Brevet FR2130639A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne les appareils gyroscopi-ques qui conviennent bien pour la stabilisation des véhicules, de tels appareils étant parfois dénommés des gyroscopes à moment de commande destinés à la stabilisation des véhicules dans l'es-5 pace. Il est bien connu que les exigences correspondant à l'obtention d'un gyroscope à performances élevées résident essentiellement en l'obtention d'un moment angulaire ou d'un moment cinétique élevé pour le rotor du gyroscope et dans la fixité de 10 l'équilibre du rotor et du boîtier du rotor ou de son châssis ou cadre de support par rapport à son axe de support ou à son axe de pivotement de cardan. La première de ces qualités est obtenue grâce à la vitesse élevée et à une distribution optimale de la masse du rotor autour de son axe de rotation, c'est-à-dire 15 grâce à un moment d'inertie important. La seconde de ces qualités est obtenue grâce à la construction symétrique à la fois du rotor et de son boîtier de. support ou du cadre ou châssis supportant le rotor autour de son axe de pivotement ou d'inclinaison. Jusqu'ici, certains rotors ont été réalisés de ma-20 nière à présenter la forme d'une roue dentée comportant des rayons ou bras. Ces rotors offrent plusieurs inconvénients. Les rayons ou bras doivent être résistants et, par conséquent, être habituellement pesants, de manière à pouvoir résister au désalignement du rotor dans le cas d'une situation correspon-25 dant à un couple appliqué. Le poids ajouté à proximité de l'axe de rotation réduit le rapport inertie/poids. Les pertes par frottement dans l'air constituent également un problème. Dans le cas d'un couple élevé, la jante ou le bord du rotor tend à subir une distorsion provoquée par le transfert non uniforme du couple 30 s'effectuant à travers les rayons ou bras individuels. L'utilisation d'un disque à la place des rayons ou bras permet de résoudre les problèmes correspondant au frottement de l'air et au transfert du couple, mais ne peut résoudre le problème du mauvais alignement du rotor qu'au prix d'un apport de poids 35 sans augmentation du rapport inertie/poids. Des rotors mettant en oeuvre la configuration à rayons ou bras ou encore à disque tendent à être durs et rigides pour pouvoir absorber une force axiale quelconque qui serait imposée au rotor et les rotors de ce 72 10330 2 2130639 genre peuvent donc présenter des surcharges et détériorer les paliers ou roulements rotoriques. Un gyroscope tel que celui décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique N° 3.248.952 tend à éviter la surcharge des paliers ou roulements du rotor qui serait 5 provoquée par une force axiale. Cependant, cette conception à deux disques supportant chaque côté de la jante n'offre pas une résistance particulière aux vibrations axiales et cette jante peut subir des distorsions ou entrer en oscillation. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients 10 et d'apporter une solution à ces problèmes. Selon l'un de ses aspects, elle est matérialisée dans un appareil gyroscopique comprenant un boîtier et un rotor destiné à tourner rapidement autour d'un axe fixe par rapport au boîtier, caractérisé en ce que le rotor comprend une jante à inertie, une 15 paire d'organes de support se présentant sous la forme d'un carter ou de demi-carcasses opposées et convexes extérieurement, chacun de ces organes de support ayant une région sommitale et un bord périphérique et chacun de ces organes étant rendu solidaire, au niveau de son bord périphérie, de la jante, un cylindre 20 creux enjambant les régions sommitaies de ces organes de manière à les séparer axialement l'un de l'autre, et des dispositifs de support prévus au niveau des régions sommitales de manière à permettre le montage du rotor à l'intérieur du boîtier. Selon un autre de ses aspects, l'invention est matéria-25 lisée dans un appareil gyroscopique comprenant un boîtier et un rotor bimétallique, caractérisé en ce que le rotor comprend une première jante constituée par un matériau présentant une résistance importante et une densité élevée, une seconde jante constituée par un matériau différent et rendue solidaire de la pre-30 mière jante, une paire d'organes de support radiaux se présentant sous la forme d'un carter ou de demi-carcasses rendues solidaires de la seconde jante, un cylindre creux disposé entre les organes de support de manière à séparer axialement ces organes l'un de l'autre, et des dispositifs de support destinés à per-35 mettre le montage du rotor à l'intérieur du boîtier. Le rotor d'un appareil gyroscopique constituant un mode préféré de réalisation de 1'invention est construit de manière que la jante soit supportée par une âme et par un ensemble 72 10330 3 2130639 formant arbre. La jante, qui est habituellement en acier, constitue la charge permettant d'obtenir une masse d'inertie importante. Les organes de support forment l'âme et sont des demi-carcasses lisses présentant un poids relativement faible, qui 5 sont rendues solidaires de la jante au niveau de leurs périphéries extérieures et de l'ensemble formant arbre au niveau de leurs centres. La fixation des demi-carcasses peut être réalisée par soudage direct sur la jante ou bien par soudage sur une jante intermédiaire qui supporte à son tour la jante à inertie. 10 Dans ce dernier mode de réalisation, qui peut être consi déré comme une configuration bimétallique, une jante en acier est adaptée par voie thermique à une jante intermédiaire constituée par de l'aluminium et est fixée en place par martelage d'une lèvre associée à la jante d'aluminium autour du bord de la 15 jante d'acier de manière à empêcher tout mouvement axial relatif entre ces jantes. L'ensemble formant arbre comprend le cylindre qui est constitué par un cylindre d'aluminium creux dont les parois sont relativement minces et qui est soudé sur un moyeu d'aluminium au niveau de chacune de ses extrémités. Les 20 demi-carcasses d'aluminium peuvent être soudées sur les moyeux d'aluminium respectifs. Ces moyeux sont ensuite boulonnés sur des arbres de support en acier et sont tourillonnés de façon convenable dans le châssis ou cadre de support du rotor. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, la jante, les demi-25 carcasses et l'ensemble formant arbre sont tous constitués par de l'acier et forment un ensemble unique et homogène. Un appareil gyroscopique selon l'invention ainsi qu'une variante de ce dernier vont maintenant être décrits à titre d'exemples en se référant aux dessins annexés dans lesquels :-30 La fig. 1 est une vue en coupe d'un appareil gyrosco pique selon l'invention. La fig. 2 est une vue en coupe partielle montrant une variante de cet appareil selon l'invention. Si l'on se réfère maintenant à la fig. 1, celle-ci mon-35 tre un appareil gyroscopique qui comprend un boîtier extérieur 1, des paliers ou roulements 2 et un moteur d'entraînement 3. Le boîtier 1 entoure et supporte un rotor 4 et doit par conséquent être capable de supporter des couples de précession, la pression 72 10330 4 2130639 extérieure (du fait que le rotor fonctionne sous un vide relativement poussé) ainsi que des chocs et des vibrations dus à l'environnement. Chacune de ces charges nécessite une conception à résistance élevée associée à une raideur de structure importante. 5 Le boîtier cannelé 1 qui est visible sur la figure permet d'obtenir la configuration optimale pour remplir ces conditions. Plus précisément, le boîtier 1 comprend deux organes partiellement sphériques et se présentant sous la forme de deux demi-carcasses 5 et 6 qui sont constituées par de l'aluminium. Les organes 5 et 10 6 présentent des cannelures 7 destinées à augmenter la raideur et à réduire l'influence des contraintes provoquées par les différences de pression existant entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier 1. L'aluminium permet également d'obtenir un coefficient de transfert de chaleur élevé et un coefficient d'amortissement 15 important de manière à réduire à une valeur minimale les vibrations et les niveaux des bruits acoustiques. Chaque organe 5 ou 6 est soudé sur un anneau extérieur correspondant 8 et sur un moyeu inférieur associé 9. Le soudage peut être réalisé à l'aide d'un processus à faisceau électronique et permet d'obtenir des joints 20 étanches, présentant un minimum de distorsion et des rendements de soudure importants. Le boîtier 1 peut être réalisé à partir d'un alliage d'aluminium permettant l'usinage, le soudage et l'obtention d'un vieillissement artificiel après soudage de manière à supprimer des contraintes et à durcir le matériau jusqu'à 25 ce qu'il atteigne sa résistance totale. Après le vieillissement, le boîtier 1 est usiné sous la forme d'un ensemble ou monté adapté de manière à maintenir la concentricité des perçages de support et 1'orthogonalité de 1'axe de rotation et de 1'axe de suspension à la cardan. 30 En plus de constituer une enceinte à pression réduite, le boîtier 1 supporte les paliers ou roulements de rotation rapide 2 et maintient leur alignement de manière à augmenter la durée de vie utile des supports de rotation. Ce boîtier permet en outre d'obtenir des surfaces communes ou intermédiaires pour 35 le montage du moteur sans balai et à courant continu 3, qui est destiné à l'entraînement en rotation rapide, et pour le montage et des organes de contrôle du genre capteurs qui permettent de vérifier la vitesse, la température au niveau des paliers ou 72 10330 5 2130639 roulements, leurs vibrations, la pression interne, etc... (ces organes étant désignés collectivement par 3' sur la fig. 1). Le rotor 4, qui constitue le coeur ou la partie essentielle du gyroscope à moment de commande, est un ensemble bimétal-5 lique comportant une jante d'acier 10 supportée par une âme •d'aluminium de faible poids et par un ensemble formant arbre. La configuration du rotor est conçue de manière à présenter les caractéristiques suivantes : un rapport inertie/poids important, une raideur de rotor élevée, une conception à résistance élevée 10 et une grande stabilité d'équilibre. Le rapport inertie/poids important est obtenu en rëpartissant la valeur maximale de la masse à la périphérie du rotor 4. La jante en acier 10 sert de masse périphérique et fournit la grande inertie.désirée. Selon la fig. 1, la jante en acier 10 est adaptée par voie 15 thermique dans une jante d'aluminium 11 et est maintenue en place par ipartelage d'une lèvre 12 autour du bord 13 de la jante d'acier. Ce genre d'adaptation permet de maintenir la jante d'aluminium 11 en compression afin qu'elle ne puisse pas tourner, de sorte que l'ensemble peut subir des rotations 20 s'effectuant à une vitesse finale plus élevée et sans subir aucun fléchissement. La jante d'aluminium 11 est soudée-sur chacun de deux organes de support 14 et 15 se présentant sous la forme de demi-carcasses et déterminant la position de la jante 11 par rapport 25 à l'axe de rotation. Les organes 14 et 15 sont réalisés en aluminium, de sorte que le poids du matériau au niveau des plus petits diamètres est réduit à une valeur minimale. La raideur élevée du rotor est obtenue grâce à la structure sphérique rigide qui est déterminée par les organes 14 et 15. L'ensemble formant 30 arbre, qui comprend un cylindre d'aluminium creux 16 et deux moyeux d'aluminium 17 et 18 rendus solidaires des extrémités respectives du cylindre 16, est placé entre les parties centrales des organes 14 et 15 et est relié à ces dernières. Les points de fixation des organes 14 et 15 sur l'ensemble formant arbre, sont 35 séparés par des distances relativement importantes, ce qui permet d'obtenir une rigidité de structure élevée. Un arbre en acier 20 est boulonné sur le moyeu 17 et un arbre en acier 21 est boulonné sur le moyeu 18, ces arbres en acier étant tourillonnés dans 72 10330 6 2130639 les paliers ou roulements 2. Cet ensemble à arbres fonctionne comme une colonne rigide fournissant une résistance considérable aux moments de courbure ou de flexion. La colonne rigide transforme les charges de couple en des charges s"exerçant dans le 5 plan des organes 14 et 15 pour lequel ces derniers présentent leurs qualités les plus importantes. Si l'on se réfère maintenant à la fig. 2, celle-ci montre un autre mode de réalisation du rotor visible sur la fig. 1. Une jante en acier 10' est soudée directement sur des organes qui 10 se présentent sous la forme de demi-carcasses en acier 14' et 15'. Chacune de ces demi-carcasses 14' et 15' est soudée sur un moyeu en acier correspondant tel que le moyeu tourillonné désigné par 18'. Les moyeux, qui sont désignés par 17' et 18' mais dont seul le moyeu 18' est visible sur la fig. 2, sont 15 soudés sur un cylindre creux en acier 16' et sont séparés par ce dernier. Ces moyeux 17" et 18' peuvent comprendre chacun un arbre tourillonné à l'intérieur de paliers ou roulements 2', ou bien un arbre pouvant être boulonné comme le montre la fig. 1. Un avantage de cette conception par rapport à la conception du 20 genre bimétallique consiste en ce qu'elle présente une inertie plus élevée et une vitesse de rotation plus importante pour des ensembles de dimensions comparables. Lorsque le rapport inertie/ poids constitue un facteur critique, la conception bimétallique est plus intéressante. Par conséquent, le choix de l'utilisation 25 de l'un ou l'autre de ces ensembles dépend du critère qui est le plus important. Les gyroscopes à moment de commande qui sont conçus pour des applications spatiales ne nécessitent pas seulement une bonne conception en ce qui concerne le poids par rapport aux 30 performances, mais chacun de leurs éléments constitutifs doit être contrôlé individuellement de manière à présenter des critères de qualité élevée et de tolérances faibles. Le procédé consistant à combiner et (ou) à rendre solidaire les éléments constitutifs les uns des autres est également critique. En ce 35 qui concerne la conception décrite ici, une résistance élevée est obtenue grâce à l'utilisation d'un processus de soudage par faisceau électronique. Ce processus se prête à la commande de l'extérieur et permet d'obtenir de façon répétitive des 72 10330 7 2130639 soudures de bonne qualité présentant une résistance importante. Tous les joints sont constitués par des soudures du type bout à bout en prévoyant un matériau de renforcement suffisant pour empêcher tout perçage par combustion. Cette particulairté faci-5 lite la réduction des jeux ou intervalles à une valeur minimale, ce qui permet d'obtenir de meilleurs soudures et de réduire à une valeur faible les distorsions provoquées par le retrait. Après le vieillissement, les propriétés physiques de la soudure sont essentiellement celles du matériau mère. 10 L'appareil gyroscopique tel qu'il est visible sur la fig. 1 ou la fig. 2 offre une symétrie par rapport à l'axe de rotation du rotor et présente également une construction uniforme qui permet d'obtenir un excellent réseau de distribution des charges. Par conséquent, toute concentration de distorsions ou 15 de contraintes qui pourrait apparaître et serait provoquée par des inhômogénéités de la structure de support est évitée.Du fait que la masse la plus importante du rotor 4 ou du rotor 41 est concentrée au niveau de la périphérie de ce rotor, le matériau peut être choisi et façonné de manière à supporter la charge 20 centrifuge la plus importante. Lors du fonctionnement, la jante en acier 10 constitue en fait un élément à auto-support dans la mesure où aucune des forces centrifuges exercées par cette dernière n'est supportée par les demi-carcasses 14 et 15. En fait, ces demi-carcasses 14 et 15 permettent simplement 25 d'établir la position du rotor 4 par rapport à l'ensemble formant arbre pendant une rotation rapide mais pas dans le cas d'une situation à couple de précession. Cependant, au cours d'une opération correspondant à l'application d'un couple, les demi-carcasses 14 et 15 fonctionnent en réalité conjointe-30 ment et transfèrent la force entre la jante en acier 10 et l'ensemble formant arbre. Par conséquent, les demi-carcasses 14 et 15 doivent être suffisamment rigides pour permettre de réaliser ce fonctionnement conjoint. La conception de la carcasse courbe au niveau des points de fixation est telle que les forces de 35 couple agissent essentiellement dans le plan de la carcasse ou des demi-carcasses au niveau de ces points de fixation. Par conséquent, on obtient ainsi une résistance et une rigidité importantes et disponibles pour transférer cette force. 72 10330 8 2130639 Dans des situations correspondant à des vibrations axiales, la force axiale peut provoquer des distorsions et (ou) des détériorations pour les paliers ou roulements 2 à moins que la force ne soit limitée à une valeur inférieure à la valeur critique. Ha-5 bituellement, l'amplitude de la force elle-même ne peut être réduite du fait qu'elle n'apparaît généralement que pendant le décollage de l'engin spatial avant que le gyroscope à moment de commande ne soit placé sur orbite. Compte tenu de cette limiation de la commande ou du contrôle de la force, la conception du rotor 10 4 doit être telle qu'elle empêche toute détérioration des paliers ou roulements 2. La configuration des demi-carcasses 14 et 15 est telle qu'une force axiale tendant à déterminer un déplacement axial relatif entre la jante 10 et l'ensemble formant arbre tend à faire fléchir chaque demi-carcasse vers son point de fixation 15 par rapport à l'ensemble formant arbre. La conception de l'ensemble à demi-carcasses est également améliorée de manière à permettre sa courbure ou son fléchissement pour une force axiale quelconque qui serait quelque peu inférieure à.la force axiale qui risquerait d'endommager les paliers ou roulements 2. Compte tenu 20 du fait que l'aluminium présente un coefficient d'élasticité relativement faible, seule une valeur de flexion ou de courbure limitée est permise. Pour une situation dans laquelle les forces axiales dépassent ces limites, un autre dispositif foit être utilisé pour empêcher la détérioration de l'ensemble des paliers ou 25 roulements. Des butées 19, qui sont visibles sur la fig.2, permettent à la jante 10' de se déplacer axialement dans des limites de tolérance définies par les limites de fléchissement ou de courbure. Lorsque ces limites sont dépassées, la jante 10' entre en contact avec la butée 19. La force axiale tendant à modifier 30 l'alignement de la jante 10' et de l'ensemble formant arbre ne peut endommager les paliers ou roulements 2 du fait que le désalignement axial maximal est ainsi limité. Bien que les demi-carcasses aient été décrites comme étant constituées par de l'aluminium ou de l'acier, Il est évi-35 dent que d'autres matériaux peuvent également être utilisés sans supprimer les bénéfices obtenus grâce à la configuration des demi-carcasses selon l'invention. Dans certaines situations, qui dépendent des dimensions du rotor, de son poids, etc..., des 72 10330 9 2130639 matières plastiques synthétiques qui sont connues actuellement ou des matériaux du type fibres de verre peuvent être utilisés avec succès. Il est également prévisible que des matériaux inconnus ou inutilisés actuellement pourront être employés avec succès. 5 D'une manière similaire, la jante n'est pas destinée à être limitée à des configurations d'acier ou d'acier et d1 aluminium. D'autres matériaux connus ou inconnus peuvent bien convenir ou conviendront bien à cette fin et permettre d'obtenir tous les avantages prévus ou même des avantages supplémentaires par rap-10 port aux configurations décrites ci-avant. Un avantage offert par l'invention consiste en ce qu'elle permet d'obtenir un ro'tor présentant un rapport inertie/poids important. D'autres avantages de l'invention consistent en ce qu'il est prévu une distribution uniforme des contraintes sur 15 la jante du rotor pour des conditions de fonctionnement correspondant à des couples extérieurs ou commandés élevés. Un autre avantage est la raideur de 1'organe de support du rotor permettant d'empêcher les oscillations et le mauvais alignement de la jante rotorique pendant ces conditions de fonctionnement 20 à couple élevé. Egalement, l'invention permet de réaliser un dispositif destiné à réduire le freinage par frottement de l'air pour l'organe de support du rotor, et permet d'obtenir un intervalle ou une portée importante entre les paliers ou roulements pour l'axe de rotation du rotor ainsi qu'un ensemble de sépa-25 ration présentant un poids minimal de manière à maintenir la précharge des paliers ou roulements. De plus, l'invention permet de réaliser un dispositif destiné à absorber les charges axiales de l'organe de support du rotor, de manière à empêcher toute surcharge axiale des paliers ou roulements qui serait due 30 à des conditions extérieures de vibration et permet également d'obtenir un ensemble rotorique qui ne nécessite pas le soudage de matériaux dissemblables. Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation, dans le domaine des équivalences techniques, sans 35 s'écarter de l'invention. 72 10330 10 2130639 REVENDICATIONS 1.- Appareil gyroscopique comprenant un boîtier et un rotor destiné à tourner rapidement autour d'un axe fixe par rapport au boîtier, caractérisé en ce que le rotor (4) comprend une 5 jante à inertie (10), une paire d'organes de support (14, 15) se présentant sous la forme d'un carter ou de demi-carcasses opposées et convexes extérieurement, chacun de ces organes de support ayant une région sommitale et un bord périphérique et chacun de ces organes étant rendu solidaire, au niveau de son 10 bord périphérique, de la jante (10), un cylindre creux (16) enjambant les régions sommitales de ces organes (14, 15) de manière à les séparer axialement l'un de l'autre, et des dispositifs de support (2) prévus au niveau des régions sommitales de manière à permettre le montage du rotor (4) à l'intérieur du 15 boîtier (1) . 2.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la jante (10), les organes (14, 15) et le cylindre (16) sont constitués par le même matériau- 3.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce 20 que les organes de support (14, 15) sont constitués par un matériau élastique de manière à permettre des mouvements limités de la jante (1) s'effectuant axialement et radialement par rapport aux dispositifs de support (2)• 4.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce 25 que les organes (14, 15) présentent des surfaces sans perforation et généralement lisses, de sorte que le freinage dû au frottement de l'air est réduit. 5.- Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (1) comprend une jante (8) et une seconde paire 30 d'organes à paroi mince (5, 6) se présentant généralement sous la forme d'un carter ou de demi-carcasses, dont la forme correspond à celle des organes de support (14, 15) de la jante du rotor et dans lesquels il est prévu de ménager plusieurs cannelures (7) de manière à augmenter la rigidité de ce boîtier (1), 35 la jante (8') du boîtier comprenant au moins une paire de butées (19) destinées à limiter le mouvement axial du rotor (4') à une distance prescrite dans des conditions de fonctionnement correspondant à des contraintes élevées. 72 10330 2130639 6.- Appareil gyroscopique comprenant un boîtier et un rotor bimétallique, caractérisé en ce que le rotor (4) comprend une première jante (10) constituée par un matériau présentant une résistance importante et une densité élevée, une seconde jante 5 (11) constituée par un matériau différent et rendue solidaire de la première jante (10), une paire d'organes de support radiaux (14, 15) se présentant sous la forme d'un carter ou de demi-carcasses rendues solidaires de la seconde jante (11), un cylindre creux (16) disposé entre les organes de support (14, 15) 10 de manière à séparer axialement ces organes (14, 15) l'un de l'autre, et des dispositifs de support (2) destinés à permettre le montage du rotor (4) à l'intérieur du boîtier (1). 7.- Appareil suivant la revendication 6r caractérisé en ce que les bords périphériques des organes (14, 15} sont soudés 15 sur la seconde jante (11) de sorte que ces organes (14, 15) supportent les première et seconde jantes (10, 11) par rapport à l'axe de rotation du rotor (4). 8.- Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les organes (14, 15) constituent un ensemble se présentant 20 sous la forme d'un carter ou de deux demi-carcasses formées par un matériau élastique. 9.- Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les organes (14, 15) présentent des surfaces sans perforation et généralement lisses, de sorte que le freinage dû au frot- 25 tement de l'air est réduit. 10.- Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le boîtier (1) comprend une paire d'organes supplémentaires (5, 6) se présentant généralement sous la forme de demi-carcas-ses et destinés à entourer le rotor (4), le boîtier (1) étant 30 conçu de manière à présenter plusieurs cannelures (7) de sorte que la rigidité du dispositif formant boîtier (1) est accrue.