Machine hydraulique comprenant une came et des pistons

DOMAINE DE L’INVENTION

L'invention concerne les machines hydrauliques.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On connaît du document CN203822539 une machine hydraulique équipée d’une came, de pistons et d’un capteur de mesure d’un couple s’exerçant sur la came.

Un but de l’invention est d’améliorer le pilotage des machines hydrauliques.

EXPOSE DE L’INVENTION

On prévoit selon l’invention une machine hydraulique comprenant :

- une came présentant une face externe cylindrique et un axe principal, et

- au moins une jauge rigidement fixée à la face et agencée pour détecter une sollicitation de la face et/ou une variation d’une forme de la face.

Ainsi, la détection de la sollicitation ou de la variation de forme a lieu directement au niveau de la face externe de la came, donc au plus près de la came elle-même et en temps réel. Cette détection se fait donc avec une bonne fiabilité. On s’affranchit ainsi des pertes de charge et des frottements. Elle permet d’améliorer le pilotage de la machine en disposant d’informations particulièrement précises sur son fonctionnement et son état. L’invention permet d’accéder à des informations dont certaines étaient jusque-là difficiles à obtenir avec précision. Selon les modes de réalisation, la détection permet en effet d’obtenir sa vitesse de rotation, son sens de rotation, le couple généré et son rendement. De plus, la détection sur la face externe de la came a donc lieu en dehors de la cage de Faraday que constituent certaines machines hydrauliques. Cela autorise une transmission sans fil hors de la machine des informations de détection.

La machine pourra présenter en outre au moins l’une quelconque des caractéristiques suivantes : - la jauge ou au moins l’une des jauges est agencée pour détecter une sollicitation radiale et/ou une variation d’une dimension circonférentielle de la face ;

- la jauge ou au moins l’une des jauges est agencée pour détecter une sollicitation axiale et/ou une variation d’une dimension axiale de la face ;

- la jauge ou au moins l’une des jauges comprend un capteur piézoélectrique ;

- la jauge ou au moins l’une des jauges est une jauge résistive ;

- la jauge ou au moins l’une des jauges est une jauge multiaxiale ; et

- la machine comprend au moins deux jauges s’étendant dans un même plan perpendiculaire à l’axe.

Les mot « jauges de contrainte » et « jauge d’extensométrie » sont considérés ici comme synonymes. On accède à la contrainte si on a étalonné la jauge d’extensométrie. Par exemple, si on connaît l’allongement le matériau, on connaît la contrainte. Ensuite, en sous-catégorie, « jauge résistive » et « jauge piézoélectrique », sont deux moyens de faire la mesure d’extensométrie.

On peut prévoir que la came présente une forme annulaire.

On peut prévoir que la came présente des lobes, notamment sur une face interne de la came.

On peut prévoir que la jauge ou au moins l’une des jauges s’étend en position angulaire médiane d’un secteur angulaire formé par un des lobes.

On peut prévoir que, la machine comprenant un carter et des organes de fixation de la came au carter, la jauge ou au moins l’une des jauges s’étend en position angulaire médiane d’un secteur angulaire formé par deux organes de fixation se faisant suite autour de l’axe.

Ainsi, dans ce cas, on place les jauges dans les parties les plus flexibles de la machine définies en fonction des organes de fixation. Ce mode de réalisation est adapté notamment lorsque les organes de fixation sont uniformément répartis autour de l’axe. On peut prévoir que La came présente au moins une facette entamant La face cylindrique, la jauge ou au moins l’une des jauges s’étendant au droit de la facette.

Ainsi, pour une meilleure réponse de la jauge, ces facettes forment des amincissements (par ex des plats) extérieurs dans la came pour l’amincir, porter les jauges et augmenter leur sensibilité. On obtient alors une meilleure réponse grâce à une plus grande amplitude.

On peut prévoir que, la machine comprenant des pistons et des logements de piston, la came présente des points de commutation agencés de sorte qu’une commutation fluidique d’un des logements a lieu lors d’un passage du piston de ce logement au droit de ce point, la jauge ou au moins l’une des jauges s’étendant au droit d’un des points de commutation.

Ainsi, cette situation de la jauge permet une meilleure détection. En effet, le point de commutation est associé à une plus forte sollicitation et notamment souvent à une impulsion comme on le verra plus loin. Par ailleurs, il existe des machines dans lesquelles la position du point de commutation ne correspond pas à la partie la plus mince de la came ou encore au milieu du lobe. Il s’agit de situations d’alimentations décalées. Par exemple, il s’agit de décalages aléatoires à l’intérieur du plat de came pour réduire le bruit harmonique. Ce mode de réalisation convient bien pour une telle situation.

On peut prévoir que la jauge ou au moins l’une des jauges s’étend au droit d’une zone de la came présentant une flexibilité maximale par référence à l’ensemble des zones de la came.

Ce mode de réalisation convient notamment pour les cames qui ne sont pas boulonnées.

On peut prévoir que la machine comprend des pistons et qu’au moins quatre jauges sont disposées en succession circonférentielle suivant une file unique dans un secteur angulaire égal à l’angle formé par le secteur angulaire formé par deux pistons consécutifs en direction circonférentielle. Un tel agencement sert à mesurer la vitesse et la position de manière beaucoup plus fine que par les simples jauges isolées. Il permet d’obtenir une mesure continue ou quasi-continue et de suivre en permanence le passage des pistons. En effet, la chainette ainsi formée s’étend dans un secteur angulaire égal à l’angle formé par le secteur angulaire formé par deux pistons consécutifs. Elle est donc sollicitée à tout moment lors de la rotation. Plus le pas de succession des jauges dans la chainette est fin, plus l’indication de la position du moteur est précise.

On peut prévoir que la machine comprend :

- un bloc-cylindres présentant des logements, et

- des pistons montés mobiles dans les logements respectifs, la came formant une piste de roulement pour des galets reliés aux pistons respectifs.

On prévoit également selon l’invention un engin comprenant au moins une machine selon l’invention.

On prévoit aussi selon l’invention un procédé dans lequel on détecte une sollicitation d’une face externe cylindrique d’une came d’une machine hydraulique et/ou une variation d’une forme de la face, la détection ayant lieu directement sur la face.

Le procédé selon l’invention pourra présenter en outre au moins l’une quelconque des caractéristiques suivantes :

- on détecte une sollicitation suivant une direction circonférentielle de la face et/ou une variation d’une dimension circonférentielle de la face, on détermine si la sollicitation ou la déformation correspond à un passage d’au moins un piston, et si la sollicitation ou la déformation correspond au passage du piston, on détermine au moins une valeur parmi les suivantes :

- une vitesse de rotation de la machine,

- un sens de rotation de la machine,

- un couple généré par la machine, et

- un rendement de la machine ;

- on détermine une orientation d’un pic associé à la sollicitation ou la déformation et on en déduit un sens de rotation de la machine ; - on détecte successivement dans une même zone prédéterminée de La came au moins deux sollicitations ou deux déformations et on détermine au moyen des deux sollicitations ou des deux déformations une vitesse de rotation de la machine ;

- on détecte au moins deux sollicitations ou deux déformations dans deux zones prédéterminées respectives de la came et on détermine au moyen des deux sollicitations ou des deux déformations un sens de rotation de la machine ;

. on mesure au moins une amplitude de la sollicitation ou de la variation et on détermine au moyen de l’amplitude une intensité d’un couple généré par la machine ;

. on mesure au moins une amplitude de la sollicitation ou de la variation et on détermine au moyen de l’amplitude et d’une pression hydraulique en entrée de la machine un rendement la machine ;

. on mesure des amplitudes apparaissant simultanément sur deux jauges et on effectue une somme des amplitudes ;

- on mesure des amplitudes d’au moins deux sollicitations ou deux déformations dans deux zones prédéterminées respectives de la came et on détermine au moyen des amplitudes au moins une intensité d’un effort exercé sur la machine depuis l’extérieur de la machine ;

- on détecte une sollicitation axiale et/ou une variation d’une dimension axiale de la face ; et

. la machine est à l’arrêt lors de l’étape de détection.

DESCRIPTION DES FIGURES

Nous allons maintenant présenter des modes de réalisation de l'invention et des variantes à titre d'exemples non-limitatifs à l'appui des dessins sur lesquels :

- la figure 1 est une vue éclatée en coupe longitudinale d’une machine hydraulique selon un mode de réalisation de l’invention ;

- les figures 2 et 3 sont des vues en coupe axiale de la machine de la figure 1 au niveau du bloc-cylindres suivant le plan ll-ll de la figure 1 ;

- les figures 4 et 5 sont des vues en perspective et en élévation de la came avec les galets de la machine de la figure 1 ;

- les figures 6 et 7 présentent deux exemples des jauges équipant la machine de la figure 1 ; - les figures 8 à 13 et 15 sont des diagrammes illustrant la détection par les jauges de la machine de la figure 1 ;

- les figures 14 et 16 sont des vues en coupe longitudinale de la même machine illustrant la mise en œuvre du procédé de l’invention, respectivement lors d’une calibration et lors d’une utilisation ; et

- les figures 17 à 19 sont des vues d’une came d’une machine selon un autre mode de réalisation de l’invention.

Présentation de la machine

On a illustré aux figures 1 et 14 une machine hydraulique 1 formant un mode de réalisation de l’invention. Elle comprend un carter 2 en deux parties. Elle comprend aussi un arbre 4 en deux parties dont un axe longitudinal X-X forme un axe principal de la machine. La partie d’arbre de gauche sur la figure 14 relie le bloc-cylindres 8 (voir plus bas) à une flasque de fixation d’un organe à entrainer, par exemple une roue 51 d’un véhicule ou d’une engin. La partie d’arbre de droite correspond à un frein et est optionnelle. Les deux parties d’arbres sont liées en rotation dans le bloc cylindre par des cannelures. La machine est globalement à symétrie de révolution autour de l’axe X-X. Des paliers 6 servent au support de l’arbre 4 pour le monter mobile à rotation dans le carter 2. Les paliers 6 sont par exemple au nombre de deux et comprennent des roulements. La machine comprend un bloc-cylindres 8 présentant des logements 10 radiaux à l’axe, le bloc- cylindres étant solidaire en rotation de l’arbre 4. Des pistons 12 sont reçus dans les logements respectifs 10 et montés mobile à coulissement radial à l’axe dans ces logements. Globalement, la machine hydraulique 1 peut être assemblée par tranches, de la gauche vers la droite, une tranche de palier, une tranche de moteur ou pompe, une tranche d’alimentation hydraulique incluant un distributeur, et une tranche de frein.

La machine comprend une came 4 également représentée aux figures 2 à 5. La came est rigidement fixée au carter 2 et présente une face interne 16 formant une piste de roulement pour des galets 18 reliés aux pistons respectifs 12. Les pistons sont en appui sur la came 14 par l’intermédiaire des galets. La piste 16 présente des lobes 20 dont l’alternance autour de l’axe, comme illustré à la figure 2, correspond à un mouvement de va-et-vient des pistons 12 lors de la rotation de l’arbre 4 par rapport au carter.

La machine comprend un distributeur 22. Comme illustré à la figure 2, le distributeur 22 est apte à mettre les logements 10 des pistons en communication avec un circuit de fluide à haute pression 24 et avec un circuit de fluide à basse pression 26. La machine comprend des disques 28 formant un frein de l’arbre par rapport au carter.

Comme illustré à la figure 2, la came 14 présente une face externe cylindrique 30 d’axe X-X. On mesure une épaisseur de la came suivant la direction radiale à l’axe entre les deux faces 16 et 30. Cette épaisseur est minimale au fond des lobes 20 et maximale entre ceux-ci, à savoir dans les zones 42 situées entre les lobes. Lors de la rotation de la machine, les pistons équipés de galets parcourent la came, et ont un parcours alternatif présentant des points morts bas et des points morts hauts. Les parties les plus fines de la came correspondent aux points morts hauts, et les parties les plus épaisses aux points morts bas. Aux endroits d’épaisseur maximale, la came présente des conduits 32 de réception d’organes de fixation tels que des vis 34. Ces conduits et ces organes sont parallèles à l’axe. La came 14 est prise en sandwich entre les deux parties du carter suivant la direction axiale. Chaque organe de fixation 34 traverse la came et les deux parties du carter dans le présent exemple.

Selon la commande qui lui est appliquée, la machine peut fonctionner en moteur pour produire un couple sous l’effet de la pression hydraulique ou en pompe pour fournir une pression hydraulique sous l’effet d’un couple, et ce dans l’un au l’autre des deux sens de rotation possibles.

En référence à la figure 2, en supposant par exemple que la machine fonctionne en moteur, certains pistons 12a sont en communication avec le circuit à haute pression 24, d’autres 12b sont en communication avec le circuit à basse pression 26, les autres 12c se trouvent en situation intermédiaire, à savoir sur le point de changer de circuit, soit parce qu’ils se trouvent au fond d’un lobe 20, soit parce qu’ils se trouvent exactement à mi-chemin entre deux lobes 20, dans une zone 42. A chaque point mort haut ou point mort bas se produit une commutation entre l’un et l’autre des deux circuits d’alimentation. A cet instant, l’orifice d’alimentation du piston dans le bloc cylindre quitte un orifice d’alimentation haute pression ou basse pression du distributeur hydraulique, pour rejoindre un orifice d’alimentation de l’autre circuit d’alimentation, respectivement basse pression ou haute pression. La figure montre les orifices 36 des conduits du distributeur reliés aux logements 10 des pistons pour les mettre en communication avec les circuits basse et haute pression.

Dans le présent exemple, la machine 1 comprend huit pistons 12 et la came 14 présente six lobes 20, ces nombres n’étant pas limitatifs. Sur un tour, un piston présentera 12 commutations.

On trouvera une description plus détaillée de ces éléments de la machine dans la demande FR-2 796 886.

Les jauges

Comme illustré à la figure 3, la machine comprend en outre des jauges 40 rigidement et directement fixées à la face externe 30 de la came et agencées pour détecter une sollicitation de la face et/ou une variation de sa forme.

Chaque jauge 40 est par exemple une jauge de contrainte agencée pour détecter une sollicitation radiale à l’axe. Il s’agit par exemple d’une jauge piézoélectrique. Mais on pourrait en variante utiliser une jauge d’extensométrie agencée pour détecter une variation d’une dimension circonférentielle de la face, telle qu’une jauge résistive. On peut utiliser en variante des jauges multi axiales, telles que des rosettes.

Les jauges sont disposées dans un même plan P perpendiculaire à l’axe, dont la trace est visible sur la figure 4. Il y a dans le présent exemple autant de jauges 40 que de lobes 20. Les jauges s’étendent au droit des lobes respectifs. Ainsi, chaque jauge s’étend en position angulaire médiane d’un secteur angulaire formé par un des lobes. Cette position correspond à une partie mince de la came, et à la zone de commutation d’alimentation, au moment où un piston serait en position de point mort haut. Cette position peut être à plus ou moins 5° du point mort haut. Elles sont donc elles aussi régulièrement réparties autour de l’axe, en l’espèce avec un espacement de 60° entre deux jauges 40 consécutives. Les organes de fixation 34 s’étendent dans les zones 42 situées entre les lobes 20 qui sont les zones les plus épaisses de la came 14. Ces zones sont sollicitées suivant la direction radiale par les pistons 12 lors de leur passage mais se déforment très peu sous l’effet de cette sollicitation de telle sorte que cette déformation est négligeable. En revanche, les zones correspondant aux lobes 20 sont les plus fines. Et elles ne comprennent pas d’organe de fixation. Elles sont sollicitées suivant la direction radiale par les pistons 12 lors de leur passage et se déforment de façon sensible sous l’effet de cette sollicitation. Cette déformation est proportionnelle à l’intensité de la sollicitation radiale. La déformation 44 de la face externe 30 de la came au passage de l’un des pistons a été illustrée de façon exagérée sur la figure 5.

Les jauges 40 peuvent être installées comme suit dans la machine.

On a illustré à la figure 6 deux jauges résistives 40 servant de jauge d’extensométrie situées sur la face 30 au droit d’un même lobe 20. Aux autres lobes sont associés des paires de jauges semblables. L’un des jauges 40 a sa direction longitudinale orientée suivant la direction circonférentielle de la face 30. L’autre jauge 40 a sa direction longitudinale orientée suivant la direction parallèle à l’axe. Chaque jauge est ici monodirectionnelle. La première mesure la déformation de la face externe 30 de la came suivant la direction circonférentielle. La deuxième mesure la déformation de la même face suivant la direction axiale.

On a illustré à la figure 7 en variante une jauge 40 de type rosette servant de jauge d’extensométrie et située sur la face 30 au droit d’un lobe 20. Aux autres lobes sont associées des jauges semblables. Il s’agit d’une jauge multidirectionnelle pouvant mesurer des déformations de la face 30 de la came à la fois suivant la direction circonférentielle et suivant la direction axiale.

Les jauges de déformation ou d’extensométrie présentent une résistance électrique qui augmente avec la déformation qu’elles subissent.

En variante, les jauges 40 peuvent être des jauges de contraintes telles que des jauges piézoélectriques. Elles délivrent une tension représentant la contrainte qu’elles subissent. On peut aussi utiliser des jauges hybrides qui sont des deux types. On peut par exemple utiliser les jauges ou capteurs fournis par les sociétés HBK ou KYOWA.

Dans chaque cas, toutes les jauges sont connectées à un circuit électronique configuré pour la réception des signaux des jauges et l’exécution des calculs présentés plus bas. Ces agencements permettent chacun d’obtenir les mesures pour la mise en œuvre des différentes fonctions présentées dans ce mode de mise en œuvre du procédé.

Détection du passage d’un piston et détermination du sens de rotation

Grace aux jauges 40, dans le présent mode de mise en œuvre du procédé de l’invention, on détecte directement sur la face externe 30 une sollicitation de la face 30 suivant sa direction circonférentielle et/ou une variation de sa dimension circonférentielle. Pour cela, en l’espèce, on détermine si la sollicitation ou la déformation correspond à un passage d’au moins un piston 12, et le cas échéant, on détermine au moins une valeur parmi les suivantes :

- une vitesse de rotation de la machine,

- un sens de rotation de la machine,

- un couple généré par la machine, et

- un rendement de la machine.

Notamment, on détermine une orientation d’un pic de mesure par la jauge 40, associé à la sollicitation ou la déformation, et on en déduit le sens de rotation.

De plus, on détecte successivement au moyen d’une même jauge 40 au moins deux sollicitations ou deux déformations et on détermine au moyen des deux sollicitations ou des deux déformations la vitesse de rotation.

En outre, on détecte au moins deux sollicitations ou deux déformations au moyen de deux jauges 40 et on détermine au moyen des deux sollicitations ou des deux déformations le sens de rotation de la machine.

Ces détections et ces déterminations sont faites par des moyens de calcul automatisés recevant les signaux des jauges et les traitant en temps réel au moyen d’une programmation adaptée. On a illustré à la figure 8 la déformée de la face 30 de la came due à la poussée d’un piston 12 sous la forme d’une cartographie en trois dimensions. Ce diagramme illustre :

- en abscisse la position du galet 18 par rapport à la came 14 en degrés autour de l’axe X-X ;

- en ordonnée la position de la jauge 40 autour de l’axe, sachant que l’on fait varier fictivement cette position de 0 à 60° dans le secteur angulaire a de la figure 5, et

- en niveaux de gris le ratio de variation de dimension circonférentielle vue par la jauge.

Il s’agit ici d’une simulation par éléments finis avec la came 14 sans carter 2 ni paliers 6. En partie gauche, il s’agit d’un premier sens de rotation et en partie droite de l’autre sens.

Chaque diagramme se divise en quatre bandes verticales.

Dans les deux premières bandes situées entre 0 et 15° et entre 15 et 30° respectivement, le piston 12 est alimenté par le circuit haute pression. La première bande commence au point mort bas et à la commutation du circuit basse pression vers le circuit haute pression. La deuxième bande se termine au point mort haut et à la commutation du circuit haute pression vers le circuit basse pression.

Dans les deux bandes suivantes situées entre 30 et 45° et entre 45 et 60° respectivement, le piston est alimenté par le circuit basse pression. La troisième bande commence au point mort haut et à la commutation du circuit haute pression vers le circuit basse pression. La quatrième bande se termine au point mort bas et à la commutation du circuit basse pression vers le circuit haute pression.

La figure 8 montre à gauche que la zone la plus déformée de la face externe 30 correspond au passage du galet au point mort haut (milieu du lobe) avec un léger décalage d’angle. A ce moment, on commute d’un orifice haute pression vers un orifice basse pression (autrement dit de l’admission, formant un temps moteur, vers l’échappement, formant un temps non moteur). On voit la déformée de la came devenir maximale, puis brusquement chuter au moment de la commutation en basse pression (à 30° ).

Le diagramme de droite montre la même chose dans un sens de rotation inversé. Cette fois, lors de la commutation d’un orifice basse pression vers un orifice haute pression, la déformation devient brutalement maximale puis baisse progressivement.

C’est lorsque la jauge se situe au droit du lobe, à 30° donc, que la détection par la jauge est la meilleure. La jauge 40 n’étant pas ponctuelle, elle a une certaine surface et peut donc observer ce phénomène dans les deux sens. Une jauge qui serait écartée de quelques degrés par rapport au point mort haut verrait mieux le phénomène dans un sens, mais moins dans l’autre. Pour un moteur ayant une géométrie du type du moteur MS05 de Poclain, on peut disposer le centre de la jauge dans un secteur angulaire situé entre +5° et -5° autour du centre du lobe, à savoir entre 25° et 35° . A cette gamme est associée une détection particulièrement bonne, comme le montre le diagramme de la figure 8.

On voit donc que la contrainte la plus élevée (équivalant à la déformée la plus importante), a lieu au milieu du lobe 20 au niveau du point mort haut c’est-à-dire la zone la plus mince.

On a illustré sur le diagramme de la figure 9 :

- en abscisse le déplacement angulaire d’un galet 18,

- en ordonnées à gauche le débit d’huile, en litres par minute, dans le logement du piston ; et

- en ordonnées à droite la déformation de la jauge en pm/m.

La partie gauche du diagramme est la zone à haute pression et la partie droite la zone à basse pression. Lorsque le débit est positif, à gauche, il s’agit d’un temps moteur pour le piston. Lorsqu’il est négatif, en partie droite, il s’agit d’un temps d’échappement. La commutation de la haute pression à la basse pression a lieu au milieu du lobe, à 30° . On est ici en présence d’une jauge d’extensométrie 40 formée par une jauge résistive. La jauge fournit sa déformation relative de type AL/L, mesurée donc en pm/m. La plus forte déformation de la jauge se situe juste avant le point à 30° . La déformation monte brutalement puis décroit de façon plus progressive. Le débit dans Le trou d’alimentation d’un piston qui parcourrait Le lobe est positif de 0 à 30 ° ce qui correspond à un temps moteur. Il croit puis décroit dans cet intervalle. Il est négatif dans l’intervalle situé entre 30 et 60° , dans lequel il décroit puis croit à nouveau, ce qui correspond à un temps d’échappement.

Ce diagramme du débit d’huile sur le piston et de la pression sur un lobe montre la forme d’une mesure type. On observe un front montant 46 sur la mesure de déformée temporelle. Ce front indique qu’on a vu passer un piston dans un sens. Si on avait vu un front descendant, cela aurait indiqué une rotation dans le sens inverse.

Dans la zone de commutation, on observe un pic parasite 41. En effet, le galet entre sur le plat de came, et la pression s’inverse. L’orifice d’alimentation du piston passe d’un orifice haute pression du distributeur à un orifice basse pression, avec un écart d’étanchéité sur 2° . Il se produit une décompression brutale ou une recompression sur les commutations. Ce pic parasite est variable suivant la pression de travail et la vitesse du moteur. On observe aussi un autre pic parasite 43 à 45° qui provient du même phénomène se produisant sur un autre piston sur un autre lobe.

L’écart d’étanchéité vient du fait qu’on prévoit un secteur angulaire, ici de 2° , séparant la position dans laquelle le logement du piston n'est plus en communication avec le circuit haute pression et celle dans laquelle il entre en communication avec le circuit basse pression. Ce secteur angulaire est plus grand que le secteur angulaire occupé par L’orifice du logement de piston, comme illustré à la figure 2. Il vise à éviter que les circuits basse et haute pression ne soient en communication directe via le logement de piston. Dans ce secteur angulaire, le piston est sur la zone appelée « plat de came », qui n’est plus sinusoïdale mais en arc de cercle centré sur l’axe afin d’immobiliser temporairement le piston. Les commutations se produisent dans les plats de came, et leur longueur correspond aux dimensions des orifices du logement de piston vis-à-vis de l’écartement entre deux orifices d’alimentation sur la face du distributeur, incluant un écart d’étanchéité.

On observe donc que la position angulaire préférée de la jauge se situe au droit de chaque lobe, correspond donc au milieu d’une commutation de point mort haut, c’est-à-dire sensiblement au milieu d’un plat de came de la partie la plus mince de la came. D’une manière générale, pour des machines hydrauliques de taille différente, en fonction de leur géométrie, on peut disposer le centre de la jauge dans un secteur angulaire correspondant au plat de came autour du centre du lobe. Si la jauge est située dans le plat de came, mais quelques degrés avant ou après le point de commutation, la jauge aura un sens de fonctionnement préférentiel vis-à-vis du sens de rotation de la machine. Si la jauge est située sensiblement dans le plat de came et centrée sur les points de commutation, la jauge sera indifférente au sens de rotation.

On a illustré à la figure 10 un diagramme analogue indiquant la position angulaire du piston 12 en abscisses et la mesure faite par la jauge 40 en ordonnées. Nous sommes à faible vitesse dans un sens de rotation puis dans le sens inverse pour la machine fonctionnant en mode moteur. (Le même diagramme permettrait aussi d’illustrer, pour un même sens de rotation, la machine fonctionnant d’abord en mode moteur, puis en mode pompe). On peut faire abstraction des pics parasites dans la figure. A gauche, on voit que se produit deux fois de suite le front montant, à droite deux fois de suite le front descendant. Chaque pic peut être détecté de manière électronique, ainsi que son orientation. Sur ce moteur, entre le passage de deux pistons en un même point, le bloc-cylindres, donc l’arbre du moteur, a tourné de 45°

Un diagramme similaire est illustré à la figure 11 avec un plus grand nombre de pics. Il s’agit d’une mesure sur un moteur qui tourne dans un sens pendant un certain temps, puis s’arrête et part dans l’autre sens.

On a illustré à la figure 12 une forme simplifiée du pic de base formant ces diagrammes dans un sens de rotation. Il s’agit d’un exemple de signal temporel type lorsqu’on passe de la haute pression à la basse pression. La haute pression est par exemple comprise entre 200 et 600 bars (un bar valant 10 ⁵ Pa), typiquement 400 bars, tandis que la basse pression est comprise entre 20 et 25 bars.

Ainsi la détermination de l’orientation du pic associé à la sollicitation ou à la déformation au niveau d’une des jauges 40 permet de déterminer le sens de rotation de la machine. On peut aussi détecter au moins deux sollicitations ou deux déformations dans deux zones prédéterminées respectives de la came et déterminer ainsi le sens de rotation de la machine. De plus, si on détecte successivement au niveau d’une même jauge au moins deux sollicitations ou deux déformations, la prise en compte de l’intervalle de temps entre les deux détections permet de déterminer la vitesse de rotation.

Prise en compte de la symétrie

Dans le présent exemple, on peut tenir compte de la symétrie de la machine pour améliorer encore ces détections et ces calculs. En effet, dans cette machine, dans chaque paire de jauges 40 en vis-à-vis, les deux jauges sont sollicitées sensiblement de la même façon en même temps. On peut donc sommer les signaux de ces deux jauges. Ainsi, on mesure des amplitudes apparaissant simultanément sur deux jauges et on effectue une somme des amplitudes. Suivant la symétrie des machines et le nombre de lobes, on peut obtenir de multiples signaux concomitants.

Ainsi, sur le diagramme de la figure 13, on a représenté les signaux des jauges 40 de façon analogue aux précédents.

Si on numérote les six jauges de 1 à 6 autour de l’axe X-X, sur la première partie du diagramme, on a donc un signal représentant la somme des signaux des jauges 2 et 5, un signal de la somme des signaux des jauges 3 et 6 et un signal de la somme des jauges 1 et 4. On peut observer que ces signaux ne sont pas de même hauteur, les jauges n’ayant pas exactement la même calibration. De plus, les jauges ne sont pas posées exactement à la même position angulaire. Parfois, nous avons un décalage de 4° du PMH et parfois 2° .

L’autre partie du diagramme est analogue pour le sens inverse de rotation.

Ces étapes peuvent être mises en œuvre avec un nombre différent de jauges dans le moteur, par exemple 8 ou 10 pour autant de lobes que de jauges, pourvu que certaines des jauges fournissent en même temps des signaux sensiblement identiques.

Les mêmes déterminations et les mêmes calculs peuvent être effectués au moyen des signaux ainsi sommés pour une plus grande précision. Détermination du couple

Dans un autre aspect de ce mode de mise en œuvre du procédé de l’invention, on mesure avec les jauges 40 au moins une amplitude de la sollicitation ou de la déformation et on détermine au moyen de l’amplitude une intensité d’un couple généré par la machine.

A cette fin, tout d’abord, on effectue un étalonnage du moteur en couple sur un banc de test au cours duquel on mesure les valeurs fournies par les jauges 40 correspondant aux couples mesurés par ailleurs. On établit ainsi une loi, par exemple linéaire, du couple en fonction du signal de déformation ou de sollicitation fourni par les jauges, ou encore une table de correspondance. Ensuite, sur la machine roulante, c’est-à-dire en utilisation, on recueille par les jauges 40 une valeur de sollicitation ou de déformation, on consulte la table, et on obtient le couple fourni par le moteur.

Ce mode de détermination fournit un couple estimé au plus près de la came. On s’affranchit ainsi des pertes de charge et des frottements. Ce procédé permet un contrôle de couple instantané sur la machine roulante, ce qui est plus précis qu’une mesure de pression et permet de s’affranchir des erreurs.

Si on est en présence d’un engin comprenant des roues 51 actionnées chacune par une machine selon l’invention, la mesure de couple permet de piloter la traction de la machine pour chaque roue, par exemple pour commander un mode d’antipatinage de l’engin. La mesure de couple par les jauges est aussi utile pour piloter un fonctionnement à très basse vitesse (ou creep drive en anglais).

Détermination du rendement du moteur

Dans un autre aspect de ce mode de mise en œuvre du procédé, on peut aussi obtenir une estimation du rendement de la machine. Pour cela, on mesure au moins une amplitude de la sollicitation ou de la déformation au moyen des jauges et on détermine au moyen de l’amplitude et d’une pression hydraulique en entrée de la machine un rendement la machine.

Plus précisément, on peut procéder comme suit. On connaît le couple théorique ou le couple à l’état neuf de la machine. Grace au procédé, on mesure ensuite en fonctionnement La poussée effective exercée par les pistons, ce qui nous affranchit des pertes du moteur (pertes par frottement et pertes hydrauliques). A partir de cette poussée effective et connaissant la pression hydraulique en entrée de la machine et la géométrie de la machine (notamment la pente des rampes de la came), on calcule alors le couple réel produit par le moteur, ce calcul étant effectué d’une façon connue par l’homme du métier.

Ensuite, le rendement est calculé par la formule suivante :

Rendement = Couple réel (mesuré) /couple théorique

La mesure du rendement permet par exemple de connaître l’état d’usure de la machine. Le rendement peut évoluer en fonction de la température du fluide ou des organes mécaniques. Grace à la connaissance du rendement, la conduite de la machine peut privilégier l’obtention du rendement optimal en temps réel. Ce rendement reflète le niveau de rodage de la machine qui est utile pour indiquer un niveau de puissance maximale utilisable sur la machine sans risque de l’endommager. Cette mesure peut permettre également de détecter une usure ou un dysfonctionnement de la machine.

Mesure de la déformation globale de la came par plusieurs capteurs

On a illustré aux figures 14 et 16 la situation de la même machine 1 formant un moteur de roue d’un engin.

Comme l’engin repose sur le sol par l’intermédiaire de ses roues 51 , chaque moteur reçoit des efforts extérieurs qui s’appliquent sur sa structure et passent par la came 14, en passant d’une part par la roue 51 de l’engin, l’arbre 4 et les paliers 6 et d’autre part par le carter 2, la came 14 et le bâti 47 de l’engin. Il s’agit d’une part du poids de l’engin et d’autre part de la réaction du sol. Ces efforts externes sont axiaux et radiaux. Ils se traduisent globalement par des sollicitations de la came dans des directions différentes de celles des sollicitations des pistons, à savoir en compression ou en extension de la came, suivant la direction axiale du moteur notamment mais pas seulement. Les efforts axiaux exercés sur la machine hydraulique induisent des compressions ou des allongements de sa structure, en particulier des carters suivant l’axe X-X de la machine. Les efforts radiaux exercés sur la machine induisent des flexions de la structure de la machine, en particulier de ces carters.

Il est possible ici aussi d’utiliser les jauges 40 pour mesurer ces efforts, mais sur des axes différents des mesures de passage des pistons.

Pour cela, les jauges 40 sont agencées, comme illustré aux figures 6 et 7, pour détecter une sollicitation axiale ou une variation d’une dimension axiale de la face externe 30. En effet, contrairement au cas précédent dans lequel chaque jauge servant à voir le passage d’un galet est orientée suivant une direction circonférentielle de la came, cette fois, pour voir les efforts externes, les jauges sont orientées suivant une direction parallèle à l’axe.

On peut aussi prévoir les deux orientations de jauges ou une jauge multidirectionnelle, par exemple une jauge rosette pour mesurer les déformées résultant des efforts externes en même temps que les déformées dues aux passages des galets de piston. Un filtrage électronique permet ensuite de séparer la mesure axiale et la mesure transversale des jauges. En effet, pour la détection des efforts nous avons besoin d’analyser la composante continue du signal contrairement à la vitesse où nous pouvons la déterminer à l’aide de la composante dynamique. Pour la détection des efforts, nous ne regardons pas la composante dynamique, nous filtrons donc le signal.

De plus, grâce à la présence de plusieurs jauges à différents endroits de la came, on mesure des amplitudes d’au moins deux sollicitations ou de deux déformations dans deux zones prédéterminées respectives de la came et on détermine au moyen des amplitudes au moins une intensité d’un effort exercé sur la machine depuis l’extérieur de celle-ci. Il n’est pas nécessaire que les jauges se trouvent au droit des lobes. On peut prévoir que la machine est à l’arrêt lors de l’étape de détection.

En référence à la figure 14, pour la mesure des efforts externes, on effectue tout d’abord une calibration. Pour cela, on exerce des efforts calibrés radiaux Fr et axiaux Fa au moyen de deux vérins sur la machine placée sur un banc d’étalonnage. Ces efforts sont ramenés sur l’axe X-X via un organe de roulement 48 et un bras de levier 50. Ce montage permet d’appliquer sur la machine des efforts identiques à ceux générés Lors de son utilisation. La machine peut être à l’arrêt ou en fonctionnement. On acquiert alors les signaux fournis par les jauges 40. Cela permet d’obtenir une loi ou une table de correspondance donnant les efforts en fonction des signaux des jauges.

Ensuite, lors de l’utilisation d’un moteur du même type monté sur un engin comme sur la figure 16, on obtient les mesures fournies en temps réel par les jauges, on consulte la loi ou la table et on en tire les efforts Fr et Fa reçus par le moteur. On peut ainsi déduire l’état de charge du moteur et historiser sa charge. Connaissant son endurance, on peut déterminer son vieillissement, c’est-à-dire son usure. On peut identifier les roues 51 qui sont plus ou moins chargées et gérer la motricité (notamment en mode d’antipatinage). On peut déterminer les charges vues par le moteur et estimer sa durée sa vie pour gérer sa maintenance.

Sur la figure 16, on a fait apparaitre le déport d de la roue 51 par rapport au flasque 53 portant la roue et le déport d’ entre la roue et le palier 6 le plus proche sur l’arbre 4. Le montage de calibration de la figure 14 correspond au déport d. Les forces externes s’exerçant sur la roue comprennent une poussée axiale Fa et une poussée radiale Fr. Elles induisent sur la carcasse de la machine hydraulique 1 un moment de flexion M dû au déport d’ et se calculant selon la formule :

M = d’.Fr

Le montage de calibration de la figure 14 sert à reproduire les mêmes efforts sur la machine hydraulique. Cela explique la forme du levier qui réalise aussi le déport dû à l’extrémité de l’arbre et à la forme de jante de la machine. Le déport d’ entre le point d’application de l’effort radial et le point où un effort s’exerce sur la carcasse (le roulement de palier) induit un moment de flexion sur la carcasse de la machine, qui se traduit par des compressions et des extensions des jauges dans la direction axiale.

La fiabilité de ce procédé est illustrée par les diagrammes de la figure 15. Sur chaque diagramme, le temps est indiqué en abscisses. Ils indiquent en ordonnées l’amplitude de l’effort axial Fa, de l’effort radial Fr et du couple. Sont représentés à chaque fois les grandeurs mesurées et estimées. On observe une étroite correspondance entre la valeur mesurée et la valeur estimée dans chaque cas. Le pourcentage d’erreur est indiqué sur l’axe des ordonnées à droite.

Des pics sont visibles sur ces graphiques. Ils ne représentent pas le passage des pistons. Il faudrait zoomer beaucoup plus pour les voir. Ils montrent simplement la réaction du vérin radial lorsqu’on change l’effort axial.

Dans le diagramme sur l’effort axial, on fait varier ce dernier de -2000 daN à 2000 daN. Cela veut dire qu’on tire et qu’on pousse sur l’arbre.

Dans le diagramme sur l’effort radial, on n’applique pas un tel effort ici. Il apparait seulement des efforts parasites résultant des sollicitations axiales appliquées. Sans effort parasite, on serait à 0 daN. Dans ce cas, l’effort radial appliqué est à 0 et nous n’avons qu’un effort parasite.

On le retrouve dans le couple estimé par le modèle. Pour le diagramme du couple, on donne à la haute pression une valeur telle que 100 bars, 200 bars, 300 bars ou 400 bars. On ne la fait pas varier dans cet essai. Seul l’effort axial appliqué varie.

Mode de réalisation à chainette

Nous présentons en référence aux figures 17 à 19 un autre mode de réalisation de l’invention. Seules les caractéristiques qui diffèrent de celles présentées plus haut vont être décrites.

Dans cette machine, au moins quatre jauges 40 sont disposées en succession circonférentielle sur la face externe de la came 14 suivant une file unique dans un secteur angulaire égal à l’angle a formé par le secteur angulaire formé par deux pistons 12 consécutifs en direction circonférentielle. Cet angle a est illustré à la figure 3. Ces jauges forment ce qu’on appelle ici par commodité une chainette 60. Toutes les jauges 40 de la chainette 60 sont identiques entre elles et se succèdent les unes aux autres avec le même espacement. Elles sont électriquement raccordées en série.

Un tel agencement sert à mesurer la vitesse et la position de manière beaucoup plus fine que par les simples jauges décrites plus haut. Il permet d’obtenir une mesure continue ou quasi-continue et de suivre en permanence le passage des pistons. En effet, la chainette s’étend dans un secteur angulaire égal à l’angle formé par le secteur angulaire formé par deux pistons 12 consécutifs. Elle est donc sollicitée à tout moment lors de la rotation. Le fait qu’il y ait toujours un galet dessus permet de connaître la position précise du moteur. Plus le pas de succession des jauges dans la chainette est fin, plus l’indication de la position du moteur est précise. Cela ressort du diagramme de la figure 18 donnant l’allure du signal fourni par les jauges de la chainettes en fonction du temps.

Le nombre de jauges 40 dans le secteur est au moins égal à quatre. En l’espèce, la chainette 60 comprend 10 jauges dans ce secteur angulaire, comme illustré à la figure 18. Ce nombre pourrait prendre d’autres valeurs telles que 6, 8, etc. La chainette peut aussi comprendre des jauges supplémentaires au-delà de cet angle.

En l’espèce, l’angle formé par le secteur angulaire formé par deux pistons consécutifs en direction circonférentielle vaut 45° . La chainette s’étend donc sur 45° ou plus, pour qu’il y ait toujours en permanence un piston en appui sur la zone couverte par la chainette. Comme un demi-lobe ne fait que 30° , la chainette est plus longue que le lobe.

Pour pouvoir fonctionner dans les deux sens de rotation, la chainette devrait couvrir les deux demi-lobes. Or comme la chainette contient des jauges branchées électriquement en série, plus il y en a, plus le signal est atténué. C’est pourquoi, dans ce mode de réalisation, la chainette couvre un demi-lobe mais pas un lobe tout entier, ce qui fait que la détection ne se fait que sur un sens de rotation qui met le demi -lobe en haute pression. En outre, la partie restante couverte par la chainette hors du demi-lobe, à savoir 45-30=15° , s’étend dans un demi-lobe à basse pression. Dans le sens de rotation inverse, la détection se fait sur l’autre lobe, qui sera à la haute pression. Avec une chainette d’une longueur telle qu’elle s’étend dans un secteur angulaire égal à l’angle formé par le secteur angulaire formé par deux pistons 12 consécutifs, on peut mesurer finement la position du moteur dans les deux sens de rotation.

Dans ce mode de réalisation, comme illustré à la figure 19, la chainette s’étend entre un point mort haut et le point mort bas qui lui fait suite immédiatement (PMH6 et PMB1 en l’espèce). La came 14 porte par ailleurs cinq jauges 40 disposées au droit des autres points morts hauts (de PMH1 à PMH5 en l’espèce). Ces autres jauges permettent de connaître les efforts et le couple, le sens de rotation et la vitesse à faible fréquence et avec une faible précision. La chainette 60 permet de connaitre la vitesse avec une plus grande précision.

Le traitement du signal des jauges a lieu comme expliqué plus haut.

En variante, on peut étendre la chainette sur un plus grand secteur angulaire et se dispenser de tout ou partie de ces autres jauges.

Autres considérations

On voit donc qu’on peut utiliser les déformations de la came lors du passage des pistons pour mesurer la vitesse, l’angle et le sens de rotation du moteur, le couple réel fourni, ainsi que l’effort fourni par chaque piston et les efforts externes. La détermination a lieu en temps réel et à partir d’informations obtenues au plus près de la came, ces informations étant nettes de pertes de charge et de frottements. Les jauges sont sollicitées en particulier à chaque passage de piston par l’effort au contact du galet sur la came. Toute la variable couple est concentrée sur un nombre réduit de pistons actifs. Cette sollicitation ponctuelle plutôt que globale amplifie très fortement la sollicitation, ce qui crée un signal des jauges très amplifié et donc très exploitable.

L’instrumentation utilisée est faiblement intrusive, peu encombrante, facilement intégrable et ne pose pas de problème de dimensionnement, de compatibilité avec l’huile, de résistance à la pression ou d’étanchéité. Les jauges des exemples présentés plus haut ne posent pas de problème de colmatage face à la pollution métallique. En outre, l’utilisation des jauges ne perturbe pas la chaine de transmission des efforts au sein de la machine.

Le placement des jauges sur la came permet d’effectuer des mesures sur une pièce unique et caractéristique de chaque modèle de machine.

On pourra apporter à l’invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. On pourra faire varier le nombre de pistons, de lobes et de jauges. On peut appliquer L’invention à tout ou partie d’une machine hydraulique, enn particulier, à une machine hydraulique contenant plusieurs sous-parties que l’on peut désactiver pour changer sa cylindrée, par exemple en sélectionnant des groupes de lobes ou des groupes de pistons aptes à former des machines homocinétiques, ce qui permet de changer la cylindrée de la machine hydraulique.

Lee calcul de la vitesse et du couple devra alors en tenir compte.