Brevet FR2576065A1 — publié le 19860718

SYSTEA1E ELECTROHYDRAULIOUE ASSERVI DE RESTITUTION D'EFFORT, DEVELOPPANT UNE FORCE DE FROTTEMENT SEC. La présente invention se rapporte à un système électrohydraulique de restitution d'effort développant une force de frottement sec, et en particulier un système de restitution des efforts développés par les organes de commande, dans les simulateurs d'entraînement à la conduite des véhicules ou au pilotage des avions. Dans les simulateurs de vol, par exemple, les pilotes à former sont placés dans des reproductions de postes de pilotage aussi réalistes que possible et qui comportent toutes les commandes et tous les instruments de bord propres à l'avion simulé. La simulation porte non seulement sur la disposition et l'aspect de ces commandes mais aussi sur les forces nécessaires à leur manoeuvre. Les variations de ces forces en fonction du mouvement de la commande, dont les pilotes se servent instinctivement pour ajuster à la valeur désirée la grandeur commandée, doivent être reproduites fidèlement. La présente invention concerne plus particulièremnt les commandes secondaires telles que les commandes de freinage, d'aérofrein, de bec et volet, de roulette de nez ou de commande de gaz. Des systèmes de restitution d'effort ont déjà été réalisés au moyen d'ensembles électromécaniques comportant des ressorts, des crabots et des freins électromagnétiques. Ces systèmes sont néanmoins encombrants et, en général, ne permettent pas de reproduire parfaitement les lois d'effort réelles. De plus, les sensations particulières, provoquées par un frottement à hystérésis, qui se rencontrent dans les systèmes hydrauliques sur avions, ne sont pas exactement simulées. On connaît de plus des systèmes de restitution d'effort formés principalement par un servovérin hydraulique commandé lui-même par une servovalve, et par des capteurs de déplacement, de vitesse et de force. Un système de ce type a été décrit dans le Brevet Français N" 2 419 548.Ces systèmes sont utilisés, par exemple, pour les commandes principales d'avions à grande course et grande vitesse, et nécessitent une servovalve coûteuse. L'objet du système de restitution d'effort selon l'invention, est la simulation- d'une commande à faible course et dont la loi de restitution de l'effort en fonction du mouvement de l'organe de commande, doit être précise et comporter un frottement sec, important par rapport à l'effort maximal, ajustable à l'avance et, variable en fonction du mouvement. Une caractéristique du système de restitution d'effort selon l'invention est de comprendre un ensemble de deux pistons solidaires et coaxiaux, appelé ci-dessous piston différentiel, dont les pistons sont soumis sur leurs premières faces en regard, à un liquide hydraulique à une première pression et sur la seconde face du piston de plus grand diamètre, a'- un liquide hydraulique à une seconde pression, et de comprendre un potentiomètre hydraulique qui fournit une desdites pressions, et de comprendre des circuits d'asservissement imposant au potentiomètre hydraulique un fonctionnement suivant une loi prédéterminée fonction, entre autres, du déplacement du piston différentiel. Une caractéristique du système de restitution d'effort selon l'invention, est de comprendre de plus un dispositif mécanique à bagues, porté par le piston de plus petit diamètre et coaxiale ment à celui-ci, et créant une force de frottement sec, ajustable de valeur stable et notable par rapport à J'effort maximal restitué. Une caractéristique des circuits d'asservissement selon l'invention, est de comprendre de plus des moyens de filtrage électroniques dérivateurs-intégrateurs suivis par un amplificateur à gain ajustable et par un amplificateur-écrêteur à niveau d'écrêtage commandé et créant une force de frottement sec importante par rapport à l'effort maximal, ajustable à l'avance et variable en fonction du mouvement. Une caractéristique d'un premier exemple de réalisation du système de restitution d'effort selon l'invention, est que la première pression est fournie par le potentiomètre hydraulique et que la seconde pression est fournie par l'organe de conduite. Une caractéristique d'un deuxième exemple de réalisation du système de restitution d'effort selon l'invention, est : que la première pression est fournie par le potentiomètre hydraulique ; que la seconde pression est fournie par un premier organe de conduite, et qu'il comprend de plus, un troisième piston, distinct de l'ensemble des deux pistons et coaxial à celui-ci, et soumis à la seconde pression et à la pression fournie par un second organe de conduite et transmettant la force résultant de ces pressions directement au piston différentiel. Une caractéristique d'un troisième exemple de réalisation du système de restitution d'effort selon l'invention est, que la première pression et fournie directement par la source de pression et que la seconde pression est fournie par le potentiomètre hydraulique, et que organe de conduite est relié mécaniquement au piston différentiel. D'autres caractéristiques du système selon l'invention, apparaîtront dans la description d'exemples de réalisation non limitatifs, qui fait suite et qui est illustrée par un ensemble de figures dans lequel: - la figure 1 représente un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une commande de débit classique appartenant au système selon l'invention, - la figure 3 représente les circuits électroniques du systeme selon l'invention, - la figure 4 représente un dispositif mécanique selon l'invention produisant un frottement sec, ajustable, - la figure 5 représente un deuxième mode de réalisation de l'invention, pour lequel les éléments de commande forment une balance hydrostatique entre un pilote et un copilote, - la figure 6 représente un troisième exemple de réalisation de l'invention, à double effet, - les figures 7 à 10 représentent diverses courbes de restitution d'efforts obtenues au moyen des systèmes selon l'inventiort. Sur ces figures, des éléments similaires sont affectés des mêmes références numériques. Le premier exemple de réalisation (figure 1) permet de simuler, par exemple, une commande hydraulique de freinage. L'organe de commande est constitué par une pédale 40 actionnant un piston dans un maître-cylindre 44. Ce dernier est relié au système selon l'invention par une conduite 45. Ce système comprend : un bloc hydraulique 26, un dispositif de commande de débit 56, et des circuits d'asservissement formés par un potentiomètre 1 et des circuits électroniques 68. I1 fonctionne associé à un certain nombre de dispositifs annexes non représentés, tels qu'une source de pression hydraulique SP, une bâche de décharge B et un calculateur C. Le bloc hydraulique 26 comprend principalement un ensemble de deux pistons 12 et 24, coaxiaux, solidaires entre eux par une tige 16, et de diamètres notablements différents, dans un rapport de 1 â 2 par exemple. Cet ensemble est désigné sous le terme de piston différentiel. Ces pistons coulissent dans un alésage 18 traversant le bloc 26, directement pour le piston 24 de plus grand diamètre, et pour le piston 12 de plus faible diamètre, par l'intermédiaire d'une chemise 8 située à une des extrémités de ltalésage. Un bouchon 28 obture l'autre extrémité de l'alésage et forme avec le piston 24 une chambre 25. Ce bouchon permet de régler la course du piston différentiel. La chambre 25 est remplie par un liquide hydraulique et mise en communication par un conduit 36 et la conduite 45, au maître-cylindre 44. De plus, le piston différentiel forme avec la paroi de l'alésage et la chemise, une chambre 20. Cette chambre est remplie par un liquide hydraulique et mise en communication par une conduite 48 à un potentiomètre hydraulique. Ce potentiomètre, placé entre la source de pression SP et la bâche B, est formé principalement par un gicleur 81, et un dispositif de commande de débit 56. Le gicleur 81 est logé dans une chambre 75 fermée par un bouchon 80 et mise en communication, en amont du gicleur, à la source de pression par le conduit 74 et la conduite 72, et en aval, à la commande de débit 56 par le conduit 60, et à la chambre 20 par le conduit 48. Le dispositif de commande de débit est classique et disponible dans le commerce (figure 2). I1 comprend principalement un servo-limiteur 200 et des circuits de commande électroniques. Le liquide hydraulique débit est renvoyé à la bâche B (voir figure 2). Le piston différentiel se déplace en fonction de la différence entre la pression (première pression) dans la chambre 20 et la pression (seconde pression) dans la chambre 25. Le piston 24 est pourvu d'un joint d'étanchéité. En raison des différences de pression assez faibles entre les chambres 20 et 25, ce joint ne crée pas de frottement sec parasite important ni des fuites importantes. On peut ainsi choisir des liquides hydrauliques de natures différentes dans les deux chambres. Le liquide hydraulique de la chambre 20 et du système de potentiomètre hydraulique, est filtré par des moyens automatiques classiques associés à la source de pression SP. Les purges de la chambre 25 et des circuits de commande de la pédale sont facilitées par l'emploi d'un liquide hydraulique de plus faible viscosité.Le piston 12 est pourvu d'un joint d'étanchéité 14 à très faible frottement, qui bien que soumis à la pression de la chambre 20, crée un frottement résiduel inférieur à 2% de l'effort maximal. Un dispositif mécanique, non représenté sur la figure 1, fournit une force de frottement sec analogue à celle qui est créée par le joint d'étanchéité à simuler. Cette force est égale, par exemple, à 20% de l'effort maximal restitué. Le dispositif comprend (figure 4), montées sur une tige cylindrique 9 vissée dans le piston 12 une bague de frottement 400 en polytétrafluoréthylène chargé, une bague d'expansion 405, une rondelle de précontrainte 410, une bague d'appui 415. Ces pièces sont serrées par un écrou 420, de manière que la bague de frottement 400 se dilate et vienne en contact avec la chemise 8. Le déplacement du piston différentiel est mesuré par le potentiomètre linéaire 1 dont le corps est fixé au bloc par un montage 4. La tige de commande 5 de ce potentiomètre est reliée sans jeu au piston différentiel. Le potentiomètre est alimenté sous une tension V et fournit un signal S1 d'amplitude proportionnelle au déplacement du piston qui est envoyé au calculateur C et aux circuits électroniques 68. Les circuits électroniques (figure 3) comprennent principalement un multiplieur 300 de coefficient k, dont le signal de sortie S5 a une amplitude proportionnelle à celle du signal d'entrée SI et au coefficient k. Celui-ci représente la raideur de la réaction élastique qui s'oppose à l'action sur la pédale. Sa valeur est variable en fonction du déplacement du piston et du type de commande simulée. Elle est déterminée par le calculateur qui l'envoie au multiplieur, au moyen du signal S2. Les circuits électroniques 68 comportent de plus une voie 310, en parallèle avec le multiplieur, et qui comprend en série, trois cellules de filtrage 315 , 320 et 325, un amplificateur 330 à gain ajustable et un amplificateur-écrêteur 335. Le signal 56 fourni par cette voie est additionné au signal S5 par un sommateur 350 pour former le signal S3 envoyé à la commande de débit 200. Cette voie a pour but d'introduire dans l'effort simulé une force de frottement sec opposée au déplacement et égale, par exemple, à 20% de l'effort maximal. Sa valeur est déterminée par le niveau d'écrêtage de l'amplificateur-écreteur 335 commandé luimême par le signal S4 fourni par le calculateur. Le filtre 315 est un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure est, par exemple, de 20 Hz : la bande passante du système de restitution d'effort allant de 0 à 6 Hz. Le filtre 320 est un filtre réjecteur qui élimine la fréquence parasite du secteur de 50 Hz. Le filtre 325 est un filtre dérivateur-intégrateur élaborant le terme vitesse. L'amplificateur 330 détermine le gain en vitesse de la boucle. Les amplificateurs 303 , 305, 312 et 345 sont des amplificateurs d'adaptation et de correction classiques dans leur principe. Le deuxième exemple de réalisation de l'invention (figure 5), est conçu pour la simulation d'une commande double de freinage, propre à certains types d'avions et fonctionnant par balance hydrostatique entre les organes de conduite d'un pilote et d'un copilote. Le système comporte alors de plus un troisième piston 501 qui coulisse dans l'alésage 18 entre le bouchon 28 et le piston 24, en étant soumis à la pression fournie par le premier organe de conduite 40 et à la pression fournie au moyen de conduits 510 et 512 par un second organe de conduite 520. Le piston 500 présente sur sa face en regard du piston 24, une partie cylindrique 500 qui évite l'obturation de la conduite 36 lorsque ce piston se déplace. Quand la force résultante des forces appliquées au piston 501 est dirigée vers le piston 24, le piston 501 vient en contact avec le piston 24 et lui transmet cette force. Le piston 24 est aussi soumis à la pression fournie par le premier organe de conduite. Le premier et le deuxième exemples de système de restitution d'effort sont à simple effet, L'effort n'étant restitué et simulé que pour un seul sens de déplacement de l'organe de conduite. Les figures 7 et 8 concernent la simulation d'une commande de freinage. Elles représentent l'effort restitué F en fonction du déplacement d de l'organe de conduite. La courbe de la figure 8 correspond à la simulation d'une panne par rupture de conduite. Le troisième exemple de système de restitution d'effort (figure 6), est à double effet. I1 est particulièrement adapté à la simulation d'une roulette de nez (figure 9) et à celle d'une commande de gaz ou de vitesse pour véhicule (figure 10). L'organe de conduite 621 est lié directement au piston différentiel par une tige 616. Le bloc 26 est identique au bloc utilisé dans les systèmes à simple effet. Il peut cependant osciller en fonction des mouvements de l'organe de conduite, au moyen d'une articulation 600. Ces mouvements sont transmis au potentiomètre 1 par une liaison sans jeu 620. Le gicleur est placé, non plus dans la chambre 75, mais dans une chambre 57 en sortie du liquide hydraulique. Une piece intermédiaire 615 placée entre le bloc 26 et la commande de débit 26 assure la liaison hydraulique de cette commande, d'une part avec le bloc par le conduit 610 et d'autre part avec la chambre 25 par un conduit 605, une conduite 601 et la conduite 36. Le système est à double effet. La pression dans la chambre 20 s'exerce de maniere différentielle sur les pistons 12 et 24. Lorsque le débit de fuite vers la bâche, et contrôlé par le potentiomètre hydraulique (81 , 56), est inférieur à une certaine valeur, la force résultante sur le piston différentiel est inférieure à celle qui est créée par la pression dans la chambre 25, et par conséquent le piston différentiel développe une force vers la gauche. Lorsque le débit augmente au contraire, la force résultante différentielle devient supérieure à la force créée par la pression dans la chambre 25, qui diminue. Le piston différentiel développe alors une force vers la droite. REVENDICATIONS 1. Système électrohydraulique asservi de restitution d'effort développant une force de frottement sec, caractérisé par le fait qu'il comprend un ensemble de deux pistons solidaires (12 , 24) et coaxiaux, appelé ci-dessous piston différentiel, dont les pistons sont soumis sur leurs premières faces en regard, à un liquide hydraulique à une première pression et sur la seconde face du piston de plus grand diamètre, à un liquide hydraulique à une seconde pression, et un pote.ntiomètre hydraulique (81 , 56) - qui fournit une des dites pressions, et des circuits d'asservissement (1 , 68) imposant au potentiomètre hydraulique un fonctionnement suivant une loi prédéterminée fonction, entre autres, du déplacement du piston différentiel. -2. Système électrohydraulique asservi selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend de plus un dispositif mécanique à bagues (400 , 405 , 410 , 415). porté par le piston de plus petit diamètre et coaxialement à celui-ci, et créant une force de frottement sec, ajustable (420), de valeur stable et notable par rapport à l'effort maximal restitué. 3. Système électrohydraulique asservi selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comprend de plus des moyens de filtrage électroniques dérivateurs-intégrateurs (325) suivis par un amplificateur à gain ajustable (330) et par un amplificateur-écrêteur (335) à niveau d'écrêtage commandé et créant une force de frottement sec importante par rapport à l'effort maximal, ajustable à l'avance et variable en fonction du mouvement. 4. Système électrohydraulique asservi selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la première pression est fournie par le potentiomètre hydraulique et que la seconde pression est fournie par l'organe de conduite. 5. Système électrohydraulique asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la première pression est fournie par le potentiomètre hydraulique; que la seconde pression est fournie par un premier organe de conduite (40), et qu'il comprend de plus, un troisième piston (501), distinct de l'ensemble des deux pistons et coaxial à celui-ci, et soumis à la seconde pression et à la pression fournie par un second organe de conduite (520) et transmettant la force résultant de ces pressions directement au piston différentiel. 6. Système électrohydraulique asservi selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la première pression est fournie directement par la source de pression et que la seconde pression est fournie par le potentiomètre hydraulique, et que l'organe de conduite (621) est relié mécaniquement (616) au piston différentiel.