Jauge de contrainte pour mesurer des déformations longitudinales et transversales

L'invention concerne une jauge de contrainte, un capteur de mesure des déformations longitudinales et transversales d'une zone d'un élément structurel comprenant une telle jauge, ainsi qu'un palier à roulement intégrant au moins un tel capteur.

Pour mesurer les déformations d'une zone, notamment les déformations d'une bague extérieure d'un roulement dues au passage des corps roulants, on connaît l'utilisation de jauges de contrainte de type à couche épaisse. En particulier, les jauges utilisées comprennent un motif d'un matériau piézorésistif et une paire de bornes disposées de part et d'autre dudit motif selon une direction principale de mesure suivant laquelle le courant électrique circule.

La jauge est alors disposée sur la zone de déformation pour que les déformations de ladite zone induisent celles du motif et donc une variation de la résistance dudit motif, lesdites variations pouvant être mesurées pour déterminer les valeurs de déformation de la zone.

Toutefois, le motif est sensible aux déformations qu'elle subit dans son axe principal de mesure, mais également à celles qui ont lieu perpendiculairement à cet axe. En effet, la variation de la résistance R _x suivant l'axe principal en fonction des déformations subies peut s'écrire :

— - = -K _L ε _xx -K _τ ε _π , S _xx et εyy étant les déformations du motif suivant R respectivement l'axe principal et l'axe perpendiculaire, K _L et K _τ étant les sensibilités du motif suivant respectivement l'axe principal et l'axe perpendiculaire. Concernant l'effet dans la direction de la hauteur, il peut être négligé car l'épaisseur du motif est très faible par rapport aux autres dimensions, et son côté supérieur est libre.

Dans le cas de la déformation d'une bague extérieure d'un roulement, S _xx et εyy peuvent être du même ordre de grandeur et K _L est sensiblement égal à 2K _T . Par conséquent, la composante suivant l'axe perpendiculaire n'est pas négligeable, et les effets des deux déformations se mélangent dans la mesure de déformation qui est effectuée.

L'invention a pour but de pallier à cet inconvénient en proposant notamment une jauge de contrainte permettant de mesurer séparément les variations de résistance du motif suivant deux directions, de sorte à pouvoir calculer indépendamment les déformations subies suivant ces deux directions.

A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose une jauge de contrainte comprenant un substrat sur lequel sont formés un motif de matériau résistif électriquement et deux paires de bornes en contact électrique avec ledit motif, ledit motif formant un milieu résistif continu selon des directions respectivement longitudinale et transversale et lesdites bornes étant formées de part et d'autre du motif selon la direction respectivement longitudinale pour une paire et transversale pour l'autre paire, de sorte à pouvoir mesurer la résistance électrique du motif selon lesdites directions longitudinale et transversale.

Selon un deuxième aspect, l'invention propose un capteur de mesure des déformations d'une zone d'un élément structurel, ledit capteur comprenant :

- au moins une telle jauge de contrainte, le substrat étant destiné à être reporté sur ladite zone ;

- un circuit de hachage qui est connecté aux bornes de la jauge pour mesurer de façon alternée la tension électrique selon les directions longitudinale et transversale ;

- un dispositif de traitement des signaux de tension qui est agencé pour calculer les déformations suivant respectivement les directions longitudinale et transversale.

Selon un troisième aspect, l'invention propose un palier à roulement comprenant un organe fixe, un organe tournant et au moins une rangée de

corps roulants disposés dans un chemin de roulement qui est formé entre lesdits organes de sorte à permettre leur rotation relative, ledit palier intégrant au moins un tel capteur, le substrat étant reporté sur l'organe fixe de sorte à mesurer les déformations respectivement longitudinales et transversales de l'organe fixe qui sont induites lors de la rotation du palier.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures jointes dans lesquelles :

- la figure 1 représente un circuit de hachage qui est connecté aux bornes d'une jauge de contrainte selon l'invention ;

- les figures 2 sont des représentations en vue de dessus de cinq géométhes d'un motif de matériau pour une jauge de contrainte selon l'invention ;

- les figures 3 sont des représentations en vue de dessus de trois variantes de réalisation d'un motif de matériau pour une jauge de contrainte selon l'invention ;

- les figures 4 sont des vues en perspective d'un mode de réalisation d'un roulement intégrant des capteurs selon l'invention, montrant deux états de charge différents.

En relation avec la figure 1 , on décrit un mode de réalisation d'un capteur de mesure des déformations d'une zone d'un élément structurel. Le capteur intègre une jauge de contrainte comprenant un substrat 1 , par exemple en céramique, sur lequel est formé au moins un motif 2 de matériau résistif électriquement, notamment un matériau piézorésistif ou magnétostrictif, de sorte à traduire un effort mécanique en résistance électrique. Le motif 2 forme un milieu résistif continu selon des directions respectivement longitudinale x et transversale y, par exemple le motif 2 est formé d'une couche continue de matériau.

De façon connue, le matériau peut comprendre une pâte de verre intégrant des particules conductrices, et le motif 2 peut être déposé sur le substrat 1 en couche épaisse par sérigraphie.

La jauge comprend en outre deux paires de bornes 3 réalisées en matériau conducteur électriquement, notamment en métal comme l'argent, qui sont formées sur le substrat 1 pour être en contact électrique avec le motif 2. De même que le motif 2, les bornes 3 peuvent être réalisées par sérigraphie en couche épaisse d'une pâte de matériau, et ce préalablement à la formation dudit motif. Les bornes peuvent être de forme quelconque, notamment rectangulaire, triangulaire, circulaire....

Selon une application, le capteur mesure les déformations d'une zone d'un organe fixe d'un palier à roulement comprenant également un organe tournant et au moins une rangée de corps roulants disposés dans un chemin de roulement qui est formé entre lesdits organes de sorte à permettre leur rotation relative.

Dans un exemple d'application représenté sur les figures 4, le palier est un roulement de roue de véhicule automobile et le substrat 1 est fixé sur un méplat 4 formé sur la périphérie de la bague extérieure 5. Ainsi, le capteur permet de mesurer les déformations de la bague extérieure 5 qui sont notamment dues au passage des corps roulants lors de la rotation, lesdites déformations étant alors périodiques et approximables par une sinusoïde.

Sur la base de ces mesures, il est possible de déterminer les efforts qui s'appliquent sur le roulement, de sorte à pouvoir notamment, comme décrit par exemple dans le document FR-2 893 106, déterminer les efforts qui s'appliquent à l'interface entre la roue et la chaussée sur laquelle la roue tourne.

Sur les figures 4, le roulement comprend deux rangées de billes qui sont disposées coaxialement dans respectivement un chemin de roulement prévu entre la bague extérieure fixe 5 et la bague intérieure tournante 6. Par ailleurs, la bague fixe 5 est pourvue de moyens de fixation au châssis qui sont formés

d'une bride 7 comprenant quatre saillies radiales 7 dans lesquelles un trou axial 8 est réalisé pour permettre la fixation par vissage.

Dans le mode de réalisation représenté, le capteur comprend plusieurs jauges qui sont disposées sur un même substrat 1. Plus précisément, deux groupes de trois motifs 2 alignés sont formés sur le substrat 1 qui est rigidement fixé à la bague fixe 5, par exemple par collage ou soudage, pour transmettre les déformations depuis le méplat 4 jusqu'aux motifs 2. En outre, le substrat 1 est positionné sur le méplat 4 pour disposer chaque groupe de jauges sensiblement en regard d'un chemin de roulement et selon la direction générale de rotation.

Le roulement représenté comprend quatre capteurs qui sont équirépartis autour de la bague extérieure 5, les signaux issus des capteurs pouvant être utilisés par un calculateur pour déterminer les efforts appliqués lors de la rotation sur la bague fixe 5 et/ou sur un élément solidaire de la bague tournante 6, comme décrit dans le document FR-2 839 553.

Les figures 4 schématisent une déformation en forme de bosse sur la surface de la bague extérieure 5 suivant deux états de charge du roulement, le premier (figure 4a) sensiblement radial et le deuxième (figure 4b) déplacé suivant la direction axiale y. La déformation présente une composante d _∞ suivant l'axe général de rotation x et une composante dyy suivant l'axe y.

Comme représenté, l'amplitude de la bosse et sa position par rapport aux motifs 2 évolue en fonction de l'état de charge, cette évolution étant représentative de l'angle de contact entre la bille et le chemin de roulement. Or, la force d'appui des billes sur le chemin de roulement est déterminée par son amplitude mais également par sa direction d'application, c'est-à-dire par l'angle de contact.

Pour améliorer la détermination de la force d'appui des billes à partir des mesures de déformation de la zone, l'invention prévoit de mesurer la

déformation des motifs 2 suivant les deux directions, respectivement longitudinale (S _xx ) et transversale (ε _yy ) qui est sensiblement parallèle à l'axe de rotation du roulement, de sorte à permettre une mesure des déformations respectivement longitudinales et transversales de la bague fixe 5 qui sont induites lors de la rotation du roulement. Ainsi, les mesures des déformations étant séparées suivant leur direction respective, l'information recueillie est plus riche et potentiellement plus facile à interpréter car deux phénomènes de natures différentes sont séparés.

Pour ce faire, la jauge comprend deux paires de bornes 3 qui sont formées de part et d'autre du motif 1 selon la direction respectivement longitudinale x pour une paire et transversale y pour l'autre paire, de sorte à pouvoir mesurer les variations de résistance électrique du motif selon lesdites directions longitudinale et transversale. En particulier, le contact entre chaque borne 3 et le motif 1 s'étend sensiblement perpendiculairement par rapport à la direction suivant laquelle la paire de ladite borne est formée, de sorte que les lignes de courant soient disposées sensiblement selon la direction de la paire.

Les figures 2 représentent des géométries envisageables pour le motif 2 ainsi que la disposition des bornes 3 correspondantes, la distance entre les bornes 3 des paires étant identique. Les géométries représentées sont :

- carré pour la figure 2a ;

- en croix pour la figure 2b ;

- en cercle pour la figure 2c ;

- en losange pour la figure 2d ; et

- en croix avec des zones de jonction courbes entre les bras pour la figure 2e.

De manière générale, toutes les géométries comprenant deux paires de bornes électriques 3 disposées à 90° sont envisageables. En outre, la résistance des bornes 3 étant beaucoup plus faible que celle du motif 2, ledit motif présente une plus petite dimension caractéristique d _c qui est supérieure à 1 mm pour éviter de former des chemins faciles pour le courant via les bornes 3. En outre,

il est possible d'envisager des géométries dans lesquelles la distance entre les bornes 3 des paires n'est pas la même, par exemple des géométries en rectangle, en ellipse ou en croix avec des bras de longueurs inégales.

Comme représenté sur les figures 3, il est possible de réaliser des rainures 9 dans le motif 2, lesdites rainures étant disposées pour améliorer le maintien des lignes de courant dans ledit motif respectivement suivant les directions longitudinale et transversale. Cette technique, dite de triming ou d'ajustage de résistance, permet de retoucher la géométrie sérigraphiée pour lui donner la géométrie souhaitée. Par exemple, les rainures 9 peuvent être réalisées à l'aide d'un laser, au sable ou par toute autre technique, de sorte à couper complètement la conduction électrique à travers la couche de matériau formant le motif 2.

En particulier, une rainure 9 peut être réalisée entre chaque borne 3 de sorte à éviter de former des chemins faciles pour le courant via lesdites bornes, lesdites rainures pouvant être en L (figure 3a), dans le plan médian entre les bornes 3 (figure 3b) ou incurvées (figure 3c).

L'avantage de ces rainures 9 est de pouvoir parvenir à des dimensions caractéristiques utiles pour le motif 2 qui sont plus petites que par sérigraphie seule, l'épaisseur de la rainure 9 pouvant être de l'ordre de 0,1 mm. En particulier, la réalisation selon la figure 3b permet de disposer des bornes 3 plus larges pour une plage centrale du motif 2 réduite, tout en maintenant les lignes de courant parallèles aux directions respectivement transversale et longitudinale.

En relation avec la figure 1 , on décrit le circuit de hachage du capteur, ledit circuit étant connecté aux bornes 3 d'une jauge selon la figure 2a pour mesurer de façon alternée la tension électrique selon les directions longitudinale (V _x ) et transversale (V _y ).

Le circuit comprend un générateur de courant 10 et deux interrupteurs 11 , 12 qui sont pilotés pour faire passer le courant i alternativement entre les bornes 3 d'une paire. La fréquence de mesure des tensions V _x , V _y est choisie pour pouvoir supposer que les déformations S _xx et ε _yy n'ont pas variées entre deux instants de mesure.

On a alors :

^ ^L = -K _L ε _xx - K _τ ε _yy et ^- = -K ₁ ^ - K _L * _W

K. K

d'où

Par conséquent, en intégrant au capteur un dispositif de traitement des signaux de tension V _x , V _y , il est possible de calculer les déformations S _xx , εyy suivant respectivement les directions longitudinale et transversale.

En particulier, le dispositif de traitement peut comprendre un amplificateur, un filtre, un convertisseur analogique / numérique et un processeur de calcul des déformations. En outre, dans le cas où plusieurs jauges sont disposées sur un même substrat 1 , le capteur peut comprendre un dispositif de traitement commun à au moins deux jauges, ledit dispositif de traitement comprenant alors un moyen de multiplexage des signaux provenant de chacune des jauges.

Par ailleurs, des technologies de type circuit hybride permettent d'intégrer sur le substrat 1 , outre la ou les jauges de contrainte, le circuit de hachage et/ou le dispositif de traitement sur le substrat.