Brevet FR2268967A1 — publié le 19751121

L'invention est relative aux dispositifs de commande dlun mouvement de rotation à partir d1un mouvement de translation, du genre de ceux qui comprennent un vérin muni d'un piston coulissant propre à entrainer une crémaillère, et un arbre rotatif muni d'un pignon propre à coopérer avec la crémaillère, de telle sorte qu'un mouvement de translation du piston soit transformé en mouvement de rotation de l'arbre. L'invention concerne plus particulièrement, parce que c'est dans ce cas que son application semble devoir présenter le plus d'intérêt, mais non exclusivement, un dispositif de commande de vanne rotative du type papillon ou à boisseau cylindrique ou sphérique. L'invention a pour but de rendre les dispositifs de commande tels qu'ils répondent mieux que jusqu'à ce jour aux diverses exigences de la pratique et notamment tels qu'ils assurent, d'une manière simple et efficace, une amplification du couple de rotation de l'arbre pour au moins une position extrême du vérin. Pour cela, selon l'invention, un dispositif de commande du genre défini précédemment est caractérisé par le fait que la crémail1ère comporte, à une de ses extrémités au moins, une dent comportant, à son sommet, une rampe inclinée par rapport à l'axe de la crémaillère, l'angle d'inclinaison de cette rampe étant inférieur à l'angle d'inclinaison des faces latérales des autres dents de la crémaillère, cette rampe étant disposée de manière à venir glisser en fin de course de la crémaillère, contre une face latérale d'une dent du pignon,ce grâce à quoi, une amplification du couple de rotation est obtenue en fin de course de la crémaillère lors de la coopération de la rampe inclinée avec une dent du pignon. De préférence, la dent de la crémaillère comportant la rampe a une largeur plus grande que celle des dents propres à engrener avec les dents du pignon, un écart angulaire suffisant étant prévu entre les deux dents du pignon entre lesquelles la dent de plus grande largeur de la crémaillère doit 'introduire. De préférence encore, la crémaillère comporte à chaque extrémité une telle dent de plus grande largeur, les rampes inclinées de ces dents étant orientées en sens contraire et tournées l'une vers l'autre. Avantageusement, l'inclinaison de chaque rampe est telle que le dispositif de commande soit irréversible lorsque le vérin ne transmet plus d'effort et que le pignon ne puisse entraîner la crémaillère, ce grâce à quoi, le réglage de la position angulaire d'arrêt du pignon peut être effectué alors que le dispositif de commande se trouve dans les conditions d'irréversibilité et d'amiiifcation de couple, et le déverrouillage s'effectue automatiquement par inversion du sens de déplacement du piston du vérin. Le sommet de chaque dent de plus grande largeur prévue sur la crémaillère comporte, de préférence, une partie parallèle à l'axe de la crémaillère. Généralement, le vérin est du type à double effet et comporte deux chambres prévues aux deux extrémités du cylindre et situées de part et d'autre du piston ; la crémaillère est alors avantageusement située entre les extrémités du piston et incorporée à ce dernier. Avantageusement, le piston comporte une partie intermédiaire évidée à section semi-circulaire, tandis que les extrémités du piston sont élargies et ont une forme cylindrique d'un diamètre égal à celui de l'alésage du cylindre, la crémaillère étant disposée dans la partie intermédiaire du piston, de telle sorte que le pignon calé en rotation sur l'arbre fait saillie à l'intérieur du susdit cylindre. Le piston peut comporter, à chaque extrémité, un prolongement dont le diamètre est inférieur à celui de l'alésage, prolongement sur lequel sont montées une coupelle et une rondelle propres à former un logement annulaire pour un joint d'étanchéité. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en certaines autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un mode de réa- lisation particulier, avec référence au dessin ci-annexé, mais qui n'est nullement limitatif. La figure 1 de ce dessin est une coupe suivant l'axe du vérin, avec parties schématiquement représentées, d'un dispositif de commande conforme à l'invention. La figure 2, enfin, montre à plus grande échelle le détail d'une dent d'extrémité de grande largeur de la crémaillère. En se reportant au dessin, on peut voir un dispositif de commande 1 d'un mouvement de rotation à partir d'un mouvementde translation. Un tel dispositif peut avoir de nombreuses applica tions, en particulier la commande de vannes rotatives comme expliqué dans le brevet français n" 71 13 ;99, de la demanderesse, déposé le 14 avril 1971 pour "Perfectionnements apportés aux dispositifs de commande à vérin pour vannes rotatives, Le dispositif de commande 1 comprend un vérin 2 muni d'un piston 3 propre à coulisser suivant l'axe du cylindre 4 du vérin. Le piston 3 est propre à entraîner une crémaillère 5 qui coopère avec un pignon 6 calé en rotation sur un arbre rotatif 7. Cet arbre peut être, par exemple, celui du papillon d'une vanne rotative (non montrée), disposée sur une conduite de fluide. La crémaillère 5 comporte à une de ses extrémités au moins et de préférence à ses deux extrémités, une dent Sa, Sb de largeur L (figure 2) plus grande que la largeur 1 (figure 1) des dents 9, propres à engrener avec les dents 10 des pignons ; la susdite dent Sa, Sb de plus -grande largeur comporte à son sommet une rampe lIa, llb inclinée: par rapport à l'axe de la crémaillère 5 d'un angleoçinférieur à l'angle d'inclinaison ydes faces latérales 12 des autres dents 9 de la crémaillère'; cette rampe îîa, îîb, est disposée de manière à venir glisser en fin de course de la crémaillère contre une dent lOa du pignon 6 ; un espace angulaire A (figure 2) suffisant est prévu entre les dents du pignons 10a, 10c entre lesquelles se présente la dent Sa de la crémaillère, de telle sorte que cette dent puisse s'engager dans l'intervalle situé entre ces dents îOa, 10c du pignon. I1 est à noter en effet que la dent Sa ne pourrait pas être introduite entre deux dents 10 du pignon 6 destinées à coopérer avec les dents9 de la crémaillère 5. Il en résulte que le mouvement de rotation du pignon 6 commandé par la crémaillère 5 est inférieur à un tour complet. Les rampes inclinées ila, llb des dents Sa, Sb situées respectivement aux deux extrémités de la crémaillère 5, sont orientées en sens contraire et tournées l'une vers l'autre. L'incli- naison de ces rampes est telle qu'elles se rapprochent de l'axe de la crémaillère tout en se rapprochant de la partie médiane, suivant la direction longitudinale, de ladite crémaillère. De préférence, le sommet de chaque dent Sa, Sb de plus grande largeur comporte une partie 13 parallèle à l'axe de la crémaillère, cet axe étant lui-même parallèle à l'axe du cylindre 4. L'inclinaison de chaque rampe lla, llb est telle que le dispositif de commande soit irréversible lorsque le vérin ne trans met plus d'effort, et que le piston 6 ne puisse entraîner le piston 3. On sait que pour obtenir cette irréversibilité il faut que la normale au plan tangent commun à la dent îOa et à la rampe Ila, suivant la génératrice de contact, forme avec la direction de la force exercée par le pignon 6 sur la crémaillère 5 un angle inférieur à l'angle de frottement entre les matériaux de la cré maillère et du pignon. L'angle Oc est choisi de manière que cette condition soit satisfaite. Il est à noter d'ailleurs que la rampe lla, llb n'est pas nécessairement plane et peut avoir une surface courbe ; il suffit que les différents angles correspondant aux zones successives de la rampe Ila, 11b permettent de satisfaire la condition énoncée précédemment. Le vérin 2 -est de préférence du type à double effet et comporte deux chambres 14, 15 situées de part et d'autre du piston 3. Ces chambres 14, 15 peuvent être reliées, par exemple, soit à une admission de fluide sous pression, soit à un échappement. La crémaillère 5, comme visible sur la figure 1, est avantageusement située entre les extrémités du piston 3 et est incorporée à ce dernier. La crémaillère 5 est notamment fixée de manière démontable, par exemple par des vis, dans un logement 16 prévu dans le piston 3.-Ce piston comporte detréférence une partie intermédiaire 17 évidée dont la section transversale est sensiblement semi-circulaire et pratiquement 'égale à la moitié de la section de l'alésage du cylindre 4. La crémaillère 5 est montée dans cette partie 17 du piston. Les extrémités 18, 19 du piston ontune section transversale circulaire d'un diamètre égal à celui de l'alésage du cylindre 4 et se raccordent progressivement par une zone incurvée 20 à la partie intermédiaire 17.Le pignon 6 fait saillie à l'intérieur du cylindre 4, dans l'espace libre 21 compris entre la partie 17 et le cylindre 4. Le piston 3 comporte à chacune de ses extrémités un prolongement 22 de diamètre inférieur à celui de l'alésage. Une coupelle 23 est montée sur ce prolongement 22 de manière à former avec une rondelle 24 un logement annulaire pour un joint d'étan ohéité 25. La rondelle 24 est bloquée contre la coupelle 23 par un écrou 26 vissé sur l'extrémité filetée du prolongement 22.Des butées 27 réglables suivant la direction de l'axe du cylindre 4, sont prévues dans les deux parois d'extrémité servant de fond à ce cylindre. Ces butées 27 sont avantageusement constituées par des vis pouvant être manoeuvrées de l1extérieur, et dont l'extrémité intérieure coopère avec la face d'extrémité du prolongement 22 lorsque le piston 3 est en butée. Ceci étant, le fonctionnement du dispositif conforme à l'invention est le suivant. Lorsque du fluide sous pression est admis dans l'une des chambres du vérin 1, l'autre chambre est mise à l'échappement, et le pis ton 3 se déplace sous l'action d'une force proportionnelle à la pression de fluide admis ; cette force est donc constante si la pression de fluide est constante. Les dents 9 de la crémaillère coopèrent avec les dents 10 du pignon de telle sorte que le mouvement rectiligne de translation du piston 3 est transformé en mouvement de rotation ; le couple de rotation exercé sur l'arbre 7 est constant pendant la phase de coopération des dents 9 de la crémaillère avec les dents 10 du pignon. Lorsque la crémaillère 5 arrive au voisinage d'une de ses positions extrêmes, par exemple dans la position représentée sur la figure 1, la dent 8a de plus grande largeur vient coopérer avec la dent 10a du pignon. Plus précisément, la rampe lla vient glisser contre une des faces latérales de la dent 10a (figure 2). Pendant cette phase de glissement de la rampe lla (ou llb) contre une dent du pignon, le couple de rotation sur l'arbre 7, dû à l'entraînement du pignon 6 par le piston 3, est augmenté par rapport-à celui obtenu lors de la coopération des dents 9 avec les dents 10. Cette amplification du couple en fin de course de la crémaillère 5 et donc en fin de mouvement de rotation du pignon 6 et de 1'arbre 7, permet, notamment dans le cas d'une vanne, d'assurer une grande stabilité de la vanne en position de fermeture. En outre, du fait que l'inclinaison de la rampe est telle que le système soit irréversible, le pignon 6 est bloqué dans sa position angulaire d'arrêt, lorsque le vérin ne transmet plus d'effort. Le piston 3 ne peut être entraîné par le pignon 6 car il se produit un coincement de la dent 10a contre la rampe Ila. La rampe Ila, ou 11b offre également la possibilité d'un réglage de la position angulaire d'arrêt du pignon 6. En effet, il est possible de régler la position longitudinale de la butée 27 tout en conservant le contact entre la rampe îîa et la dent Iota. La position angulaire de rotation maximale du pignon 6 correspond à la position de la dent 10a montrée en trait mixte sur la figure 2, position pour laquelle la dent serait en contact avec la partie 13 du sommet de la dent Sa de la crémaillère, parallèle à l'axe de cette crémaillère.En prenant comme origine des écarts angulaires, la position de l'axe de la dent 10a représentée en trait mixte sur la figure 2, il apparaît que l'angle p formé entre cet axe et celui de la dent 10a dans la position représentée en trait plein peut être ainsi réglé. Ce réglage de la position angulaire d'arrêt du pignon 6 et donc de l'arbre 7 s'effectue alors que le dispositif de commande se trouve dans une position d'irréversibilité (impossibilité pour le pignon 6 d'entrainer la crémaillère 5 et le piston 3) et d'amplification du couple. Les possibilités de réglage de la position angulaire d'arrêt du piston 6 et de l'arbre 7 dues à la présence des rampes lla, îîb permettent en outre de compenser l'usure des différentes pièces, notamment du récepteur ; dans le cas d'une vanne, commandée par ce dispositif, il est important en effet de pouvoir compenser l'usure ou le tassement des joints d'étanchéité de la vanne. Le dispositif se déverrouille automatiquement, sans autre action que la pression de fonctionnement nécessaire au déplacement en sens inverse du piston 3. La manoeuvre inverse, permettant ce déverrouillage, est réalisée par changement du côté d'alimentation du vérin. La face f (figure 2) de la dent 8a de la crémaillère entre alors en contact avec la face en regard de la dent 10c du pignon 6. I1 apparaît donc que le déverrouillage-ne nécessite pas une pression auxiliaire. Le dispositif conforme à l'invention permet de réaliser d'une manière simple et efficace l'amplification du couple de commande en fin de course de la crémaillère, ainsi que le verrouillage. Il est possible de rapporter sur le piston l'ensemble de la crémaillère comportant les dents actives et les rampes d'amplification et de verrouillage. Le piston proprement dit peut être réalisé en une matière présentant des caractéristiques mécaniques relativement faibles, tandis que la crémaillère 5, rapportée sur ce piston, est réalisée en un matériau ayant de meilleures caractéristiques mécani ques. Le remplacement de cette cremai-llere 5 en cas d'usure est aisé. Moyennant un choix judicieux du nombre de dents de la crémaillère 5 et du pignon 6 correspondants, il est possible en conservant toutes les autres pièces constitutives du dispositif, d'obtenir une gamme d'angles de rotation très étendue. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un mouvement de rotation à partir d'un mouvement de translation comprenant un vérin muni d'un piston coulissant propre à entraîner une crémaillère, et un arbre rotatif muni d'un pignon propre à coopérer avec la crémaillère de telle sorte qu'un mouvement de translation du piston soit transformé en mouvement de rotation de l'arbre, caractérisé par le fait que la crémaillère comporte, à une de ses extrémités au moins, une dent comportant, à son sommet, une rampe inclinée par rapport à l'axe de la crémaillère, l'angle d'inclinaison de cette rampe étant inférieur à l'angle d'inclinaison des faces latérales des autres dents de la crémaillère, cette rampe étant disposée de manière à venir glisser en fin de course de la crémaillère contre une face latérale d'une dent du pignon, ce grâce à quoi, une amplification du couple de rotation est obtenue en fin de course de la crémaillère lors de la coopération de la rampe inclinée avec une dent du pignon 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la dent de la crémaillère comportant la rampe a une largeur plus grande que celle des dents propres à engrener avec les dents du pignon, un écart angulaire suffisant étant prévu entre les deux dents du pignon entre lesquelles la dent de plus grande largeur de la crémaillère doit s'introduire. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la crémaillère comporte à chaque extrémité une dent de plus grande largeur, les rampes inclinées de ces dents étant orientées en sens contraire. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'inclinaison de la rampe sur l'axe de la crémaillère est telle que le dispositif soit irréversible lorsque le vérin ne transmet plus d'effort, et que le pignon ne puisse entraîner la crémaillère, ce grâce à quoi, le réglage de la position angulaire d'arrêt du pignon peut être effectué alors que le dispositif de commande se trouve dans les conditions d'irréversibilité et d'ampication de couple, et le déverrouillage s'effectue automatiquement par inversion du sens de déplacement du piston du vérin. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le sommet de chaque dent de la crémaillère, comportant une rampe inclinée, comporte égale ment une partie parallèle à l'axe de la crémaillère. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le vérin est du type à double effet et comporte deux chambres prévues aux extrémités du cylindre et situées de part et d'autre du piston, caractérisé par le fait que la crémaillère est située entre les extrémités du piston et est incor porée à ce dernier. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le piston comporte une partie intermédiaire évidée à section semi-circulaire, tandis que les extrémités du piston sont élargies et ont une forme cylindrique d'un diamètre égal à celui de l'alésage du cylindre, la crémaillère étantdisposée dans la partie intermédiaire du piston, de telle sorte que le pignon calé en rotation sur l'arbre fait saillie à 11 intérieur du susdit cylindre. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que la crémaillère est fixée de manière démontable sur le piston. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractétisé par le fait que la crémaillère-est réalisée en un matériau ayant de meilleures caractéristiques mécaniques que celles du piston. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le piston comporte, à chaque extrémité, un prolongement dont le diamètre est plus petit que celui de l'alésage, prolongement sur lequel est montée une coupelle propre à former avec une rondelle un logement annulaire pour un joint d'étanchéité.