Brevet FR2533644A1 — publié le 19840330

_ VERIN HYDRAULIQUE A CHAMBRES MULTIPLES COAXIALES ET SYSTEMES DE COMMANDE PAR VERINS SYNCHRONISES DE CE TYPE L'invention est relative aux vérins hydrauliques compre- nant des chambres en nombre supérieur-à deux Les vérins de ce type comportent par exemple deux cylindres dont l'un, que l'on peut dénommer "cylindre de travail" enclôt un piston destiné à appliquer un effort de déplacement à une structure mobile et dont l'autre, que l'on peut dénom- mer "cylindre pilote" enclôt un piston lié mécaniquement ou hydrauliquement au piston du cylindre de travail et est notamment utilisé dans un circuit hydraulique comportant le cylindre pilote d'au moins un autre vérin pour imposer des courses synchrones à tous les pistons des cylindres de travail Une synchronisation est en effet nécessaire dans tous les ensembles d'éléments de structure mobile dont les liaisons mutuelles ont une rigidité faible ou nulle, et une synchronisation hydraulique des vérins de commande permet d'éviter les complications d'un système de synchro- nisation mécanique. On connait déjà, notamment par le brevet français 2 433 661, de tels systèmes de vérins hydrauliques qui sont utilisés pour actionner des inverseurs de poussée de turboréacteurs En vue de conférer à de tels systèmes un encombrement minimal et une rigidité maximale, chaque vérin est à double cylindre et est du genre comportant -un "cylindre de travail" dans lequel peut coulisser un premier piston sur lequel est fixée une tige cylindrique reliée à la structure mobile commandée, un "cylindre pilote" formé à l'intérieur de ladite tige et contenant un second piston fixé entre deux conduits -2- rigides dont l'un traverse une première chambre du "cy- lindre pilote", le premier piston et une première cham- bre du "cylindre de travail" et l'autre traverse la se- conde chambre du "cylindre pilote", la seconde chambre annulaire du "cylindre de travail" entourant le "cylin- dre pilote" qui se déplace dans cette chambre en même temps que le premier piston séparant les deux chambres du "cylindre de travail". En outre, chaque chambre du "cylindre pilote" communique à travers un passage dans le second piston avec le conduit fixé sur sa face opposée Selon ces dispositions, la pous- sée différentielle appliquée au second piston sous l'effet des pressions hydrauliques qui règnent respectivement dans les deux chambres que sépare ce second piston est trans- mise au premier piston lié à la tige du vérin. On verra plus loin, dans le cours de la présente descrip- tion, pourquoi cette réalisation de l'art antérieur pré- sente des inconvénients, à savoir la fragilité de certains organes, un encombrement longitudinal important et la nécessaire complication des liaisons à établir entre la tige du vérin et la structure à mouvoir. Un premier objet de l'invention est de fournir un vérin du genre précité comprenant des chambres en nombre supérieur a deux qui est exempt de ces inconvénients et qui présente en outre l'avantage de n'exiger que trois canalisations de circulation de liquide pour commander ledit vérin, au lieu de quatre dans la réalisation de l'art antérieur précitée, ce qui permet de mettre en oeuvre, dans un système de vérins synchronisés un ensemble de canalisations d'un encombrement plus faible et d'un montage plus simple. Un vérin hydraulique conforme à l'invention est caractérisé en ce que le corps du cylindre comporte intérieurement une paroi fixe cylindrique mitoyenne entre une enceinte cylin- drique centrale et une enceinte annulaire, un piston central mobile dans l'enceinte centrale la sépare en deux chambres, un piston annulaire coulisse dans l'enceinte annulaire et la sépare en deux chambres, les pistons sont tous deux liés rigidement à la tige du vérin, liée elle-même à l'organe commandé, la paroi mitoyenne est traversée par au moins un orifice qui fait communiquer la chambre cylindrique et la cham- bre annulaire toutes deux situées du côté de la tige, la section de la chambre annulaire est égale à la somme des sections des deux chambres situées du côté de la tige. Avantageusement, en vue d'accro Stre la poussée du vérin la tige est double-et comporte une tige cylindrique liée au piston cylindrique et une tige de section annulaire entourant à distance la paroi mitoyenne et ladite tige cylindrique et liée au piston annulaire, ces deux tiges émergent toutes deux du fond de vérin côté tige par des traversées étanches et sont liées par un fond étanche qui délimite avec ledit fond de vérin et avec la tige annulaire une cinquième chambre qui commu- nique par un canal ménagé dans la longueur de la tige -4- cylindrique et dans le piston cylindrique avec la chambre cylindrique située du côté dudit piston opposé a la tige cylindrique et la tige de section annulaire est en outre traversée à proximité du piston annulaire par au moins un orifice qui met en communication les deux portions annulaires de chambre que ladite tige sépare dans la chambre de sec- tion annulaire qu'elle traverse. Un autre objet de l'invention est un système de vérins synchronisés qui est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux vérins conformes à l'inven- tion et des moyens de mettre en communication la chambre de section annulaire de l'un desdits vérins située du côté de la tige annulaire par rapport au piston annulaire avec la chambre de section annulaire de l'autre vérin située du côté opposé à la tige annulaire par rapport au piston annulaire. Les dispositions de l'invention et les avantages qui en découlent seront mieux compris à la lecture des descrip- tions d'exemples de réalisation qui suivent et qui se réfèrent aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un schéma rappelant l'organisation générale d'un système de vérins synchronisés à double cylindre, la figure 2 est un schéma de constitution d'un vérin à deux cylindres co-axiaux du genre connu par la demande de brevet français 2 433 661 précitée, la figure 3 est une section axiale d'un exemple de réalisation d'un vérin a deux cylindres co-axiaux - conforme à l'invention, la figure 4 est un schéma de constitution du même vérin, la figure 5 est un schéma de l'organisation générale d'un système de vérins synchronisés a simple effet, conforme à l'invention, la figure 6 est un schéma similaire à celui de la figure 5 dans lequel les vérins sont utilisés comme vérins à double effet et la figure 7 est une demi-coupe longitudinale d'une partie du piston annulaire d'un vérin conforme à l'invention, ce piston étant muni, conformément à l'invention, d'un dispositif de sécurité de fin de course. Les flèches portées par les canalisations indiquent le sens de circulation du liquide imposant l'extension du ou des vérins représentés. La figure 1 montre donc une pluralité de vérins à double cylindre, à savoir, dans l'exemple considéré, trois vérins VI, V 2 et V 3 identiques Chacun d'entre eux comprend dans un cylindre 10, un piston Il lié par une tige 12 à la structure ST à mouvoir et divisant la capacité dudit cylindre en deux chambres, à savoir une chambre B située du côté de la face dudit piston liée à ladite tige et munie d'un raccord d'adduction b et une chambre A située du côté de la face opposée et munie d'un raccord d'ad- duction a; dans un cyclindre 15, un piston 16 lié par une-tige 17 6 - et par une traverse 18 à la tige 12 et divisant la capacité dudit cylindre en deux chambres, à savoir une chambre D située du côté de la face dudit piston liée à ladite traverse et munie d'un raccord d'adduction d et une chambre C située du côté de la face opposée et munie d'un raccord d'adduction c; le côté du cylindre opposé à la sortie de la tige 17 est traversé par une contre- tige 17 ' du même diamètre. Le cylindre 10 et le cylindre 15 de chaque vérin sont liés rigidement l'un à l'autre et à un bâti commun, ce que l'on a symbolisé par des hachures Tous les raccords a sont connectes en parallèle par des canalisations R a l'un des orifices d'adduction d'une unité de commande hydraulique U, tandis que tous les raccords b sont connectés en parallèle par des canalisations S à l'autre orifice d'adduction de ladite unité Les vérins VI, V 2 et V 3 fonctionnent donc en vérins à double effet D'après le sens des flèches portées par les canalisations, on voit que le cas envisagé dans la figure est celui o les canalisations R refoulent le li- quide dans les chambres A tandis que les pistons Il refou- lent le liquide des chambres B dans les canalisations S. Quant au raccord d de chaque vérin, il est connecté par une canalisation T au raccord c du vérin dont l'indice suit, en observant les règles de la permutation circu- laire. Par exemple, dans le cas des trois vérins considérés le raccord d de V 1 est connecté au raccord c de V 2, le raccord d de V 2 est connecté au raccord c de V 3 et le raccord d de V 3 est connecté au raccord c de VI. En raison de l'incompressibilité du liquide des chambres C 7 _ et D, il s'ensuit que les pistons 16 s'imposent mutuel- lement une même position dans leurs cylindres 15 et que chacun d'entre eux impose cette position au piston Il correspondant dans son cylindre 10 Les cylindres 10 peuvent être appelés "cylindres de travail" car chacun d'eux exerce, par l'intermédiaire de son piston 11, une poussée différentielle, positive ou négative, résultant des pressions admises respectivement dans les chambres A et B Les cylindres 15 peuvent être appelés "cylindres pilotes" car la poussée différentielle que chacun exerce sur la tige 12 du cylindre 10 correspondant constitue un terme de correction de poussée qui s'additionne algébri- quement à la poussée exercée par le piston Il pour obtenir une élongation identique de tous les vérins Tous les points de la structure ST liés aux tiges 12 subissent donc une translation identique. Si son principe de fonctionnement est irréprochable, la forme de réalisation de la figure 1 présente des incon- vénients notables, à savoir: l'encombrement latéral et longitudinal de chaque vérin double, la complication de l'usinage et du montage, le manque de rigidité des liaisons entre les deux tiges de pistons d'un même vérin, etc Le vérin double proposé par la demande de brevet précitée, illustré par la figure 2, ne présente pas ces inconvé- nients, du fait que les cylindres sont co-axiaux Les chambres et raccords qui assurent les mêmes fonctions que dans les vérins doubles de la figure 1 sont désignés par les mêmes lettres que dans celle-ci. Le cylindre de-travail 20, qui porte le raccord a (commu- 8 - niquant avec la chambre A) et le raccord b (communiquant avec la chambre B) loge le piston 21 Celui-ci porte une tige 22 en forme de cloche qui émerge du fond du cylindre par une traversée étanche et qui joue à la fois le rôle de tige transmettant l'effort du vérin et le rôle de cy- lindre pilote En effet, un piston 23, autour duquel cou- lisse la cloche 22, est supporté, du côté du fond 24 du cylindre 20 opposé à la cloche, par un arbre creux 25 por- tant le raccord c et lié de façon étanche audit fond 24 et, du côté de la cloche, par un arbre creux 26 qui porte le raccord d et qui traverse la cloche par une traversée étanche. Le cylindre pilote constitué par la cloche 22 est donc mobile par rapport au cylindre de travail 20 tandis que le piston 23, logé dans ce cylindre pilote, est mobile par rapport à celui-ci mais fixe par rapport au cylindre de travail 20. Le piston 23 est traversé par des orifices c' et d' grâce auxquels, respectivement, l'arbre creux 25 met en communi- cation le raccord c avec la chambre C (portion de la clo- che 22 qui entoure l'arbre creux 26) pendant que l'arbre creux 26 met en communication le raccord d avec la chambre D (portion de la cloche 22 qui entoure l'arbre creux 25). Par conséquent, de même que dans les exemples de vérins doubles de la figure 1, la poussée différentielle exercée sur le piston 21 par les pressions qui règnent d'une part dans la chambre A, connectée a une canalisation R par le raccord a et d'autre part dans la chambre B, connectée a une canalisation S par le raccord b, est corrigée par la poussée différentielle due aux pressions qui règnent respectivement dans les chambres C et D, dont l'une est connectée à une canalisation T par le raccord c -et l'autre à une autre canalisation T' par le raccord d. L'examen de la figure 2 montre que cette forme de réalisa- tion de vérins doubles de l'art antérieur présente les inconvénients suivants, qui peuvent être fort gênants encombrement longitudinal sensiblement plus grand fen tous cas, côté tige de commande que celui des vérins doubles de la figure 1 en raison de la présence de l'arbre creux 26, difficulté de réalisation de l'accrochage de la tige 22 a la structure à mouvoir (non représentée) car, pour centrer les poussées sur l'axe général du vérin, il est nécessaire de prévoir des points d'accrochage multiples (représentés par des oreilles 27) symétriques par rap- port aà l'arbre 26 et de lier ces points d'accrochage à la structure par des liaisons dont la longueur dépasse celle de l'arbre 26. On considère maintenant la figure 3 qui montre la consti- tution détaillée d'un vérin à double cylindre de l'inven- tion, dans lequel ces inconvénients ont disparu. Les éléments de structure auxquels le vérin doit imprimer un mouvement relatif ne sont pas représentés Le fond 31 côté pied du cylindre double 30 est par exemple fixe a l'un de ces éléments par une oreille 32 La tige externe 64 du piston double 60 (voir plus loin), qui émerge du fond 33 côté tête du cylindre, est par exemple fixée à l'autre élément par une oreille 66. La paroi médiane annulaire 34 est mitoyenne de la cavité centrale 51 du cylindre et de la cavité périphérique 52 qui est délimitée extérieurement par la paroi externe 35. Celle-ci porte près du fond 31 un bossage de raccord 36 et près du fond 33 un bossage de raccord 37 Ces deux bos- sages forés permettent le raccordement de la cavité 52 Z 533644 - avec des tubulures non représentées Le fond 31 porte un bossage foré 38 qui permet le raccordement de la cavité 51 avec une troisième tubulure non représentée. Dans la paroi médiane 34, près du fond 33, des lumières 39 permettent la communication entre les deux cavités 51 et 52. Quant au piston double 60, il est constitué d'une part, par le piston central 61 qui coulisse dans la cavité centrale 51 et porte la tige 63 qui émerge du fond 33 par une ouverture centrale 41, d'autre part, par le piston annulaire 62 qui coulisse dans la cavité annulaire 52 et qui porte la tige péri- phérique 64, en forme de virole, qui émerge du fond 33 par une ouverture annulaire 42. A l'extérieur du cylindre, les tiges 63 et 64 sont liées par un fond 65 qui clot la cavité de la tige 64 pour former une cloche étanche et qui porte l'oreille 66. Le pourtour du piston central 61, les pourtours interne et externe du piston annulaire 62, le pourtour de l'ouverture 41 et les pourtours externe et interne de l'ouverture 42 portent des joints toriques d'étanchéité. Un canal axial 71 est foré dans le piston central 61 et dans la tige centrale 63 et communique avec au moins une lumière 72 qui débouche dans le pourtour de la tige 63 à proximité du fond 65 Des lumières 73 traversent la tige périphérique 64 A proximité du piston 62. Le piston double 60 coopère ainsi avec le cylindre 30 pour délimiter cinq chambres, à savoir: une chambre A délimitée par le fond 31, le piston central 61 et la paroi annulaire médiane 34, une chambre B délimitée par le piston central 61, la 11 - tige centrale 63, la paroi médiane 34 et le fond 33 une chambre C délimitée par le fond 31, le piston annulaire 62, la paroi médiane 34 et la paroi externe , une chambre D délimitée par le piston annulaire 62, le fond 33 et les parois 34 et 35 (les lumières 73 permettant l'équilibrage des pressions de part et d'autre de la paroi mobile constituée par la tige 64) et une chambre E délimitée par le fond de cylindre 330 les tiges 63 et 64 et le fond de tige 65. Les chambres A et E qui communiquent par le canal 71 et par les lumières 72, sont donc toutes deux en communica- tion avec une tubulure éventuellement connectée à l'alé- sage du bossage central 38 Les chambres B et D, qui com- muniquent par les lumières 39, sont toutes deux en commu- nication avec une tubulure éventuellement connectée à l'alésage du bossage 37 La chambre C est seule a commu- niquer avec une tubulure éventuellement connectée à l'al- sage du bossage 36. On a représenté sur la figure 3, sous la forme de lignes de cotes diamëtrales les sections transversales suivantes si: section intérieure délimitée par la paroi externe s 2: section extérieure occupée par la paroi médiane 34 s 3: section extérieure occupée par la tige annulaire 64 s 4: section intérieure délimitée par la paroi médiane s 5: section extérieure de la tige centrale 63 et S 6: section intérieure délimitée par la tige 12 - annulaire 64. Les valeurs de ces sections seront utilisées plus loin pour déterminer les conditions permettant d'assurer une synchronisation correcte des mouvements de plusieurs vérins conformes à l'invention dans un système de vérins synchronisés. On considère maintenant la figure 4 qui représente le vérin de la figure 3, conforme à l'invention, sous une forme schématique analogue à celle déjà utilisée dans les figures 1 et 2 relatives à des vérins a double cylindre de l'art antérieur On y retrouve les pistons 61 et 62 qui séparent, le premier,les chambres A et B et, le deuxième, les chambres C et D On y retrouve en outre le piston supplémentaire constitué par le fond 65 qui lie la tige centrale 63 et la tige annulaire 64 Les raccords a, c et d permettent respectivement la liaison de tuyauteries avec la chambre A (bossage 38 de la figure 3), la chambre C (bossage 36) et la chambre D (bossage 37). Il est a remarquer que dans la solution préférée et représentée, les deux pistons sont disposés dans un même plan transversal en vue d'éviter la présence de volumes résiduels en fin de course. Bien que conçu pour constituer avec d'autres vérins iden- tiques un système de vérins synchronisés, le vérin de l'invention est utilisable comme vérin isolé Pour l'uti- liser comme vérin isolé à simple effet, il suffit de relier les raccords a et c à une même source de pression et de relier le raccord d a l'air libre (si les chambres B et D sont vides) ou à une bâche (si les chambres B et D contiennent du liquide) La pression dans les chambres A, 2 833644 13 - C et E provoque l'extension du vérin et l'annulation de cette pression provoque la rétraction sous l'effet de la réaction de la charge appliquée à l'oreille 66. Pour utiliser le vérin de l'invention comme vérin isolé à double effet, on peut, pour obtenir l'extension, commuter la source de pression sur les chambres A et E (raccord a) ou sur les chambres A, C et E (raccords a et c) La ré- traction est obtenue par commutation de la source de pression sur les chambres B et D (raccord d). On considère maintenant les figures 5 et 6 relatives a un système de vérins synchronisés mettant en oeuvre un nombre N de vérins conformes à l'invention On voit sur ces fi- gures quatre vérins, respectivement repérés V'l, V'2, V'3 et V'4 La figure 5 illustre le cas o ces vérins sont utilisés comme vérins à simple effet et la figure 6 illus- tre le cas o ils sont utilisés comme vérins à double effet La source de pression est représentée par-un dis- tributeur permettant de commuter les canalisations de liaison soit sur un réservoir sous pression soit sur une bâche pour constituer ainsi une unité de commande U. Dans les deux cas d'utilisation, l'extension des vérins est obtenue par l'injection du liquide sous pression dans les raccords a (chambres A et E) alimentés en parallèle par des canalisations R. Pour l'utilisation en simple effet, le raccord d de chaque vérin est connecté au raccord c du vérin qui le suit dans l'ordre des indices et des repères, en utilisant les rè- gles de la permutation circulaire Plus précisément, si l'on désigne par c(J) et d(J) les raccords c et d d'un vérin V'(J), J prenant les valeurs discrètes de 1 à N, un raccord quelconque d(J) est connecté au moyen d'une cana- 14 - lisation T au raccord c(J+l), à l'exception du raccord d(N) ici, le raccord d du vérin V'4 relié au raccord c( 1) ici, le raccord c du vérin V'1 au moyen de la canalisation TI Les vérins sont ainsi connectés les uns aux autres en boucle fermée et se pilotant mutuellement. Pour l'utilisation en double effet, comme représenté à la figure 6, les canalisations T subsistent et une canali- sation T 2 relie le raccord d(N) à l'unité de commande U pour permettre la circulation du liquide de la pompe Le raccord c(l) est alimenté au moyen d'une canalisation T 3 en parallèle avec le raccord a(l) Le passage de l'exten- sion à la rétraction s'obtient par inversion du sens de circulation du liquide hydraulique en agissant sur le distributeur. Dans les deux cas, afin d'obtenir des courses synchrones des tiges 60 liées à la structure ST, la section active de la chambre C doit être égale à la somme des sections ac- tives des chambres B et D Autrement dit, si on se reporte à la figure 3, on voit que les cotes des organes en jeu doivent être telles que: si S 2 = sl S 3 + S 6 S 2 + S 4 S 5 c'est-à-dire que: s 4 S 5 = S 3 S 6 Cette condition est aisément réalisable en assignant des valeurs adéquates au diamètre intérieur de la paroi me- diane 34, au diamètre de la tige centrale 63 et aux dia- mètres extérieur et intérieur de la tige annulaire 64. Il suffit de comparer les schémas des figures 1 ou 2, 2533-6-44 - d'une part, et 5 ou 6, d'autre part, pour constater que, du fait que le vérin de l'invention ne comporte que trois raccords, les systèmes de vérins synchronisés-qu'il permet de constituer mettent en oeuvre des canalisations de liai- son en nombre plus réduit et sont d'un montage plus sim- ple que le système de vérins de l'art antérieur. Il suffit de comparer les schémas des figures 2 et 4 pour constater que, par rapport au vérin du brevet français précité, le vérin de l'invention présente effectivement les avantages suivants, en raison de la suppression des arbres creux 25 et 26: - encombrement longitudinal plus réduit, raccourcissement des liaisons entre la tige et la structure à mouvoir, suppression d'organes fragiles et peu rigides. Dans de tels vérins complexes, de légers défauts de syn- chronisation dans le système de vérins peuvent provenir de petites fuites au droit des joints Bien entendu, on pour- ra compenser ces fuites par un moyen connu, tel que celui représenté par exemple à la figure 7 Le piston 62 du cy- lindre pilote de chaque vérin comporte un dispositif équi- librant automatiquement en fin de course les pressions qui règnent de part et d'autre de ce piston Ce dispositif peut consister par exemple en un clapet 81 logé dans un orifice 80 ménagé dans le piston Ce clapet est maintenu contre son siège par un ressort 83 et porte un poussoir 82 orienté vers la paroi 33 qui le repousse en fin de course. Si le vérin est destiné à fonctionner en double effet, on peut avantageusement loger dans le même piston un deuxième clapet identique mais dont le poussoir est orienté vers la paroi 31 (figure 3). 16 - REVENDICATIONS 1 Verin hydraulique du type comprenant des chambres en nombre supérieur à deux, caractérisé en ce que: le corps du cylindre ( 35) comporte intérieurement une paroi fixe cylindrique ( 34) mitoyenne entre une enceinte cylindrique ( 51) centrale, et une enceinte annulaire ( 52) un piston central ( 61) mobile dans l'enceinte centrale ( 51) la sépare en deux chambres (A) et (B) un piston annulaire ( 62) coulisse dans l'enceinte annulaire ( 52) et la sépare en deux chambres (C) et (D) les pistons ( 61, 62) sont tous deux liés rigidement à la tige du vérin ( 63, 64, 65), liée elle-même à l'organe commandé la paroi mitoyenne ( 34) est traversée par au moins un orifice ( 39) qui fait communiquer la chambre cylindrique (B) et la chambre annulaire (D), toutes deux situées du côté de la tige la section de la chambre annulaire (C) située du côté fixe est égale à la somme des sections des deux chambres (B) et (D) situées du côté de la tige. 2 Vérin hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que: la tige est double et comprend une tige cylindrique ( 63) liée au piston cylindrique ( 61) et une tige de section annulaire ( 64) liée au piston annulaire ( 62) ces deux tiges émergent du fond de vérin ( 33) côté tige par des traversées étanches ( 41, 42) et sont liées par un fond étanche ( 65) qui délimite avec ledit fond de vérin et avec la tige annulaire une cinquième chambre (E) qui communique avec la chambre cylindrique (A) si- tuée du côté du piston cylindrique opposé à ia tige par un canal ( 71, 72) traversant ledit piston et parcourant 17 - la longueur de ladite tige cylindrique et la tige de section annulaire ( 64) est traversée à proximité du piston annulaire par au moins un orifice ( 73) qui met en communication les deux portions annu- laires de chambre que ladite tige sépare dans la chambre annulaire (D) qu'elle traverse. 3 Système de vérins synchronisés, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux vérins (V'1, V'2) selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2 et des moyens (T) de met- tre en communication la chambre de section annulaire (D) de l'un desdits vérins (V'1) située du côté de la tige annulaire par rapport au piston annulaire avec la chambre de section annulaire (C) de l'autre vérin (V'2) située du côté opposé à la tige annulaire par rapport au piston an- nulaire.