Brevet FR2557289A1 — publié le 19850628

- 1 - GYROSCOPE L'invention concerne un gyroscope comportant un rotor tournant autour d'un axe qui ne tourne pas. Les gyroscopes d'attitude, par exemple les gyrosco- pes de verticale et les gyroscopes de cap, présentent, en général, trois degrés de liberté et sont surtout utilisés à bord d'avions et de véhicules. Les gyromètres classiques, qui sont utilisés pour mesurer une vitesse de.rotation dans des véhicules de tous genres ainsi qu'à bord d'engins vo- lants ou de missiles, présentent deux degrés de liberté et un seul axe sensible et sont, dans les cas les plus simples, suspendus dans un cadre extérieur. Les gyromètres modernes connus, qui effectuent une mesure suivant deux axes et qui sont accordés dynamiquement, comportent par conséquent une suspension de rotor exempte de couple et sont réalisés avec une articulation élastique interne comportant une ou plu- sieurs suspension extérieure à la Cardan. L'accord dynamique exact exige de nombreux composants qui sont fabriqués avec une très grande précision. Par exemple, l'articulation élas- tique à suspension à la Cardan doit satisfaire à des impéra- tifs sévères car les articulations doivent osciller dans le cas o l'axe du rotor s'écarte de la position zéro. En outre, les gyroscopes ne peuvent, par principe, être conçus de façon fondamentale que sous la forme d'un agencement à deux axes, même si l'onn'abesoin de mesurer qu'un seul axe. De plus, la complexité technique est bien souvent trop importante pour certaines applications, par exemple dans le cas du montage dans une fuséequi n'estutilisé qu'une seule fois. La présente invention a pour objet de réaliser un gyroscope industriel du type mentionné au début du présent exposé, notamment un gyromètre qui est simple à réaliser et qui ne comporte qu'un nombre minimal de parties mobiles. Selon l'invention, on atteint cet objet par le fait que l'axe rotorique est subdivisé par une pièce d'articula- tion en deux parties non-tournantes dont l'une est liée ri- gidement à un boîtier et dont l'autre peut pivoter autour de -2- la ou des pièce(s) d'articulation et est reçue dans le rou- lement destiné au rotor. L'invention présente en outre les caractéristiques suivantes: la ou les pièce(s) d'articulation sont située(s) sensible- ment au centre de gravité du rotor; la ou les pièce(s) d'articulation présente(nt) un seul de- gré de liberté; la ou les pièce(s) d'articulation présente(nt) deux degrés de liberté; la ou les pièce(s) d'articulation avec la partie pivotante de l'axe rotorique sont destinée(s) à un gyroscope d'atti- tude de sorte qu'elle(s) sont exempte(s) de réaction; la ou les pièce(s) d'articulation avec la partie pivotante de l'axe rotorique sont destinée(s) à un gyromètre de sorte qu'elle(s) sont autorappelante(s) et comporte(nt) un dispo- sitif de mesure: des moyens élastiques rétablissent dans sa position, c'est- à-dire rappellent, l'axe rotorique; des moyens asservissent rigidement l'axe rotorique; l'axe rotorique est asservi par rapport à la pièce d'articu- lation à l'aide d'un mécanisme de mesure de force, par exem- ple des éléments piézo-électriques; un capteur électrique de moment comportant une servocomman- de pour asservir l'axe rotorique est inclus; la servocommande consiste en un circuit électrique à l'aide duquel la variation de vitesse du-rotor pendant son fonc- tionnement est compensée, un multiplicateur engendrant, in- dépendamment de la vitesse du rotor, un signal de mesure qui est proportionnel à une grandeur d'entrée; des capteurs de mesure sont disposes sur la ou les pièce(s) d'articulation, sur l'axe rotorique ou sur le rotor; des jauges de contrainte sont montées sur la ou les pièce(s) d'articulation; des capteurs de déplacement ou des capteurs d'écart angulai- re sont placés sur l'axe rotorique ou sur le rotor; - 3 le rotor est entraîné directement; l'entratnement est effectué à l'endroit d'un moyeu de tou- rillonnement du rotor; l'entraînement est effectué mécaniquement, par exemple à l'aide d'un entraînement à ressort, ou électriquement ou pneumatiquement; l'entraînement est conçu pour effectuer uniquement le lan- cement du rotor et n'est pas en fonction pendant la mesure; l'axe rotorique est amorti par un liquide; la ou les pièce(s) d'articulation sont entourée(s) par une matière d'amortissement. L'avantage essentiel du gyroscope selon l'invention réside dans la simplicité de sa réalisation ne mettant en jeu qu'un petit nombre de pièces mobiles. Les articulations élastiques et la suspension extérieure à la Cardan qui peu- vent être complexes, compliquées et coûteuses à réaliser sont supprimées et remplacées dans la simple pièce d'articu- lation non-rotative dans laquelle, lorsque celle-ci est disposée au centre de gravité du rotor, il n'apparaît aucun couple anormal intempestif ou indésirable. Grâce à cette con- ception de gyroscope conforme à l'invention, on peut réali- ser des types de gyroscopes les plus aptes à être vendus et les plus utiles. Dans le cas o le gyroscope est conçu sous la forme d'un gyroscope à position libre, l'axe de rotation du rotor pivote en présence d'une déviation en accompagnant celle-ci et le rotor tourne autour de l'axe de rotation qui a pivoté et, dans ce cas, il peut conserver la position oblique qu'il a prise sans que des dispositions spéciales soient nécessaires. Ceci est également valable pour un gy- roscope asservi. L'invention permet aussi de réaliser les modes les plus divers de gyromètres et, dans ce cas, la déviation peut être mesurée électriquement ou, s'il s'agit d'un asservissement rigide ou électrique, une mesure de cou- ple est effectuée. Un autre avantage important réside dans le fait que la pièce d'articulation peut être réalisée avec un seul degré de liberté,ce qui permet d'obtenir un gyros- 255728! - 4 - cope à un seul axe qui est bon marché et qui convient pour de nombreuses taches. De plus, le frottement qui, dans le cas de gyromètres simples connus, apparalt dans la monture du cadre et peut conduire à des erreurs de mesure considé- rables est éliminé. Grâce à sa structure simple, le gyros- cope convient particulièrement à des fins o une très gran- de précision n'est pas nécessaire, par exemple les missions brèves et uniques dans le cas des missiles guidés. On va décrire de façon plus détaillée la présente invention à titre d'exemple en se référant aux dessins an- nexés, sur lesquels: - la figure 1 est une élévation en coupe simplifiée d'un mode de réalisation fondamental d'un gyroscope de l'invention comportant une pièce d'articulation qui subdi- vise son axe rotorique; - la figure 2 est une vue comparable à celle de la figure 1, mais illustrant un gyromètre ne présentant qu'un seul degré de liberté et comprenant une articulation rap- pelante, c'est-à-dire de rétablissement de position ainsi qu'un dispositif de mesure électrique, cette figure montrant également un schéma de principe pour un asservissement l61ec- trique; et - la figure 3 est une élévation simplifiée partiel- lement en coupe illustrant une forme de réalisation du gy- roscope à un seul degré de liberté et à articulation exem- pte de réaction. La figure 1 montre un mode de réalisation simplifié du gyroscope de l'invention sous la forme d'un gyromètre 1 comportant un axe rotorique non-tournant 2 dont une des extrémités est immobilisée. L'axe rotorique 2 est subdivi- sé par une pièce d'articulation 3 de section ronde en une partie rigide 2a et en une partie orientable 2b. A la par- tie orientable 2b est relié un cadre 4 sur lequel un rotor peut tourner librement. Le centre de gravité du rotor 5 est disposé de manière à se trouver à peu près au centre de la pièce d'articulation 3, sur la ligne 6, de sorte que, S7289 -5- lorsqu'il se produit une déviation à mesurer, la direction du mo- nment cinétique reste constamment coaxialeà la direction axiale 7 du rotor 5. Le gyromètre illustré 1 possède, du fait de la pièce d'articulation 3, deux degrés de liber- té, de sorte que le rotor 5 pivote conjointement avec la partie orientable 2b de l'axe du rotor lorsqu'apparaît une déviation et-conserve la position oblique qu'il a prise sans que des dispositions particulières soient nécessaires. Le rotor 5 est logiquement exempt de réaction. Les lignes en traits mixtes montrent la position zéro des composants du gyroscope 1. La figure montre le gyroscope dans deux di- mensions et, bien entendu, la déviation uniquement dans un seul degré de liberté. La position angulaire de l'axe 7 du moment cinétique peut être détectée d'une manière simple (non représente) et sans contact, suivant deux axes de me- sure, soit à l'endroit de l'axe de rotation 7, soit à l'en- droit du rotor 5. Le gyromètre 10 à rappel automatique as- servi électriquement que représente la figure 2, utilise une mesure de vitesse angulaire (grandeur d'entrée WE) d'un support, de préférence un aéronef ou un missile. Le gyros- cope 10 à un seul degré de liberté comprend un boîtier 11 muni d'un couvercle 21 et auquel est fixé l'axe rotorique 2 qui est subdivisé en parties 2a et 2b par la pièce d'arti- culation 8, de préférence bipartite un cadre 12 fixé à la partie orientable 2b de l'axe de rotor et comportant un tourillon 13 autour duquel se trouvent des roulements à billes 14 sur lesquels tourne un moyeu 15 avec le rotor 5, un entraînement 16 à ressort qui agit sur le moyeu 15 à l'aide d'un ergot 16a, et deux bobines 17 de détection de moment fixées au boîtier 11. Ces dernières forment, avec deux plaques 12a fixées au cadre 12, un capteur de moment. L'utilisation de l'entraînement 16 est en rapport avec le fait que le gyroscope 10 convient particulièrement pour un fonctionnement de courte durée, par exemple pour une instal- lation sur un engin volant ou missile. Après avoir été très rapidementlancé à sa vitesse de rotation nominale par l'en- -6- traînement 16 à ressort, le rotor 5 tourne sans être entraî- né ou, en d'autres termes, avec une vitesse décroissante. Il en est ainsi en raison du fait que l'ergot 16a se dégage automatiquement du moyeu 15 par suite de la diminution du moment de l'entraînement 16 à ressort. Afin que la variation de la vitesse ou moment cinétique n'entraîne aucune varia- tion de sensibilité du gyroscope 10, on a prévu un disposi- tif de mesure muni d'un circuit de compensation. Ce dispo- sitif de mesure comprend, dans le cas illustré, le détec- teur électrique (17 et 12a) de moment qui rappelle électri- quement l'axe rotorique 2b dans sa position, un élément sen- sible de mesure 18 et un capteur 20, disposés sur le bottier 11, pour mesurer la vitesse R du rotor 5. Le circuit de compensation est destiné à engendrer un signal de mesure ou signal de sortie 22 qui, quelle que soit la vitesse wR du ro- tor 5, est constamment proportionnel à la grandeur mesu- rée. A cette fin, l'élément sensible de mesure 18 est relié par un conducteur 19 et un amplificateur 23 à une servocom- mande 24. La servocommande 24 applique au détecteur 17 et 12a de moment le courant correspondant à la grandeur mesurée. Le courant est appliqué avant à un multiplicateur 25 o il est multiplié par l'inverse de la valeur de la vitesse du rotor fournie par le capteur 20, de sorte que le signal de sortie ou signal de mesure 22 est indépendant de la vitesse du rotor. La version représentée des composants individuels du gyromètre 10 peut, tout en conservant l'axe rotorique 2 sous sa forme subdivisée par la pièce d'articulation 8, être modifiée en fonction de la tache et de l'application envisa- gées. C'est ainsi que l'entraînement 16 par ressort peut être remplacé par un entraînement électrique ou pneumatique qui peut être conçu soit de façon similaire à l'entraînement à ressort décrit pour effectuer simplement le lancement en rotation du rotor 5, soit en vue d'un entraînement continu du rotor. Le rappel électrique de la partie orientable de l'axe rotorique 2b à l'endroit de la pièce d'articulation 8 - 7 - peut être effectué à l'aide d'un asservissement rigide avec l'utilisation d'un dispositif de mesure de force tel que>par exemple, des transducteurs ou éléments piézo-électriques. Au lieu d'un axe rotorique asservi rigidement, on peut conce- voir cet axe de manière qu'il puisse être déplacé par un as- servissement souple suivant deux degrés de liberté. On peut obtenir ce résultat, par exemple, avec un capteur de dépla- cement ou capteur angulaire sous la forme d'un capteur magné- tique muni d'un détecteur de champ magnétique. Dans ces mo- des de réalisation particuliers, des capteurs de mesure ap- propriés, par exemple des jauges de contrainte, pourraient être installés. en fonction de l'utilisation envisagée du gyroscope. En outre, l'axe rotorique peut être amorti par un liquide d'une manière connue ou bien l'espace entourant la pièce d'articulation 3 peut être entouré d'une matière amor- tissante. La figure 3 est une vue très simplifiée d'un gyros- cope 30 n'ayant qu'un degré de liberté, les dispositifs de mesure, l'entraînement et le boîtier de gyroscope étant omis. Dans ce mode de réalisation, une partie rigide 31 de l'axe rotorique est reliée de façon tournante à une partie orien- table 32 de l'axe rotorique par une articulation non-réagis- sante 33 avec une possibilité d'un seul degré de liberté. L'articulation 33 est encastrée dans la partie rigide 31 et est montée dans la partie orientable 32 à l'aide de roulements à billes 34. Dans cette version décrite, l'articulation 33 ne présente aucune force de rappel et est soumise à un mini- mum de frottement grâce aux roulements à billes 34. La par- tie orientable 32 de l'axe rotorique se termine, d'une ma- nière similaire à celle représentée sur la figure 2, par un tourillon 35 sur lequel un moyeu ou manchon 36 tourne sur des roulements à billes 14, le rotor 5 étant assujetti à ce moyeu 36. La structure simple de ce gyroscope 30 à un seul degré de liberté ne demande, bien entendu, qu'un dispositif de mesure simple, de sorte que l'on obtient un gyroscope économique et convenant pour une utilisation de courte durée. - 8- Dans une version similaire non illustrée, l'articulation 33 peut être remplacée par un joint à la Cardan. De cette ma- nière, il est possible de réaliser un gyroscope ayant la même organisation fondamentale mais avec deux degrés de liberté. - 9 - REVENDICATIONS 1. - Gysroscope comportant un rotor qui tourne autour d'un axe nontournant, caractérisé en ce que l'axe rotorique (2) est subdivisé, par une ou plusieurs pièce(s) d'articulation (3; 8; 33) en deux parties nontournantesdont l'une (2a, 31) est reliée rigidement à un boîtier (11) et dont l'autre (2b; 32) peut pivoter autour de la ou des piè- de(s) d'articulation et reçoit le palier pour le rotor (5). 2.- Gyroscope selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que la ou les pièce(s) d'articulation (3; 8; 33) sont disposée(s) à peu près au centre de gravité du rotor (5). 3.- Gyroscope selon la revendication ou 2,caract6ri- sé en ce que la ou les pièce(s) d'articulation (3; 8; 33) présente(nt) un seul degré de liberté. 4.- Gyroscope selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce que la ou les pièce(s) d'articulation (3; 8; 33) présente(nt) deux degrés de liberté. 5.- Gyroscope selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièce(s) d'articulation (3; 8; 33) avec la partie pivotante (2b; 32) de l'axe rotorique (2) sont conçue(s) pour un gyroscope d'attitude de sorte qu'elle(s) sont exempte(s) de réaction. 6.- Gyroscope selon l'une quelconque des revendi- cations1 à 4, caractérisé en ce que la ou les pièce(s) d'ar- ticulation (3; 8; 33) avec la partie pivotante (2b, 32) de l'axe rotorique (2) sont conçues pour un gyromètre de sorte qu'elle(s) sont autorappelante(s) et comporte(nt) un dispo- sitif de mesure. 7.- Gyroscope selon la revendication 6, caractéri- sé par un moyen élastique pour rappeler l'axe rotorique (2). 8. Gyroscope selon la revendication 6, caractérisé par un moyen asservissant rigidement l'axe rotorique (2). 9.- Gyroscope selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que l'axe rotorique (2) est asservi par rapport à la pièce d'articulation à l'aide d'un mécanisme de mesure de force, par exemple des éléments piézo-électriques. - 10 - 10.- Gyroscope selon la revendication 6, caractéri- sé par un capteur électrique (21) de moment comportant une servocommande (24) pour l'asservissement de l'axe rotorique (2). 11.- Gyroscope selon la revendication 10, caracté- risé en ce que la servocommande (24) consiste en un circuit électrique à l'aide duquel la variation de vitesse du rotor (5) pendant son fonctionnement est compensée, un multipli- cateur (25) engendrant, indépendamment de la vitesse de ro- tation du rotor, un signal de mesure (22) qui est propor- tionnel à une grandeur d'entrée (19). 12.- Gyroscope selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que des capteurs de mesure sont disposes sur la ou les pièce(s) d'arti- culation (3,8, 33). 13.- Gyroscope selon la revendication 12, caracté- risé en ce que des jauges de contrainte sont montées sur la pièce d'articulation (3). - 14.- Gyroscope selon la revendication 12, caracté- risé en ce que des capteurs de déplacement (19) ou des cap- teurs d'écart angulaire (20) sont disposés sur l'axe roto- rique (2) ou sur le rotor (5). 15.- Gyroscope selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le rotor (5) est entraîné directement. 16.- Gyroscope selon la revendication 15, caracté- risé en ce que l'entraînement est effectué sur un moyeu (15) de tourillonnement du rotor (5). 17.- Gyroscope selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que l'entraînement est effectué mécanique- ment, par exemple par un entraînement à ressort (16) ou électriquement ou pneumatiquement. 18.- Gyroscope selon la revendication 17, caracté- risé en ce que l'entraînement est conçu pour effectuer uni- quement le lancement du rotor (5) et n'est pas en fonction pendant la mesure. - 11 - 19.- Gyroscope selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'axe rotorique (2) est amorti par un liquide. 20.- Gyroscope selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la ou les pièce (s) d'articulation (3;8;33 sont entourée(s) par une matière amortissante.