Étape par étape : Analyse des charges pour les capteurs de force/couple

Le choix d'un capteur de force/couple adéquat semble souvent simple de prime abord – que va-t-on mesurer et quelle est la plage de mesure approximative ? Une fois que vous avez répondu à ces deux questions, plusieurs autres aspects doivent être pris en compte. L'étape suivante consiste à réfléchir aux limites de charge du capteur. Dans le livre blanc suivant, nous examinerons de plus près ce qu'il faut garder à l'esprit lors de l'étude des charges admissibles, les aspects spécifiques à prendre en compte et la manière de procéder à une évaluation juste.

Spécifications de la fiche technique et leurs relations

En consultant la fiche technique d'un capteur de force/couple multiaxe, par exemple la fiche technique du MCS10 de HBK, vous trouverez des informations détaillées sur les forces, les moments ou les critères maximums admissibles à respecter (voir Figure 1 et Figure 2). Les données peuvent varier en fonction du fabricant ou du type. Cependant, c'est toujours un critère de qualité qui joue un rôle décisif dans la recherche du capteur multiaxe le plus adapté à l'application.

En examinant de plus près ces spécifications, vous trouverez certains termes connexes nécessitant une explication :

  • Force nominale/Moment nominal
  • Force limite/Moment limite
  • Force à la rupture/Moment à la rupture
  • Somme des ratios de charges (LRS)
  • Critère à respecter en cas de charge multiaxiale pour...
    • Plage de mesure nominale
    • Plage de résistance à la fatigue
      • À charge pulsatoire
      • À charge alternée
    • Plage de charge statique
    • Plage sans rupture

La meilleure façon de comprendre comment les différents termes sont liés est d'examiner les types de charges qui peuvent se manifester et comment ils peuvent être classés. Faites défiler vers le bas pour accéder à un guide interactif qui relie les types de charges et les limites ou critères associés et vous indique si votre capteur peut supporter sa charge dans les circonstances données. Dans certaines applications, d'autres charges, dues par exemple à la température ou à d'autres influences environnementales, doivent être prises en compte en plus des charges mécaniques présentées ici. Dans la plupart des cas, cependant, cela n'est pas nécessaire ou, en cas de doute, cela peut être facilement et rapidement clarifié.

Cependant, qu'il s'agisse de charges uniaxiales ou multiaxiales, statiques ou dynamiques, pulsatoires ou alternées, il existe des critères d'essai qui doivent être appliqués pour garantir un fonctionnement sûr du capteur.


Guide interactif

Utilisez ce guide interactif avec les limites et critères donnés dans la fiche technique pour savoir si votre capteur peut supporter les charges. Il suffit de sélectionner les options applicables. 

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Charge uniaxiale vs charge multiaxiale

Une charge uniaxiale signifie que le capteur est soumis à des charges dans une direction du système de coordonnées ou autour d'un seul axe. Dès qu'une charge supplémentaire s'ajoute, qu'il s'agisse d'une force ou d'un moment, on parle de charge multiaxiale. Jusqu'à six charges peuvent intervenir simultanément : trois forces Fx, Fy, Fz et trois moments Mx, My, Mz.

En général, une charge appliquée de l'extérieur entraîne une contrainte mécanique dans le corps d'épreuve du capteur. Dans le cas de charges multiaxiales, l'objectif est de les combiner afin de pouvoir les comparer à un seul critère d'essai. Pour ce faire, on calcule la somme des ratios de charges (LRS) :

Cette formule comprend toutes les charges existantes, les capacités maximales admissibles et les quatre facteurs de correction. Ces derniers se trouvent également dans la fiche technique du MCS10 (voir Figure 2).

Charge statique vs dynamique et pulsatoire vs alternée

Une charge statique signifie que le capteur est soumis à une charge qui ne change pas dans le temps, c'est-à-dire qu'elle est constante et non variable. En revanche, une charge dynamique signifie que la charge varie dans le temps, c'est-à-dire qu'elle n'est pas constante. Dans de nombreuses applications, les charges statiques impliquent le processus d'application et de retrait de la charge. Jusqu'à ce que la charge statique soit atteinte, la charge augmente de manière dynamique et diminue à nouveau de manière dynamique lorsque la charge est retirée. Souvent, ces applications peuvent être considérées comme purement statiques, mais en cas de doute, il peut également être utile d'envisager l'application et le retrait de la charge comme des cas individuels de charge dynamique.

La charge dynamique fait également la distinction entre la charge pulsatoire et la charge alternée. Le facteur décisif ici est qu'en cas de charge pulsatoire, il n'y a pas d'inversion de la direction de la charge. Cela signifie que la force de compression ou de traction appliquée au capteur ou la torsion dans une direction autour d'un axe ne varie que dans la mesure où elle est plus forte à certains moments et plus faible à d'autres. La charge alternée, en revanche, signifie que les forces de traction et de compression ou le couple dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre alternent. Ceci est également illustré par une inversion de signe des charges.

La figure 4 montre un exemple du diagramme d'évolution des appliquées pour ces trois cas. Le critère d'essai pour les charges alternées est le plus rigoureux, car elles exercent la plus grande charge sur le capteur.

Capacité maximale, charge limite, charge de rupture

La différenciation entre ces trois limites de charge n'est pas particulièrement difficile ; toutefois, elle est essentielle pour garantir une utilisation sûre d'un capteur. Les spécifications techniques du capteur sont garanties jusqu'à sa capacité maximale. Pour les charges dépassant la capacité maximale et allant jusqu'à la charge limite, les spécifications ne peuvent plus être garanties. Toutefois, les charges comprises dans cette plage sont encore admissibles et n'endommagent pas le capteur si elles ne sont pas trop fréquentes. Si l'on augmente encore la charge jusqu'à la plage comprise entre la charge limite et la charge de rupture, le corps d'épreuve se déforme à tel point qu'il est définitivement endommagé et que le capteur ne peut plus être utilisé pour d'autres mesures. Les charges dépassant la limite de charge de rupture entraîneront une rupture du capteur. Il est important de noter que ces plages de charge ne s'appliquent qu'aux cas de charge uniaxiale et statique.

Aspects particuliers et omissions possibles

Un aspect potentiellement insignifiant, mais parfois négligé est qu'un capteur doit résister aux charges dans les six directions, même si elles ne sont pas mesurées. Si, par exemple, un capteur de force à trois canaux (Fx, Fy, Fz) est utilisé, il doit bien sûr également résister aux moments qui se produisent – même s'ils ne sont pas mesurés. Peu importe que ces moments soient directement introduits sous forme de couple, ou qu'ils résultent d'une force appliquée et du levier entre le point d'application de la force et l'origine des coordonnées.

Ce dernier point conduit à une autre particularité : avec le MCS10, la position de l'origine des coordonnées est au centre du corps d'épreuve. Si une force Fx,1 est appliquée directement à la surface du corps d'épreuve, elle en résulte dans le levier lh (la moitié de la hauteur du capteur) et le moment My. Si la force est introduite plus loin du capteur, par exemple à cause de la configuration de l'essai, le levier est lh + l, avec la force Fx,2, il en résulte un moment plus grand, My. Pour cette raison, les forces doivent toujours être appliquées le plus près possible du capteur et, si les leviers sont plus longs, il faut y regarder de plus près.

Application pratique

À présent que les différents types de charges, les limites et les critères ont été examinés, la question se pose de savoir comment estimer au mieux la charge d'un capteur dans une application. La procédure suivante s'est avérée pratique :

  1. Sélection en fonction des capacités maximales
  2. Détermination de toutes les charges maximales
  3. Définition des cas de charge
  4. Prise en compte des cas de charge individuels
  5. Évaluation globale

Sélection en fonction des capacités maximales

Dans la plupart des cas, les directions à mesurer sont connues et les capacités maximales peuvent être estimées en valeurs absolues. Cette connaissance peut être utilisée pour sélectionner un capteur.

Détermination de toutes les charges qui se manifestent

Les charges maximales pour chaque direction de charge peuvent être déduites des charges maximales survenant dans l'application ainsi que de la disposition géométrique (couple = force x levier). Il est judicieux de les noter non seulement en valeur absolue mais aussi avec un signe. Cette tâche prend souvent beaucoup de temps, surtout dans le cas de montages complexes et de forces qui interagissent. Cependant, cela constitue la base d'une évaluation fiable et est donc nécessaire.

En plus des charges maximales, d'autres charges peuvent également être pertinentes. En particulier lorsqu'un type de charge différent est impliqué. Par exemple, si la charge maximale est statique, mais qu'une charge légèrement inférieure est alternée et dynamique, les deux cas doivent être étudiés.

Définition des cas de charge

Souvent, toutes les charges ne se produisent pas simultanément. Il peut y avoir un mode de fonctionnement régulier avec deux forces et un moment, ainsi qu'un mode au début et à la fin de l'application avec une force différente. Pour pouvoir évaluer ces situations séparément, il est logique de les subdiviser en cas de charge distincts et d'étudier chaque cas de charge individuellement. Il est conseillé de créer ici un tableau récapitulatif.

Prise en compte des cas de charge individuels

Le guide interactif sur cette page aide à trouver la valeur limite correcte ou le critère correct pour examiner les cas de charge individuels dans cette étape. Pour chaque cas de charge, la charge réelle est comparée à la limite et évaluée, ou la LRS calculée pour ce cas est comparée au critère respectif et évaluée. Pour éviter de devoir calculer manuellement la LRS à chaque fois, vous pouvez télécharger ici un modèle pour Microsoft® Excel®. Celui-ci vous permet d'automatiser cette étape.

Évaluation globale

Après avoir effectué les étapes décrites ci-dessus, vous obtiendrez un tableau, contenant idéalement uniquement les résultats positifs des différents cas de charge. Dans ce tableau, il est judicieux de noter non seulement OK ou pas OK, mais aussi le résultat exact. Ainsi, il est facile de voir si un capteur inadapté à la plage de mesure a été sélectionné ou si tous les résultats sont cohérents.

Conclusions

La sélection et l'évaluation d'un capteur multi-composants ne sont pas insignifiantes. Cependant, si vous suivez ce processus étape par étape et préparez un diagramme de flux, le sujet peut être facilement traité et vous obtiendrez une déclaration fiable comme résultat.


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