Brevet FR2491559A1 — publié le 19820409

Générateur de pression hydraulique et/ou dispositif d'alimentation en fluide de pression. La présente invention concerne un générateur de pression hydraulique et/ou un dispositif d'alimentation en fluide de pression, en particulier pour des dispositifs de charge de machines à essais, comprenant des moyens générateurs de pression ainsi qu'une enceinte dans laquelle se trouve un fluide de pression. Pour engendrer une pression et alimenter un fluide de pression à des dispositifs de charge, en particulier pour des machines à essais, on a utilisé jusqu'ici exclusivement des postes hydrauliques à pompes ou à accumulateurs hydrau- liques. Ces dispositifs sont techniquement très compliqués et exigent beaucoup de place. Les éléments nécessaires sont constitués par exemple par des ensembles d'entraînement et de pompage, des conduites d'alimentation, des soupapes de commande, des dispositifs de commutation et de régulation, etc. En outre, les dispositifs qui sont entraînés par un fluide de pression, et en particulier les dispositifs de charge qui fonctionnent avec des dispositifs de commande ou de régulation servohydrauliques, sont limités dans la gamme de leurs fréquences. L'objet de la présente invention est un dispositif simplifié de génération de pression et d'alimentation d'un fluide de pression, en particulier pour des dispositifs de charge de machines à essais, fonctionnant sans les postes de pompage traditionnels et répondant aux exigences élevées de régulation. Ce problème est résolu du fait que les moyens générateurs de pression sont constitués par un certain nombre de jeux d'éléments piézoélectriques qui sont disposés dans un loge- ment et qui agissent sur le fluide de pression lorsqu'ils sont soumis à une excitation électrique de manière que le fluide de pression soit refoulé et/ou qu'une pression soit créée. Le logement est constitué sous forme d'un cylindre hydraulique dans lequel est disposé un piston soumis à l'action du fluide de pression et comprenant au moins une tige sortant vers l'extérieur. Les jeux d'éléments piézoélectriques sont disposés des deux côtés du piston dans le cylindre. En variante, le logement peut être constitué sous forme d'un cylindre en tube ondulé fermé sur ses deux côtés frontaux. Le logement comprend des soupapes d'entrée et de sortie fonctionnant automatiquement. Plusieurs logements peuvent être raccordés pour former un ensemble. Quant aux éléments piézoélectriques, ils peu- vent être disposés dans les parois du logement ou du cylin- dre. Avantageusement, ils sont disposés dans les parois du logement ou du cylindre en forme d'étoiles. Ils sont polari- sés uni-dimensionnellement et/ou pluri-dimensionnellement. L'amplitude et/ou la fréquence de l'excitation électri- que, et de ce fait du parcours de déformation et/ou de la vitesse de déformation des éléments piézoélectriques peut être commandée ou régulée. Selon l'invention, des disposi- tifs hydrauliques de commande et/ou de régulation addition- nels peuvent être disposés dans le logement ou le cylindre avec une servovanne. L'invention repose sur la propriété connue que présen- tent les éléments piézoélectriques à se déformer quand ils sont soumis à une excitation électrique et à changer de dimension dans au moins une direction axiale, ou encore de produire des forces correspondant aux déformations. Quand on monte des éléments individuels les uns après les autres (en formant des empilements)-, on peut obtenir des modifications de longueur ou de volume que l'on peut exploiter technique- ment. Selon la présente invention, il est proposé d'engendrer directement une pression ou d'alimenter directement en fluide de pression des dispositifs utilisateurs en évitant les dispositions traditionnelles. L'invention permet de produire directement l'énergie de pression à l'endroit o elle est nécessaire, par exemple dans des cylindres de charge hydrauliques. Les ensembles de pompage, les conduites d'alimentation, les soupapes de commande, etc. deviennent alors inutiles. Le comportement au réglage du dispositif selon l'invention est particulièrement avantageux du fait que les éléments piézoélectriques peuvent être excités à des fréquences que l'on ne peut pas atteindre quand il s'agit par exemple de dispositifs à servovannes. On peut obtenir des valeurs de consigne prédéterminées avec une plus grande précision du fait que les éléments piézoélectriques peuvent être commandés de façon particulièrement fine. On connaît sous des formes de réalisation diverses des dispositifs dans lesquels les éléments piézoélectriques agissent sur un fluide de pression. Ils servent par exemple à la production de courants de fluide de pression faibles et non pulsés (demande allemande DE-OS 27 07 713) ou pour la commande de soupape d'injection de moteurs à combustion interne. Mais les dispositifs connus ne peuvent être utili- sés pour des installations telles que celles qui sont néces- saires par exemple pour l'alimentation en fluide de pression ou la génération de pression pour des dispositifs de-charge hydraulique de machines à essais et qui doivent produire des forces importantes. L'invention sera expliquée plus en détail à l'aide d'exemples de réalisation et avec référence aux dessins schématiques ci-annexés dans lesquels: la figure 1 représente un cylindre de charge hydraulique à éléments piézoélectriques (vu en coupe longitudinale), la figure 2 représente un cylindre en tube ondulé dans lequel sont incorporés des éléments piézoélectriques (vu en coupe longitudinale), la figure 3 représente un cylindre creux à éléments piézoélectriques, constitué sous forme d'un dispositif d'alimentation de fluide de pression vu (en coupe longitudi- nale), la figure 4 représente un cylindre de charge hydraulique comprenant des éléments piézoélectriques dans les parois du cylindre (vu en coupe longitudinale). La figure 1 représente un cylindre de charge hydraulique 1 comprenant un piston 2 et une tige de piston 3 sortant sur un côté à l'extérieur. Le piston peut également comprendre une tige sur les deux côtés. La tige de piston 3 peut être raccordée par exemple à un échantillon à tester sur lequel doit être appliquée une charge statique ou dynamique. Dans l'enceinte 4 du cylindre 1 se trouve un fluide de pression qui est amené par l'intermédiaire de raccords ou de condui- tes qui ne sont pas représentés. Sur les deux côtés du piston 1 sont disposés des élé- ments piézoélectriques 5 à l'intérieur de l'enceinte 4 du cylindre. Les éléments piézoélectriques sont constitués par des jeux d'éléments formés par l'empilement d'éléments individuels. Chaque empilement est constitué par exemple par un certain nombre d'éléments en forme de disques et raccor- dés les uns aux autres. Les empilements individuels ou jeux d'éléments sont montés en parallèle, comme représenté. Quand il y a une excitation électrique, c'est-à-dire quand on applique une tension U, les jeux individuels d'élé- ments de l'exemple de réalisation représenté se modifient en longueur, (comme indiqué en tireté). On n'excite simultané- ment que les éléments piézoélectriques 5 se trouvant sur un côté du piston 2. Ils provoquent de ce fait dans le cylindre 1 un refoulement du fluide de pression ou une pression dans le fluide de pression se trouvant dans l'enceinte 4 du cylindre. Une force est alors exercée sur le piston 2 et elle peut être transmise à l'extérieur sous forme d'une force de traction ou de pression par l'intermédiaire de la tige de piston 3. En modifiant l'excitation des éléments piézoélectriques 5 disposés sur les deux côtés du piston 2, on peut engendrer un mouvement de va-et-vient ou oscillant du piston 2 et de la tige de piston 3. On peut ainsi engen- drer des forces aussi bien statiques que dynamiques dans les deux directions du mouvement du piston et de la tige de piston. Quand il s'agit de mouvements dynamiques, il est alors possible de travailler à des fréquences situées dans la gamme des kilohertz, c'està-dire de produire des mouvements oscillants très rapides (par exemple une excitation obtenue par résonance). En général, on prévoit que la surface active ou de 2 4 9 155 9 refoulement du fluide de pression des éléments piézoélectri- ques 5 disposés des deux côtés du piston 2 a une importance égale. Grâce au cylindre représenté, on peut alors produire des forces ou des courses d'importance égale dans les deux directions des mouvements du piston et de la tige de piston (voir double flèche). L'importance de la surface actice des éléments piézoélectriques 5 peut cependant être différente et adaptée à des cas d'utilisation divers. Le piston 2 peut se trouver, en fonctionnement, dans une position telle que représentée à la figure 1, ou dans une position centrale quelconque à l'intérieur du cylindre 1. Le fluide de pres- sion, comme déjà mentionné, est amené dans l'enceinte du cylindre par des raccords non représentés et de manière que le piston atteigne la position désirée à l'intérieur du cylindre. La figure 2 représente un cylindre en tube ondulé 10 dans lequel sont disposés de façon appropriée des jeux d'éléments piézoélectriques 5 montés en parallèle. L'espace libre à l'intérieur du cylindre est alors rempli par un fluide de pression qui est amené dans le cylindre par des raccords non représentés. Lorsqu'il y a excitation électri- que, les éléments piézoélectriques augmentent de longueur (position représentée en tireté) ou en volume, ce qui re- foule le fluide de pression. Le refoulement du fluide de pression engendre une force qui est appliquée à la plaque de fermeture 11 du cylindre ondulé et creux 10, ou bien qui déplace la plaque dans la direction de la flèche. Le rappel du dispositif à sa position de départ peut être obtenu par exemple par un ressort, mais on peut égale- ment utiliser la force élastique du cylindre tubulaire ondulé 10. La disposition représentée peut être utilisée par exemple pour constituer un organe générateur de force indé- pendant ou une unité de charge. Le rassemblement en commun de plusieurs unités est également possible. La disposition de la figure 3 sert de dispositif d'ali- mentation de fluide de pression (pompe) ou de générateur de pression. Les éléments piézoélectriques 5 sont disposés dans un logement 20 de manière appropriée. Ces éléments remplissent pratiquement complètement l'espace interne du logement. Dans l'espace libre restant à l'intérieur du logement se trouve un fluide de pression. Le fluide de pression peut être prélevé d'un réservoir de stockage 23 par l'intermédiaire d'une conduite d'amenée 21 et d'une soupape de retenue 22. Le fluide de pression peut être envoyé à un dispositif utilisateur (P, Qv) par l'intermédiaire d'une autre soupape de retenue 25 inversée et d'une conduite de raccordement 26. Comme représenté sur le dessin, les jeux individuels d'éléments piézoélectriques 5 sont montés en parallèle. Les jeux d'éléments sont excités de manière qu'ils se dilatent et se contractent de façon intermittente. Le dispositif, dans ce mode de réalisation, fonctionne comme une pompe qui prélève le fluide de pression d'un réservoir de stockage 23 et l'envoie à la pression désirée à un dispositif utilisa- teur. En raccordant ensemble plusieurs éléments de pompe du type décrit, on peut obtenir des courants de refoulement importants. La figure 4 représente de la même manière que la figure 1 un cylindre de charge hydraulique 1 comprenant un piston 2 et une tige de piston 3 sortant du cylindre sur les deux côtés. Les éléments piézoélectriques 5 sont disposés les uns contre les autres dans les parois 6 du cylindre 1 sur les deux côtés du piston 2. Les jeux individuels d'éléments piézoélectriques 5 peuvent également être répartis en forme d'étoiles sur toute la périphérie de la paroi 6 du cylindre. On peut également prévoir plusieurs rangées de groupements en forme d'étoiles disposées les unes derrière-les autres (vues en direction axiale). En outre, on peut également prévoir des éléments piézoélectriques sur les côtés frontaux du cylindre (de la même manière qu'à la figure 1). La sur- face interne, et en particulier l'alésage cylindrique du cylindre de charge 1, peut ainsi être recouverte sur sa plus grande partie par des éléments de ce type ou des jeux d'élé- ments de ce type. Les éléments piézoélectriques peuvent également être encastrés par le côté externe du cylindre de charge dans la paroi 6 du cylindre et y être fixés d'une manière appropriée. Ils peuvent en outre être disposés, contrairement à l'exemple de réalisation représenté, de manière qu'ils ne pénètrent pas dans l'alésage du cylindre quand ils sont excités électriquement. La disposition repré- sentée à la figure 4 fonctionne essentiellement comme la disposition de la figure 1. Dans les exemples de réalisation présentés sur les figures 1, 3 et 4, on peut également disposer dans les logements ou des cylindres de charge des dispositifs de commande et de régulation servo-hydrauliques à servovannes additionnels en vue de l'amenée du fluide de pression et de la commande du fluide de pression (ces éléments n'étant pas représentés). Ces dispositifs peuvent être utilisés par exemple quand il s'agit d'un fonctionnement statique ou à basse fréquence du cylindre de charge. Les dispositions d'éléments piézoélectriques seion l'invention peuvent être prévues pour des mouvements tour- nants ou des mouvements oscillants, de la même manière que pour les exemples de réalisation représentés aux figures 1 et 4, avec des cylindres longs (pour des pouvements en longueur) et également dans les enceintes à fluide de pres- sion de cylindres rotatifs (cylindres à cellules semi- rotatives). Dans les exemples de réalisation représentés, on peut utiliser comme éléments piézoélectriques des éléments qui se polarisent selon deux ou trois axes, c'est-à-dire qui se déforment dans deux ou trois directions axiales quand ils sont soumis à une excitation électrique. On choisit le nombre de jeux d'éléments dans les dispositions selon l'in- vention de manière à produire les forces ou les déplacements désirés. En prévoyant un nombre important de jeux d'éléments, on peut transmettre des puissances importantes. 8 2491559 R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Générateur de pression hydraulique et/ou dispositif d'alimentation en fluide de pression, en particulier pour des dispositifs de charge de machines à essais, comprenant des moyens générateurs de pression ainsi qu'une enceinte dans laquelle se trouve un fluide de pression, caractérisé en ce que les moyens générateurs de pression sont constitués par un cer- tain nombre de jeux d'éléments piézoélectriques (5) qui sont disposés dans un logement (1, 10, 20) et -qui agissent sur le fluide de pression lorsqu'ils sont soumis à une excitation électrique de manière que le fluide de pression soit refoulé et/ou qu'une pression soit créée. 2. - Générateur de pression hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le logement est consti- tué sous forme d'un cylindre hydraulique (1) dans lequel est disposé un piston (2) soumis à l'action du fluide de pression et comprenant au moins une tige (3) sortant vers l'extérieur. 3. - Générateur de pression hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les jeux d'éléments piézoélectriques (5) sont disposés des deux côtés du piston (2) dans le cylindre (1). 4. - Générateur de pression hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le logement est constitué sous forme d'un cylindre en tube ondulé (10) fermé sur ses deux côtés frontaux. 5. - Générateur de pression hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le logement (20) comprend des soupapes d'entrée et de sortie (22, 25) fonction- nant automatiquement. 6. - Générateur de pression hydraulique selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que plusieurs logements (10, 20) sont raccordés pour former un ensemble. 7. - Générateur de pression hydraulique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 et 5, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques (5) sont disposés dans les parois (6) du logement ou du cylindre. 8. Générateur de pression hydraulique selon la revendi- cation 7, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques (5) sont disposés dans les parois (6) du logement ou du cylindre, en forme d'étoiles. 9. Générateur de pression hydraulique selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les éléments piézoélectriques (5) sont polarisés uni-dimensionnellement et/ou pluri- dimensionnellement. 10. Générateur de pression hydraulique selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que l'amplitude et/ou la fréquence de l'excitation électrique, et de ce fait du parcours de déformation et/ou de la vitesse de déformation des éléments piézoélectriques (5), peut être commandée ou régulée. 11. Générateur de pression hydraulique selon l'une des revendications 1 à 3, 6, 7, caractérisé en ce que des dispo- sitifs hydrauliques de commande et/ou de régulation addi- tionnels sont disposés dans le logement ou le cylindre (1) avec une servovanne.