Brevet FR2330591A1 — publié le 19770603

La présente invention concerne un vérin à loi d'effort incorporée pouvant avantageusement, mais non exclusivement équiper le système de commande de vol d'un aérodyne usuel, par exemple d'un avion ou d'un hélicoptère. D'une manière générale on sait que la commande directe de tels aérodynes s'obtient par action du pilote sur au moins un levier de commande telle'un manche à balai, relié, par l'intermédiaire de timoneries et de renvois,aux organes de gouverne de l'aérodyne, par exemple au système de variation du pas des pales des rotors, dans le cas d'un hélicoptère. Cette commande directe est accessoirement secondée par un système de pilotage automatique (ou pilote automatique) qui agit sur un vérin de pilotage rapide, mais de faible domaine d'action, disposé en série sur l'une des timoneries dudit système de commande directe. En conséquence, pour éviter que le vérin associé au pilote automatique provoque une action sur le levier de commande (manche à balai), au lieu d'effectuer la commande des organes de gouverne, il est donc nécessaire de prévoir un dispositif agissant sur le levier de commande et qui exerce, en amont dudit vérin à faible domaine d'action, une force antagoniste plus importante que la résistance opposée, en aval dudit vérin notamment par les organes de gouverne. Un tel dispositif peut comprendre, de façon classique, un ressort de traction ou de compression, opposant, en amont du vérin un effort selon une loi déterminée (communément appelée loi d'effort) et dont on peut faire varier la position de l'ancrage par exemple au moyen d'un vérin. Ce vérin peut comprendre de façon classique un motoréducteur, éventuellement commandable par le pilote automatique ou par le pilote luimemAe, dont l'axe de sortie est solidaire d'un levier (ou d'une chape) sur lequel est articulé le susdit ressort. Le déplacement du point d'ancrage du ressort permet ainsi de rajuster la position du levier de commande (manche à balai) et de maintenir le vérin dans une position telle qu'il puisse disposer de la plus grande partie de sa course (aux alentours du point zéro), ce qui est important puisque l'on sait que ces vérins possèdent une faible course. Un des avantages que procure ce système, et en particulier de sa loi d'effort, consiste en ce qu'il restitue dans les mains du pilote, une sensation qui lui permet de retrouver une position correspondant à une configuration de vol remarquable. On notera enfin que ces systèmes peuvent comprendre - d'une part, un organe de détection de déplacement de l'axe de sortie par rapport à l'ancrage, constitué par exemple par un micro-interrupteur servant à inhiber ou à minimiser l'action du pilote automatique, par exemple par blocage du vérin ou par limitation du gain de ce dernier, qui s'opposerait autrement à l'action du pilote lorsque celui-ci déplace le levier de commande t et - d'autre part, un débrayage de l'ancrage permettant le recentrage du ressort servant pour la loi d'effort. A l'heure actuelle toutes ces fonctions s'obtiennent à l'aide d'élements modulaires qui sont connectés les uns aux autres au moyen de liaisons mécaniques le plus souvent à l'air libre. I1 en résulte donc une mauvaise fiabilité, des difficultés de réglage importantes et un très mauvais vieillissement, notamment en atmosphère saline. A titre indicatif, la durée d'un ensemble à loi d'effort ne dépasse guère les cinquantes heures d'utilisation. En outre, ces ensembles présentent tous un grave inconvénient ; en effet, lorsqu'on débraye l'ancrage, on obtient un recentrage du ressort, ce qui provoque une discontinuité importante dans l'ensem- ble du système de commande de vol. Cette discontinuité est donc la cause de perturbations dangereuses. En conséquence l'invention a tout d'abord pour but la réalisation d'un vérin dans lequel au moins les principales fonctions précédemment énumérées sont réalisées par des éléments incorporés dans un ensemble compact et étanche, ces fonctions étant essentiellement, la loi d'effort, la mobilité de l'ancrage, la détection du déplacement de l'axe de sortie par rapport au point d'ancrage, et, éventuellement, la motorisation de l'ancrage et la détection du déplacement du point d'ancrage par rapport à la structure, qui permet de piloter directement le 0 d'effort de la loi d'effort et d'asservir en position tout ltensemble. Elle a également pour but de perfectionner le principe en lui-même d'un tel vérin,de manière à supprimer les perturbations dangereuses occasionnées par le débrayage de l'ancrage du ressort utilisé pour la loi d'effort et à n'autoriser le blocage de l'axe de sortie qu'en présence d'au moins deux pannes méca- niques graves et simultanément. A cet effet le vérin comprend en outre, incorporé dans le susdit ensemble compact et étanche, un organe de débrayage de l'ancrage et un organe d'amortissement servant à supprimer la discontinuité produite lors du débrayage. selon une autre caractéristique de l'invention, le vérin à loi d'effort est rotatif en ce sens que son axe de sortie est rotatif et, en conséquence la loi d'effort se réalise grâce à un ressort travaillant en torsion. Cette caractéristique permet d'obtenir les avantages suivants, à savoir s une facilité d'installation de ce vérin, une précision plus grande par rapport aux ressorts à rondelles, et une diminution appréciable des jeux mécaniques. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ciaprès, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels t La figure 1 est une représentation schématique permettant d'expliquer le principe de fonctionnement du vérin à loi d'effort incorporée Les figures 2, 3 et 4 sont les schémas de principe de trois modes de réalisation possibles du vérin représenté figure I la figure 5 est une coupe longitudinale d'un vérin rotatif à loi d'effort incorporée selon le schéma de principe représenté figure 2 ; La figure 6 est une vue en perspective, avec arrachés partiels de la loi d'effort utilisée dans le vérin représenté figure 5 ; Les figures 7, 8 et 9 sont respectivement les graphiques :: - du couple résistant C exercé par la loi d'effort en fonction des positions angulaires respectives de l'axe de sortie du vérin par rapport su point d'ancrage (figure 7) ; - du couple résistant C en fonction de angle ,dans le cas où le point d'ancrage est positionné sur l'une des butées (figure 8) ; - du couple résistant maximum CM en fonction du débattement maximum o(M (figure 9). On notera tout d'abord que les modes de réalisation précédemment énumérés sont plus particulièrement destinés à l'équipement d'un système de pilotage d'un aérodyne tel qu'un avion ou qu'un hélicoptère. il est toutefois bien entendu que le vérin selon l'invention pourrait s'appliquer, d'une façon plus générale, à tous les systèmes de commande assistée et/ou asservie de type comparable à celui d'un système de pilotage d'aérodyne. Avec référence à la figure 1 le système de pilotage comprend un levier de commande 1, ou manche à balai > monté pivotant, autour d'un axe 2 solidaire de la structure fixe de l'aérodyne. L'extrémité du bras supérieur de ce levier 1 est munie d'une poignée 3 pouvant comprendre de multiples organes de commande dont seuls deux d'entre eux 4, 5 seront mentionnés dans la suite de la description. L'extrémité du bras inférieur 6 du levier 1 effectue, au moyen d'une articulation 7 la commande d'organes de gouverne 8 par l'intermédiaire d'une timonerie 9 et de dispositifs de renvois 10. Ce système de pilotage est asservi par un pilote automatique 12 qui agit sur un vérin 13 de pilotage rapide mais de faible domaine d'action monté en série sur la timonerie 9. De ce fait, ce vérin 13 est mobile dans son ensemble par rapport à la structure fixe de l'avion et il prend appui,par l'intermédiaire de la timonerie 9, sur l'extrémité du brae inférieur 6 du levier de commande. En conséquence pour éviter que l'action du vérin 13 n'entraîne un pivotement du levier de commande 1 au lieu d'agir sur les organes de gouverne 8, il est nécessaire de prévoir un dispositif qui oppose à l'action du vérin 13 et en amont de celui-ci, une résistance antagoniste supérieure à celle qui s'exerce sur le vérin 13, en aval de celui-ci, par le biais des organes de gouverne 8 et des timoneries 9. Pour obtenir ce résultat on utilise donc un élément élastique, généralement appelé loi d'effort, qui consiste, dans l'exemple représenté, en un ressort précomprimé ou pré-tendu 14 disposé à l'opposé de la timonerie 9 par rapport à l'axe d'articulation 7 et qui est relié par une de ses extrémités au bras 6 du levier 1. L'autre extrémité du ressort 14 est relié à un point d'ancrage mobile 15 pouvant être longitudinalement déplacé au moyen d'une cré maillère 16 et d'un motoréducteur 17 dont l'arbre de sortie porte un pignon 18 qui engrène avec ladite crémaillère 16. Il est à noter a' ce sujet que l'ancrage proprement dit est réalisé par la précontrainte du ressort 14. En l'absence d'une telle précontrainte il se produirait un déplacement du levier de commande l jusqu 'à une valeur de l'eESztexercé par le ressort, supérieure à l'effort que rencontre le vérin de pilotage 13. La liaison entre l'ancrage 15 du ressort 14 et la crémaillère 16 est débrayable (débrayage 19) de sorte qu'en position débrayée on peut obtenir un recentrage du ressort 14. Pour éviter la discontinuité brutale qui se produit lors du débrayage de l'ancrage 15 ce dernier est relié à un système d'amortissement visqueux 22. Le motoréducteur 17 peut être commandé soit manuellement, par l'intermédiaire du commutateur 4 disposé dans la poignée du levier de commande 3, soit par le pilote automatique 12. A ce sujet l'asservissement en position de l'ancrage 15 peut être obtenu au moyen d'un potentiomètre 23. On notera enfin que les déplacements de l'axe de sortie par rapport à l'ancrage 15 sont détectés par un micro-interrupteur 24 relié au pilote automatique 12, pour minimiser l'action du vérin 13 lorsque le pilote déplace le levier de commande 1. Les divers éléments qui viennent d'être décrits permettent d'accomplir les différentes fonctions ennoncées dans le préambule de la présente demande. Ces fonctions ne seront donc pas explicitées à nouveau. Toutefois, il est bon de rappeler qu'un des buts essentiels de l'invention, consiste en la réalisation d'un vérin monobloc réduisant les jeux et étanche,dans lequel sont incorporés au moins les principaux éléments associés en combinaison à la loi d'effort, en particulier les éléments inclus dans le bloc en pointillé 25, parmi lequel il convient de mentionner la combinaison originale du débrayage 19 et du système d'amortissement visqueux 22 avec l'ensemble de la loi d'effort. Pour obtenir ce résultat,l'invention propose un vérin essentiellement rotatif dans lequel la loi d'effort est réalisée grâce à des moyens élastiques travaillant à la torsion, par exemple un ressort de torsion, ce qui, en conséquence, facilite considérablement son montage et qui permet d'obtenir une plus grande précision ainsi qu'une sécurité plus importante. Dans ce cas, le déplacement de l'ancrage s'obtient par rotation du point d'ancrage, et non plus par translation comme précédemment. Cette particularité est particulièrement Bvantaqeuse puisqu'elle permet au vérin de ne comprendre que des elemen s rotatifs de bonne précision et fiabilité et qui peuvent facilement être implantés dans un volute réduit et étanche. Avec référence à la figure 2 qui est un schéma synoptique d'un vérin rotatif permettant d'obtenir la totalité des fonctions précédemment mentionnées, ce vérin comprend essentiellement une loi d'effort 26 à ancrage rotatif, qui est couplée à un arbre de sortie rotatif 27. Cet ensemble est équipé d'un potentiomètre d'ancrage 28 rotatif permettant la détection du déplacement du point d'ancrage par rapport à la structure et d'un micro-interrupteur 29 détectant les mouvements de rotation de l'axe de sortie par rapport au point d'ancrage. La rotation de l'ancrage est obtenue au moyen d'un motoréducteur 30 dont l'arbre de sortie est relié à un embrayage 31 qui est couplé, d'une part, à un réducteur 32 qui entrain l'ancrage et, d'autre part, à un dispositif d'amortissement visqueux 33 qui rentre en action lorsque le motoréducteur 30 est en configuration débrayée. Bien entendu, pour obtenir l'action désirée du vérin rotatif précédemment décrit sur le levier de commande 1, il est possible d'équiper l'arbre de sortie rotatif 27 de ce vérin, d'une chape sur laquelle s'articule une bielle elle-meme articulée au levier 1. Il serait éventuellement possible de coupler directement l'arbre de sortie du vérin sur l'axe de pivotement2,à condition que celui-ci soit solidaire du levier de commande 1. Comme précédemment mentionné le vérin rotatif permet d'obtenir l'ensemble des fonctions suivantes t - la loi d'effort t - la mobilité de l'ancrage t - la motorisation de l'ancrage avec débrayage t - l'amortissement en configuration débrayée de la motorisation - la détection du déplacement de l'axe de sortie par rapport au point d'ancrage, et - la détection du déplacement du point d'ancrage par rapport à la structure. Il est à noter toutefois que l'invention ne se limite pas à un vérin permettant d'obtenir la totalité de ces fonctions. Elle concerne également des versions simplifiées de ce vérin, telles que celles représentées par exemple figures 3 et 4. Le vérin rotatif représenté schématiquement figure 3 ne difforme de celui représenté figure 2 que par le fait que l'on a supprimé le potentiomètre 28 et le motoréducteur 30. Dans ce cas,le plateau 34 de l'embrayage 31 (qui était connecté au motoréducteur 30 dans l'exemple représenté figure 2) est fixe. Selon le mode de réalisation représenté figure 4, le vérin rotatif comprend- l'ensemble des éléments figurant dans le vérin schématisé figure 2, à l'exeeption du potentiomètre d'ancrage 28 qui a été supprime. La figure 5 représente un vérin rotatif dans lequel tous les éléments représentés schématiquement figure 2, ainsi que leurs liaisons mécaniques,sont incorporés dans un carter étanche 36. Dans ce vérin, la loi d'effort est constituée par un ensemble rotatif, représenté schématiquement, en perspective sur la figure 6, qui comprend essentiellement t - Un fourreau tubulaire 37, monté pivotant à l'intérieur du carter 36, par les roulements à billes 38 et 39, et qui comprend, à l'une de ses extrémités,une couronne dentée 40 servant a' son entraînement t - Un axe de sortie 41 disposé à l'intérieur du fourreau 37, coaxialement à celui-ci, et qui est monté pivotant, d'une part, sur le fourreau 37 par l'intermédiaire des roulements à billes42, 43, et, d'autre part, avec étanchéité, sur le carter 36 duquel il ressort, par le roulement à bille 44 t et - Un ressort hélicoïdal 45, disposé dans l'intervalle entre l'axe de sortie 41 et le fourreau 37, qui est solidaire, à chacune de ses extrémités, d'une pièce en forme de secteur circulaire 46, 47 coaxial à l'arbre de sortie 41 et pouvant pivoter autour de celui-ci. Les liaisons mécaniques entre le fourreau 37, le ressort 45 et l'arbre de sortie 41 sont réalisés, d'une part, au moyen de deux butées 48, 49 solidairesdu fourreau 37 et de deux goupilles d'entraînement 51, 52 solidaires de l'axe de sortie 41. Les deux butées 48 et 49 sont respectivement situées à l'intersection d'une génératrice du fourreau 37 et des deux plans respectifs des secteurs circulaires 46, 47 de sorte que chacune de ces butées 48, 49 puisse venir en contact avec les faces radiales 53 et 54 du secteur circulaire qui lui correspond De meme les deux goupilles 51 et 52 se trouvent sur une meme génératrice de l'axe 41 et dans les plans respectifs des deux secteurs circulaires 46 et 47. De la même façon, ces deux goupilles 51 et 52 peuvent venir au contact des faces radiales 53, 54 des secteurs circulaires correspondants 46 et 47. On notera qu'au repos, en l'absence de couple sur l'axe de sortie 41, le ressort est soumis à une précontrainte de torsion, de sorte que chacun des secteurs circulaires 46, 47 vient en butée, par l'une de ses faces radiales 53, 54 sur la goupille 51,52 et la butée 48, 49 qui lui correspond. Ainsi, toute rotation du fourreau 37, dans un sens ou dans l'autre entraine une rotation correspondante de l'arbre de sortie 41e à condition que le couple résistant appliqué à l'arbre de sortie 41 ne soit pas supérieur au couple de précontrainte du ressort 45.On obtient donc ainsi un déplacement de l'ancrage du ressort 45 analogue à celui décrit au sujet de la figure lo De même, quelque soit la position fixée du fourreau 37, l'arbre de sortie 41 pourra pivoter dans un sens ou dans l'autre en opposant un couple résistant à tout couple moteur supérieur au susdit couple de précontrainte, exercé sur l'arbre de sortie 41. Le débattement angulaire de la loi d'effort, c'est-à-dire le pivotement maximum de l'arbre de sortie 41 pour une position donnée de l'ancrage est égal à l'angle formé par les deux faces radiales 53, 54 des secteurs circulaires. Dans l'exemple représenté cet angle a une valeur de 1000, De même la rotation de l'ancrage peut être limitée au moyen d'une butée 56 pouvant venir au contact, d'un côté et de l'autre, sur deux débordements 57 et 58 ménagés sur la face externe du fourreau 37. Dans l'exemple représenté, le débattement angulaire de l'ancrage peut atteindre approximativement 1200. L'arbre de sortie 41 est cannelé, dans sa partie extérieure au carter de manière à pouvoir adapter une chape directement reliée à la timonerie de la commande de vol. Cet arbre de sortie entraîne, du côté opposé à la partie cannelée 59, le curseur d'un potentiomètre rotatif 60 logé à l'intérieur du carter 36. En outre légèrement en amont du potentiomètre 60 l'axe de sortie 41 est solidaire d'une came 61 sur laquelle vient appuyer un galet porté par une tige d'actionnement d'un micro-interrupteur 62. Ce micro-interrupteur 62 est lui-meme porté par un disque 63 solidaire du fourreau 37 Ce micro-interrupteur 62 permet ainsi de détecter les rotations relatives entre le fourreau 37 et l'arbre de sortie 41. L'entraînement du fourreau 37 s'obtient au moyen d'un organe moteur débrayable avec amortissement qui comprend successivement un servo-moteur 64 suivi d'un réducteur (pignons 65, 66 et 67). Ce réducteur entrasse le disque menant 68 d'un embrayage à disque de type électromagnétique fonctionnant de manière à ce que lorsque la bobine 69 est alimentée, (ou à l'inverse lorsque la bobine 69 n'est pas alimentée) le disque menant 68 et le disque mené 70 se trouvent solidarisés. L'axe 71 du disque mené 70 entraîne - d'une part, par exemple au moyen de-pignons satellites 72 montés sur un disque 73, solidaire dudit axe 71, qui engrennent respectivement sur une couronne dentée fixe 74 et sur un pignon 75 monté pivotant sur l'axe 71 qui entraîne le rotor 76 d'un frein classique à courant de Foucault dont le champ magnétique est donné par un aimant permanent 77,(on notera que le rotor 76 pourrait être entraîné à l'aide de pignons droits) et t - d'autre part, un réducteur constitué par les trains d'engrenages 78 et 79 dont le pignon de sortie 80 engrène avec la couronne dentée 40 du fourreau 37. On notera, à titre indicatif qu'en position embrayée, le point d'ancrage (position du fourreau) est inversible pour un couple appliqué à l'axe de sortie supérieur à 30 m N. En ce qui concerne la loi d'effort, du fait qu'elle est donnée par un ressort de torsion, sa caractéristique C ( ) (couple résistant C en fonction de l'angle ide l'axe de sortie) est de la forme représentée figures7 et 8. Dans le cas où le point d'ancrage est situé au milieu des butées mécaniques (figure 7) la courbe est symétrique par rapport au centre des coordonnées et comprend une portion dans laquelle le couple C croît (ou décroît) pour un angle Ocnul, jusqu'à un seuil C qui est le seuil de couple de précontrainte du ressort 45. En s suite la courbe comprend deux portions linéaires de la forme C = koC+ C qui s'étend respectivement jusqu'aux points(CN - s N et (- CN - oC N),o(N étant le débattement maximum et CN le couple maximum. Sur cette courbe on a porté le lieu o Dans le cas où, conne illustré figure 8, le point d'ancrage est positionné sur l'une des butées mécaniques, le débattement maximum M devient alors égal à 2 au n tandis que le couple maximum CM est égal à (2 CN La figure 9 est un graphique représentant les caractéristiques C (cul) possibles dans l'hypothèse où le seuil C est nul. s Ce graphique montre que trois caractéristiques de loi d'effort correspondent à une utilisation optimale des performances. I1 s'agit des lois s 25 mN - 1000 s Gradient 0,25 mN/dO 20 mN - 1300 t Gradient 0,15 mN/d0 15 mN - 1500 s Gradient 0,1 mN/dO On notera à ce sujet que, dans le cas d'un seuil Cs non nul, le débattement maximum M doit être diminué d'une valeur corres- pondant au seuil adopté. En ce qui concerne enfin la sécurité du vérin représenté figure 5, dans l'hypothèse d'un blocage du fourreau 37 sur l'axe de sortie 41, par exemple dans le cas où un des roulements à billes disposé entre le fourreau et l'axe de sortie se bloquerait, le pilote pourrait continuer le pilotage en débrayant la motorisation du vérin. De même, dans le cas d'un blocage de l'ancrage, par exemple en raison du blocage d'un roulement à bille 38 ou de l'un des divers engrenages,le pilote peut continuer à piloter dans la limite du débattement de l'axe de sortie, et en s'opposant & l'action du ressort. REVENDICATIONS 1.- Vérin rotatif, à loi d'effort incorporéepouvant avantageusement, mais non exclusivement équiper un système decommandede vol d'un aérodyne usuel, caractérisé en ce qu'il comprend,en combinaison, au moins une loi d'effort à ancrage rotatif, un dispositif de débrayage de l'ancrage, un dispositif d'amortissement en position débrayée de l'ancrage, et, éventuellement, un organe de détection du déplacement de l'axe de sortie par rapport au point d'ancrage, un organe de détection du déplacement du point d'ancrage par rapport à la structure, et enfin une motorisation de l'ancrage couplée au susdit dispositif de débrayage. 2.- Vérin rotatif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi d'effort comprend au moins un moyen élastique travaillant à la torsion, par exemple un ressort de torsion. 3.- Vérin rotatif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la loi d'effort comporte essentiellement s - un fourreau tubulaire monté pivotant sur une structure fixe, ce fourreau comprenant des moyens d'entraînement et/ou de transmission, tels que,par exemple,une couronne dentée t - un axe de sortie monté pivotant à l'intérieur dudit fourreau, coaxialement à celui-ci t - un ressort hélicoïdal disposé dans l'intervalle dudit axe de sortie et dudit fourreau, ce ressort étant solidaire, à chacune de ses extrémités, d'une pièce,par exemple en forme de secteur circulaire, pouvant pivoter autour dudit arbre de sortie, et - des liaisons mécaniques entre le fourreau, le ressort et l'arbre de sortie1 comprenant deux butées solidaires du fourreau et deux goupilles solidaires de l'axe de sortie, ces butées et goupilles étant disposées de manière à ce que chacune des susdites pièces puisse venir au contact et entrainer ou être entratnée par une butée ou une goupille correspondante. 4.- Vérin selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'arbre de sortie entraîne le curseur d'un poten tiomètre rotatif solidaire de la structure fixe. 5.- Vérin selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un micro-interrupteur associé au susdit arbre de sortie et au susdit fourreau. 6.- Vérin selon l'une des revendications précédentes, caracté risé en ce que le dispositif de débrayage de l'ancrage et, en conséquence du susdit fourreau, est un débrayage électromagnétique à disques. 7o- Vérin selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'amortissement est un amortisseur à courant de FoucaultO 8.- Vérin selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend, pour l'entrainement du susdit fourreau un motoréducteur relié au susdit embrayage, en ce que ledit embrayage entrain, d'une part, un amortisseur à courant de Foucault, et, d'autre part, un second réducteur dont le pignon de sortie engrène avec la couronne dentée dudit fourreau0 9.- Vérin selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que tous ses éléments constitutifs sont incorporés dans un carter compact et étanche,