Brevet FR2545624A1 — publié le 19841109

La présente invention concerne un appareil de posi- tionnement, et plus particulièrement un dispositif d'action- nement linéaire compact. Des dispositifs d'actionnement sont utilisés dans de nombreux types d'applications pour assurer une commande de mouvement Par exemple, des dispositifs d'actionnement sont utilisés pour faire tourner les gouvernails de profondeur et de direction d'un avion, et pour faire monter la benne bascu- lante d'un camion. La nature d'une application particulière peut imposer de sévères restrictions aux dimensions des dispositifs d'ac- tionnement qui peuvent être utilisés pour sa mise en oeuvre. Par exemple, dans des applications concernant les avions et les engins spatiaux o le poids et le volume sont d'une impor- tance essentielle, on doit concevoir des dispositifs d'action- nement en prenant en considération les dimensions Cependant, souvent, un dispositif d'actionnement conçu pour satisfaire aux limitations d'espace d'une application particulière est incapable de produire la course et la force nécessitées par cette application. En conséquence, un objet principal de la présente invention est de créer un dispositif d'actionnement qui puisse être utilisé dans des zones confinées sans une limitation inadmissible de course et de force. Un autre objet de la présente invention est de créer un dispositif d'actionnement d'une structure monobloc et compacte qui puisse être utilisé dans des zones confinées sans une limitation inacceptable de la course et de la force produites. Un autre objet de la présente invention est de créer un dispositif d'actionnement électromécanique compact comportant son moteur, son réducteur et ses composants de commande de mouvement placés dans un ensemble monobloc de façon qu'il puisse être utilisé dans des zones confinées sans une limitation inacceptable de la course et de la force pro- duites. La présente invention concerne un dispositif d'ac- tionnement compact comprenant un carter ( 10), un moteur ( 18) pourvu d'un arbre ( 22) ainsi qu'un arbre de sortie monté à rotation à l'intérieur dudit carter pour tourner par rapport à ce dernier, et un engrenage d'entraînement ( 32), caractérisé en ce que ledit arbre de moteur ( 22) est monté L rotation par une extrémité dans ledit carter ( 10) et par l'autre extrémité dans ledit arbre de sortie pour tourner par rapport audit arbre de sortie et audit carter ( 10), et ledit engrenage d'entralnement ( 32) est monté sur ledit arbre de moteur dans une position adjacente au palier dudit arbre de sortie, et un engrenage concentrique est monté L l'intérieur dudit carter, en ce qu'au moins un pignon coopère avec ledit engrenage d'entraînement( 32), en ce que ledit engrenage concentrique est monté de manière a faire tourner ledit arbre de sortie, en ce que ledit engrenage d'entraînement ( 32) et ledit engre- nage concentrique ( 34) font partie intégrante dudit arbre de sortie, en ce que ledit arbre de sortie et ledit arbre de moteur sont tous deux creux de manière à recevoir un élément linéaire ( 14), et en ce que ledit arbre de sortie et ledit élément linéaire ( 14) comportent des moyens pour faire exécu- ter audit élément linéaire une translation linéaire en réponse à la rotation dudit arbre de sortie. Dans le dispositif d'actionnement électromécanique compact de la présente invention, les fonctions du moteur, du réducteur et de commande de mouvement sont effectuées par un ensemble monobloc de composants Au lieu d'avoir des unités séparées et reliées entre elles pour exécuter lesdites fonc- tions, le groupe monobloc condense ces fonctions dans une seule unité Ainsi, au lieu d'avoir un moteur séparé qui soit accouplé à un réducteur séparé, comme dans un dispositif d'actionnement connu, dans la présente invention, le moteur et le réducteur sont intégrés en montant à rotation l'arbre de moteur dans le porte-satellites du train d'engrenages planétaires constituant le réducteur, et en usinant le pignon d'attaque du train d'engrenages comme une partie intégrante de l'arbre de moteur Au lieu d'utiliser une unité séparée de commande de mouvement entraînée par un réducteur séparé, la commande de mouvement, qui est assurée par l'intermédiaire de la translation linéaire d'un élément linéaire sous l'ac- tion d'un élément cylindrique tournant, est également intégrée dans le groupe L'élément cylindrique est usiné comme une partie intégrante du porte-satellites, tandis que l'engrenage d'entraînement et l'arbre du moteur sont tous deux creux de manière à recevoir l'élément linéaire lorsqu'il est rétracté dans le dispositif d'actionnement. L'utilisation de cet ensemble monobloc de composants permet une réduction de la longueur hors-tout et du poids total d'un dispositif d'actionnement capable de produire une force et une course données et on obtient un support optimal pour le train d'engrenages planétaires constituant le réducteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux des- sins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en perspective d'un mode de réalisation du dispositif d'actionnement linéaire compact, complètement assemblé et formant interface avec un étrier profilé en fer à cheval et utilisé pour commander le gouvernail de direction d'un avion; la figure 2 est une vue en coupe partielle du mode de réalisation du dispositif d'actionnement linéaire compact représenté sur la figure 1. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le carter 10 du dispositif d'actionnement a dans l'ensemble une forme cylindrique qui correspond aux formes cylindriques ou circulaires d'ensemble de ces composants internes D'une extrémité 12 du dispositif d'actionnement fait saillie une vis à organes roulants (billes) 14 capable de translation linéaire La vis 14 fait interface avec l'élément à déplacer ou commander par le dispositif d'actionnement Dans le mode de réalisation de la figure 1, elle est fixée sur un étrier 16 en forme de fer à cheval qui commande le gouvernail de direction supérieur d'un avion Cependant, il est à noter que le composant d'interface particulier sur lequel la vis 14 est fixée dépend de l'application particulière dans laquelle le dispositif d'actionnement est utilisé. Sur la figure 2, le fonctionnement du dispositif d'actionnement est enclenché par excitation d'un moteur à courant continu 18 sans balais, comportant unstator bobiné 20 et un rotor ou arbre 22 sur lequel est fixé par un adhésif un ensemble d'aimants permanents 24 recouverts de fibres de verre Cependant, il est évident que d'autres types de moteurs peuvent aussi être utilisés Le stator 20 est bobiné pour un fonctionnement triphasé; cependant, d'autres configurations de phases, comme une configuration biphasée, peuvent aussi être utilisées Un dispositif typique de commande d'un moteur sans balais (non représenté) assure la commande des champs appliqués au stator 20 pour une commande de commutation. Sur l'arbre 22 est également fixé un second ensemble d'aimants permanents 26 utilise pour commander la commutation du moteur 18 Dans le but d'une commande de commutation, un capteur de position de commutation 28 détecte la position angulaire de l'arbre de moteur par détection de la position de l'ensemble d'aimants permanents 26 Cette donnée est uti- lisée par la commande de moteur pour régler correctement dans le temps la commutation du champ de moteur Dans le mode pré- féré de réalisation de l'invention, ce capteur est un dispositif Hall bistable qui change d'état lorsqu'il arrive à proximité d'un des aimants permanents de lvensemble 26. Le fonctionnement du moteur 18, et du dispositif d'actionnement en général, est commandé au moyen d'une servo- commande typique (non représentée> Un tachymètre 30 détecte la vitesse de l'arbre 22 et engendre un signal, en relation avec la vitesse, qui est appliqué à la servocommande à des fins de commande. Le dispositif d'actionnement produit la sortie mécanique spécifiée pour une application donnée en réduisant la vitesse de l'arbre de moteur 22 par l'intermédiaire d'un réducteur à engrenages se composant d'un train d'engrenages planétaires 32 Le moteur 18 et le train d'engrenages 32 2 b$ 62 b - sont intégrés en premier lieu en usinant un pignon central ou d'attaque 34 sur une extrémité de l'arbre de moteur 22 L'ar- bre 22 est ensuite monté à rotation par cette même extrémité en utilisant un palier tubulaire 36 placé dans un porte- satellites 38 du train d'engrenages planétaires L'engrenage périphérique 34 est une couronne à denture interne coaxiale 40 qui est fixée sur le carter 10 Un ou plusieurs pignons inter- médiaires ou satellites 42, supportés par le porte-satellites 38, sont alors en prise avec et entre les engrenages coaxiaux 34 et 40. Le montage à rotation de l'arbre de moteur 22 dans le porte-satellites permet de réduire sensiblement la longueur axiale hors-tout et le poids total du dispositif d'actionnement. Grace à ce moyen de support, l'arbre de moteur remplace une cloche extrême dans laquelle l'arbre de moteur est normalement monté à rotation, ce qui permet d'éliminer la cloche extrême. D'autres avantages établis par cet agencement consistent dans une réduction au minimum de la flexion de l'arbre de moteur sous l'effet d'une sollicitation des engrenages, puisque le palier 36 et le pignon d'attaque 34 sont mutuellement adjacents, et dans une concentricité établie avec des tolérances serrées entre le pignon d'attaque et les satellites, puisque le porte- satellites constitue également le corps du palier 36. L'utilisation d'un palier tubulaire 36 permet égale- ment une diminution du diamètre et du poids du dispositif d'actionnement Du fait qu'un palier de ce type a une plus petite section droite, pour un diamètre intérieur donné, qu'un palier normal de diamètre comparables les composants placés autour peuvent être réduits en dimensions et en poids en correspondance. Pendant le fonctionnement du dispositif d'actionne- ment, l'arbre de moteur 22 tourne dans une plage particulière de vitesses Puisque le pignon d'attaque est usiné sous forme d'une partie de cet arbre, il tourne dans la même plage de vitesses Lorsque ce pignon tourne, il est en prise avec les satellites en les faisant tourner dans la direction opposée de sorte qu'ils se déplacent autour du pignon central sur la couronne dentée stationnaire 40 Ce déplacement des satellites fait tourner le porte-satellites 38 dans la même direction que le pignon central et l'arbre de moteur mais à une vitesse plus lente en vue d'augmenter la démultiplication mécanique du dis- positif d'actionnement. Le dimensionnement des engrenages constituant le train d'engrenages planétaires est basé sur le couple maximal que ces engrenages peuvent transmettre Le nivea u envisage de couple détermine les dimensions des dents d'engrenages (pas diamétral), la largeur faciale d'engrenages (longueurs hors- tout) et la matière dont les engrenages sont constitués. Dans le mode préféré de réalisation, cette Matière est de l'acier cémenté. Dans le mode de réalisation de l'invention repré- senté, la force de sortie nécessaire pour une commande de mouvement est engendrée par la translation linéaire d'un élément linéaire Dans le mode préféré de réalisation, cet élément linéaire est une vis à billes 14 Concentriquement à cette vis est disposé le porte-satellites 38 dont une partie 44, usinée sous la forme d'un écrou à organes roulants (ou d'un écrou à billes si la vis 14 est une vis à billes), sol- licite et assure la translation de la vis 14 Cet agencement monobloc améliore la rigidité du dispositif d'actionnement et permet d'éliminer le composant qui assure normalement la liaison entre un porte-satellites séparé et un écrou à organes roulants séparé, de sorte qu'on peut réduire encore la longueur axiale hors-tout du dispositif d'actionnement. En fonctionnement, lorsque le porte-satellites 38 est entraîné en rotation par les satellites 42, les filets de sa partie-écrou entrent en prise avec les filets de la vis 14, en assurant la translation de cette dernière pour qu'elle exerce une force linéaire La vitesse et la direction de cette translation sont déterminées par la direction et la vitesse de rotation du porte-satellites et le pas de la vis 14. Lorsque l'arbre de sortie est entraîné en rotation dans une direction,la vis 14 est entraînée de façon à sortir du dispo- sitif d'actionnement De façon analogue, quand le sens de rotation de l'arbre de sortie est inversé, la vis 14 rentre à l'intérieur du dispositif d'actionnement Pour l'intégration de la vis 14 avec les composants du groupe, le pignon d'at- taque 34 et l'arbre de moteur 22 comportent tous deux des par- ties centrales creuses, en permettant ainsi à la vis de se déplacer par translation dans lesdits composants lors de sa rétraction Par le mouvement télescopique de la vis 14 dans le pignon central et dans l'arbre de moteur dans sa position rétractée, on obtient une réduction supplémentaire de la longueur axiale hors-tout du dispositif d'actionnement puis- qu'aucune longueur additionnelle n'est nécessaire pour la rétraction dela vis 14. Le diamètre de la vis 14 doit -être tel qu'elle puisse résister à la force de crête susceptible de se produire en service En outre, le pas de cette vis doit être suffisant pour atteindre la vitesse maximale à vide qui est nécessaire dans l'application o le dispositif d'actionnement doit être utilisé Le pas détermine la valeur du couple nécessaire pour que la partie-écrou 44 produise la force désirée sur la vis 14 et la distance dont cette vis se déplace par translation pour chaque révolution de la partie-écrou 44. Le porte-satellites 38 est monté à rotation dans le carter 10 du dispositif d'actionnement au moyen de deux roulements à billes 46 et 48 à contact angulaire qui supportent la partie-écrou 44 D'autres types de paliers peuvent cepen- dant être utilisés, par exemple des roulements à rouleaux coniques Les paliers 46 et 48 sont montés dans la même partie du carter 10 que la couronne dentée 40 Cet agencement assure la concentricité entre les satellites et la couronne dentée Les paliers 46 et 48, qui sont capables de résister à de grandes forces axiales, sont également séparés par une entretoise 52 Pendant l'assemblage du dispositif d'actionne- ment, ces paliers sont préchargés pour supprimer tout jeu pouvant exister en eux Cela permet également d'augmenter la rigidité du dispositif d'actionnement Les caractéristiques du moteur 18, c'est-à-dire le couple maximal et la vitesse minimale à vide, sont déterminées par certains critères de conception du dispositif d'actionnement Ces critères com- prennent la force maximale de sortie à exercer par la vis 14, la vitesse maximale à vide nécessaire pour cette vis, son pas et les dimensions horstout du train d'engrenages planétaires 32. En conséquence, pour une application donnée, un dispositif d'actionnement doit être capable d'engendrer une force maximale de sortie donnée et il doit être capable d'exécuter une translation à une vitesse maximale à vide donnée Compte tenu de ces limitations, pour une application nécessitant un dispositif d'actionnement devant opérer dans une zone confinée, on peut créer un dispositif d'actionnement conforme à la présente invention, qui aura les dimensions et le poids minimaux sans limitation inacceptable de ses capacités de production de force et de course. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'actionnement compact comprenant un carter ( 10), un moteur ( 18) pourvu d'un arbre ( 22) ainsi qu'un arbre de sortie monté à rotation à l'intérieur dudit carter pour tourner par rapport à ce dernier, et un engrenage d'entraînement ( 32), caractérisé en ce que ledit arbre de moteur ( 22) est monté à rotation par une extrémité dans ledit carter ( 10) et par l'autre extrémité dans ledit arbre de sortie pour tourner par rapport audit arbre de sortie et audit carter ( 10), et ledit engrenage d'entraînement ( 32) est monté sur ledit arbre de moteur dans une position adjacente au pa- lier dudit arbre de sortie, et un engrenage concentrique est monté à l'intérieur dudit carter, en ce qu'au moins un Pignon coopère avec ledit engrenage d'entraînement ( 32), en ce que ledit engrenage concentrique est monté de manière à faire tourner ledit arbre de sortie, en ce que ledit engrenage d'entraînement ( 32) et ledit engrenage concentrique ( 34) font partie intégrante dudit arbre de sortie, en ce que ledit arbre de sortie et ledit arbre de moteur sont tous deux creux de manière à recevoir un élément linéaire ( 14), et en ce que ledit arbre de sortie et ledit élément linéaire ( 14) compor- tent des moyens pour faire exécuter audit élément linéaire une translation linéaire en réponse à la rotation dudit arbre de sortie. 2 Dispositif d'actionnement compact selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que ledit élément linéaire ( 14) est un arbre fileté et en ce que ledit arbre de sortie est constitué à la fois par un élément cylindrique fileté concentrique audit arbre fileté et par un porte-satellites ( 38) pour au moins ledit pignon précité ( 42). 3 Dispositif d'actionnement compact selon la re- vendication 2, caractérisé en ce que ledit engrenage d'en- traînement ( 32), ledit engrenage concentrique ( 34) et au moins ledit pignon ( 42) constituent en combinaison un train d'engrenages planétaires. 4 Dispositif d'actionnement compact selon la re- vendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de pignons ( 42) coopérant avec ledit engrenage d'entraînement ( 32) et ledit engrenage concentrique ( 34) pour faire tourner ledit porte-satell ites ( 38) et par conséquent ledit élément cylindrique fileté Dispositif d'actionnement compact selon la re- vendication 4, caractérisé en ce qu'on fait déplacer ledit élément linéaire ( 14) en translation à l'intérieur et à l'ex- térieur dudit carter. 6 Dispositif d'actionnement compact selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit arbre creux ( 22) dudit moteur ( 18) est monté à rotation à l'intérieur dudit carter ( 10) de façon à tourner par rapport audit carter. 7 Dispositif d'actionnement compact selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit arbre de moteur ( 22) est monté à rotation dans ledit arbre de sortie dans une zone adjacente audit engrenage d'entraînement ( 32). 8 Dispositif d'actionnement compact selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un élément porteur relié audit arbre de sortie pour faire tourner cet arbre de sortie et en ce qu'au moins un pignon coopère avec ledit engrenage d'entraînement ( 32) et ledit engrenage concentrique ( 34) pour faire tourner ledit élément d'entraînement, et par conséquent ledit arbre de sortie, ainsi qu'un élément linéaire reçu à l'intérieur dudit arbre de sortie et dudit arbre de moteur ( 22) et accouplé auditarbre de sortie de manière qu'une rotation dudit arbre de sortie assure une translation linéaire dudit élément linéaire ( 14). 9 Dispositif d'actionnement compact selon la re- vendication 8, caractérisé en ce que ledit élément porteur faitpartie intégrante dudit arbre de sortie. 10 Dispositif d'actionnement compact comprenant un carter ( 10), ainsi qu'un moteur ( 18) pourvu d'un arbre ( 22), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une partie-écrou ( 44) d'un porte-satellites ( 38) qui est montée à rotation à l'intérieur dudit carter ( 10) pour tourner par rapport à ce carter, un moteur ( 18) comportant un arbre l'autre extrémité dans ladite partie-écrou ( 44) du porte- satellites ( 38) pour tourner par rapport à ladite partie-écrou du portesatellites et par-rapport audit carter, un pignon central ( 34) monté sur ledit arbre de moteur dans une zone adjacente audit tourillon de la partie-écrou du porte- satellites enformant une partie intégrante, une couronne dentée ( 40) montée à l'intérieur dudit carter ( 10) et coaxiale audit pignon central ( 34), et au moins un satellite ( 42) coopérant avec ledit pignon-central ( 32) et avec ladite couronne dentée ( 40) pour faire tourner ladite partie-écrou ( 44) du porte-satellites ( 38) et en ce que ladite partie- écrou ( 44) du porte-satellites ( 38) et ledit arbre de moteur ( 22) sont tous deux creux pour recevoir ladite vis ( 14) à l'intérieur, ladite partie-écrou ( 44) du porte-satellites ( 38) et ladite vis ( 14) étant filetées pour convertir une rotation de ladite partie-écrou du portesatellites en un mouvement linéaire de ladite vis ( 14). 11 Dispositif d'actionnement compact selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit pignon central ( 34) constitue une partie intégrante dudit arbre de moteur' ( 22).