Brevet FR2692641A1 — publié le 19931224

DISPOSITIF DE COMMANDE D'UN MOUVEMENT DE ROTATION, PAR FRACTIONS DE TOUR. DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif permettant de commander, par fractions de tour, un mouvement de rotation d'un organe tel que le boisseau d'une vanne ou d'un robinet, dans un sens déterminé. Un tel dispositif de commande peut être utilisé dans de nombreuses industries, terrestres ou spatiales, lorsqu'il est nécessaire de commander automatiquement, à des intervalles qui peuvent être très éloignés dans le temps, la rotation d'un organe d'une fraction de tour très précise, afin d'obtenir un changement d'état de cet organe. Une application privilégiée d'un tel dispositif concerne la motorisation d'une vanne utilisée pour la mise en oeuvre d'une expérience spatiale. Pour faire tourner un organe dtune fraction de tour, à des intervalles de temps qui peuvent être quelconques, la solution la plus couramment utilisée consiste à utiliser un moteur électrique pas à pas associé à un réducteur. Le moteur électrique est alors commandé par un circuit électronique qui assure également la régulation, de façon à obtenir l'angle de rotation désiré. Cette solution a pour avantage de permettre la commande des mouvements de rotation à des instants précis. Cependant, elle est rapidement inadaptée lorsque le couple qui doit être appliqué sur l'organe entraîné devient important. De plus, l'ensemble constitué par le moteur et par son réducteur est lourd et encombrant. En outre, sa fiabilité est moyenne, notamment dans certaines applications, par exemple dans le domaine spatial, pour lesquelles il peut s'écouler plusieurs années entre le montage du dispositif et sa première mise en oeuvre. L'invention a précisément pour objet un dispositif de commande d'un mouvement de rotation, par fractions de tour, dont la conception originale autorise la transmission de couples élevés pour un poids et un encombrement réduits et une fiabilité excellente. Conformément à 1 invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un dispositif de commande d'un mouvement de rotation d'un organe dans un premier sens, par fractions de tour, caractérisé par le fait qu'il comprend - un vérin moteur comportant une tige de commande apte à être déplacée entre une position de recul et une posi tion avancée, selon une direction donnée - une denture liée audit organe en rotation et placée en face de la tige de commande du vérin, de façon à pouvoir tourner autour d'un axe confondu avec ladite direction - une pièce de transformation de mouvement liée en trans lation à la tige de commande du vérin, apte à tourner autour dudit axe et coopérant avec au moins une dent de ladite denture - des moyens de guidage de la pièce de transformation de mouvement, s'opposant à une rotation de cette pièce lors d'un déplacement de la tige de commande du vérin de sa position de recul vers sa position avancée - des moyens anti-retour s'opposant à une rotation dudit organe dans un sens inverse dudit premier sens ; et - des moyens d'initialisation amenant automatiquement la pièce de transformation de mouvement en face d'une nou velle dent de ladite denture lors d'un déplacement de la tige de commande du vérin de sa position avancée vers sa position de recul. Dans ce dispositif, le mouvement de translation rectiligne créé par le vérin moteur est transformé en un mouvement de rotation par la coopération de la pièce de transformation de mouvement d'une part avec la denture liée à l'organe entraîné, et d'autre part, avec les moyens de guidage lors de la course aller du vérin moteur. Lors de la course retour de ce dernier, l'organe entraîné est immobilisé sous l'action des moyens anti-retour, et la pièce de transformation de mouvement est ramenée en face d'une nouvelle dent de la denture par les moyens d'initialisation à la fin de ce mouvement de recul. Le mécanisme associé au vérin est particulièrement simple et compact. De plus, aucun circuit électronique n'est nécessaire pour réguler le vérin, dont la commande peut être assurée très simplement. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le vérin moteur est un vérin à changement de phase. Cette solution permet de réduire encore le poids et l'encombrement du dispositif et d'en améliorer la fiabilité. De plus, un tel vérin autorise l'application d'un couple élevé. Enfin, il peut être commandé électriquement de façon très simple, par l'intermédiaire d'un relais dont un actionnement assure selon le cas le chauffage ou le refroidissement du matériau à changement de phase assurant l'allongement ou la rétraction de la tige du vérin. Les moyens anti-retour peuvent être constitués simplement par des surfaces en contact opposant à une rotation de l'organe entraîné une force de friction prédéterminée. Selon le cas, ces surfaces en contact peuvent être des surfaces de l'organe entraîné et de la pièce qui le supporte ou des surfaces appartenant à un système de friction incorporé au dispositif proprement dit. Les moyens de guidage de la pièce de transformation de mouvement comprennent de préférence au moins une surface d'appui, orientée parallèlement à l'axe de rotation de la denture et formée sur une cage de guidage liée au corps du vérin. Dans ce cas, les moyens d'initialisation comprennent avantageusement des premiers moyens élastiques appliquant la pièce de transformation de mouvement contre la surface d'appui avec une force de rappel prédéterminée, supérieure à la force de friction prédéterminée définie entre les surfaces en contact des moyens anti-retour. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la pièce de transformation de mouvement comporte un moyeu central, lié en translation à la tige de commande du vérin, et autant de branches orientées radialement par rapport à l'axe de la denture que cette dernière comporte de dents, chacune des branches étant apte à coopérer avec l'une des dents par un palier intermédiaire et avec une surface d'appui correspondante de la cage de guidage par un palier d'extrémité. Dans ce même mode de réalisation préféré de l'invention, la pièce de transformation de mouvement est liée en translation à la tige de commande du vérin par des deuxièmes moyens élastiques appliquant cette pièce contre une extrémité de la tige. Les premiers et les deuxièmes moyens élastiques peuvent comprendre un ressort hélicoïdal unique de compression et de torsion, dont les extrémités sont fixées respectivement sur une pièce portant la denture et sur la pièce de transformation de mouvement. En variante, les premiers moyens élastiques peuvent comprendre au moins un ressort à lame interposé entre la cage de guidage et la pièce de transformation de mouvement, les deuxièmes moyens élastiques comprenant alors un ressort hélicoidal de compression interposé entre une pièce portant la denture et la pièce de transformation de mouvement. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un dispositif de commande conforme à l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue de côté, en coupe partielle, représentant un dispositif de commande conforme à l'invention, utilisé pour commander la rotation pas à pas du boisseau d'une vanne - la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne II-II de la figure 1 - les figures 3A à 3D illustrent schématiquement différentes étapes de mise en oeuvre du dispositif de la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue de côté, en coupe partielle, illustrant une variante de réalisation du dispositif de commande conforme à l'invention. La figure 1 illustre une première forme de réalisation d'un dispositif de commande 10 conforme à 1 'in- vention. Le boisseau rotatif 14 d'une vanne 12, représentée en traits mixtes, est entraîné en rotation d'un quart de tour dans un sens donné, à chaque actionnement du dispositif de commande 10, de façon à commander selon le cas une ouverture ou une fermeture de la vanne 12. Un tel ensemble peut notamment être monté sur un instrument à usage scientifique embarqué sur un véhicule spatial. Avant de décrire plus en détail le dispositif de commande 10 illustré sur la figure 1, il est rappelé que l'application représentée sur cette figure n'est décrite qu'à titre d'exemple, le dispositif de commande selon l'invention pouvant être utilisé dans des domaines techniques très différents pour assurer la commande en rotation dans un sens donné, par fractions de tour, d'un organe quelconque. Le dispositif de commande 10 conforme à l'invention comprend un vérin moteur 16 qui agit sur le boisseau 14 de la vanne 12 au travers d'un mécanisme 18. Plus précisément, le corps 20 du vérin 16 est fixé sur une cage de guidage 22 du mécanisme 18 et cette cage de guidage 22 est elle-même fixée sur le corps 24 de la vanne 12, de telle sorte qu'un axe XX' commun au vérin 16 et au mécanisme 18 soit orienté selon l'axe de rotation du boisseau 14. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, le vérin 16 est un vérin à changement de phase dont la tige de commande 26 est déplacée entre une posi tion de recul illustrée sur la figure 1 et une position avancée (non représentée) par le changement de phase solide-liquide d'un matériau à changement de phase tel qu'une cire. Ce changement de phase est déclenché par le franchissement d'un seuil de température très précis qui dépend de la nature de la cire utilisée. Ainsi, ce seuil de température peut varier entre environ -100C et environ llO"C selon la nature de la cire, mais il peut être fixé dans tous les cas à plus ou moins 0,5 C près. La commande du changement de phase de la cire contenue dans le vérin moteur 16 est assurée par des moyens de chauffage (non représentés) actionnés électriquement au travers de conducteurs 28. Ces moyens de chauffage sont avantageusement constitués par des éléments PTC (de l'anglais "Positive Thermal Coefficient") c'est-à-dire des éléments à coefficient thermique positif. En effet, de tels éléments s'auto-régulent à une température donnée pour une tension d'alimentation électrique constante, ce qui contribue à donner au dispositif une grande fiabilité puisqu'il n'est pas nécessaire d'utiliser un asservissement électronique extérieur. Bien entendu, la nature des éléments de chauffage PTC est choisie avantageusement pour correspondre à la température de changement de phase de la cire contenue dans le corps 20 du vérin moteur 16. En plus de la grande fiabilité qu'il procure, un vérin à changement de phase présente un dimensionnement et un poids réduits et permet d'actionner le mécanisme 18 avec une force très élevée et sur une distance pouvant atteindre environ 30 mm. Bien que cette solution soit généralement moins avantageuse, le vérin à changement de phase peut être remplacé, dans certains cas, par un vérin classique, par exemple de type hydraulique. La cage de guidage 22 du mécanisme 18 présente la forme d'un cylindre de section circulaire, à l'intérieur duquel sont logées une pièce de transformation de mouvement 30 et une denture 32 montée sur une pièce 34 liée en rotation au boisseau 14 de la vanne 12. La pièce 34 comporte un plateau 35 portant la denture 32 et une tige de liaison 36 reliant ce plateau 35 au boisseau 14 selon l'axe XX'. Comme l'illustre plus précisément la figure 2, la pièce de transformation de mouvement 30 a la forme d'un croisillon comportant un moyeu central 38 à partir duquel font saillie quatre branches 40 d'égales longueurs réparties à 900 les unes des autres autour de l'axe XX'. Le moyeu 38 de la pièce de transformation de mouvement 30 est maintenu en appui contre l'extrémité de la tige de commande 26 du vérin 16 par un ressort hélicoïdal de compression 42 (figure 1) interposé entre ce moyeu 38 et la pièce 34. Plus précisément, le ressort 42 est placé autour d'un axe 44 solidaire du moyeu 38 et pénétrant dans un trou de guidage 46 usiné dans le plateau 35 et dans la tige de liaison 36, selon l'axe XX'. La denture 32 comprend quatre dents identiques 48, réparties à 900 l'une de l'autre autour de l'axe XX' et tournées vers les branches 40 de la pièce de trans for- mation de mouvement 30. Chacune des dents 48 comporte une face d'attaque 50, une pointe 52 et une face en dépouille 54 (figures 3A à 3D). Lors d'un actionnement du vérin moteur 16 conduisant à déplacer la tige de commande 26 vers sa position avancée, chacune des branches 40 de la pièce de transformation de mouvement 30 coopère avec la face d'attaque 50 de l'une des dents 48 de la denture 32. Au contraire, lors d'un actionnement du vérin moteur 16 dans le sens correspondant au déplacement de la tige de commande 26 vers sa position de recul, chacune des branches 40 de la pièce de transformation de mouvement 30 coopère avec la face en dépouille 54 de l'une des dents 48. Afin de réduire autant que possible les frottements entre les branches 40 de la pièce de transformation de mouvement 30 et les faces 50 et 54 des dents 48, les parties des branches appelées à coopérer avec ces faces portent chacune un palier intermédiaire 56 (figures 1 et 2) tel qu'un roulement à billes ou à rouleau. Chacune des branches 40 de la pièce de transformation de mouvement 30 se prolonge au-delà du palier intermédiaire 56, de telle sorte que les extrémités des branches 40 soient emprisonnées entre deux nervures 58 formées dans la cage de guidage 22, comme l'illustre la figure 2. De façon plus précise, la cage de guidage 22 présente quatre nervures 58 orientées parallèlement à l'axe XX', ces nervures 58 étant disposées à 900 les unes des autres autour de cet axe et faisant saillie radialement vers l'intérieur de telle sorte que la rotation de la pièce de transformation de mouvement 30 à l'intérieur de la cage de guidage 22 soit limitée à un angle inférieur à 900. La face de chacune des nervures 58 tournée vers la face d'attaque 50 de la dent 48 la plus proche forme une surface d'appui 60 parallèle à l'axe XX'. L'extrémité de chacune des branches 40 de la pièce de transformation de mouvement 30 est en appui contre ces surfaces d'appui 60 lors d'un actionnement du vérin moteur 16 tendant à déplacer la tige de commande 26 vers sa position avancée. Dans la forme de réalisation de l'invention illustrée sur les figures 1 et 2, la face de l'une au moins des nervures 58 opposée à la surface d'appui 60 porte un ressort à lame 62. Comme on le comprendra par la suite, le ou les ressorts 62 forment des moyens d'initialisation qui amènent automatiquement la pièce de transformation de mouvement 30 en face d'une nouvelle dent 48 lorsque la tige de commande 26 du vérin moteur 16 se déplace vers sa position de recul. Afin de réduire les frottements dans le mécanisme 18, les extrémités des branches 40 de la pièce de transformation de mouvement 30 appelées à coopérer avec les surfaces d'appui 60 et avec les ressorts à lame 62 portent également des paliers d'extrémité 64 tels que des roulements à billes. Pour compléter la description du mécanisme 18, on voit sur la figure 1 que le plateau 34 est supporté de façon tournante à l'intérieur de la cage de guidage 22, par exemple au moyen d'un roulement à billes 65 interposé entre le plateau 34 et le corps 24 de la vanne 12. En outre, des moyens anti-retour sont prévus pour s'opposer à une rotation de l'ensemble formé par le boisseau 14 de la vanne 12, et par la pièce 34 portant la denture 32 dans le sens inverse de son sens normal de rotation. Ces moyens anti-retour sont avantageusement constitués par des surfaces en contact de cet ensemble rotatif et des pièces fixes (cage de guidage 22 et corps 24 de la vanne 12) qui le contiennent. Plus précisément, ces surfaces en contact opposent à une rotation de l'ensemble rotatif précité une force de friction prédéterminée. Ce résultat peut être obtenu soit directement entre le boisseau 14 et le corps 24 de la vanne 12, soit en équipant la face du plateau 34 tournée vers le corps 24 de la vanne d'un revêtement de friction 66. Le fonctionnement du dispositif de commande conforme à l'invention va à présent être décrit en se référant successivement aux figures 3A à 3D qui illustrent de façon schématique la coopération de l'une des branches 40 de la pièce de transformation de mouvement 30 avec la denture 32 et avec la cage de guidage 22, selon la position occupée par la tige de commande 26 du vérin moteur 16. Dans la position initiale du dispositif, la tige de commande 26 du vérin moteur 16 occupe sa position de recul illustrée sur la figure 1. Dans cette position initiale, chacune des branches 40 est maintenue en appui contre la surface d'appui 60 qui lui correspond par le ou les ressorts à lame 62. Par ailleurs, chacune des branches 40 est située en face de l'extrémité de la face d'attaque 50 de l'une des dents 48 adjacente à la pointe 52 de cette dent. Par conséquent, dès que le vérin moteur 16 est actionné dans le sens tendant à déplacer la tige de commande 26 vers sa position avancée, la pièce de transformation du mouvement 30 est déplacée vers le plateau 35 à l'encontre du ressort de compression 42 (flèche F1 sur la figure 3A). Sous l'effet de ce déplacement, chacune des branches 40 vient en appui contre la face d'attaque 50 de la dent 48 correspondante (figure 3A). Cette coopération entre les branches 40 et les faces d'attaque 50 des dents 48 a pour conséquence une rotation de la denture 32 dans le sens de la flèche F2 sur la figure 3B. En effet, une rotation en sens inverse de la pièce de transformation de mouvement 30 est empêchée par l'appui des branches 40 contre les surfaces d'appui 60. Lorsque la tige de commande 26 atteint sa position avancée, la forme donnée à la face d'attaque 50 de chacune des dents 48 est telle qu'une rotation précise de l'ensemble formé par le boisseau 14, la tige de liaison 36, le plateau 34 et la denture 32 a été obtenue. Dans l'exemple de réalisation illustré sur les figures, cette rotation est de 900. Elle pourrait cependant avoir une valeur différente si l'on modifiait en conséquence le nombre des dents de la denture 32, le nombre de branches de la pièce de transformation de mouvement 30 et la forme des faces d'attaque des dents. Lorsque le vérin moteur 16 est ensuite actionné en sens inverse de façon à ramener la tige de commande 26 vers sa position de recul illustrée sur la figure 1, les branches 40 de la pièce de transformation de mouvement 30 sont maintenues en appui contre les faces en dépouille 54 des dents 48 par le ressort hélicoidal de compression 42. Sous l'effet de cette coopération, la pièce de transformation de mouvement 30 tourne à son tour dans le sens de la flèche F2, comme l'illustre la figure 3C. Cette rotation de la pièce 30 s'explique par le fait que la force de friction prédéterminée obtenue, par exemple, grace au revêtement 66, oppose à une rotation en sens inverse de la denture 32 une force supérieure à la force de rappel exercée sur la pièce de transformation de mouvement 30 par le ou les ressorts à lame 62. Cependant, dès que les branches 40 arrivent audelà des pointes 52 des dents 48 lors du retour de la tige de commande 26 du vérin vers sa position de recul, la force de rappel exercée par le ou les ressorts 62 sur la pièce de transformation de mouvement 30 permet de ramener à nouveau chacune des branches 40 en appui contre les surfaces d'appui 60 comme l'illustre la figure 3D. Une initialisation ou un réarmement du dispositif de commande selon l'invention est ainsi obtenue de façon automatique. Les moyens d'initialisation constitués par le ou les ressorts à lame 62 dans le mode de réalisation qui vient d'être décrit en se référant aux figures 1 et 2 peut prendre des formes différentes, sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, comme l'illustre schématiquement la figure 4, ces moyens d'initialisation peuvent aussi être constitués par un ressort hélicoïdal 142 placé autour de l'axe 44 de la pièce de transformation de mouvement 30, comme le ressort 42 dans la forme de réalisation illustrée sur la figure 1, mais constituant dans ce cas à la fois un ressort de compression et un ressort de torsion. Plus précisément, les deux extrémités du ressort hélicoidal de compression 142 sont alors fixées respectivement dans le moyeu 38 de la pièce de transformation de mouvement 30 et sur la tige de liaison 36 ou le plateau 34. Grâce à la disposition illustrée sur la figure 4, le ressort 142 permet de plaquer en permanence le moyeu 38 de la pièce de transformation de mouvement 30 contre l'extrémité de la tige de commande 26, comme dans la première forme de réalisation décrite. De plus, le ressort 142 exerce sur la pièce de transformation de mouvement 30 un couple de torsion tendant à ramener en permanence chacune des branches 40 de cette pièce en appui contre les surfaces d'appui 60 formées sur la cage de guidage 22 (non illustrée sur la figure 4). Le retour des branches 40 dans la position illustrée sur la figure 3D lorsque la tige de commande 26 du vérin moteur 16 revient dans sa position de recul, est ainsi assuré automatiquement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. Ainsi, le contact de frottement entre l'ensemble rotatif lié à la denture 32 et les pièces fixes du dispositif peut être remplacé par un embrayage unidirectionnel s'opposant à une rotation de la denture 32 dans le sens inverse de celui qui est normalement commandé lors d'un actionnement du vérin moteur 16. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande d'un mouvement de rotation d'un organe (14) dans un premier sens, par fractions de tour, caractérisé par le fait qu'il comprend - un vérin moteur (16) comportant une tige de commande (26) apte à être déplacée entre une position de recul et une position avancée, selon une direction donnée - une denture (32) liée audit organe en rotation et pla cée en face de la tige de commande du vérin, de façon à pouvoir tourner autour d'un axe confondu avec ladite direction ; - une pièce de transformation de mouvement (30) liée en translation à la tige de commande du vérin, apte à tour ner autour dudit axe et coopérant avec au moins une dent (48) de ladite denture ; - des moyens de guidage (60) de la pièce de transformation de mouvement, s'opposant à une rotation de cette pièce lors d'un déplacement de la tige de commande du vérin (16) de sa position de recul vers sa position avancée - des moyens anti-retour (66) s'opposant à une rotation dudit organe dans un sens inverse dudit premier sens ; et - des moyens d'initialisation (62, 142) amenant automati quement la pièce de transformation de mouvement en face d'une nouvelle dent (48) de ladite denture lors d'un déplacement de la tige de commande du vérin (16) de sa position avancée vers sa position de recul. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le vérin moteur (16) est un vérin à changement de phase. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que les moyens anti-retour comprennent des surfaces en contact (66) opposant à une rotation dudit organe (14) une force de friction prédéterminée. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens de guidage de la pièce de transformation de mouvement comprennent au moins une surface d'appui (60) orientée parallèlement audit axe, formée sur une cage de guidage (22) liée à un corps (20) dudit vérin. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les moyens d'initialisation comprennent des premiers moyens élastiques (62) appliquant la pièce de transformation de mouvement (30) contre la surface d'appui (60) avec une force de rappel prédéterminée. 6. Dispositif selon les revendications 3 et 5 combinées, caractérisé par le fait que la force de friction prédéterminée est inférieure à la force de rappel prédéterminée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que la pièce de transformation de mouvement (30) comporte un moyeu central (38), lié en translation à la tige de commande (26) du vérin (16), et autant de branches (40) orientées radialement par rapport audit axe que la denture (32) comporte de dents (48), chacune des branches étant apte à coopérer avec l'une des dents par un palier intermédiaire (56) et avec une surface d'appui correspondante (60) de la cage de guidage (22) par un palier d'extrémité (64). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la pièce de transformation de mouvement (30) est liée en translation à la tige de commande (26) du vérin par des deuxièmes moyens élastiques (42) appliquant ladite pièce contre une extrémité de la tige. 9. Dispositif selon la revendication 8, combinée avec l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que les premiers et les deuxièmes moyens élastiques comprennent un ressort hélicoïdal unique (142) de compression et de torsion, dont les extrémités sont fixées respectivement sur une pièce (34) portant la denture (32) et sur la pièce de transformation de mouvement (30). 10. Dispositif selon la revendication 8, combinée avec l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que les premiers moyens élastiques comprennent au moins un ressort à lame (62) interposé entre la cage de guidage (22) et la pièce de transformation de mouvement (30), les deuxièmes moyens élastiques comprenant un ressort hélicoïdal de compression (42) interposé entre une pièce (34) portant la denture (32) et la pièce de transformation de mouvement (30).