Brevet FR2663994A1 — publié le 19920103

VERIN ROTATIF A BILLES L'invention concerne d'une manière générale les dispositifs de commande d'organes de sortie coaxiaux pivotant l'un par rapport à l'autre tels que les gouver- nes d'avion par rapport à la voilure, et plus particuliè- rement les vérins rotatifs à billes. On sait en effet que l'augmentation de la vites- se des avions (avions de chasse supersoniques) et la fur- tivité (insensibilité à la détection au radar) néces- sitent des surfaces continues, c'est-à-dire sans sail- lies, de façon à perturber le moins possible l'écoulement aérodynamique. Pour atteindre ce résultat, trois familles de solutions sont utilisées: les vérins rotatifs épicycloî- daux; les vérins rotatifs hydrauliques à palettes; et les vérins rotatifs à billes. La première famille pose des problèmes de rigidi- té, principalement si l'on veut avoir un couple important dans une épaisseur la plus faible possible. La deuxième famille pose des problèmes de fuite (donc de rendement). La troisième famille, celle des vérins rotatifs à billes, a de grands avantages en matière de rendement, de rigidité et de durée de vie. Cependant, pour qu'un vérin rotatif à billes fonctionne correctement, compte tenu notamment des char- ges importantes et des vibrations, il est nécessaire de s' assurer que les billes ne s'accumulent pas le long de leurs pistes. Dans ce but, on a conçu des vérins à recirculation de billes, tel que celui que décrit le document US-A-4 134 329 au nom du demandeur, dont on in- corpore l'enseignement à la présente demande Un tel vérin donne généralement satisfaction et on pourra aussi se reporter à l'article "Rotary Servohinge Actuator" par George Miller Jr et Mark Williams, paru dans SAE Techni- cal Paper Series en 1989 (ISSN 0148-7191) illustrant une version plus élaborée de vérin rotatif à recirculation de billes. Toutefois, le circuit de recirculation de billes entraîne deux conséquences relativement indésirables: une augmentation du nombre de billes et une augmentation de la largeur du vérin, se traduisant par une augmenta- tion de poids. Il a été proposé, dans le document EP-A-151 788, de supprimer le circuit de recirculation des billes Mais la solution proposée, consistant notamment à prévoir un manchon intermédiaire assurant la superposition de deux pistes hélicoïdales de billes ne résout que partiellement les problèmes de poids évoqués ci-dessus et, de surcroît, présente des difficultés techniques de réalisation. Le but de l'invention est d'obtenir un vérin ro- tatif à billes non recyclées exempt des inconvénients mentionnés, et permettant une réduction significative d'encombrement et de poids. Pour atteindre ce but, l'invention propose un vérin rotatif à billes du type comprenant un piston monté dans un corps cylindrique creux réalisé en deux parties solidaires en translation et libres en rotation l'une par rapport à l'autre, le piston comportant sur sa surface périphérique cylindrique en regard de la première partie des rampes hélicoïdales coopérant par l'intermédiaire de premières billes avec des rampes hélicoïdales formées à l'intérieur de ladite première partie, et en regard de la seconde partie des rampes rectilignes coopérant par l'in- termédiaire de secondes billes avec des rampes rectilignes formées à l'intérieur de ladite seconde partie, moyennant quoi une poussée exercée sur le piston tandis que l'une desdites parties du corps est fixe, entraîne le pivotement de l'autre desdites parties, ce vérin étant caractérisé en ce que les premières billes et secondes billes sont maintenues respectivement dans des première et seconde cages à billes interposées entre le piston et le corps On assure ainsi que les billes ne risquent pas de s'accumuler. Selon une caractéristique préférée de l'inven- tion, les première et seconde cages sont asservies au mouvement du piston de sorte que la position des billes est parfaitement définie à tout moment. Selon une forme avantageuse de réalisation de cet asservissement, chaque cage comporte une enveloppe cylin- drique coopérant par l'intermédiaire d'un dispositif à ergot et rampe hélicoïdale avec une des deux parties du corps. Avantageusement, ladite rampe hélicoïdale du système est formée sur l'enveloppe cylindrique de la cage. Selon une disposition particulière, chaque cage comprend un bord crénelé dont les dents pénètrent dans les créneaux du bord crénelé de l'autre cage, chaque dent comportant une lumière hélicoïdale coopérant avec un ergot solidaire d'une partie respective du corps de vérin. Toutefois, on peut imaginer d'autres variantes de réalisation de l'asservissement permettant de supprimer efficacement le recyclage des billes. D'autres avantages et caractéristiques de l'in- vention apparaîtront à la lecture de la description sui- vante d'un mode préféré de réalisation On se référera aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un vérin conforme à l'invention, la figure 2 est une vue en développé sur 3600 des extrémités cylindriques en chevauchement des cages des billes des pistes respectivement hélicoïdales et rectilignes, et la figure 3 est une vue en perspective partiel- lement arrachée d'un vérin rotatif de l'art antérieur, à recirculation de billes. On rappellera d'abord, en se référant à la figure 3, la structure générale d'un vérin rotatif à billes, tel que montré dans l'article "Rotary Servohinge Actuator" mentionné plus haut, une telle structure générale étant naturellement reprise dans le vérin conforme à l'inven- tion. Le vérin 1 comprend un corps cylindrique creux fixe 2 comportant sur sa surface extérieure une pièce 3 de fixation à la partie fixe d'une voilure, non représen- tée, par des fixations appropriées. Un corps cylindrique creux pivotant 4 est disposé coaxialement dans le prolongement du corps fixe 2 et est relié à une surface aérodynamique pivotante non représen- tée par l'intermédiaire d'une pièce de fixation 5 et de moyens de fixation appropriés Le corps pivotant 4 est monté en rotation par rapport au corps fixe 2, et est bloqué en translation par rapport à celui-ci. Un piston 6 est logé à l'intérieur des corps 2 et 4 du vérin 1 et comporte une tête 7 d'interface avec un vérin hydraulique de commande (non représenté) destiné à lui imprimer une poussée axiale. Le corps fixe 2 présente à l'intérieur des rampes hélicoïdales 8 de dureté et forme appropriées pour le passage de billes 9 maintenues de l'autre côté par des rampes hélicoïdales 10 correspondantes formées sur la surface en regard du piston 6. Le corps pivotant 4 comporte des pistes rectili- gnes 11 équidistantes, de dureté et forme appropriées pour le passage de billes 12, maintenues de l'autre côté par des pistes rectilignes 13 correspondantes formées sur la surface en regard du piston 6. Lorsque le piston 6 reçoit une poussée axiale, il se déplace en translation par rapport aux corps 2 et 4 du vérin, et simultanément en rotation par rapport au corps fixe 2 sous l'effet vis-écrou résultant de la coopération des rampes hélicoïdales 8,10. Du fait que le corps 4 est solidaire en rotation du piston 6 (grâce aux pistes rectilignes de clavetage) mais solidaire en translation du corps fixe 2, le mouve- ment hélicoïdal induit du piston 6 entraîne le corps pivotant 4 en rotation. Un système de ce type étant soumis à des vibra- tions, des charges et des accélérations variables, les billes sont, dans la solution de l'art antérieur, dispo- sées contiguës dans un circuit fermé comprenant des trajets de recirculation 14 et 15 que la présente inven- tion a précisément pour but d'éliminer, car ils entraî- nent notamment une augmentation de l'encombrement radi- cal du vérin. Comme les billes ne peuvent être laissées libres sans risquer de quitter leur position normale et venir coincer le fonctionnement du système, l'invention prévoit d'introduire une cage à billes pour les billes des pistes hélicoïdales et rectilignes, ainsi qu'on va l'expliquer en se référant aux figures 1 et 2. Sur ces figures, les éléments correspondant à des éléments connus de l'art antérieur représenté figure 3 portent la même référence numérique, augmentée de 100. C'est ainsi que la figure 1 montre le vérin 101 constitué des corps fixe 102 et pivotant 104, montés en rotation libre et translation bloquée grâce à un roule- ment à billes 120 intercalé entre une bride 121 solidaire du corps 102 et la surface extérieure du corps pivotant 104 partiellement recouverte par ladite bride cylindrique 121. Le piston 106 est susceptible de recevoir la poussée de commande sur sa face 107 Le piston 106 com- porte: d'une part, des rampes hélicoïdales 110 (par exemple 18 rampes au pas de 360 mm) qui coopèrent par l'intermédiaire de billes 109 avec les rampes hélicoïdales 108 du corps 102; et d'autre part, des pistes ou rampes rectilignes 113 (par exemple 24 pistes réparties circonférentiellement) coopérant grâce aux billes 112 avec les pistes rectilignes 111 du corps pivotant 104. Conformément à l'invention, les billes 109 des rampes hélicoïdales sont maintenues solidaires par une cage à billes 122 constituée par un cylindre à paroi min- ce percée de trous de réception dans lesquels sont enga- gées les billes 109 Il est clair que la présence de la cage à billes 122 n'augmente que fort peu le diamètre to- tal du vérin Le cylindre constituant la cage 122 se ter- mine, du côté du piston 106 dirigé vers les pistes recti- lignes, par un bord crénelé dont les deux créneaux 123 séparent deux dents 124; leur rôle sera expliqué plus loin. De la même façon, les billes 112 des pistes rec- tilignes sont maintenues dans les trous disposés de manière appropriée d'une seconde cage à billes 125, cons- tituée comme la première (si ce n'est la disposition des trous, adaptée à la configuration des pistes) Elle est aussi pourvue, du côté tourné vers les rampes hélicoïda- les, d'un bord crénelé Les bords crénelés des deux ca- ges s'interpénétrent. Le mouvement des cages est asservi au mouvement des organes mobiles pour assurer le positionnement rigou- reux des billes. La première cage 122 doit suivre un mouvement hélicoïdal dont la vitesse d'avance est égale à la moitié de la vitesse de l'organe mobile par rapport à l'organe fixe A cet effet, les deux dents 124 de la cage 122 com- portent deux rampes hélicoïdales 126 (réalisées sous for- me de lumières) qui coopèrent avec deux ergots 127 soli- daires du corps pivotant 104 L'inclinaison des rampes 126 est calculée pour que le mouvement tournant de l'er- got 127 se déplaçant dans la lumière 126 induise la vitesse d'avance requise pour la cage. La seconde cage 125 doit se déplacer, selon une trajectoire également hélicoïdale, à vitesse moitié de la vitesse de translation du piston 106 par rapport au corps 104 A cette fin, les dents 128 du bord crénelé de la cage 125 comportent deux lumières hélicoïdales 129 qui coopèrent avec deux ergots 130 solidaires du corps fixe 102 L'inclinaison des lumières 129 est telle que, lorsque le corps 104 pivote, les ergots fixes 130 pous- sent sur les lumières de manière à faire avancer la cage à la vitesse voulue. Les dents 124 de la première cage 122 pénètrent dans les créneaux 131 de la seconde (et réciproquement), au niveau de la bride 121, en laissant un espacement cir- conférentiel suffisant entre les deux cages pour permet- tre une rotation relative de l'une par rapport à l'autre. REVENDICATIONS 1 Vérin rotatif à billes du type comprenant un piston ( 106) monté dans un corps cylindrique creux réali- sé en deux parties ( 102, 104) solidaires en translation et libres en rotation l'une par rapport à l'autre, le piston ( 106) comportant sur sa surface périphérique cy- lindrique en regard de la première partie ( 102) des rampes hélicoïdales ( 110) coopérant par l'intermédiaire de premières billes ( 109) avec des rampes hélicoïdales ( 108) formées à l'intérieur de ladite première partie 11) ( 102), et en regard de la seconde partie ( 104) des rampes rectilignes ( 113) coopérant par l'intermédiaire de secon- des billes ( 112) avec des rampes rectilignes ( 111) for- mées à l'intérieur de ladite seconde partie ( 104), moyen- nant quoi une poussée exercée sur le piston ( 106) tandis que l'une ( 102) desdites parties ( 102, 104) du corps est fixe entraîne le pivotement de l'autre ( 104) desdites parties, caractérisé en ce que les premières billes ( 109) et secondes billes ( 112) sont maintenues respectivement dans des première ( 122) et seconde ( 125) cages à billes -'O interposées entre le piston ( 106) et le corps ( 102, 104). 2 Vérin selon la revendication 1, caractérisé en ce que-les première et seconde cages sont asservies au mou- vement du piston ( 106). 2 S 3 Vérin selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque cage ( 122, 125) comporte une enveloppe cylin- drique coopérant par l'intermédiaire d'un dispositif à ergot ( 127, 130) et rampe hélicoïdale ( 126, 128) avec une des deux parties du corps. 4 Vérin selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite rampe hélicoïdale ( 126, 128) du système est formée sur l'enveloppe cylindrique de la cage ( 122, 125). 5 Vérin selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque cage ( 122, 125) comprend un corps crénelé dont les dents ( 124, 128) pénètrent dans les créneaux ( 131, 123) du bord crénelé de l'autre cage ( 122, 125), chaque dent ( 124, 128) comportant une lumière hélicoïdale ( 126, 1 I 129) coopérant avec un ergot ( 127, 130) solidaire d'une partie ( 102, 104) respective du corps de vérin.