Brevet FR2138241A1 — publié le 19730105

La présente invention a pour objet un dispositif de servocommande hydraulique ou électro-hydraulique qui peut recevoir une application intéressante dans tous les domaines où le travail résistant à vaincre se présente sous forme d'un couple stexerçant autour d'un centre de rotation fixe par rapport à la trajectoire des forces motrices et résistantes. C'est le cas de tous les organes de machines devant effectuer, en dépit d'un couWlerésistant, des mouvement de rotation contrôlés d'amplitude limitée, tels que gouvernes d'aéronefs et de navires, aubes fixes ou mobiles de ventilateurs et compresseurs axiaux à pas variable, aérofreins, commandes d'ouverture et de fermeture de portes, mouvements con troués de trains d'atterrissage escamotables ou orientables, d'antennes directrices, de tourelles, de flèches de grues ou de pelleteuses, ainsi que de nombreux organes couramment utilisés dans les techniques de la machine-outil et de la manutention. Dans toutes ces applications, la servo-commande selon l'invention permet de supprimer les embiellages de puissance que requièrent les servo-mécanismes classiques pour transformer en mouvement circulaire la course rectiligne du piston moteur et pour transmettre mécaniquement les efforts, souvent considérables, entre le servo-mécanisme installé dans une structure fixe et organe à commander. Ces embiellages de puissance, encombrants et lourds, sont la source de nombreuses difficultés de réalisation; ils introduisent dans la chatne cinématique une accumulation de tolérances de fabrication et de déformations sous charge mécanique ou thermique. ta servo-commande selon la présente invention se dispense de tels embiellages articulés et nrest donc pas sujette aux inconvénients signalés. Sa particularité essentielle est que les forces qu'elle exerce sont, à tout instant et en tout point de la trajectoire parcourue par l'extrémité de organe moteur, tangentes à un cercle de rayon fini et librement prédéterminé.En effet, cet organe moteur est incorporé à un vérin qui comporte un piston à surface externe toroidale monté à coulissement dans un logement --appelé ci-après "alésage" à paroi également torotdale et de meme axe de révolution, de sorte que le mouvement dudit organe moteur s'effectue selon une trajectoire circulaire centrée sur ledit axe trace à cette architecture, la servo-commande selon ltin- vent ion stinstalle directement sur l'articulation de l'organe à commander, les chapes d'articulation étant préférablement incorporées au bloc cylindre et au bloc piston. Cette disposition intégrée confère à la solution proposée des qualités de simplicité mécanique évidentes, un encombrement réduit en longueur et une grande rigidité d'ancrage qui améliore considérablement la stabilité de la servo-commande. I1 est en effet connu que la stabilité d'une servocommande, csest-à-dire sa capacité d'amortir rapidement les petits mouvements périodiques autour de la position d'équilibre choisie pour ltorgane commandé, est gravement altérée par un manque de rigidité de l'ensemble constitué par le servo-mécanisme et son ancrage et par les embiellages de transmission de puis- sance. I1 est clair qu'une rigidité satisfaisante de l'ensemble est d'autant plus difficile à obtenir que les différents ancrages du servo-mécanisme sont éloignés de l'articulation et reliés à celle-ci par des structures ayant par nature un certain degré d'élasticité. La servo-commande selon l'invention comprend les éléments suivants - un bloc cylindre ayant une ou plusieurs chapes d'partie culation équipées d-e coussinets ou de roulements et comportant un ou jçpréférence plusieurs alésages toriques à axes curvili narailele s gnes/ou concentriques centrés sur l'axe théorique d'articulation du système, - un bloc piston ayant une ou plusieurs chapes d'articulation équipées de coussinets ou de roulements, déterminées pour constituer en association avec les chapes du groupe cylindre une articulation complète, par adjonction d'un arbre matérialisant l'axe de rotation, ce bloc comportant un ou de préférence plusieurs pistons en forme de secteurs de tores circulaires ren- très sur l'axe d'articulation,équipés de joints d'étanchéité et reliés rigidement au bloc par l'intermédiaire de tiges de pistons également en forme de secteur de tore circulaire centrés sur le même axe. De tels alésages toriques et de tels pistons toriques doivent pouvoir bénéficier d'une réalisation industrielle propre à leur conférer une forme géométrique très précise avec un état de surface eompatible avec ltétanchéité indispensable. La Demånderesse a mis au point à cet effet des maehines-outils qui apportent une solution pratique, simple et commode à'ces problèmes d'usinage, que ce soit pour la réalisation préoise d'un alésage à paroi toroidale ou pour celle d'un piston à surface externe toroTdale. Ces machines-outils sont décrites dans la demande de brevet français Dojo. 70 28684 du 3 Aott 1970 pour "Appareil à piston perfectionné, ses applications ainsi que les machines-outils pour son usinage". La description qui va suivre en regard des dessins anne xés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment línventioh peut autre réalisée. La figure 1 est un schéma général montrant le système de commande électrique et mécanique d'un dispositif conforme à la présente invention. La figure 2 est une vue en élévation avec arrachements partiels d'un mode de réalisation de l'invention. tes figures 3 et 4 en sont respectivement une vue en plan et une vue en perspective, également avec arrachements partiels. tes figures 5 et 6 sont des vues analogues à celle de la figure 3, montrant deux variantes de réalisation. Sur le schéma de la figure i, on a représenté en 1 le bloc fixe de la servo-commande et en 2 son bloc mobile qui est articulé en 3. Dans l'exemple illustré, le bloc mobile 2 comporte l'alésage torique 4 tandis que le piston torique 5 qui le compartimente en deux chambres 4a et 4b est solidaire, par sa tige également torique 6, du bloc fixe 1. On remarquera que l'axe circulaire X-X de l'alésage 4 se confond avec celui du piston 5 et de sa tige 6, cet axe étant au surplus centré sur l'articulation 3.Ainsi le bloc mobile 2 est susceptible d'un débattement angulaire F sous l'action du servo-moteur à vérin courbe que constitue l'ensemble 4-5, L'alimentation de ce dernier est assurée par un distributeur hydraulique 7 à tiroir 8 dont l'orifice d'entrée 9 est raccordé soit à l'une de deux canalisations 9N d'arrivée de liquide sous pression en provenance d'une source dite"normale", soit en cas de défaillance de celle-ci à une canalisation 9S dans la quèlle débite une source de pression dite de "secours", le choix s'opérant automatiquement gracie à'un sélecteur 10 ; de même, le retour à la boche depuis l t orifice de sortie 11 du distributeur 7 s'4effectue soit par l'une des deux voiesnormales 11N soit par la voie de secours i18. t'utilisation de deux sources de pression "normales" est justifiée dans le cas, décrit en détail plus loin, d'une servo-commande dédoublée, chaque source "normale"+ alimentant séparément un corps de la servo-commande ; en cas de panne d'un des deux circuits d'alimentation "normbe"5 le sélecteur de circuit 10 dirige automatiquement la pression de secours vers le corps de vérin non alimenté.Du distributeur 7 partent deux conduits 12a et 12b débouchant respectivement dans les chambres 4a et 4b de l'alésage torique 4. te distributeur 7 est soumis à une commande électrohydraulique doublée-d'une commande mécanique à partir d'un levier 13 ou autre organe manuel de manoeuvre à la disposition d'un opérateur. Le dispositif de commande électro-hydraulique comporte une palette 14 qui règle, de la façon décrite plus loin, la pression différentielle s'exerçant sur le tiroir 8 et qui fait partie d'un moteur couple dont on a représenté en 15 le bobinage. t'excitation de ce dernier provient, par l'entremise d'un amplificateur 16, d'un comparateur 17 mesurant l'écart entre un signal d'entrée e et un signal de retour r ; le signal d'entrée e est délivré par un potentiomètre d'affichage 18 accouplé au levier de maneouvre 13, tandis que le signal de retour r est délivré par un potentiomètre d'asservissement 19 accouplé au bloc mobile 2. te dispositif de commande mécanique du distributeur 7 comporte unpalonnier 20 attelé d'une part au tiroir 8 et d'autre part au levier de manoeuvre 13, l'attelage à ce dernier se faisant par une tringle d'attaque 21 à système de verrouillage mécanique 22 dit de "commande transparente" permettant d'intervenir manuellement en cas de défaillance du dispositif de commande électrique. te palonnier 20 est en outre attelé, par une tringle d'asservissement 23, au bloc mobile 2. Lorsque le levier de commande 13 est en position neutre représentée en trait plein, le tiroir 8 occupe dans le distributeur 7 la position médiane illustrée pour laquelle il obture le conduit 12a aboutissant à la chambre 4a. Le bloc mobile 2 est alors en position neutre pour laquelle s'établit l'égalité du produit de la pression par la surface transversale "mouillée" dans les chambres 4a-et 4b. On notera à cet égard que la surface "mouillée" est plus grande --par exemple le-double-- dans la chambre 4a que dans la chambre 4b compte tenu de l'espace occupé par la tige torique 6 ; il s'ensuit qu'en position neutre, la pression est plus petite --par exemple la moitié-- dans la chambre 4a que dans la chambre 4b qui est reliée en permanence, par le conduit 12b,' avec la haute pression en 9. Cette position médiane du tiroir 8 pour laquelle le conduit 12a est obturé, est régie par légalité des forces antagonistes s'exerçant sur ses extrémités opposées et cette égalité est régie à son tour par la position neutre de la palette 14 du moteur couple 15. Comme on le voit sur la figure 2, celle-ci règle différentiellement deux "touches" hydrauliques 24-24 alimentées en permanence en liquide sous pression provenant de l'orifice d'entrée 9 après détente en 25. te liquide basse pression issu des touches 24-24 remplit une capacité 26 à soufflet 27 d'où il est évacué vers la boche par l'orifice de sortie 11. Lorsque l'opérateur veut faire pivoter le bloc mobile 2 d'un certain angle dans la direction A ou dans la direction opposée B, il déplace dans la direction et avec l'amplitude voulues son levier de commande 13 comme symbolisé par la flèche f sur la figure i, ce qui déplace d'autant le curseur du potentiomètre d'affichage 18, te comparateur 17 qui détecte l'écart entre le signal d'entrée correspondant e et. le signal de retour r qui n'a pas encore changé, applique au moteur couple 15 un signal d'excitation proportionnel à l'écart entre e et r, amplifié par 16.Il en résulte un pivotement correspondant de la palette 14 et une pression différentielle en bout du tiroir 8, la pression augmentant du côté de ce dernier associé à la touche 24 de laquelle se rapproche la palette 14 et diminuant du coté opposé associé à l'autre touche 24 de laquelle s'écarte la palette 14. Pour fixer les idées, on supposera que la pression augmente à gauche du tiroir 8 et diminue à droite, celui-ci se déplaçant donc vers la droite. L'orifice d'entrée 9 du distributeur 7 est alors ns en communication avec le conduit 12a et le li quide sous pression pénètre dans la chambre 4a de l'alésage torique 4.Comme le piston 5 est immobile, la montée en pression de la. chambre 4a se traduit par un pivotement du bloc mobile 2 vers le haut, c'est-à-dire dans la direction A. tes variations en sens opposés du volume de la chambre 4a et de la chambre 4b font que du liquide passe de la seconde dans la première par l'entremise d'un clapet 28a prévu à cet effet, un clapet analogue 28b d'orientation inverse permettant le transfert en sens opposé (dans le cas du mouvement vers B). te déplacement du bloc mobile i se répercute sur le curseur du potentiomètre d'aservis- sement 19 qui délivre un signal proportionnel de retour r.Au fur et à mesure que le bloc mobile 2 se rapproche de la position angulaire voulue correspondant à celle du levier de commande 13 l'écart entre le signal de retour r et le signal d'entrée e décroit et la palette 14 revient progressivement vers sa position neutre, de mtme que le tiroir 8. En cas de panne du système électrique de commande et d'asservissement dont le fonctionnement vient d'dure décrit, les mimes opérations seront effectuées automatiquement par le verrou; lage de 22 mettant en oeuvre la commande transparente comprenant les tringleries 20-21-23. Comme le montrent les figures 3 et 4, la servo-commande est dédoublée : elle comprend deux alésages toriques 4 travaillant en parallèle et usinée dans un même bloc mobile 2 et deux pistons toriques 5 solidarisés par leur tige torique 6 avec le mdme bloc fixe 1, l'alimentation des vérins courbes étant assurée par deux distributeurs électro-hydrauliques respectifs 7 synchronisés par une bielle 29 d'interconnexion des tiroirs respectifs 8. La fixation du bloc mobile 2 sur l'organe à commander (non représenté) sera faite en 30 sur les faces latérales 2a et sur la face arrière 2b du bloc, ces trois faces pouvant être usinées de façon à assurer une liaison parfaite entre le bloc mobile et l'organe à commander. te bloc fixe 1 sera lui aussi assujetti rigidement en 31 sur la structure fixe (non représentée) par les deux faces latérales la du bloc et sa face arrière lb, ces trois faces étant usinées de façon à assurer une raideur d'ancrage correcte. La partie avant de ce bloc fixe 1 forme une chape 32 coopérant avec une charnière 33 sur laquelle s'articule la partie mobile 2. L'axe d'articulation 3 assurant la liaison entre la partie fixe 1 et la partie mobile 2 de la servo commande présente des gorges circulaires assurant le passage du fluide entre les deux parties et fait fonction de joint tournant dans les conduits 12a et 12b. Ceux-ci peuvent en variante, comme représenté en traits mixtes sur la figure 2, etre aménagés entièrement dans le bloc fixe 1, évitant ainsi tout joint tournant. Le mode de réalisation de la figure $ se distingue du précédent en ce que la tige torique 6 se prolonge en 6' audelà du piston torique 5, afin d'égaliser les surfaces "mouillées" de part et d'autre du piston. Dans ce cas, le tiroir 8 du distributeur 7 est légèrement modifié dc telle sorte que, dans la position neutre illustrée, les deux conduits 12a et 12b soient obturés, tandis qu'un déplacement du tiroir vers la droite met les conduits 12a et 12b en communication avec l'orifice d'entrée 9 et avec l'orifice de sortie 11 respectivement, les connexions étant inversées en cas de déplacement du tiroir vers la gauche Dans les modes de réalisation décrits jusqu'ici, les vérins courbes ont leur alésage torique 4 ménagé dans le bloc mobile 2 de la servo-commande et leur piston torique 5 intégré au bloc fixe 1 de celle-ci. Il est bien évident toutefois que cette disposition pourrait etre inversée en ménageant, commue le montre la figure 6, l'alésage torique 4 dans le bloc fixe 1' et en intégrant le piston torique 5 au bloc mobile 2'. REVETD' ICATI mis 1. Dispositif tour a servo-coflai:ancLe d'un organe susceptible d1un rlouvenent angulaire autour d'un axe, comportant un bloc fixe destiné à etre intégré à un bati et un bloc mobile destiné à être assujetti audit organe et nonté de façon pivotante autour dudit axe, caractérisé en ce qu'un piston à surface externe toroïdale de révolution autour dudit axe est solidaire de l'un desdits blocs et logé à coulissenent dans un alésage à paroi également toroïdale et de révolution autour dudit axe, ménagé dans l'autre desdits blocs, ltensemble dudit piston et dudit alésage constituant un servo-moteur hydraulique courbe commandé par un distributeur ou analogue asservi à une boucle de retour sensible à la position instantanée dudit bloc mobile. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la solidarisation dudit piston torique avec le bloc correspondant s'effectue par l'entremise d'une tige de piston également torique et centrée sur ledit axe. Lispositif selon la revendication 2, dans lequel ladite tige torique se prolonge au-delå dudit piston torique pour ménager de part et d'autre de celui-ci des sections équivalentes sinon égales sur lesquelles s'exerce la pression hydraulique. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel la servo-commande est dédoublée, deux alésages toriques centrés sur ledit axe étant solidarisés avec l'un des blocs et deux pistons toriques également centrés sur ledit axe et logés à eoulis- sement dans lesdits alésages étant solidarisés avec l'autre bloc, les deux servo-moteurs hydrauliques courbes ainsi constitués fonctionnant en parallèle. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel les courbes deux servo-moteurs/-snt commandés en synchronisme par des distri- buteurs hydrauliques asservis respectifs. 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, dans lequel les deux alésages sont pratiqués soit dans une même masse monobloc soit dans deux masses distinctes mais rigidement liées l'une à l'autre. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits blocs fixe et mobile présentent des faces latérales et/ou terminales par lesquelles s'effectue la fixation directe à grande rigidité desdits blocs avec ledit gti et ledit organe commandé respectivement. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel lesdites faces de fixation sont sensiblement planes et orthogonales. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit bloc à alésage(s) et ledit bloc à piston(s) présentent des éléments intégrés qui coopèrent mutuellement pour former une chape d'articulation, lesdits blocs étant de ce fait auto-articulés.