Innovation : Capteur de couple HBM directement intégré dans les systèmes de transmission pour les applications haute vitesse

Le capteur spécial T40HS mesure à très haute vitesse un couple de 1000 Nm avec une précision de 0.05% dans un environnement mécanique et thermique extrême.

S'il est une opération qui mérite d'être qualifiée d’ "innovante", c'est bien celle que viennent de faire BCSA et HBM. BCSA est spécialisée dans les transmissions mécaniques de puissance pour applications exigeantes en termes de couple, vitesse, précision, robustesse et durée de vie.

Il y a un peu plus d'un an, cette société française d’une trentaine de personnes répond à un appel d'offres portant sur la réalisation d'un ensemble de transmission mécanique destiné à un banc d'essais pour la R&D en aéronautique. Le gratin mondial des constructeurs de bancs d'essais postule pour décrocher cette affaire destinée à un client final chinois. Si BCSA l'emporte, c'est aussi parce qu'elle propose une solution technique originale, qui consiste à intégrer un couplemètre à l'intérieur de son équipement.

Turbo-Multiplicateur BCSA équipé d'un couplemètre T40HS/1kNm HBM

Une solution audacieuse

La solution est audacieuse car il n'existait pas à l'époque sur le marché de solution d’intégration de couplemètre à bride avec une précision de lecture de couple de 0.05% pour ce niveau de couple et vitesse (1000 Nm et 45 000 tr/mn). Comme l'explique Nicolas Di Pol, responsable de la ligne de capteurs de couple chez HBK France :

"Les couplemètres sont un des grands points forts de la société et pour rester leader du marché, il nous faut toujours étendre notre gamme de produits. La demande de BCSA est une moyen d'accélérer le développement de nouveaux produits innovants."

Une solution pour simplifier le travail des intégrateurs

Turbo-Multiplicateur de BCSA avec armoire de mesure

Cette réalisation est typique du positionnement de BCSA. Tout d'abord, il s'agit d'une affaire à l'export, où la société excelle puisqu'elle y réalise désormais 80 % de son chiffre d'affaires. Pour le développement de son système de transmission, elle est allée au-delà de l'exigence du cahier des charges, d'une part pour tirer son épingle du jeu par rapport à la concurrence et d'autre part (et surtout!) pour faciliter le travail d'intégration du client.

Cela mérite une explication. Il faut savoir que les bancs d'essais mécaniques de moteurs (moteurs d’avions, d’automobiles de compétition) supposent de simuler physiquement l'environnement du moteur, et notamment la charge, afin de tester le moteur en accélération et freinage, à toutes les vitesses, en fonction du profil du circuit (montées, descentes, virages, type de revêtement).

Habituellement, la charge est simulée à l'aide d'un moteur électrique fonctionnant en mode génératrice et/ou frein. Le plus souvent, il faut prévoir un réducteur/multiplicateur mécanique entre le moteur sous test qui tourne à une vitesse très élevée (dans le cas d'un moteur de F1, on atteint 18.000 tours/min) et la charge (qui tourne à une vitesse moindre).

Les bancs d'essais sont évidemment instrumentés et ils comportent au moins un capteur de couple afin de connaître la puissance développée par le moteur. Le plus souvent, le capteur de couple est placé sur la ligne haute vitesse entre le multiplicateur et le composant testé. Dans la réponse à l'appel d'offres Aéronautique, BCSA a bien sûr répondu pour le domaine où elle excelle, c'est-à-dire la transmission mécanique haute vitesse.

Autre atout : Le capteur de couple est entièrement intégré dans le Turbo-Multiplicateur

L'entreprise a proposé un bonus qui lui a permis de faire la différence avec ses concurrents et décrocher l'affaire. David Montillet, directeur commercial, livre quelques détails : « Habituellement, l'intégrateur du banc se charge d'intégrer le couplemètre à la sortie du réducteur/multiplicateur mécanique. Cela suppose de prévoir deux arbres et deux accouplements mécaniques supplémentaires. L'encombrement est donc plus important.

Mais dans le cas qui nous intéresse ici, il y a une contrainte supplémentaire : la vitesse ! Aux vitesses élevées, l'ajout de composants multiplie le risque d’instabilité dynamique de la ligne d’arbre.

Mais surtout, il faut une certaine expertise pour réaliser les alignements d'arbres, sinon il y a des vibrations qui peuvent rapidement rendre le banc inutilisable.

Notre client en était bien conscient et c'est ce qui l'a convaincu de retenir notre solution prête à l’emploi, en intégrant le capteur dans le multiplicateur…»

"Une stratégie prometteuse pour le futur"

« Quand BCSA nous a sollicités, nous n'avions pas le capteur correspondant à leur besoin mais leur demande nous a fortement intéressés parce qu'elle s'inscrit bien dans une tendance du marché. J'observe que les intégrateurs de bancs se concentrent davantage sur le monitoring et toute l'électronique qui va autour et ils externalisent la partie mécanique. Et plus on va travailler à des vitesses élevées, plus l'intégration va devenir un travail de spécialiste. En proposant d'intégrer le couplemètre T40HS de 1kNm à l'intérieur des transmissions, BCSA ouvre une voie très prometteuse pour l'avenir », explique Nicolas Di Pol.

Cette réalisation s'ouvre également aux vitesses élevées et HBM estime que l'on est à l'aube d'une forte demande de capteurs de couple haute vitesse, notamment pour les bancs d'essais de moteurs d'avions. Pour réduire le poids, et donc les consommations, les moteurs tournent à des vitesses de plus en plus élevées.

Turbo-Multiplicateur de BCSA équipé du couplemètre T40HS/1kNm HBM

Au sujet de BCSA

BCSA est spécialisée depuis 50 ans dans les transmissions mécaniques de puissance. La réalisation de réducteurs/multiplicateurs pour bancs d'essais, dont il est question dans l'application présentée ici, constitue une des grandes activités de la société française.

Outre les bancs d'essais, les transmissions mécaniques de BCSA sont surtout implantées dans le milieu du pétrole et gaz ainsi que dans les métiers de la cimenterie, de la sidérurgie et de la papeterie.
Dans tous les cas, la société conçoit, développe et livre des équipements conçus sur mesure, adaptés aux besoins du client. Il peut s'agir d'applications nouvelles mais le plus souvent, il s'agit de remplacer un équipement devenu obsolète. Forte puissance et grande robustesse constituent depuis toujours les caractéristiques de l'offre.
Une évolution se dessine avec le développement d'équipements capables de travailler à des vitesses très élevées (30.000 tours/min et au-delà...jusqu’à 125 000 tr/min à ce jour).
BCSA fournit les prestations et services pour l'installation et la mise en service de ses équipements.
Précisons encore que BCSA est représentant des produits FLSmidt Maag Gear en France et au Maghreb et qu'elle réalise 80 % de son chiffre d'affaires à l'export, notamment l’Asie (la Chine), l'Europe (Allemagne, Autriche, Angleterre, Italie), les pays du Maghreb, les pays de l'Est (la Russie), le Brésil ...

Armoire comprenant un système de mesure industriel PMX permettant la mesure du couple, de la vitesse et de la puissance, avec une correction en temps réel grâce à une mesure de température.

Défis techniques

BCSA recherchait un couplemètre performant et précis qui devait en outre présenter un encombrement minimum et supporter les contraintes d'environnement. Dans ce contexte, BCSA était tout particulièrement intéressé par les capteurs à brides (flasques), beaucoup plus faciles à monter que les capteurs à arbre, tout en présentant un encombrement minimum. HBM a une offre importante dans ce domaine et il était donc naturel qu'elle soit approchée par BCSA.

La performance métrologique ne posait pas de difficulté, car avec sa technologie à jauge d'extensométrie, HBM répond largement à la demande (0,05% de précision en statique, c'est largement suffisant). L’offre HBM en capteur de couple jusqu’à 45000 tr/mn répond également à l’aspect haute vitesse.

Restait l'environnement. Le système de transmission, développé par BCSA, est refroidi par huile et il fallait donc tenir compte de cet environnement. Il y avait enfin le problème de la température.

La principale difficulté, au final, aura été de maintenir le capteur dans sa zone de température de fonctionnement.

BCSA a donc développé des solutions techniques dont les études et les essais ont mené à ce que la température du capteur n'excède pas 75 °C, ce qui est largement suffisant.

Il est évident que le capteur développé pour BCSA va trouver une déclinaison dans le portfolio de HBM.

"Ce développement constitue une nouvelle avancée technologique.”

“Ce développement nous donne une nouvelle avance par rapport à l'offre actuelle du marché et pour la maintenir, nous prenons le temps de protéger toutes nos innovations", justifie Nicolas Di Pol.