Brevet FR2545443A1 — publié le 19841109

t'l 2545443 "Dispositif de fixation flexible d'une charge utile sur une sur face de support, notamment d'un instrument de haute précision sur un engin spatial". La présente invention concerne les dispositi de fixation flexible permettant de monter une charge utile sur une surface de support, par exemple des instruments de haute pré cision sur la surface extérieure d'un engin spatial ou satelli- te Ces dispositifs doivent être conçus de manière que les effe d'un déplacement relatif entre la charge utile et sa surface de support se trouvent réduits au maximum Ils trouvent une grande variété d'applications telles que le montage sur un engin spati d'instruments sensibles à de faibles déplacements du support. Il se trouve en effet que, lorsqu'on monte ui instrument à haute précision sur la surface extérieure d'un en- gin spatial, un problème est soulevé par le fait que, sous l'in: ence de l'environnement spatial, la surface de l'engin subit uni dilatation ou une contraction d'origine thermique suivant un tae qui est différent de celui de la surface qui porte l'instrument Si l'instrument se trouve fixé par l'intermé diaire d'une monture rigide, la différence de dilatation thermi que entre la surface de l'engin spatial et la surface de suppor de l'instrument peut conduire à un transfert de forces et de mo ments vers l'instrument par l'intermédiaire de la monture, et ei conséquence à une déformation de cet instrument et une diminutif de ses performances, en partiiouller lorsqii'il s'agit d'un éléme: optique tel qu'un miroir de télescope. C'est ainsi que, si l'on envisage de monter un instrument à l'aide de trois montures du type en V renversé, tangentes au cercle qu'elles forment et qui constituent un ensei ble statique, une dilatation supérieure de la surface de l'engi: spatial conduit à un déplacement de la base d'au moins l'une de montures par rapport aux deux autres, et donc à une déformation de celle-ci et un transfert nuisible de forces et de moments à la partie de fixation de l'instrument, ce qui provoque une défo. mation locale inacceptable de ce dernier. -2- Il a déjà été proposé diverses réalisations constituées essentiellement par des montures dont les éléments de fixation sur l'instrument et sur la surface de support sont formés par des éléments dits "flexibles", soit du type pivotant (paliers ou charnières), soit du type à fléchissement (lames ou ressorts de torsion à faible contrainte>. Bien qu'ils présentent l'avantage d'offrir une flexibilité suivant plus d'un plan, les paliers ou charnières ont par contre pour inconvénient d'être sujets à des frottements internes, ce qui ne les rend pas exempts d'une certaine hystéresis. Il en résulte qu'à la suite d'une déviation à partir d'une posi- tion neutre, ils ne retournent pas dans cette position, ce qui, au repos, entraîne un décalage correspondant de la monture dont ils font partie et donc de l'instrument porté par celle-ci. Quant aur lames ( travaillant à la flexion)-et aux ressorts de torsion ( lames travaillant à la torsion), ils pré- sentent l'inconvénient d'entraîner une réduction de la capacité de charge utile admissible pour une telle monture, ceci étant d à leur résistance au flambage, ainsi qu'à une perte de rigidité axiale résultant de la présence locale de sections très minces. Ainsiles frottements internes ou l'épaisseur limitée des lames ne permettent pas une application pratique favo- rable des montures à éléments flexibles, qu'ils soient du type palier ou du type lame, et ceci du fait de l'induction de forces et moirents ainsi créée. C'est la raison pour laquelle des tentatives ont été faites de mettre au point des éléments à flexibilité di- te "rotationnelle", c'est-à-dire offrant une flexibilité dans plus d'un plan, sur la base d'agencements de lames qui s'avèrent être extrêmement complexes, présentant un encombrement axial (c'est- à-dire suivant la direction allant de la surface de support vers l'instrument) qui est relativement important et qui, en tout état de cause, doivent comporter des parties de transition très rigides et massives, ce qui était jusqu'à ce jour impératif pour permettre un transfert convenable des charges axiales. 33 2545443 C'est pourquoi la présente invention a pour but de fournir un dispositif de fixation flexible d'une charge utile sur une surface de support, du type comprenant-au moins une monture qui présente un axe orienté-d'une partie de fixation de la surface de support vers une partie de fixation de la charge utile et qui comporte un élément flexible à flexibilité suivant plus d'un plan, ce dispositif devant permettre un compromis entre l'obtention d'une capacité de charge élevée et l'élimination de forces résiduelles internes, tout en assurant une liberté de rotation suivant trois plans respectivement orthogonaux et en offrant un encombrement minimal. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif du type précit 4 caractérisé en ce que le ou chaque élément flexible comporte deux lames planes en matériau flexible solidaires l'une de l'autre et perpendiculaires entre elles, se recoupant suivant une ligne d'intersection qui constitue leur ligne de solidarisa- tion et qui est parallèle audit axe principal de la monture, chacun de ces deux lames s'étendant latéralement sur au moins un côté à partir de ladite ligne d'intersection et solidarisation et étant fixée, suivant un bord opposé suivant une direction radiale per- pendiculaire à cette ligne, sur une partie sensiblement vertica- le d'un élément de fixation destiné à être rendu solidaire de la partie de fixation respectivement de la surface de support et de la charge utile. Grâce à cet agencement, les charges axiales, c'est-à-dire les charges dirigées suivant le dit axe principal de la monture, sont transmises de la partie de fixa- tion de la charge utile dans la première lame qui y est associée, puis de celle-ci dans la seconde lame qui est associée à la partie de fixation de la surface de support, et enfin de cette seconde lame dans cette partie de fixation De la sorte, les lames fle- xibles sont chargéesen cisaillement Par ailleurs, la flexibilité en rotation autour des deux autres axes, perpendiculaires à l'axe principal, correspondant aux deux directions radiales respectives des lames flexibles, se trouve fournie par la flexibilité en torsion de respectivement chacune de ces deux lames Quant à la a 2545443 flexibilité en rotation autour de l'axe principal lui-même, elle est fournie par l'aptitude à la torsion de l'agencement perpendi- culaire, ou en croix des deux lames, dans le plan des deux axes radiaux En effet, suivant un mode de réalisation particulier de l'invention, les deux lames flexibles peuvent s'étendre cha- cune de façon symétrique et coplanaire de part et d'autre de la ligne d'intersection et solidarisation de manière à offrir une section en croixtperpendiculairement à ladite ligne, chaque lame présentant deux bords de fixation sur deux parties sensiblement verticales de l'élément de fixation associé. De manière particulièrement avantageuse, il peut être prévu que les deux lames s'étendent, suivant la direc- tion de leur ligne d'intersection et solidarisation sur la même hauteur, avec des bords égaux et confondus suivant cette ligne. Cette disposition assure une transmission efficace des charges axiales sans nécessiter la présence de parties de transition dans l'élément flexible, et sans présenter la-réduction correspondante de rigidité des dispositifs à lames flexibles connus En outre, grâce à l'orientation croisée des deux lames, on peut obtenir les flexibilités voulues en rotation suivant les trois axes d'une manière beaucoup plus compacte que dang les dispositifs connus, ceci étant dû à la réduction de hauteur de chaque élément flexi- ble. De préférence également, les deux lames flexi- bies peuvent être réalisées en un alliage à base de titane du type- Ti 6 Al 4 Va. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés sur lesquels la fig 1 représente de façon schématique une vue en perspective d'un dispositif de fixation suivant un mode de réalisation particulier conforme à l'invention à trois montures doubles à 1200; la fig 2 représente schématiquement et vue de face une de ces montures doubles, avec chacune leurs deux élé- ments flexibles extrêmes; la fig 3 représente une vue éclatée et en perspective de ces éléments flexibles; les fig 4 et 5 illustrent, de manière exagi rée, les déformations de flexibilité en rotation d'un tel éléme: flexible suivant les deux axes radiaux; la fig 6 illustre un exemple de dimension- nement des lames flexibles; la fig 7 représente une lame flexible sim- ple équivalente au montage en croix des fig 3 à 6. Le dispositif représenté est destiné à perme tre la fixation flexible d'une charge utile 1 schématisée sous une forme parallélépipédique, sur une surface de support 2 sché matisée par un plan, la fixation se faisant suivant une direction principale D qui est perpendiculaire à la surface plane 2. Ce dispositif comprend trois montures double 3, 3 a et 3 b qui sont disposées dans trois plans P,Q,R, perpendi culaires à la surface plane 2, et donc parallèles à la directio D et qui sont tangents à un même cercle 4 situé sur la surface de fixation inférieure de la charge utile 1, ces contacts des trois montures 3, 3 a et 3 b avec le cercle 4 étant disposés res- pectivement à 120 l'un par rapport à l'autre à partir du cen- tre 4 a de ce cercle. Comme le montre la fig,2 qui représente une; monture double 3, disposée suivant son plan P, les trois monrtu doubles étant identiques entre elles, cette monture double 3 e E constituée par deux montures simples 5 et 5 a qui sont orientées dans leur plan commun P chacune à 30 de part et d'autre de la direction générale D perpendiculaire à la surface de support 2 et à la charge utile 1, l'ensemble de la monture double 3 prés E tant ainsi une forme voisine d'un triangle équilatéral. Chacune des deux montures simples 5 et 5 a présente ainsi un axe principal Zg Z ou Za Za faisant l'angle précité de 30 avec la direction D, et orienté d'une partie d E fixation 6 ou 6 a de la surface de support vers une partie de fixation 7 ou 7 a de la charge utile. 6 2545443 Chaque monture simple 5 ou Sa est constituée par une jambe de force centrale rigide 8 orientée suivant l'axe Z-z ou Za -za et dont les extrémités présentent des parties de fixation respectives 9 et 9 a recevant deux éléments flexibles 10 et 1 Oa identiques. Comme le montre plus précisément la fig 3, chaque élément flexible 10 ou 1 Oa comprend un élément central ou croisillon 11 et deux éléments de fixation 12 a et 12 b Ces- éléments sont réalisés en un matériau présentant une bonne flexi- bilité, tel que par exemple le titane ou un alliage de titane comme l'alliage Ti E Al 4 Va. L'élément central ou croisillon 11 est cons- titué de deux lames planes rectangulaires de mêmes dimensions et surfaces 13 a et 13 b, venues de matière et donc solidaires l'une de l'autre, ces lames étant perpendiculaires l'une à l'autre et se recoupant en leur milieu, sur toute leur hauteur commune h, suivant une ligne d'intersection ou solidarisation 14 qui est dirigée suivant l'axe principal Z-Z de la monture Les deux la- mes ont une même épaisseur t et elles s'étendent latéralement de part et d'autre des deux côtés de la ligne d'intersection 14 suivant des directions radiales respectives X-X et Y-Y, qui sont perpendiculaires à la direction de l'axe principal Z-Z et elles- mêmes perpendiculaires entre elles Ainsi, les deux parties laté- rales de chaque lame flexible s'étendent de façon symétrique et 2 r coplanaie de part et d'autre de la ligne 14, de manière à cons- tituer pour l'élément 11 une section en croix perpendiculairement à la ligne d'intersection La lame 13 a présente, aux extrémités de ses deux parties latérales, deux bords rectilignes verticaux a et la lame 13 b deux bords également verticaux 15 b. L'élément de fixation inférieur 12 a, qui est par exemple destiné à être rendu solidaire de la partie de fixa- tion 6 de la surface de support 2, est constitué par une ferrure à section en U présentant une base 16 carrée et deux parties ou ailes verticales 17 a de forme trapézoïdale convergeant à l'oppo- sé de la base 16 a La hauteur de ces ailes 17 a est légèrement 7 supérieure à la hauteur h du croisillon 11 et les deux bords 15 a de la lame 13 a de celui-ci sont encastrés dans-deux entailles cor- respondantes verticales 18 a ménagées à l'intérieur des ailes 17 a. L'élément de fixation supérieur 12 b présente une forme et des dimensions identiques, mais se trouve renversé haut pour bas et déplacé en rotation de 90 dans le sens horizon- tal (plan X-Y), de sorte que sa base 16 b peut être rendue soli- daire de la partie de fixation 9 de la jambe de force 8 reliant cet élément flexible 10 à la partie de fixation 7 de la charge utile 1, tandis que par ailleurs les bords verticaux 15 b de la seconde lame 13 b du croisillon 11 sont encastrés dans les entail- les verticales 18 b des ailes trapézoidales 17 b de cet élément de fixation. La forme trapézoïdale des ailes 17 a et 17 b permet aux deux éléments de fixation 12 a et 12 b de s'imbriquer aisément l'un dans l'autre, et l'ensemble de l'él'lent flexible constitue un bloc extrêmement compact et de faibles dimen- sions, sa hauteur, suivant la direction Z-Z, n'étant pas très supérieure à la hauteur h du croisillon, tandis que ses deux autres dimensions suivant les axes radiaux X-X et Y-Y ne sont guè- re supérieures à 2 L si L est la dimension latérale ou radia- le de chaque moitié de lame 13 a ou 13 b située de part et d'au- tre de la ligne d'intersection 14 du croisillon Les éléments flexibles 10 ou 10 a disposés aux extrémités des deux montures simples 5 ou 5 a de chaque monture 3, 3 a ou 3 b, peuvent donc, tout en étant extrêmement compacts et d'encombrement réduit, transmettre très aisément les efforts axiaux orientés suivant les axes Z-Z ou Z a-Za relatifs à chaque monture Ces -efforts sont en effet reportés de l'élément de fixation supérieur 12 b sur la seconde lame 13 b, de cette seconde lame 13 b sur la pre- mière lame 13 a et enfin de cette lame 13 a sur l'élément de fi- xation inférieur 12 a. Si du fait des conditions de fonctionnement ou d'environnement, des déformations différentielles sont subies respectivement par la surface de support 2 et la charge utile 1, 8 2545443 les forces et moments qui résultent de ces déplacements diffé- rentiels sont aisément absorbés et compensés par l'ensemble des montures prévues. C'est ainsi par exemple que, comme le monre la fig 4, un effort de flexion en rotation autour de l'axe Y-Y (flèche F 1) se traduit par un gauchissement de la première moi- tié supérieure 19 a de la lame 13 a vers le haut et vers l'avant dans le sens de la flèche F 1 et suivant la perspective de la fig 4, tandis que l'autre moitié 19 b de la lame 13 a subit un gauchissement en sens inverse vers le bas et vers l'arrière, l'angle supérieur de la moitié 19 a et l'angle inférieur de la moitié 19 b subissant des écarts maxiums'ie par rapport à la position plane de repos de la lame 13 a. De manière analogue, un effort de flexion en rotation (fléche F 2) autour de l'axe X-X se tradluit, comie le montre la fig 5, parun gauchissement de la première moitié 20 a de la lame 13 b vers le haut et vers la droite et un gauchisse- ment inverse de l'autre moitié 20 b de cette lame vers le bas et vers la gauche, les angles respectivement supérieur et inférieur de ces deux moitiés subissant également des écarts maximaux e'. A titre de simple exemple non limitatif, on peut examiner la rigidité que présente un ensemble de trois montiure doubles tellesque décrites plus haut, et dans lesquel les les éléments flexibles 10 ou 10 a sont réalisés dans l'all ia- ge de titane du type Ti 6 AI 4 Va pour lequel le module d'élasti- cité est E = 113 000 N/mm 2, le module de cisaillement G = 43 500 N/mm 2, la contrainte limite de cisaillementt Lim = 550 N/mm 2 Si l'on suppose que la masse de la charge utile est m = 100 kg, avec une accélération verticale de l'engin spatial porteur de cette charge de 20 g, si l'angle d'orienta- tion des montures par rapport à la verticale est de 30 comme précédemment décrit et si l'on prévoit un facteur de sécurité à la limite j = 1,5, on en déduit que la charge axiale par sup- port est de N = 5 660 N De cette valeur on déduit que la sec- tion transversale minimale-nécessaire pour chaque lame doit être de A = 7, 72 mm 2 (voir la fig 6, qui montre les dimensions du croisillon 11). _ 9 _ 2545443 Afin de tenir compte d'un flambement laté- ral, on prévoit un facteur de sécurité complémentaire j = 1,f 5, ce qui donne pour les lames une section transversale de A = 11,6 mm 2 Ainsi, pour éviter tout danger de flambement la. téral des lames, la charge critique étant NCR= N/2 = 2830 N, il en résulte que: ()CR= 0,072. L CR Si l'on suppose une épaisseur de lame de t = 0,8 mm, la longueur L de chaque moitié de lame ne doit pas dépasser 11,1 mm et l'on peut par exemple choisir une va- leur L = 10 mm. Ainsi, si l'on suppose que les ferrures 12 a et 12 b présentent une rigidité maximale, donc théoriquement in- finie, on peut établir que la rigidité axiale du croisillon 11 peut se calculer à partir d'une déflexion axiale due à une charge en cisaillement des lames g Ax = 0,084 mm, de sorte que dans le cas de deux montures inclinées à 30 , il en résulte un déplacement axial Ax= 0,388 mm et donc une rigidité K Ax= 51 550 N/mm, ce qui correspond à une fréquence axiale pour les seules montures considérées de fr Ax= 114 Hz Cette valeur parait acceptable De même, en partant d'une rotation dûe à un moment unitaire de 1 N mm, l'angle ' = 5,81 o 10 5 ra Afin de vérifier ce que représente matérial- lemnent cette valeur, on se reporte à une lame simple équiva- lente de forme rectangulaire telle que la lame 21 représentée sur la fig 7 et qui serait encastrée à sa base 21 a, avec appli- cation d'un moment unitaire M correspondant à l'angle precédent On en déduit que cette lame équivalente présenterait en prenant une hauteur L' = 20 mm, une valeur de moment d'inert de I = 3,05 mmm Une telle valeur se; trouve offerte par une lam dont-la section transversale présente une largeur w' = 20 mm et une épaisseur t' = 1,22 mm Cette valeur relativement faible ob tenue pour l'épaisseur prouve que la monture travaillant en tor sion ne présente pas une rigidité de rotation excessive. 2545443 REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de fixation flexible d'une charge utile sur une surface de support, du type comprenant au moins une monture qui présente un axe orienté d'une partie de fixation de la surface de support vers une partie de fixation de la charge utile et qui comporte un élément flexible à flexi- bilité suivant plus d'un plan, caractérisé en ce que le ou cha- que élément flexible ( 10,10 a) comporte deux lames planes ( 13 a, 13 b) en matériau flexible, solidaires l'une de l'autre et per- pendiculaires entre elles, se recoupant suivant une ligne d'in- tersection ( 14) qui constitue leur ligne de solidarisation et qui est parallèle audit axe principal (Z-Z) de la monture ( 5), chacune de ces deux lames ( 13 a,13 b) s'étendant latéralement sur au moins un côté à partir de ladite ligne d'intersection et soli- darisation ( 14) et étant fixée suivant un bord ( 15 a,15 b) opposé suivant une direction radiale (X-X, Y-Y) perpendiculaire à cet- te ligne ( 14), sur une partie sensiblement verticale ( 17 a,17 b) d'un élément de fixation ( 12 a,12 b) destiné à être rendu soli- daire de la partie de fixation ( 6,6 a-7,7 a) respectivement de la surface de support ( 2) et de la charge utile ( 1). 2 ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux lames flexibles ( 13 a,13 b) s'éten- dent chacune de façon symétrique et coplanaire de part et d'au- tre de la ligne d'intersection et solidarisation ( 14) de maniè- re à offrir une section en croix perpendiculairement à ladite ligne ( 14), chaque lame ( 13 a,13 b) présentant deux bords ( 15 a, b) de fixation sur deux parties sensiblement verticales de l'élément de fixation associé. 3 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les deux lames ( 13 a,13 b) s'étendent suivant la direction de leur ligne d'intersection et solidarisation ( 14) sur la même hauteur (h) avec des bords égaux et confondus suivant cette ligne ( 14). 4 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ou les bords de fixation ( 15 a,15 b) de chaque lame ( 13 a,13 b) sont rectilignes et parallèles à la ligne d'intersection et solidarisation ( 14). ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque lame flexible ( 13 a,13 b) est une plaque rectangulaire de faible épaisseur. 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3 à 5, lorsque celles-ci dépendent de la revendication 2, caractérisé en ce que les deux lames ( 13 a,13 b) présentent une même dimension ( L) perpendiculairement à la ligne d'intersection et solidarisation ( 14). 7 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque élément de fixation ( 12 a,12 b) présente la forme d'une ferrure à section en L ou en U, la ou les ailes ( 17 ag 17 b) de cette ferrure recevant le ou les bords ( 15 a,15 b) de la lame associée ( 13 a,13 b). 8 ) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la base ( 16 a,16 b) de chaque ferrure ( 17 a,17 b) est carrée et sa ou ses parties verticales ( 17 a,17 b) de forme trapézoidale convergent à l'opposé de ladite base ( 16 a,16 b). 9 ?) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les deux lames'fle- xibles ( 13 a,13 b) sont venues de matière. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications i à 9, caractérisé en ce que les deux lames flexi- bles (; 3 a,13 b) sont encastrées à force dans les parties vertica- les ( 17 a,17 b) des éléments de fixation ( 12 at 12 b). 11 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les deux lames flexibles ( 13 a,13 b) sont réalisées en un alliage à base de tita- ne du type Ti 6 A 1 4 Va. 12 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que chaque monture ( 3,5- a) est constituée par une jambe de force rigide ( 8) à chacune des extrémités ( 9,9 a) de laquelle sont fixés deux éléments fle- xibles ( 10,10 a) du type précité et solidaires respectivement des parties de fixation ( 6,6 a-7,7 a) de la surface de support ( 2) et de la charge utile ( 1) 12 2545443 13 ) Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque monture ( 3) comprend deux jambes de force ( 8) munies de deux éléments flexibles ( 10,10 a) et orien- tées dans leur plan commun (P,Q,R) chacune à environ 30 de part et d'autre de la direction générale (D) perpendiculaire à la surface de support ( 2) et à la charge utile ( 1). 14 ) Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend trois montures ( 3), dont les plans communs (P,Q,R) sont orientés respectivement à 120 chacun par rapport aux deux autres.