Vis Instrumentées et Ultrasons - Mesures Multivoies en Dynamique

La mesure des efforts de serrage sur les assemblages vissés est connue pour son utilisation conventionnelle dans le domaine statique mais présentait jusqu’à présent des limites pour une utilisation en dynamique. Les techniciens lui préféraient des capteurs de types analogiques tels que jauges de contraintes ou cellules piézo électriques.
Cet article présente la solution technologique d’INTELLIFAST au travers de deux exemples d’application. Le premier provient d’un retour d’expérience de tests réalisés chez un client automobile. Le deuxième montrera les résultats issus d’une phase de faisabilité sur un montage prototype avec collecteur tournant pour la mesure sur des pièces en rotation.

La mesure des efforts de serrage sur les assemblages vissés est connue pour son utilisation conventionnelle dans le domaine statique mais présentait jusqu’à présent des limites pour une utilisation en dynamique. Les techniciens lui préféraient des capteurs de types analogiques tels que jauges de contraintes ou cellules piézo électriques.

Cet article présente la solution technologique d’INTELLIFAST au travers de deux exemples d’application. Le premier provient d’un retour d’expérience de tests réalisés chez un client automobile. Le deuxième montrera les résultats issus d’une phase de faisabilité sur un montage prototype avec collecteur tournant pour la mesure sur des pièces en rotation.

 

Ces mesures dynamiques ne sont réalisables que dans la mesure où l’on utilise les capteurs permanents. Cette technologie consiste en la déposition sous vide d’un capteur piézo électrique très fin sur la tête de vis ou en bout de filet. Le capteur est inerte. Il est recouvert d’une couche de protection et d’une couche formant une électrode, le tout faisant entre 60 et 180 microns d’épaisseur en fonction des capteurs. 

Pour l’activer, on applique une différence de potentiel comprise entre 5 et 12V par le biais d’une sonde posée sur l’électrode. Sous l’effet de cette ddp, le capteur va générer une onde ultrasonore à 2 composantes, transversale et longitudinale.

Le principe de base est de mesurer le temps de vol de l’onde longitudinale sur l’aller et retour du premier écho. Par la mesure du temps de vol initial (vis non serrée) et du temps de vol final (vis serrée), on remonte à l’effort de serrage au moyen du coefficient d’étalonnage préalablement déterminé.

Le système permet de déterminer la relation entre des assemblages hautement contraints et la tension dans les boulons dans le cas de connections à liaisons vissées multiples.

Le grand avantage de cette technologie réside dans le fait que ni la géométrie de l’assemblage (comme lors de l’utilisation de cellule de force) ni la vis elle-même (comme dans le cas des jauges de contraintes) n’ont été modifiés. Le comportement résultant est donc beaucoup plus proche de la réalité.

L’application d’un capteur permanent électro déposé sous vide sur la tête ou en bout de vis ne change en rien la forme, la fonction ou les propriétés des matériaux de la vis.

L’échantillonnage du matériel de mesure par ultrason est dépendant de la configuration du système définie pour les besoins des essais: enregistrement des données en temps réel, affichage des données en temps réel, nombre de boulons et type de matériel.

Actuellement, la valeur maximum pour un système monovoie dans un mode « Offline » est de 1KHz. Les données sont enregistrées sur un disque dur pour un post traitement ultérieur.

Dans le mode « Online », les valeurs acquises en temps réel sont affichées et en même temps stockées une mémoire de tampon et dans une base de données. 

Volkswagen est le premier constructeur automobile à utiliser la technologie INTELLIFAST pour mesurer la tension de serrage dynamique dans 8 boulons M8 et M12. Pendant les tests de chargement dynamique réalisés sur piste ou banc d’essais, la tension d’assemblage est mesurée très précisément sur plusieurs boulons en simultanée et en temps réel à une fréquence maxi de 320Hz. Les boulons à géométrie Torx et de classe 8.8 et 10.9 sont exposés à des températures compris entre 150°C et 230°C.

Après le post traitement d’une série de tests, les mesures incluant l’horodatage sont exportées vers un PC d’analyse dans un format défini par le client. Elles ne sont pas disponibles car jugées confidentielles par le client.

Au final, les valeurs de chargement dans les assemblages aussi bien que les amplitudes cycliques des forces dans les boulons sont obtenus avec un gain de temps substantiel par rapport aux méthodes de mesures traditionnelles.

Pour le client, ces mesures embarquées ont permis de pousser plus loin l’investigation et l’optimisation de la conception des boulons et notamment le revêtement, la zone de contact de la tête et le procédé d’assemblage avant la mise en production. 

 

Après les multiples expérimentations réussies, Volkswagen a exprimé le souhait de pousser plus loin les limites de mesures.

L’application automobile servant de banc de test pour cette évolution matérielle et logicielle est la mesure des efforts sur les vis de roue lors d’un roulage. Les essais se déroulent en deux étapes : une première partie pour évaluer la faisabilité et analyser les limites ; une deuxième pour évaluer le système embarqué sur véhicule.

Dans cette optique, le matériel a été modifié pour travailler avec une fréquence d’acquisition de 1KHz et les ingénieurs ont équipé un collecteur tournant pour réaliser des mesures sur 5 vis.

 Collecteur tournant 

L’ensemble du système est testé sur une machine tournante dont la vitesse est réglée sur Lente (360 tours/min) et Rapide (1750 tours/min) pour simuler une vitesse véhicule de 43 Km/h et 210 Km/h.

Les premiers résultats montrent une bonne stabilité des mesures pour la vitesse Lente et quelques pertes de signal pour la vitesse Rapide. Il apparait également des perturbations provoquant une dispersion sur les mesures d’efforts. Parmi les causes, INTELLIFAST a identifié l’assemblage interne des voies de mesures et de la sonde de température, le nombre de voies actives et la fréquence de mesure. En revanche, la vitesse de rotation n’a aucun impact sur la stabilité de l’acquisition.

Résultats tests vitesse élevée, temps court

Après avoir réglé les problèmes en améliorant l’assemblage et les paramètres du matériel d’acquisition, il a été constaté :

  • Un transfert stable et sans perturbation possible des signaux Ultrasons et Température
  • Un fonctionnement sans aucun problème du Setup Multivoie
  • Le Setup peut être utilisé sur tout type de pièce en rotation. Le nombre maximum de voie peut être de 14 pour les voies ultrasons et 1 pour la voie Température.

Pour la 2ème phase de ces tests, INTELLIFAST s'est fixé plusieurs objectifs: utiliser les vis de roue équipées de capteurs électro déposés ; assembler 5 brides spécifiques avec des sondes intégrées ; clarifier la position et le type de sonde de température ; optimiser le concept de l’assemblage mécanique sur la roue et installer l’assemblage complet sur véhicule ; réaliser les premiers tests de roulage sur la piste de desserrage.

 

D’une manière générale, les mesures à hautes fréquences peuvent trouver des débouchés dans la qualification des niveaux maximums d’effort subis par les vis lors de phénomènes transitoires, ainsi que lors du montage avec des outils de serrage fonctionnant avec des vitesses élevées.

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