Mesure et traçabilité du couple sur de grosses transmissions mécaniques

Il existe de nombreuses possibilités pour mesurer le couple. Parmi elles, la méthode utilisant un capteur de couple étalonné en sortie de production, dont on connait l’exactitude grâce en suivant la chaîne ininterrompue de comparaisons en rattachant ce capteur à l'étalon primaire, vous assure sa complète traçabilité.

Dans le domaine du couple, les mesures de précision sont particulièrement essentielles afin de déterminer l'efficacité des moteurs marins tout en satisfaisant les normes environnementales très strictes. L'optimisation des moteurs marins, basée sur une mesure fiable et très précise du couple permet de réaliser des économies d'énergie significatives et de répondre aux exigences toujours croissantes des normes internationales, cela est d’autant plus vrai pour les moteurs marins ayant un couple nominal très élevé [1].

La puissance d'entraînement est simplement calculée à partir de cette mesure précise du couple Ϻ, entre le générateur et le côté d'entraînement, dans la ligne d’arbre même et la vitesse angulaire ω  selon la formule (1) :

 

L'information précise de couple permet la commande précise du système d'entraînement mécanique. Cela permet de surveiller les moteurs à combustion (par exemple les moteurs multi-carburant ou à gaz) de manière à assurer leur bon fonctionnement dans leur fenêtre de travail optimal. Cela permet d’éviter tous les problèmes de cognement, de ratés moteurs, de surcharges et réduit considérablement la consommation de combustible [1].

 

 

Le couple peut être mesuré directement ou indirectement :

Mesure directe du couple

Pour la mesure directe du couple, on utilise un capteur de couple directement dans la ligne d’arbres (voir fig. 2). Le capteur est déjà étalonné chez le fabricant sur une machine d’étalonnage appropriée. Le capteur peut être facilement installé, enlevé, remplacé et ré-étalonné.

Mesure indirecte du couple

La mesure indirecte du couple sur un axe cylindrique nécessite la mesure de paramètres associable au couple et d’un calcul.

a) Mesure des contraintes sur l’axe d'entrée. Des jauges de déformation  sont donc collées directement sur l'axe et raccordées à un pont de mesure. L’alimentation des jauges et le retour signal de mesure se font sans contact.

b) L’autre méthode pour déterminer le couple d’un arbre tournant consiste à mesurer l’angle de torsion.

Les deux méthodes offrent quelques avantages, comme par exemple  la modernisation de systèmes existants. Selon la qualité d'installation et les composants utilisés, la valeur du couple à calculer par la suite pourrait présenter une incertitude relativement élevée. De plus, certaines tolérances incontournables (voir la Tableau 1) amènent forcément aussi des incertitudes relativement significatives.

Etalonnage et Traçabilité

Pour garantir la précision sur la puissance d'entraînement ou de l'efficacité, il est essentiel de satisfaire les normes environnementales de l'industrie des moteurs marins, sans oublier que l’utilisation de moteurs de plus en plus gros ne cesse d’augmenter et que pour cela la demande en étalonnage et le besoin de traçabilité pour cette grandeur physique deviennent des priorités. Fondamentalement, les solutions techniques utilisées dans l’étalonnage de couple se répartissent en deux catégories : avec un bras-levier et masses mortes pour la première et un capteur de couple de référence pour la seconde.

  • Bras-levier / masses mortes : Le couple est produit par le poids de masses calibrées appliquées en bout du bras dont la longueur doit être connue [3].
  • Une alternative peut être faite à cette méthode en remplaçant les masses par un  capteur de référence mesurant une force au bout du bras [2].
  • Capteur de couple étalon : Ce capteur délivre une valeur de couple de référence. Avec cette méthode il est possible d’utiliser n’importe quel moyen pour générer le couple. [2].

Nouvelle machine d’étalonnage de couple chez HBM

Pour répondre à toutes les nouvelles demandes, cette machine d’étalonnage (fig 3) dispose d’un capteur de couple de référence qui délivre les valeurs de couple de référence.

Les capteurs de couple T10FH/150 kNm et T10FH/400kNm, modifiés, ont été choisis comme capteurs de référence. Grâce à ces deux capteurs étalons, une incertitude de mesure de 0.1 % a pu être atteinte. La raison principale de cette atteinte des résultats remarquables sur l’incertitude est le respect de la chaîne ininterrompue des comparaisons rattachant ces couplemètres au capteur étalon de l’organisme nationale allemande (German National Standard) (voir la pyramide de traçabilité, fig. 4).

L'incertitude de mesure de la German National Standard, de la plus grande  machine d’étalonnage avec 1.1MNm de capacité également désigné sous le nom « Torque Standard Machine » que possède le PTB, à laquelle cette machine de 400kNm est rattachée est de 0.08 %.

La très grande exactitude de nos capteurs permet de mesurer avec précision le couple et donc de calculer la puissance et l'efficacité avec une exactitude au moins 10 fois meilleure que celle exigée par les normes environnementales actuelles de l'industrie marine.

References

[1] K. Weissbrodt, Direct torque measurement on large drives with very small tolerances, Paper Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH (2011)

[2] R. Schicker and G. Wegener, Measuring Torque Correctly. Bielefeld: Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH. (2002)

[3] Davis, F.A. The 1st UK National Standard Static Torque Calibration Machine-New Design Concepts Lead The way. Measurement Science Conference in Anaheim, USA. (2002)

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