliés par des éléments mécaniques permettant de transmettre un mouvement d’un arbre à un autre. Un des éléments mécaniques d’un système de compensation d’effort est une goupille positionnée à l’interface entre une chaine mécanique reliée au manche de pilotage et la chaine mécanique du système de compensation d’effort. La goupille permet au pilote, si un grippage du système de compensation d’effort intervient, de briser ladite goupille afin que le système de compensation d’effort n’entrave pas les mouvements du manche de pilotage. On a représenté sur la une vue en coupe d’une première et d’une seconde goupilles 1 et 3 positionnées à l’interface entre un arbre 5 relié au manche de pilotage et un élément de liaison 7 de la chaine mécanique d’un système de compensation d’effort. L’élément de liaison 7 est en contact annulaire avec l’arbre 5. La première goupille 1 est tubulaire et comprend une section de cisaillement annulaire dont le couple de cisaillement varie en fonction du diamètre interne de ladite première goupille 1. La seconde goupille 3 est pleine et de section de cisaillement circulaire. La première et la seconde goupille 1 et 3 s’étendent chacune selon leur axe longitudinal de manière à solidariser l’arbre 5 relié au manche de pilotage et l’élément de liaison 7 de la chaine mécanique du système de compensation d’effort lorsque lesdites goupilles 1 et 3 ne sont pas brisées. Chaque goupille 1 et 3 est configurée pour être brisée par application du pilote d’un couple sur le manche de pilotage, ledit couple surpassant un couple de cisaillement de la goupille 1 ou 3. Chaque goupille 1 et 3 est ainsi prévue pour se briser uniquement par action volontaire du pilote lorsque celui-ci détecte le grippage du système de compensation d’effort. Toutefois, une goupille est soumise à des cycles d’efforts répétés qui peuvent l’endommager. Le pilote risque alors de sentir un inconfort dans son pilotage, par exemple parce que la goupille prend du jeu. Elle peut même aller jusqu’à subir une rupture prématurée. Ce dernier risque est d’autant plus important pour les systèmes de compensation d’effort dits actifs, ou également dits « trims actifs », qui comprennent un moteur agissant comme un générateur de retour d’effort. Les trims actifs comprennent une électronique intégrée au moteur, ces derniers ayant des forts besoins de charges, et fournissant des couples importants participant à la détérioration d’une goupille. Il y a de ce fait une valeur ajoutée à connaître la durée de vie résiduelle d’une telle goupille afin d’adapter sa maintenance au juste besoin. La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir une méthode de surveillance de l’usure d’éléments d’une chaine mécanique mise en rotation par un moteur. La présente invention a pour objet un procédé de surveillance de l’usure d’un élément d’une chaine mécanique mise en rotation par un moteur, le procédé comprenant les étapes suivantes : Récupération des valeurs de couple appliquées à l’élément lors de la rotation de la chaine mécanique ; Calcul des contraintes de cisaillement appliquées à l’élément en fonction des valeurs de couple récupérées ; Identification et comptage de cycles de contraintes par application d’une méthode de comptage pour analyse de la fatigue de l’élément ; Détermination, pour chaque cycle de contrainte identifié, d’une valeur de dommage à partir d’un tableau d’équivalence ; Somme de toutes les valeurs de dommage déterminées pour chaque cycle de contrainte identifié en une valeur de dommage total ; et Comparaison de la valeur de dommage total à une valeur de dommage seuil pour laquelle l’élément présente un risque de rupture. Ainsi, l’architecture dite active de la chaine mécanique, car comprenant un moteur, permet de déterminer les contraintes de cisaillement appliquées à l’élément, et de suivre ces contraintes dans le temps afin de monitorer l’usure dudit élément et de pouvoir effectuer une maintenance prédictive si nécessaire. Avantageusement, l’étape de récupération de données du couple est effectuée par mesure de l’intensité du courant de sortie du moteur. Dans un mode de mise en œuvre, la méthode de comptage de cycles comprend l’association de minima croissants et de maxima décroissants des contraintes de cisaillements calculées sur une échelle de temps, l’identification d’un cycle comprenant l’association d’un type de cycle à l’amplitude dudit cycle entre la contrainte de cisaillement minimale et la contrainte de cisaillement maximale dudit cycle. Avantageusement, la méthode de comptage est une méthode de type Rainflow. Avantageusement, l’étape de détermination de la valeur de dommage est effectuée avec une méthode de type Basquin. Dans un mode particulier de mise en œuvre, la valeur de dommage déterminée pour chaque cycle de contrainte identifié d’un certain type correspond à l’inverse du nombre de cycle dudit type avant rupture de l’élément, le tableau d’équivalence donnant le nombre de cycle avant rupture pour un type de cycle donné. Avantageusement, l’étape d’identification et de comptage des cycles de contraintes est effectuée uniquement pour chaque cycle dont l’amplitude entre les contraintes de cisaillement minimale et maximale dudit cycle est supérieure à une amplitude de référence prédéterminée. Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une étape de génération d’une alerte lorsque la valeur de dommage total est supérieure à 80% de la valeur de dommage seuil. Dans un mode de mise en œuvre, l’élément comprend une goupille positionnée dans le diamètre d’un arbre et d’un élément de liaison en contact annulaire avec ledit arbre, l’étape de calcul de la contrainte de cisaillement étant effectuée telle que : avec la contrainte de cisaillement, R le rapport de réduction total de la chaîne mécanique, μ le rendement cumulé d’étages de réduction de la chaine mécanique, l’intensité du courant en sortie du moteur, la constante de couple du moteur, d le diamètre de l’élément et D le diamètre de l’arbre. Avantageusement, le procédé est une méthode mise en œuvre par ordinateur. 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 : dont il a déjà été fait mention, est une vue en coupe schématique d’une première et d’une seconde goupilles positionnées à l’interface entre un arbre relié à un manche de pilotage et un élément de liaison de la chaine mécanique d’un système de compensation d’effort ; est une représentation schématique des différentes étapes du procédé de surveillance de l’usure d’un élément d’une chaine mécanique selon l’invention ; et est une vue en coupe schématique d’un élément dont l’usure est surveillée par le procédé selon l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté schématiquement sur la les différentes étapes d’un procédé de prédiction de l’usure d’un élément 3 d’une chaine mécanique mise en rotation par un moteur. L’élément 3 comprend par exemple une goupille 3 telle que définie ci-avant et représentée sur la . La goupille 3 est par exemple seule à l’interface entre un arbre 5 relié à un manche de pilotage et un élément de liaison 7 d’une chaine mécanique d’un système de compensation d’effort. Pour la mise en œuvre du procédé de prédiction de l’usure de l’élément 3, on effectue en premier lieu une étape 9 de récupération des valeurs de couples appliquées à l’élément 3 lors de la rotation de la chaine mécanique. Dans la chaine mécanique, la contrainte appliquée sur l’élément 3 est liée directement au couple produit par le moteur, ce couple étant lui-même relié au courant sortant du moteur. Ainsi, l’étape 9 de récupération de données du couple peut être effectuée par mesure de l’intensité du courant de sortie du moteur. Grâce à l’analyse des courants de sortie, on peut représenter les contraintes appliquées à l’élément 3 en fonction du temps. Le moteur est donc utilisé comme capteur de couple. L’étape 9 de récupération est effectuée régulièrement au cours du temps afin d’obtenir lors de l’étape 11 suivante la valeur de la contrainte de cisaillement sur une échelle de temps. L’étape 9 de récupération est par exemple effectuée à une fréquence comprise entre 500 Hz et 5 kHz. On effectue ensuite une étape 11 de calcul des contraintes de cisaillement appliquées à l’élément 3 en fonction des valeurs de couple récupérées. Cette étape 11 de calcul dépend de la position et de la taille de l’élément 3 dans la chaine mécanique. On a représenté sur la une coupe schématique de l’élément 3 précédemment illustré sur la . Les paramètres essentiels au calcul des contraintes de cisaillement sont également représentés. L’étape 11 de calcul comprend le calcul du couple généré par le moteur à partir de l’intensité du courant en sortie dudit moteur, avec la constante de couple du moteur en N.m/A : Puis, si la chaine mécanique comprend des étages de réduction, on déduit le couple appliqué à la goupille tel que : , avec R le rapport de réduction total de la chaîne mécanique et μ le rendement cumulé des étages de réduction. Afin de calculer la contrainte de cisaillement appliquée à l’élément, on a d’une part : , avec la force de cisaillement de l’élément 3 le long de la section de cisaillement dudit élément, d étant le diamètre de l’élément 3, l’élément 3 étant ici une goupille pleine 3 telle qu’illustrée sur la . D’autre part, on a : , avec la force tangentielle de cisaillement, l’angle entre la force de cisaillement et la force tangentielle de cisaillement , et D le diamètre d’un arbre, ici l’arbre tel qu’illustré sur la et relié au manche de pilotage. Ainsi, l’étape de calcul permet bien de calculer les contraintes de cisaillement appliquées à l’élément en fonction des valeurs de couple récupérées, et en particulier en fonction de l’intensité . La contrainte de cisaillement est généralement exprimée en N/m² ou en Mpa. On effectue ensuite une étape 13 d’identification et de comptage de cycles de contraintes par application d’une méthode de comptage pour analyse de la fatigue de l’élément 3. Dans un mode de mise en œuvre, l’étape 13 d’identification et de comptage est effectuée par une méthode de type Rainflow. Afin d’identifier un cycle de contrainte, l’étape 13 d’identification et de comptage comprend l’association de minima croissants et de maxima décroissants des contraintes de cisaillements calculées précédemment sur une échelle de temps. Un cycle de contrainte correspond donc à un regroupement temporel de minima croissants et de maxima décroissants. Durant cette étape 13, la contrainte de cisaillement minimale, la contrainte de cisaillement maximale ainsi que la contrainte de cisaillement moyenne sont identifiées. L’amplitude de valeur entre la contrainte de cisaillement minimale et la contrainte de cisaillement maximale d’un cycle permet de définir et d’attribuer un type de cycle de contrainte audit cycle de contrainte. Ainsi, l’identification d’un cycle de contrainte est effectuée lorsqu’un type de cycle de contrainte est attribué audit cycle de contrainte, à savoir lorsque l’amplitude de valeur entre la contrainte de cisaillement minimale et la contrainte de cisaillement maximale dudit cycle est déterminée. Optionnellement, lorsque l’amplitude de valeur entre la contrainte de cisaillement minimale et la contrainte de cisaillement maximale d’un cycle est inférieure à une amplitude de référence donnée, ledit cycle n’est pas pris en compte pour la suite des étapes. Il est considéré comme non compté et non identifié comme un cycle de contrainte. On effectue ensuite une étape 15 de détermination, pour chaque cycle de contrainte identifié, d’une valeur de dommage à partir d’un tableau d’équivalence. Dans un mode particulier de mise en œuvre, l’étape 15 de détermination de la valeur de dommage de chaque cycle identifié est effectuée avec une méthode de type Basquin. Cette méthode de type Basquin est un modèle dans lequel à chaque type de cycle identifiable correspond un nombre maximal de cycle autorisé au-delà duquel il y a rupture de l’élément 3, aussi appelé nombre de cycle avant rupture. Le modèle de Basquin prend généralement la forme d’un tableau d’équivalence, par exemple un abaque propre à un matériau d’une forme donnée, qui pour un cycle d’une amplitude donnée, donne le nombre de cycle avant rupture dudit matériau. Dans un mode particulier de mise en œuvre, la valeur de dommage d’un cycle identifié n, donc d’un certain type ayant une certaine amplitude) correspond à l’inverse du nombre de cycle de ce type avant rupture : On effectue ensuite une étape 17 de somme de chacune des valeurs de dommage déterminée pour chaque cycle de contrainte identifié en une valeur de dommage total . Ainsi, pour i cycles de contraintes identifiés, on a : Puis, on effectue une étape 19 de comparaison de la valeur de dommage totale à une valeur de dommage seuil au-delà de laquelle l’élément 3 présente un risque de rupture. La valeur de dommage seuil est prédéterminée, par exemple à l’aide du tableau d’équivalence précédemment décrit. Dans un mode de mise en œuvre particulier, on effectue une étape 21 de génération d’une alerte lorsque la valeur de dommage totale est supérieure à 80% de la valeur de dommage seuil. Procédé de surveillance de l’usure d’un élément (3) d’une chaine mécanique mise en rotation par un moteur, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes : Récupération (étape 9) des valeurs de couple appliquées à l’élément (3) lors de la rotation de la chaine mécanique ; Calcul (étape 11) des contraintes de cisaillement appliquées à l’élément (3) en fonction des valeurs de couple récupérées ; Identification et comptage (étape 13) de cycles de contraintes par application d’une méthode de comptage pour analyse de la fatigue de l’élément (3) ; Détermination (étape 15), pour chaque cycle de contrainte identifié, d’une valeur de dommage à partir d’un tableau d’équivalence ; Somme (étape 17) de toutes les valeurs de dommage déterminées pour chaque cycle de contrainte identifié en une valeur de dommage total ; et Comparaison (étape 19) de la valeur de dommage total à une valeur de dommage seuil pour laquelle l’élément (3) présente un risque de rupture. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape (9) de récupération de données du couple est effectuée par mesure de l’intensité du courant de sortie du moteur. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel la méthode de comptage de cycles comprend l’association de minima croissants et de maxima décroissants des contraintes de cisaillements calculées sur une échelle de temps, l’identification d’un cycle comprenant l’association d’un type de cycle à l’amplitude dudit cycle entre la contrainte de cisaillement minimale et la contrainte de cisaillement maximale dudit cycle. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la méthode de comptage est une méthode de type Rainflow. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape (15) de détermination de la valeur de dommage est effectuée avec une méthode de type Basquin. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la valeur de dommage déterminée pour chaque cycle de contrainte identifié d’un certain type correspond à l’inverse du nombre de cycle dudit type avant rupture de l’élément, le tableau d’équivalence donnant le nombre de cycle avant rupture pour un type de cycle donné. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape (13) d’identification et de comptage des cycles de contraintes est effectuée uniquement pour chaque cycle dont l’amplitude entre les contraintes de cisaillement minimale et maximale dudit cycle est supérieure à une amplitude de référence prédéterminée. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant en outre une étape (21) de génération d’une alerte lorsque la valeur de dommage total est supérieure à 80% de la valeur de dommage seuil. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, l’élément (3) comprenant une goupille (3) positionnée dans le diamètre d’un arbre (5) et d’un élément de liaison (7) en contact annulaire avec ledit arbre (5), l’étape (11) de calcul de la contrainte de cisaillement étant effectuée telle que avec la contrainte de cisaillement, R le rapport de réduction total de la chaîne mécanique, μ le rendement cumulé d’étages de réduction de la chaine mécanique, l’intensité du courant en sortie du moteur, la constante de couple du moteur, d le diamètre de l’élément (3) et D le diamètre de l’arbre (5). Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il est mis en œuvre par ordinateur.