Brevet FR2307209A1 — publié le 19761105

La présente invention a pour objet une soupape hydraulique de réglage à commande électromagnétique à caractéristique linéaire. Jusqu'à présent on était obligé, pour obtenir la proportionnalité entre le courant électrique de commande et le déplacement du piston d'un distributeur servant de soupape de réglage asservie, de faire appel à des dispositifs très coOteux qui, en raison de leur prix, limitaient l'emploi de ces appareils aux domaines de l'aéronautique, de la technique spatiale et des armements. Ces appareils lancés sous le nom de "servo-soupapes" ne sont guère employés dans les installations hydrauliques industrielles, où l'on avait et où l'on a encore un grand besoin d'appareils de ce genre, cela en raison de leur prix et de leur fragilité. Comme substituts, on utilise des soupapes de fermeture par tout ou rien combinées avec des gicleurs ou des régulateurs de débit, etc... qui n'ont pas la souplesse des installations de régulation électro-hydrauliques. Une autre solution consiste à employer des électroaimants à courant continu à noyau plongeur, dont le circuit magnétique présente une géométrie telle que l'on obtient un asservissement non linéaire. Ces électro-aimants présentent un défaut de linéarité relativement important et une mauvaise dynamique. Ces électro-aimants sont utilisés, soit pour la commande directe du piston du distributeur, soit selon diverses combinaisons pour commander l'étage pilote. La présente invention a pour objet d'éliminer les inconvénients des soupapes du genre distributeur de type connu et d'ouvrir une voie qui évite un prix trop élevé et une trop grande fragilité pour conduire à un appareil robuste présentant une bonne linéarité et un bon comportement dynamique. Ce problème est résolu selon l'invention au moyen d'une soupape hydraulique de réglage proportionnel du type indiqué en actionnant le piston du distributeur à l'aide d'un convertisseur électro-mécanique comportant, d'une part, un boîtier, et d'autre part un poussoir coulissant dans le boîtier et suspendu dans le boîtier par deux organes élastiques, qui porte à peu près en son centre un aimant permanent et qui traverse deux bobines d'excitation placées de part et d'autre de l'aimant permanent et fixées sur le boîtier ; le piston du distributeur est positionné conformément au principe des asservissements, l'indication de la position théorique étant assurée par le déplacement d'une des faces frontales du poussoir tandis que la position réelle est détectée par le déplacement correspondant d'une buse disposée à faible distance de cette surface frontale et solidaire du piston du distributeur, à travers laquelle s'écoule un débit du fluide hydraulique de commande dérivé du circuit hydraulique principal. De préférence, l'aimant permanent sera réalisé de façon à former piston, tandis que l'on donnera au poussoir la forme d'une tige de piston coulissant avec un faible jeu annulaire, ce qui assure un amortissement du mouvement du convertisseur électro-mécanique proportionnel à sa vitesse. Comme organes élastiques pour la suspension du poussoit dans le boîtier, on utilisera des membranes munies d'un passage central pour le poussoir et d'autres perforations. Afin d'assurer la stabilité du poussoir dans la position zéro, ces membranes seront fixées sur leurs bords de façon à leur donner une certaine précontrainte, de sens opposé pour les deux membranes. Le boîtier de convertisseur électro-mécanique est vissé sur le boîtier du distributeur hydraulique et le réglage de la position zéro est assuré par cet assemblage par vis. Grâce à la disposition coaxiale du piston du distributeur hydraulique et du convertisseur électro-mécanique, on obtient un rapport d'asservissement de 111 . Dans un mode de réalisation préféré de la soupape de réglage proportionnel, on utilise un niston de distributeur avec un épaulement dont les fonces actives opposées, soumises au fluide hydraulique, ont des surfaces dans le rapport de 2!1. Dans un autre mode de réalisation de la soupape de réglage proportionnel, on utilise par contre un piston de distributeur qui présente au fluide hydraulique sur les deux faces actives une surface égale. On comprendra mieux la présente invention à la lecture de la description de deux modes de réalisation donnés ciaprès à titre d'exemples non limitatifs et en se référant aux figures jointes, dans lesquelles La Fig. 1 est une vue en élévation avec deux coupes partielles selon des plans différents d'un premier mode de réalisation. La Fiy. 2 est une vue en élévation avec deux coupes partielles selon des plans différents d'un second mode de réalisation. La Fig. 3 est une coupe en long du convertisseur électro-mécanique de la soupape asservie qui est identique pour les deux modes de réalisation, représenté à une échelle plus grande. La soupape hydraulique de réglage proportionnel 1 représentée sur la Fig. 1 comprend un convertisseur électro-mécanique 2, qui est vissé à l'aide d'un filetage 4 dans le boîtier d'un distributeur 3, dans lequel peut coulisser le piston d'un distributeur 5 présentant une partie épaulée de plus grand diamètre 6. Cette partie épaulée 6 a ses surfaces actives soumises à l'action du fluide hydraulique de chambres R1 et R2 où elle présente des surfaces dans le rapport 2/1. Dans la chambre R2, la face frontale 8 du poussoir coulissant 7 du convertisseur électromécanique se trauve à faible distance en face d'une buse 9 solidaire du piston de distributeur 5. Avant de décrire le fonctionnement de l'asservissement de la soupape hydraulique, on décrira la structure du convertisseur électro-mécanique 2 en se référant à la Fig. 3. Dans le boîtier 12 du convertisseur 2 coulisse un poussoir 7 qui est suspendu dans le boîtier par l'intermédiaire de deux membranes ~ /tions elastiques 14, 15 munies de deux perfora- 16. Le poussoir passe dans un passage central 18 de chacune des membranes 14 et 15. Ces dernières sont fixées dans le boîtier 12 en leur faisant subir sur les bords une légère précontrainte de sens opposé, de sorte que le poussoir 7 se trouve stabilisé dans sa position d'équilibre par les membranes 14 et 15 qui sont très flexibles dans le sens axial mais rigides dans le sens radial. Au centre, le poussoir 7 porte un aimant permanent 10. Le poussoir 7 traverse en outre deux bobines électriques d'excitation 11 et 13 disposées de part et d'autre de l'électro-aimant et solidaires du boîtier 12. Dans ce dispositif électro-mécanique, l'action mutuelle du champ magnétique produit par les bobines d'excitation et du champ de l'aimant permanent produit des forces d'attraction et de répulsion qui déplacent légèrement et très rapidement le poussoir 7 malgré la force antagoniste des deux membranes 14, 15. Cet effet combiné d'attraction et de répulsion des deux champs magnétiques crée pour une même valeur du champ magnétique d'excitation une force mécanique deux fois plus grande, de sorte que pour obtenir le même effet mécanique, on n'a besoin que d'un champ magnétique deux fois plus faible, ce qui améliore la linéarité. il y a lieu en outre de mentionner que la somme des flux magnétiques reste constante, même sous le courant d'excitation maximal, ce qui conduit à une amélioration de la linéarité et à une réduction de l'hystérésis. Les membranes assurent aussi le centrage du poussoir et empêchent de ce fait un contact entre pièces fixes et mobiles, ce qui réduit aussi lthystérésis. L'ensemble des mesures mentionnées entraîne une amélioration considérable du comportement dynamique du convertisseur électro-mécanique dont la vitesse de réponse dépasse largement celle des appareils à noyau plongeur. Le fait que l'aimant permanent 10 forme piston et que le poussoir 7 agisse comme tige de piston coulissant avec de faibles jeux annulaires 1 7 assure un amortissement du mouvement du convertisseur proportionnel à sa vitesse. Pour le principe de fonctionnement, on se reporte à nouveau à la Fiq. 1. L'extrémité libre du poussoir 7 sert d'élément d'affichage de la valeur de consigne pour le déplacement de l'étage hydraulique asservi. Dans le mode de réalisation re présenté arla Fig. 1, on a combiné une résistance hydraulique fixe formée par un gicleur W2 avec une résistance hydraulique variable W3. Le champ magnétique créé par le courant électrique envoyé dans le convertisseur électro-magnétique déplace le poussoir dans le sens axial contre l'effet antagoniste des membranes dans un sens ou dans l'autre, selon la polarité du courant. Supposons que le poussoir se déplace en direction du piston de distributeur 5 ; dans ce cas, la distance entre la face frontale 8 du poussoir et la buse 9 montée dans le piston diminue.La résistance hydraulique W3 à la sortie de la buse varie donc. On voit que dans ces conditions, la pression augmente dans la chambre R2, de sorte que la force qui agit de la gauche vers la droite sur le piston de distributeur 3 augmente également. Sous l'effet de la différence des forces exercées par le fluide sous pression dans les chambres R2 et R1, le piston de distributeur 5 est poussé vers la droite, jusqu'à ce que l'équilibre soit rétabli. De même, si le poussoir se déplace vers la gauche, le piston 6 suivra dans le même sens. Le même équiplibre des forces s'établit lorsqu'il n'y a pas de courant dans les bobines. Afin d'obtenir une symétrie du mouvement du piston 6, on a choisi pour les surfaces des faces actives du piston un rapport de 2 li . La résistance hydraulique du gicleur W1 sert uniquement à la stabilisation dynamique du système. Etant donné que les diamètres des gicleurs W1 et W2 ainsi que la distance entre le poussoir 7 et la buse W3 sont très faibles, on a prévu pour le fluide en amont du premier étage un filtre 19 qui assure un auto-nettoyage. Le réglage du zéro s'obtient dans cette soupape d'une façon simple en déplaçant le convertisseur électro-mécanique par rapport au distributeur par l'intermédiaire du filetage de fixation 4 jusqu'à ce que les pressions obtenues sur les deux raccords, de sortie c8té utilisation soient égales. On bloque ensuite à l'aide du contre-écrou 20. Le mode de réalisation de la Fig. 2 diffère de celui de la Fig. 1 uniquement par le fait que l'on emploie un piston de distributeur 5' sans épaulement pour simplifier la fabrication. La force antagoniste indispensable est obtenue par une seconde dérivation du fluide. Le fluide du circuit de commande passe d'abord par les deux résistances hydrauliques (qui sont des gicleurs) W1 et W2 montées en parallèle avant d'être envoyé dans les chambres R1 et R2. De la chambre R1, le fluide s'écoule à travers la résistance fixe W4 avant de retourner à la bâche. De la chambre R2, le fluide doit passer par la résistance variable W3 avant de retourner à la bâche. Le piston de distributeur est placé entre les deux chambres R1 et R2 formant un pont hydraulique. REVENDICATIONS 1.- Soupape hydraulique de réglage proportionnel à commande électromagnétique, caractérisée - par le fait que le piston de distributeur 5 est actionné par l'intermédiaire d'un convertisseur électro-mécanique 2 qui comporte d'une part un boîtier ou corps 12 et d'autre part un poussoir 7, coulissant dans le boîtier et suspendu dans le boîtier à l'aide de deux organes élastiques 14, 15,qui porte en son centre un aimant permanent 10 et traverse deux bobines excitatrices 11, 13 disposées de part et d'autre de l'aimant permanent, le piston de distributeur étant positionné par asservissement, la position de consigne étant donnée par le déplacement de la face avant 8 du poussoir 7 tandis que la détection de la position momentanée est assurée par le déplacement d'une buse 9 solidaire du piston de distributeur 5 devant cette face du poussoir, cette buse étant treversée par le fluide du circuit de commande dérivé du circuit principal. 2.- Soupape hydraulique selon la revendication 1, caractérisée : - par le fait que l'aimant permanent forme piston et que le poussoir formant tige de piston coulisse avec un faible jeu annulaire 17. 3.- Soupape selon la revendication 1, caractérisée : - per le fait que les organes élastiques 14, 15 servant à suspendre le poussoir dans le bottier sont constitués par des membranes munies d'un trou de fixation central 18 et de perforations supplémentaires 16. 4.- Soupape selon la revendication 3, caractérisée - par le fait que les membranes sont soumises dans le boîtier sur leurs bords à une précontrainte de sens opposé en vue de stabiliser la position d'équilibre du poussoir. 5.- Soupape selon la revendication 1, caractérisée : - per le feit que le bottier du convertisseur électro-mécanique 12 se visse sur le corps du distributeur 3, ce mode d'assemblage permettant le réglage de la position zéro. 6.- Soupape selon la revendication 1, caractérisée : - par le fait que la disposition coaxiale du poussoir 7 et du piston de distributeur 5 permet un asservissement dens le rapport 1/1. 7.- Soupape selon la revendication 6, caractérisée - par l'emploi d'un piston de distributeur 5 avec un épaulement 6 servant de piston d'asservissement dont les deux faces actives soumises à l'action du fluide du circuit de commande (dans des chambres R1 et R2)ont des aires qui sont dans le rapport 2/1. 8.- Soupape selon la revendication 6, caractérisée - par l'emploi d'un piston de distributeur 5 sans épaulement dont les deux faces, au deux extrémités, offrent au fluide du circuit de commande des faces actives de même surface dans les chambres R1 et R2 formant ainsi un pont hydraulique.