Brevet FR2534663A1 — publié le 19840420

Structure de fixation d'une pièce à un support L'invention a pour objet une structure de fixation d'une pièce à un support, destinée à maintenir la pièce dans une position invariable et bien définie même en cas de dilatations thermiques différentielles de la pièce et du support, ceci sans introduire dans la pièce de contraintes appréciables autres que celles nécessaires à son maintien (c'est-àdire celles nécessaires à l'absorption des efforts dûs à la gravité et éventuellement aux accélérations s'exerçant sur la pièce). L'invention trouve une application particulierement importante, bien que non exclusive, dans le domaine de l'optique terrestre et surtout embarquée, car des contraintes même faibles appliquées aux pièces o-ptiques peuvent les déformer au point de provoquer des aberrations optiques incompatibles avec les performances recherchées. De plus, certaines pièces optiques embarquées (par exemple miroirs destinés à un satellite) sont soumises pendant le lancement à des accélérations et des vibrations intenses. La même structure doit maintenir les pièces optiques dans une position précise et assurer une fixation robuste. De nombreuses structures de fixation ont déjà été conçues pour répondre à ces exigences. Le document FR-A2 180 252 décrit une fixation à plusieurs lames flexibles dont les extrémités sont reliées au support et à la pièce, l'une par une liaison d'encastrement, l'autre par une liaison à rotule. Cette structure permet d'arriver à une répartition et une intensité des forces développées au point de fixation avec la pièce qui restent compatibles avec les contraintes que peut accepter cette pièce. Mais la sévérité toujours accrue des spécifications exclut dans certains cas ee dispositif, du fait que le jeu qui existe toujours dans la rotule diminue la précision de positionnement. On connaît également des dispositifs de fixation utilisant plusieurs lames flexibles située-s dans un même plan perpendiculaire à l'axe de la pièce, dont les extrémités sont fixées rigidement à la pièce et à son support ce dispositif soumet la pièce à des contraintes qui peuvent être excessives en cas de variation de température et sa rigidité suivant des directions où la pièce doit être maintenue de façon précise, peut être insuffisante. La présente invention vise à fournir une structure de fixation répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle permet d'atteindre une précision élevée de positionnement lors du travail et réduit à une valeur très faible les contraintes de déformation appliquees à la pièce en cas de variation de température de l'ensemble. Dans ce but, l'invention propose une structure de fixation d'une pièce sur un support dans une position invariable par rapport au support, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins trois dispositifs de liaison répartis angulairement autour d'un axe de ladite pièce, chaque dispositif comportant une lame ayant une liaison d'encastrement avec le support, constituée et orientée de façon à présenter une rigidité en flexion beaucoup plus élevée dans les sens circonférentiel et axial que dans le sens radial par rapport audit axe. La lame a une rigidité en torsion beaucoup plus faible autour des axes circonférentiels et axiaux qu'autour de l'axe radial.Elle est fixée positivement à la pièce par l'intermédiaire d'un élément dont la rigidité en torsion autour d'une direction radiale par rapport à l'axe est très inférieure à sa rigidité en flexion et en torsion par rapport aux deux directions perpendiculaires à la précédente. Dans un mode particulièrement avantageux de réalisation de l'invention, qui permet d'éliminer de façon quasi-complète les contraintes initiales dans la pièce, chaque lame est fixée audit élément, qui constitue une poutre, par l'intermédiaire d'un joint universel, tel qu'une rotule, à faible domaine de débattement angulaire, muni de moyens de blocage dans une position où aucune contrainte autre que de supportage n'est exercée par la structure sur la pièce. L'élément peut lui-même être fixé à une embase solidarisée de façon définitive de la pièce. Cette fixation peut s'effectuer en munissant la partie terminale de l'élément d'un patin destiné à s'appliquer contre l'embase et à y être fixé par des moyens démontables, tels que des vis présentant une répartition choisie pour assurer une résistance optimale aux efforts appliqués. La poutre est avantageusement à section en forme d'étoile à plusieurs branches, tandis que la lame est en forme de V, dont les branches ont leur partie terminale fixée à la pièce et dont le sommet est fixé audit élément. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'ex-emples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, -dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe destiné à montrer les paramètres qui interviennent dans le choix et le dimensionnement de la structure de fixation d'une pièce sur un support, - la figure 2 est une vue de dessus d'une structure de support suivant un mode particulier d'exécution de l'invention, - la figure 3 est une vué en vation d'un des dispositifs de la structure de la figure 2, suivant la ligne III-III de la figure 2, - la figure 4 est une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 3, - la figure 5 est une vue de détail en perspective d'une variante de réalisation de l'élément à faible rigidité en torsion axiale de la figure 4, fixé de façon démontable à la pièce, - la figure 6 montre diverses variantes de réalisation possibles du dispositif. Avant de décrire l'invention, on rappell-era, en faisant référence à la figure 1, les données d'un problème qu'elle permet de résoudre. La figure 1 montre schématiquement un support 10 et une pièce 12 à fixer par rapport au support. Cette pièce 12 présente un axe 14 que la structure de fixation de la pièce au support doit maintenir dans une orientation inva riable. Sur la figure 1, la pièce 12 présente une symétrie de révolution autour d'un axe qui constitue l'axe 14. Mais, notamment dans les systèmes optiques, la pièce à maintenir n'est souvent pas de révolution, mais elle comporte un axe optique. La structure de fixation 16 doit tout à la fois être capable de supporter des accélérations élevées s'exerçant aussi bien parallèlement à l'axe 14 que transversalement à celui-ci, sans -que la limite élastique des matériaux qui la constituent (généralement alliages à faible dilatation tels que l'INVAR) soit atteinte et d'assurer une très grande stabilité du positionnement de la pièce à supporter après application des accélérations élevées. Ces conditions impliquent que les dispositifs cons titubant la structure, généralement au nombre de trois et également répartis angulairement autour de l'axe 14, pré sentent - une faible rigidité en flexion suivant la direction radiale-z et une faible rigidité en torsion autour des axes x, y et z de façon à minimiser les contraintes introduites dans la pièce 12 lors du montage et lors des déformations thermiques, - une rigidité et une résistance élevées aux efforts exercés suivant les directions x et y. Pour atteindre ce résultat sans pour autant introduire des jeux, la structure 16 montrée en figures 2 à 4, qu'on supposera destinée-à porter une pièce 12 constituée par un miroir sur un support 10 solidaire-de la structure d'un satellite, comporte trois dispositifs 18 ayant chacun - une lame 20 dont la surface plate est dirigée vers l'axe 14, dont la partie basse présente une liaison d'encastrement avec le support 10, - un élément 22 à faible rìgidité en torsion suivant l'axe Oz, présentant une liaison rigide avec la pièce 12 et une liaison d'encastrement avec la lame 20. Pour augmenter la rigidité de la lame 20 dans son plan, tout en lui conservant une grande souplesse de flexion dans le sens radial et une grande souplesse de torsion autour des axes axial et circonférentiel, 6n lui donne avantageusement une forme en V. Les deux branches du V sont situées dans un même plan et font un angle qui sera généraiementsupé- rieur à 9,00, un angle de l'ordre de 110 représentant souvent un bon compromis entre la nécessaire résistance au flambage, qui conduit à réduire la longueur des bras, et une souplesse faible en flexion qui conduit à l'augmenter.Etant donné au surplus que la flexion des lames perpendiculairement à leur plan fait surtout travailler les extrémités, alors que la partie centrale se déforme peu, tandis que la capacité de charge au flambage est surtout liée à l'inertie en flexion de la partie centrale de la lame, on aura intérêt à rigidifier la partie centrale de chaque lame, par exemple en lui donnant une épaisseur accrue ou une section en I. L'élément 22 à faible rigidité en torsion, mais à forte rigidité en flexion, a en fait une structure de poutre, munie d'une plaque de base 24 destinée à la fixation rigide du sommet du V constituant la lame 20. La poutre peut avoir des sections très diverses. La plus avantageuse semble être la section cruciforme indiquée en figures 4 et 5, le développement L de la branche située dans un plan perpendiculaire à l'axe 14 étant supérieur à la largeur 1 de l'autre branche et par exemple égal à 1 2. On peut toutefois utiliser d'autres formes, notamment en T (figure 6A), en Y (figure 6b) ou même en V (figure 6C). L'élément 22 et la lame 20 peuvent être constitués par usinage d'une seule pièce, par exemple en alliage à faible dilatation tel que l'INVAR. Toutefois, cette solution peut laisser subsister des contraintes résiduelles dans la pièce 12, dues à l'assemblage et au blocage des pièces. Les contraintes sont éliminées en reliant la lame 20 à l'élé- ment 22 par un joint universel, dont le débattement peut être très faible, qui est laissé libre lors du montage puis bloqué une fois les dispositifs 18 placés. Dans le mode de réalisation montré en figures 2 et 3, ce joint universel est constitué par une rotule dont l'élément mâle 25 est solidaire de la plaque de base 24, avec laquelle il peut être d'une seule pièce. Cet élément mâle, en forme d'anneau sphérique, coopère avec un élément femelle 26 de forme correspondante, d'une seule pièce avec la lame 20.Les moyens de solidarisation des deux éléments sont constitués, dans le mode de réalisation montré en figures 3 et 4, par une tige filetée 27 solidaire de l'élément mâle 25, qui traverse un trou ménagé dans l'élément femell-e 26. Un écrou 28 permet de bloquer les éléments 25 et 26 l'un par rapport à l'autre. Des rondelles à surface d'appui sphérique permettent d'éviter d'appliquer des couples dans la pièce à supporter lors du serrage de l'écrou 28. La liaison d'encastrement entre la lame 20 et le support 10 peut être assurée de diverses manières. Dans le cas illustré en figures 3 et 4, la lame porte, à l'extrémité de chaque bras, un patin d'appui 29 destiné à s'appliquer sur le support 10 et à en être solidarisé par des vis 30. Le support montré en figure 4 comporte une plaque de couverture 31 munie d'une embase encastrée et collée, recouvrant un barillet en nid d'abeille 32. Pour absorber les efforts tendant à écarter les patins 29, ces derniers sont avantageusement reliés par une semelle 33 de faible largeur et de faible épaisseur. Les dimensions et l'angle au sommet du V de la lame 20 dépendront évidemment de l'application envisagée. Toutefois, on peut remarquer que l'angle du V sera choisi en faisant un compromis entre un allongement de la longueur des lames, qui augmente la flexibilité en flexion et en torsion dans les directions où elle est recherchée, et un raccourcissement des lames, favorable à la résistance au flambage. Dans la pratique, l'angle entre les bras sera généralement supérieur à 90" et un angle de l'ordre de 1100 sera souvent avantageux. L'élément à faible rigidité 22 pourra être solidarisé de façon définitive de la pièce 12, par exemple par collage. Toutefois, il est souvent préférable de disposer d'une possibilité de démontage sans déréglage. Pour garantir une solidarisation mécanique parfaite entre la lame 20 et l'élément 22, il est préférable de ne pas prévoir une liaison démontable à ce niveau, ce qui implique de la placer entre la pièce 12 et l'élément 22. Dans le mode de réalisation montré en figure 5, l'élément 22 comporte une embase 35 prévue pour être solidarisée d'une embase fixe 36 solidarisée à demeure de la pièce 12. Etant donné que embase 35 est surtout sollicitée en flexion, on aura intérêt à prévoir des moyens de fixation proches du plan médian. Sur la figure 5, ces moyens de fixation sont des vis qui traversent des trous 36 ménagés à proximité des ailes de la poutre constituant l'élément 22.Pour renforcer la poutre dans la partie centrale, où elle reçoit les sollicitations maximales, l'embase 35 est avantageusement munie d'une nervure 37 parallèle à l'axe 14, qui s'engage avec jeu dans une rainure ménagée dans l'embase fixe 34. On donnera mainstenant, à titre d'exemple nullement limitatif, les caractéristiques d'une structure destinée à supporter une pièce 12 constituée par un miroir ayant une masse de 14 kg, la structure devant supporter une accélération de 50 g sans- que les contraintes n'atteignent la limite élastique. On peut notamment utiliser dans ce but une lame constituée par un V dont chaque branche a une largeur.de 13 mm et deux épaisseurs de 4 et 0,8 mm, les deux lames faisant un angle de 1060 . L'élément à faible rigidité 22 est constitué par une poutre à sect-ion en croix dont les lames ont respectivement une largeur de 70 et de 50 mm, l'épaisseur étant dans les deux cas de 0,55 mm. L'élément 22 présente alors une rigidité en torsion k ez = 22,4 mN/Rad, alors que sa rigidité suivant les directions x et y est de l'ordre de 107N/m. La lame destinée à assurer la flexibilité en flexion suivant l'axe z, présente un coefficient Kz de l'ordre de 104 N/m, tandis que sa rigidité dans les autres directions est de l'ordre de 107 N/m. Sa rigidité en torsion, inférieure à 20 et à 10 mN/rad autour des axes y et x, est de l'ordre de 2300 mN/rad autour de l'axe z. On arrive à des fréquences propres du miroir dépassant 270 Hz dans les directions x et y. REVENDICATIONS 1. Structure de fixation d'une pièce (12) sur un support (10) dans une position invariable par rapport au support, comprenant au moins trois dispositifs de liaison répartis angulairement autour d'un axe (14) de la pièce et comportant une lame ayant une liaison d'encastrement avec le support, la lame étant constituée et orientée de façon à présenter une rigidité en flexion beaucoup plus élevée dans les sens circonférentiel et axial que dans le sens radial par rapport audit axe, caractérisée en ce que la lame (20) est fixée positivement à la pièce (12) par l'intermédia-ire d'un élément (22) dont la rigidité en torsion autour d'une direction radiale par rapport à l'axe est très inférieure à sa rigidité en flexion et en torsion par rapport aux directions perpendiculaires à la précédente. 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la lame (20) est en forme de V dont le plan est tangentiel par rapport à l'axe, dont les bras ont une liaison d'encastrement avec le support à leur extrémité et dont le sommet présente une liaison d'encastrement avec l'élément à faible ridigité e,1 torsion (22). 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'élément à faible rigidité en torsion (22) a une constitution de poutre à section en forme d'étoile à plusieurs branches. 4. Structure selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que chaque lame (20) est fixée audit élément (22) par l'intermédiaire d'un joint universel à faible domaine de débattement angulaire, muni de moyens (27,28) de blocage dans une position où aucune contrainte autre que de supportage n'est exercée par la structure sur la pièce. 5. Structure selon la revendication 4, caractérisée en ce que le joint universel est constitué par une rotule présentant un élément mâle d'une seule pièce avec une plaque de base dudit élément à faible rigidité en torsion et une partie femelle d'une seule pièce avec a lame (20). 6. Structure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément à faible rigidité en torsion est d'une seule pièce avec une embase mobile (35) solidarisable d'une embase fixe (34) fixée à demeure à la pièce. 7. Application de la structure selon l'une quelconque des revendications précédentes à la fixation d'un miroir sur un satellite.