Mesurez directement le couple, la vitesse de rotation et la puissance transmise par la prise de force (PDF) d'un tracteur. Elle permet de connaître précisément la puissance mécanique reçue par un outil agricole. Cette information est particulièrement utile pour les essais de machines, le développement d'outils, l'optimisation énergétique, l'agriculture de précision et les bancs d'essai.
Un système basé sur un Capteur de couple rotatif installé directement entre la prise de force du tracteur et l'arbre de l'outil Cela permet d'obtenir ces informations sans avoir besoin d'instrumenter la transmission en interne. Une étude publiée dans Génie appliqué à l'agriculture Il a validé cette méthode en la comparant à un dynamomètre de référence et a obtenu des différences de seulement 3 à 23 N·m Lors des tests de vérification, aucune différence statistiquement significative n'a été observée entre les deux systèmes de mesure.
Résultat clé : La mesure directe du couple à l'arbre de prise de force permet d'estimer de manière fiable la puissance transmise à l'outil. Dans le système étudié, l'étalonnage a montré une relation linéaire quasi parfaite. R² = 0,9999.
Que mesure-t-on au niveau de la prise de force (PDF) d'un tracteur ?
Le prise de force, connu internationalement sous le nom de PTO (Prise de force) et également en tant que prise de force, elle transmet la puissance mécanique du tracteur à des machines et outils tels que des faucheuses, des broyeurs, des presses à balles, des épandeurs d'engrais, des mélangeurs, des pompes, du matériel de travail du sol ou du matériel de travail du sol.
Pour déterminer la puissance mécanique transmise, il ne suffit pas de mesurer la vitesse de rotation de l'arbre. Il est nécessaire de connaître simultanément deux grandeurs :
- Couple (T), généralement exprimé en N·m.
- vitesse de rotation (n), exprimé en tours par minute, tr/min.
À partir de ces deux quantités, on peut calculer la puissance mécanique instantanée transmise par l'arbre :
P = T × ω
P [kW] = T [N·m] × n [tr/min] / 9550
Par exemple, un couple de 1 000 N·ma à 540 tr/min correspond approximativement à 56,5 kW. La même paire 1 000 tr/min représente environ 104,7 kW. C’est pourquoi le couple et le régime moteur doivent être enregistrés simultanément lors de l’analyse de la demande de puissance réelle d’un outil.
Comment mesurer le couple directement sur l'arbre de prise de force ?
L'une des solutions les plus directes consiste à installer un transducteur de couple rotatif aligné avec la prise de force. Le capteur est situé entre la prise de force du tracteur et l'arbre d'entraînement de l'outil ou du dynamomètre.
Lorsque l'arbre tourne, le capteur mesure le couple produit par la force transmise. Si le système enregistre également la vitesse de rotation, il est possible de déterminer simultanément la valeur de la force. couple, régime et puissance mécanique.
Validation scientifique d'un capteur de couple dans la prise de force
Roeber, Pitla, Hoy, Luck et Kocher ont développé et évalué un système d'acquisition conçu pour mesurer directement le couple et la vitesse de la prise de force (PDF) d'un tracteur. Ces travaux, intitulés Système de mesure et d'acquisition de données du couple de prise de force du tracteur, Il a été publié en 2017. Génie appliqué à l'agriculture.
L'objectif était de vérifier si un capteur de couple installé directement sur l'arbre de prise de force pouvait fournir des résultats suffisamment proches de ceux obtenus à l'aide du système de mesure de référence. Laboratoire d'essais de tracteurs du Nebraska.
Configuration utilisée dans le test
| Capteur de couple | La série NCTE 7000 a été utilisée dans la configuration du studio. |
| Plage de couple | Jusqu'à 5 000 N·m |
| Vitesse maximale du capteur | Jusqu'à 3 600 tr/min |
| Signal d'arrêt | 0–10 V |
| Prise de force utilisée | Prise de force de 1 3/4″, 20 cannelures, 1 000 tr/min |
| Tracteur | AGCO Allis 9695 |
| Système de référence | Le dynamomètre à courants de Foucault de 522 kW du Nebraska Tractor Test Laboratory |
| Acquisition | National Instruments CompactDAQ et LabVIEW |
| Variables enregistrées | Couple, vitesse de prise de force et données nécessaires à l'analyse de puissance |
Cette configuration permettait une comparaison simultanée du signal fourni par le transducteur rotatif avec le couple déterminé par le dynamomètre de laboratoire.
Acquisition simultanée du couple et de la vitesse
Le système d'acquisition utilisé dans l'étude a été développé autour d'une plateforme National Instruments CompactDAQ. Le signal analogique correspondant au couple et aux informations de vitesse de rotation a été enregistré de manière synchrone à l'aide d'une application développée en LabVIEW.
La synchronisation est particulièrement importante dans les applications dynamiques. Sur un outil agricole, la charge est rarement constante : elle varie en fonction de la densité de la culture, de la profondeur de travail, de la vitesse d'avancement, des irrégularités du terrain et des cycles mécaniques propres à la machine. L'enregistrement des seules valeurs moyennes peut masquer des pics de couple importants et des phénomènes transitoires.
Étalonnage du capteur par rapport au dynamomètre
Avant d'utiliser ce type de système de mesure lors d'essais sur le terrain, il est essentiel de vérifier la relation entre le signal électrique du transducteur et le couple mécanique réel.
Lors de l'étalonnage, différentes conditions de charge ont été appliquées et la sortie du capteur a été comparée à la valeur obtenue à l'aide du système de référence du dynamomètre. L'ajustement linéaire obtenu dans l'étude a montré un coefficient de détermination R² de 0,9999, ce qui indique une relation pratiquement linéaire entre les deux signaux dans les conditions testées.
La régression obtenue par les chercheurs pour la configuration spécifique de leur système était :
Par = −1240,9 × V + 6412,5
Cette équation s'applique exclusivement à la configuration et à l'étalonnage décrits dans l'étude. Elle ne doit pas être utilisée comme équation universelle pour d'autres capteurs.
Chaque capteur doit utiliser sa propre sensibilité, sa courbe d'étalonnage ou ses propres paramètres fournis par le fabricant.
Résultats : Quelle précision a été obtenue en mesurant la paire de prises de force ?
Lors des essais de vérification à pleine charge et à différentes vitesses, la différence entre le couple obtenu par le capteur de prise de force et celui déterminé par le dynamomètre était d'environ 3 à 23 N·m dans la première série d'essais.
En termes relatifs, les erreurs observées sont restées faibles par rapport à la paire transmise. Les chercheurs ont également appliqué des tests statistiques aux différences obtenues et ont déterminé que Il n'y avait pas de différences statistiquement significatives par rapport à zéro dans les échantillons analysés.
Ce résultat est particulièrement pertinent car il démontre que Capteur de couple rotatif monté directement sur la ligne de prise de force Il peut être utilisé pour effectuer des mesures sur le terrain et des essais de machines sans dépendre exclusivement d'un dynamomètre de laboratoire fixe.
Des capteurs de prise de force (PTO) de la série NCTE 7000 testés aux modèles actuels
Il est important de distinguer le dispositif utilisé dans l'étude de 2017 des versions actuellement disponibles sur le marché. La technologie, l'électronique, les interfaces et les configurations disponibles ont évolué depuis cet essai.
NCTE commercialise actuellement des transducteurs basés sur sa technologie de mesure sans contact magnétostrictive, conçus pour réduire l'usure et la maintenance dans les applications rotatives. La gamme comprend des solutions à couple élevé telles que… Série 7000 et des modèles spécialement conçus pour les applications de prise de force agricoles, tels que les Série NCTE 7300 / Prise de force 7300.
| Fonctionnalité | Courant de la série NCTE 7000 | NCTE PTO 7300 |
|---|---|---|
| Couple nominal | De 3 000 à 5 000 N·m selon la version | Jusqu'à 3 000 N·m |
| Vitesse | Jusqu'à 3 600 tr/min | Jusqu'à 1 100 tr/min |
| Exactitude publiée | ≤ ±0,5 % selon la configuration | ≤ ±0,5 % |
| Protection | Options IP50 / IP65 selon la configuration | IP65 |
| Départs disponibles | 0–10 V, 4–20 mA, CAN et autres options selon la version | 0–10 V, 4–20 mA, CAN ou USB selon la version |
| Application principale | Grandes paires, bancs d'essai, véhicules et machines | Prise de force des machines agricoles |
| Montage de la prise de force | Configurations et accessoires selon l'application | Raccordement direct 1 3/8″, 6 cannelures |
Le choix entre les deux familles dépend principalement de Couple maximal attendu, vitesse de l'arbre, géométrie de la prise de force, espace disponible, protection environnementale et type d'acquisition de données.
Technologies alternatives pour la mesure du couple dans une prise de force
La mesure du couple dans une prise de force (PDF) peut être réalisée à l'aide de différentes architectures. Le marché propose des transducteurs rotatifs avec électronique intégrée, des systèmes de télémétrie sans fil, des jauges de contrainte instrumentées sur l'arbre et des capteurs basés sur des technologies de mesure sans contact.
Les fabricants spécialisés tels que Datum Electronics et Scientifique du Michigan Ils proposent également des solutions spécifiques pour les prises de force. Les caractéristiques publiées ne doivent pas être comparées uniquement sur la base d'un chiffre de “ précision ”, car chaque fabricant peut spécifier des paramètres différents (exactitude du système, non-linéarité, hystérésis, pleine échelle ou incertitude) et les conditions de test ne sont pas toujours équivalentes.
| Solution | Approche | Aspects clés |
|---|---|---|
| Série NCTE 7000 | Transducteur rotatif magnétostrictif | Jusqu'à 5 000 N·m et 3 600 tr/min ; puissances industrielles ; convient aux bancs d'essai et aux machines à couple élevé. |
| NCTE PTO 7300 | Capteur compact spécifique à la prise de force | Jusqu'à 3 000 N·m, 1 100 tr/min, IP65 et montage direct sur prise de force agricole de 1 3/8″. |
| Capteur de couple de prise de force de référence | Mesure du couple avec télémétrie intégrée | Solutions de prise de force avec transmission de données sans fil et calcul de puissance. |
| Michigan Scientific PTO | Transducteur instrumenté avec télémétrie / encodeur | Des solutions de 2 500 et 5 000 N·m spécialement orientées vers les essais et l'acquisition dynamiques. |
Pour choisir le système adapté, il ne faut pas se fier uniquement à la plage nominale du capteur. D'autres facteurs importants entrent en jeu : la réponse dynamique, la fréquence d'acquisition, la surcharge admissible, la compatibilité mécanique, la température, la protection contre la poussière et l'eau, ainsi que l'intégration électrique avec le système d'acquisition.
Quelles informations faut-il connaître avant de choisir un capteur de couple de prise de force ?
- Couple nominal et couple maximal attendu, y compris les pics et les blocages potentiels.
- vitesse de fonctionnementPar exemple, une prise de force de 540 ou 1 000 tr/min.
- Type et dimensions des rainures entrée et sortie.
- Sens de rotation et la nécessité d'une mesure bidirectionnelle.
- Espace disponible entre le tracteur et l'outil.
- Protection de l'environnement nécessaire pour la poussière, la boue, l'humidité ou le lavage.
- Type de sortie: tension, courant, CAN, USB ou autre interface.
- Bande passante et vitesse d'acquisition lorsque des phénomènes transitoires ou des impacts doivent être étudiés.
- Il faut également mesurer le régime moteur. pour calculer la puissance.
- Exigences en matière d'étalonnage et de traçabilité de l'essai.
Applications de la mesure du couple et de la puissance de la prise de force
L'instrumentation directe de la prise de force (PDF) permet d'étudier le comportement énergétique réel de pratiquement toute machine entraînée mécaniquement par le tracteur. Exemples d'applications courantes :
- essais et homologation des machines agricoles ;
- développement et validation de nouveaux outils ;
- mesurer la demande en énergie des concasseurs, des faucheuses, des presses à balles et des équipements de travail du sol ;
- comparaison entre différentes configurations de machines ;
- optimisation de la relation tracteur-outil ;
- analyse de l'efficacité énergétique ;
- identification des pics de charge et des surcharges mécaniques ;
- centres de recherche et de technologie universitaires ;
- développement de stratégies de contrôle et d'agriculture de précision ;
- Tests de durabilité et caractérisation de la transmission.
Mesure dynamique : plus d’informations qu’une valeur de puissance moyenne
L'un des principaux avantages du placement du capteur directement sur la transmission est la possibilité d'observer les variations de couple en fonctionnement. Deux outils peuvent avoir une puissance moyenne similaire et pourtant présenter des comportements dynamiques totalement différents.
Un système d'acquisition suffisamment rapide peut détecter pics de couple, oscillations périodiques, impacts, blocages momentanés ou variations associés au processus agricole. Ces informations sont importantes pour le dimensionnement des transmissions, des embrayages, des arbres et des éléments de protection, et peuvent aider à identifier des conditions de fonctionnement qui ne seraient pas visibles par une mesure moyenne.
Questions fréquentes concernant la mesure du couple dans une prise de force
Comment calcule-t-on la puissance de la prise de force à partir du couple ?
Si le couple en N·m et la vitesse en tr/min sont connus, la puissance peut être calculée par P [kW] = T [N·m] × n [tr/min] / 9550. Par conséquent, un système de mesure de puissance de prise de force doit enregistrer simultanément le couple et la vitesse.
Mesurer le couple est-il la même chose que mesurer la puissance de la prise de force ?
Non. Le couple représente la force de torsion appliquée à l'arbre. La puissance tient également compte de la vitesse de rotation. Un même couple transmet une puissance différente à 540 tr/min et à 1 000 tr/min.
Est-il possible de mesurer le couple sans modifier l'intérieur du tracteur ?
Oui. Il existe des transducteurs conçus pour une installation externe entre la sortie de la prise de force et l'arbre de transmission ou l'équipement de test. La compatibilité dépend du profil des cannelures, de l'espace disponible et de la géométrie spécifique de l'installation.
Quelle plage de couple le capteur doit-il avoir ?
Le choix du capteur doit tenir compte du couple de fonctionnement prévu et, surtout, des pics de charge. Une plage de mesure trop large peut réduire la résolution utile, tandis qu'un capteur trop petit risque d'être surchargé.
Le capteur peut-il être utilisé sur le terrain ?
Oui, à condition que le transducteur, les raccords, le câblage et le système d'acquisition soient adaptés aux conditions environnementales et mécaniques de l'application. En agriculture, la protection contre l'humidité, la saleté, les vibrations, les variations de température et les charges transitoires est particulièrement importante.
Quelle est la différence entre une prise de force de 540 tr/min et une prise de force de 1 000 tr/min ?
Il s'agit de vitesses de fonctionnement nominales différentes. À couple égal, une prise de force à 1 000 tr/min transmet plus de puissance qu'une prise de force à 540 tr/min. Le capteur sélectionné doit être compatible mécaniquement et avec la vitesse maximale d'essai.
Conclusion : La mesure du couple de la prise de force nous permet de connaître la puissance réelle transmise.
La mesure directe du couple et de la vitesse à la prise de force (PDF) constitue un moyen pratique de déterminer la puissance mécanique réelle transmise par le tracteur à l'outil. Une validation publiée par Roeber et al. a démontré qu'un capteur rotatif correctement installé et étalonné peut fournir des résultats très proches de ceux obtenus avec un dynamomètre de laboratoire.
La disponibilité actuelle de capteurs compacts, d'électronique intégrée et de diverses interfaces industrielles élargit encore les possibilités de cette technique pour Recherche et développement, essais de machines, agriculture de précision, optimisation énergétique et surveillance de la transmission.
GUEMISA fournit des capteurs de couple NCTE et peut aider à dimensionner le transducteur et l'électronique d'acquisition. en fonction du couple, du régime moteur, du type de prise de force, du signal requis et des conditions de travail de chaque application.
Référence technique
Roeber, J.B.W. Pitla, SK; Today, RM; Luck, J.D.; Kocher, M. F. (2017). Système de mesure et d'acquisition de données du couple de prise de force du tracteur. Génie appliqué à l'agriculture, 33(5), 679–686. DOI : 10.13031/aea.11994.
La procédure expérimentale a été mise au point au Laboratoire d'essais de tracteurs du Nebraska et s'appuie sur des procédures applicables aux essais de performance des tracteurs. Les codes d'essais de l'OCDE pour les tracteurs continuent d'inclure la mesure des performances de la prise de force (PDF) comme élément de caractérisation fondamental.