Brevet FR2699633A1 — publié le 19940624

MECANISME DE VIS A ROULEAUX, NOTAMMENT POUR ENGIN SPA- TIAL, ET ACTUATEUR LINEAIRE COMPORTANT UN TEL MECANISME DESCRIPTION L'invention concerne principalement un méca- nisme de vis à rouleaux conçu notamment pour être utili- sé sur un engin spatial tel qu'un satellite, une station orbitale ou un véhicule spatial L'invention concerne également l'application d'un tel mécanisme à la réalisa- tion d'un actuateur linéaire. Pour transformer un mouvement de rotation en un mouvement de translation linéaire, une première solu- tion connue consiste à utiliser un mécanisme de vis à billes Dans un tel mécanisme, une vis sans fin rotative est en prise sur un écrou lié à un organe mené quelcon- que, par l'intermédiaire de billes recirculées. Comme l'illustre notamment le document DE-A- 4 208 126, on connait des mécanismes de vis à billes perfectionnés dans lesquels, afin d'éviter l'apparition d'un jeu à l'intérieur du mécanisme, celui-ci comprend deux demi-écrous placés côte à côte et un système élas- tique est comprimé entre ces deux demi-écrous, afin de leur appliquer une précharge en extension. Les performances des mécanismes de vis à bil- les sont satisfaisantes pour des applications courantes, mais insuffisantes pour des applications nécessitant de très hautes performances en ce qui concerne au moins l'un des paramètres suivants: précision, vitesse, ef- fort transmis et couple résistant Cette remarque30 concerne notamment l'application au domaine spatial. Lorsque de très hautes performances sont re- quises, on utilise des mécanismes de vis à rouleaux dans lesquels la transmission du mouvement entre une vis sans fin et un écrou est assurée par des rouleaux satellites. Comme l'illustre notamment le document FR-A- 2 182 505, on connait des mécanismes de vis à rouleaux perfectionnés dans lesquels une rotation de la vis sans fin commande la translation simultanée de deux demi- écrous La transformation du mouvement de rotation de la vis en un mouvement de translation linéaire des demi- écrous est assurée par des gorges annulaires formées sur les rouleaux et dans lesquelles sont en prise les filets formés respectivement sur la vis et dans les demi-écrous.10 Cet agencement a pour avantage de permettre l'application entre les deux demi-écrous d'une précharge axiale évitant la création d'un jeu à l'intérieur du mé- canisme On obtient ainsi un mécanisme permettant de commander avec une très grande précision le déplacement15 de l'organe mené De plus, l'application d'une précharge axiale dépassant un certain seuil peut garantir une ir- réversibilité complète du mécanisme, lorsque l'applica- tion concernée l'exige. Dans la pratique, une précharge en compression est habituellement appliquée entre les deux demi-écrous du mécanisme de vis à rouleaux tel que décrit dans le document FR-A-2 182 505 au moyen d'un empilement de ron- delles élastiques placées autour de la vis entre l'un des demi-écrous et une surface d'appui d'un boîtier en-25 cerclant les deux demi-écrous et prenant appui par ail- leurs sur l'autre demi-écrou, de façon à solliciter ces demi-écrous l'un vers l'autre Chacun des demi-écrous est alors lié en rotation au boîtier, tout en étant libre de se déplacer axialement par rapport à ce der-30 nier. Cet agencement est généralement satisfaisant dans un grand nombre d'applications Cependant, il de- vient pratiquement inutilisable lorsque le mécanisme est soumis à des vibrations induisant un grand nombre d'efforts axiaux consécutifs entre le boîtier et la vis, à un niveau excédant la précontrainte emmagasinée dans l'empilement de rondelles élastiques Cette situation, qui se présente notamment lors du lancement des engins spatiaux, a en effet pour conséquences des déplacements axiaux relatifs entre le boîtier et les demi-écrous, conduisant à soumettre ces derniers à une succession de chocs sévères Ces chocs endommagent rapidement les flancs des filets et rendent pratiquement le mécanisme incapable d'assumer les tâches de grande précision qui lui sont habituellement confiées. Il est à noter que ce problème ne peut pas être résolu simplement en augmentant la valeur de la précharge appliquée initialement sur le mécanisme En effet, une telle augmentation aurait pour conséquence d'augmenter la valeur du couple de rotation qu'il serait nécessaire d'exercer sur la vis pour commander une translation du boîtier Elle conduirait donc dans tous les cas à l'utilisation de moteurs rotatifs présentant une puissance disproportionnée par rapport à la taille du mécanisme Dans le cas o de tels mécanismes sont utilisés sur des engins spatiaux, l'augmentation de taille des moteurs rotatifs qui en résulterait rendrait cette solution inacceptable. Par ailleurs, l'utilisation de ce mécanisme de vis à rouleaux dans le vide, par exemple lors de son application dans le domaine spatial, est pratiquement impossible, du fait du grippage qui se produirait entre les pièces métalliques appelées à frotter les unes contre les autres Ainsi, les différentes rondelles élastiques de l'empilement de rondelles risqueraient de se souder les unes sur les autres du fait de leur frottement induit par les vibrations auxquelles serait soumis le mécanisme lors du lancement de l'engin portant ce mécanisme Cela est évidemment inacceptable, car il pourrait en résulter une disparition partielle ou totale de la précontrainte appliquée sur les deux demi- écrous, ce qui aurait pour conséquence la réapparition du jeu fonctionnel à l'intérieur du mécanisme et la disparition de son caractère irréversible. Le fonctionnement sous vide du mécanisme de vis à rouleaux décrit précédemment peut aussi entraîner un risque de soudage des rouleaux sur la vis et sur les demi-écrous, étant donné que toutes ces pièces en contact de roulement sont habituellement métalliques. Il est à noter qu'aucun de ces problèmes posés par l'utilisation des mécanismes de vis à rouleaux dans le domaine spatial n'est abordé dans les mécanismes de vis à billes, de sorte qu'aucune solution à ces problè- mes ne peut être trouvée dans ces mécanismes. L'invention a principalement pour objet un mé- canisme de vis à rouleaux réalisé selon le même principe que le mécanisme décrit dans le document FR-A-2 182 505, mais présentant des caractéristiques originales lui per- mettant de supporter des vibrations importantes et de fonctionner sous vide, ce qui facilite notamment l'ap- plication de ce mécanisme à l'industrie spatiale, tout en préservant les avantages (très grande précision et caractère totalement irréversible) présentés habituelle- ment par ce mécanisme, sans qu'il soit nécessaire de lui appliquer un couple moteur excessif. Conformément à l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un mécanisme de vis à rouleaux dans lequel des rouleaux et une cage de guidage de ces rou- leaux sont interposés entre une vis et deux demi-écrous annulaires, caractérisé par le fait que les deux demi- écrous sont montés dans un boîtier de précharge de telle sorte qu'un premier de ces demi-écrous soit solidaire du boîtier et que le deuxième demi-écrou soit lié au boîtier en rotation et libre en translation, un ressort hélicoïdal de compression étant placé autour de la vis, entre le deuxième demi-écrou et une surface d'appui du boîtier située de l'autre côté du deuxième demi-écrou, par rapport au premier demi-écrou. Dans ce mécanisme, la solidarisation de l'un des demi-écrous et du boîtier permet d'éviter que lors- que des efforts axiaux excédant la précharge sont appli- qués sur le mécanisme, les demi-écrous ne subissent des chocs importants Par conséquent, si le mécanisme est soumis à des vibrations importantes, ces vibrations ne peuvent pas conduire à endommager les filets de la vis, des demi-écrous ou des rouleaux satellites. Par ailleurs, l'utilisation d'un ressort héli- coldal de compression pour appliquer la précharge évite tout risque de grippage du dispositif de précharge élas- tique lorsqu'il est utilisé dans le vide, ce qui assure le maintien d'une précharge pratiquement uniforme et garantit l'irréversibilité du mécanisme. Avantageusement, lorsque la vis et chacun des demi-écrous sont métalliques, les rouleaux sont consti- tués, au moins dans leurs parties périphériques en contact avec la vis et les demi-écrous, de matériaux plastiques, pour éviter les risques de soudure au vide. Selon une première forme de réalisation de l'invention, les rouleaux sont réalisés totalement en matière plastique. Selon une deuxième forme de réalisation de l'invention, les rouleaux sont métalliques et revêtus, sur lesdites parties périphériquesde couches de matière plastique Les parties des vis et des demi-écrous qui sont en contact avec les rouleaux sont alors avantageu- sement revêtues de couches d'argent En fonctionnement, l'argent se mélange avec la matière plastique dont sont revêtus les rouleaux pour former un amalgame qui piège les particules créées par l'usure. L'invention a aussi pour objet un actuateur linéaire utilisable dans l'espace, cet actuateur compre- nant un organe moteur rotatif et un mécanisme de vis à rouleaux tel que défini précédemment. On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation préférentielle de l'invention, en se référant au dessin annexé, dans le- quel la figure unique est une vue de côté, en coupe lon- gitudinale partielle, représentant un actuateur linéaire équipé d'un mécanisme de vis à rouleaux conforme à l'in- vention. La figure unique représente un actuateur li- néaire destiné à être installé sur un engin spatial, afin de commander dans l'espace le déplacement linéaire d'un organe quelconque avec une très grande précision (de l'ordre du pm) et d'une manière totalement reproduc- tible. Cet actuateur linéaire comprend un moteur ro- tatif 10, de type connu, tel qu'un moteur couple ou un moteur pas à pas L'arbre de sortie 12 de ce moteur 10 est solidarisé en rotation d'une vis sans fin 14 dont le mouvement de rotation est transformé en un mouvement de translation linéaire, parallèlement à l'axe de la vis 14, par un mécanisme de vis à rouleaux désigné de façon générale par la référence 16 Le mouvement de translation linéaire ainsi obtenu est recueilli sur un boîtier de précharge 18 du mécanisme de vis à rouleaux 16 Le boîtier de précharge 18 est solidarisé de l'orga- ne dont on désire commander la translation linéaire d'une manière qui dépend de l'application considérée et ne fait pas partie de l'invention. Dans la forme de réalisation illustrée sur la figure unique, le moteur 10 et le mécanisme de vis à rouleaux 16 sont supportés indépendamment l'un de l'au- tre par des éléments différents de la structure de l'en- gin spatial, de telle sorte que l'arbre de sortie 12 du moteur 10 agit sur la vis sans fin 14 du mécanisme de vis à rouleaux 16 au travers d'une transmission 20 de type cardan ou soufflet La vis sans fin 14 est alors supportée, à chacune de ses extrémités dépourvues de filetage, par des paliers illustrés schématiquement en 22. Il est à noter que d'autres agencements peu- vent être envisagés dans certaines applications Ainsi, l'arbre de sortie 12 du moteur 10 peut être directement solidaire de la vis sans fin 14 du mécanisme de vis à rouleaux 16 lorsque le moteur 10 et le mécanisme 16 sont supportés par le même élément de structure de l'engin spatial. On décrira à présent en détail le mécanisme de vis à rouleaux 16, dans sa forme de réalisation pré- férentielle illustrée sur la figure unique. En plus de la vis sans fin 14 et du boîtier de précharge 18, le mécanisme de vis à rouleaux 16 comprend deux demi-écrous 24 et 26 montés côte à côte à l'intérieur du boîtier de précharge 18, des rouleaux satellites 28 interposés entre la vis sans fin 14 et les demi- écrous 24 et 26, et une cage séparatrice 30 servant à maintenir l'écartement les rouleaux 28 La vis sans fin 14, le boîtier de précharge 18, les deux demi-écrous 24 et 26 et la cage séparatrice 30 sont dis- posés coaxialement. De façon plus précise, la surface extérieure des rouleaux satellites 28 est pourvue de gorges régu- lièrement espacées selon un pas égal au pas des filets de la vis sans fin 14 et des demi-écrous 24 et 28 De plus, ces rouleaux 28 sont placés entre la vis et les demi-écrous de telle sorte que chaque rouleau soit si- multanément en prise sur les filets de la vis 14 suivant sa génératrice la plus proche de l'axe de cette vis et sur les filets du demi-écrou 24 et du demi-écrou 26 sui- vant sa génératrice la plus éloignée de l'axe de la vis sans fin 14 Chacun des demi-écrous 24 et 26 est immobi- lisé en rotation dans le boîtier de précharge 18, par exemple par une clavette 32, de telle sorte que toute rotation des demi-écrous 24 et 26 soit rendue impossible du fait que le boîtier de précharge 18 est lui-même im- mobilisé en rotation. Compte tenu de cet agencement, en lui-même classique, le mouvement de rotation de la vis sans fin 14 commandé par le moteur 10 est transformé par les rou- leaux 28 en un mouvement de translation des demi-écrous 24 et 26 et, par conséquent, du boîtier de précharge 18. La cage séparatrice 30 est une pièce de forme généralement tubulaire, munie sur toute sa circonférence de fenêtres 36 régulièrement espacées et qui s'étendent parallèlement à son axe de façon à recevoir chacun des rouleaux 28 Elle assure ainsi le maintien de l'espace- ment circonférentiel entre ces rouleaux La cage sépara- trice 30 est placée entre la vis sans fin 14 et l'ensem- ble formé par les deux demi-écrous 24 et 26 placés côte à côte, et elle est supportée à chacune de ses extrémi- tés par des bagues 38 et 40 qui sont montées respective- ment dans le demi-écrou 24 et dans le demi-écrou 26. Selon une disposition connue, le mécanisme de vis à rouleaux 16 est muni de moyens permettant de ramener, à chaque tour de la vis sans fin 14, les rou- leaux 28 dans une position centrale axialement symétri- que par rapport aux deux demi-écrous 24 et 26 Ces moyens, non illustrés sur la figure unique, sont habi- tuellement constitués par un évidement formé à l'inté- rieur des deux demi-écrous 24 et 26, sur une longueur axiale excédent la longueur d'un rouleau 28, et par des surfaces de came formées sur chacune des bagues 38 et dans la région angulaire correspondant à cet évide- ment. A chaque fois que la rotation de la vis sans fin 14 amène l'un des rouleaux 28 en face de cet évide- ment, les surfaces de came formées sur les bagues 38 et 40 tendent à ramener ce rouleau en arrière par rap- port au sens de son déplacement axial à l'intérieur des demi-écrous 24 et 26, provoqué normalement par la rota- tion de la vis sans fin Etant donné que le rouleau 28 se trouve alors en face de l'évidement précité, l'effort exercé axialement sur le rouleau par les surfaces de came châsse le rouleau radialement vers l'extérieur, jusqu'à ce qu'il ne soit plus en prise avec le filetage de la vis sans fin 14 Le rouleau 28 recule ainsi d'un pas par rapport aux filetages des demi-écrous 24 et 26, sous l'action des surfaces de came formées sur les ba- gues 38 et 40 A chaque fois qu'un rouleau 28 parcourt un tour complet à l'intérieur des demi-écrous 24 et 26, il est ainsi ramené en arrière d'un pas du filetage de ces demi-écrous L'effet de déplacement axial des rou- leaux 28 dans les demi-écrous, induit par la coopération du filetage de ces demis-écrous avec les gorges annulai- res formées sur les rouleaux 28, est ainsi annulé puis- que les rouleaux 28 sont recentrés automatiquement dans les demi-écrous 24 et 26 lors du fonctionnement du méca- nisme. Le boîtier de précharge 18 délimite intérieu- rement un alésage 42 dans lequel peut coulisser libre- ment le demi-écrou 26 qui constitue ainsi un demi-écrou libre en translation. Le demi-écrou 24 est également logé dans l'a- lésage 42 du boîtier de précharge 18, mais il est immo- bilisé dans ce dernier par un écrou de blocage 44 vissé dans un taraudage formé à l'une des extrémités ouvertes de l'alésage 42 adjacente au demi-écrou 24 Cet écrou de blocage 44 prend appui sur une collerette 24 a formée sur le demi-écrou 24, de façon à bloquer cette colleret- te contre un épaulement 42 a de l'alésage 42 Le demi- écrou 24, par ailleurs immobilisé en rotation par la clavette 32, constitue ainsi un demi-écrou bloqué. A son extrémité opposée à l'écrou de blocage 44, le boîtier de précharge 18 comporte un fond traversé librement par la vis sans fin 14 et dont la face tournée vers le demi- écrou libre 26 définit une surface d'appui 46. Entre cette surface d'appui 46 et la face en vis-à-vis du demi-écrou 26 est interposé un ressort hé- licoldal de compression 48 permettant d'appliquer entre les demi-écrous 24 et 26 une précontrainte axiale déter- minée, évitant la création d'un jeu dans le mécanisme de vis à rouleaux 16 et rendant ce mécanisme irréversi- ble. Afin d'assurer le centrage du ressort hélicol- dal de compression 48 sur l'axe de la vis sans fin 14, des coupelles de centrage 50 et 52 sont interposées res- pectivement entre le ressort 48 et la surface d'appui 46 et entre le ressort 48 et la face en vis-à-vis du demi- écrou libre 26. Du fait du blocage du demi-écrou 24 dans le boîtier de précharge 18 et de l'application de la pré- charge au moyen du ressort hélicoïdal de compression 48, le mécanisme de vis à rouleaux 16 conforme à l'in- vention satisfait aux exigences de très grande précision et de répétabilité requises dans de nombreux cas dans le domaine spatial, sans que ces performances ne soient amoindries en aucune manière par les vibrations subies par tout engin spatial lors de son lancement et sans que le fonctionnement du mécanisme dans l'espace ne risque d'être interrompu par un grippage dû au soudage sous vide de pièces en contact de frottement. il En effet, du fait que le demi-écrou 24 est solidaire du boîtier de précharge 18, les vibrations subies par le mécanisme lors du lancement de l'engin peuvent seulement entraîner de très légers mouvements axiaux du demi-écrou libre 26 à l'intérieur du boîtier de précharge 18, dans la limite du jeu fonctionnel qui existe entre le filetage intérieur de ce demi-écrou 26 et les rouleaux 28 et entre les rouleaux 28 et le file- tage de la vis sans fin 14 Ces déplacements très limi- tés ne peuvent en aucun cas endommager le mécanisme de vis à rouleaux 16 De plus, ils n'entraînent pratique- ment pas de variations de longueur du ressort hélicoïdal de compression 48, de telle sorte que la raideur de celui-ci reste inchangée et garantit lors du fonctionne- ment du mécanisme l'application de la précharge précise requise Le caractère irréversible du mécanisme 16 est ainsi préservé en toute sécurité. En outre, l'utilisation d'un ressort hélicol- dal de compression pour appliquer la précharge permet d'éviter tout risque de grippage susceptible de modifier cette précharge de façon permanente, comme cela serait le cas si on utilisait un empilement de rondelles élas- tiques comme c'est habituellement l'usage dans de tels mécanismes Par rapport aux rondelles élastiques, un ressort hélicoïdal de compression a aussi pour avantage de garantir le maintien d'une raideur pratiquement constante lorsqu'il se produit une légère variation de la longueur du ressort, ce qui contribue là encore à garantir l'obtention d'une très grande précision. Afin d'améliorer encore le comportement du mécanisme de vis à rouleaux 16 dans le vide, compte tenu du fait que la vis sans fin 14 ainsi que les demi-écrous 24 et 26 sont habituellement réalisés en un métal tel que de l'acier, on peut réaliser les rouleaux 28 totale- ment en une matière plastique telle que du polyamide, du polyimide chargé ou non de lubrifiant solide ou autres. Dans une forme de réalisation préférentielle de l'invention, les rouleaux 28 sont également réalisés en acier, mais leur surface périphérique en contact avec la vis 14 et avec les demi-écrous 24 et 26 est revêtue d'un dépôt d'une matière plastique telle que du polyté- trafluoréthylène Dans ce cas, une couche d'argent est déposée sur les filets de la vis sans fin 14 et sur les filets des demi-écrous 24 et 26 Lors du fonctionnement du mécanisme de vis à rouleaux 16, cette couche d'argent forme un amalgame avec le polytétrafluoréthylène, ce qui évite la création de poussière susceptible de venir se déposer dans l'espace sur certains organes sensibles de l'engin spatial. Quelle que soit la forme de réalisation utili- sée, l'agencement qui vient d'être décrit permet d'être totalement certain que le roulement des rouleaux 28 sur les filets de la vis 14 et des demi-écrous 24 et 26 ne peut en aucun cas conduire à une soudure sous vide de ces pièces et donc à un grippage du mécanisme, lorsqu'il est appelé à fonctionner dans l'espace. Afin de réduire autant que possible les frot- tements entre le boîtier 18 et le demi-écrou libre 26 ainsi qu'entre le demi-écrou libre 26 et les rouleaux 28, un lubrifiant solide tel que Mo 52 est déposé, par exemple par dépôt physique en phase vapeur (PVD) sur les surfaces en contact de ces pièces, selon une techno- logie utilisée couramment dans l'industrie spatiale. Enfin, les bagues 38 et 40 qui comportent les surfaces de came assurant le recentrage des rouleaux 28 sont avantageusement réalisées en une matière plasti- que telle que du polyamide ou du polyimide. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation qui vient d'être décrite à titre d'exemple, mais en couvre toutes les variantes. On observera notamment que le demi-écrou bloqué 24 peut être réalisé d'une seule pièce avec le boîtier de pré- charge 18, sans sortir du cadre de l'invention Par ail- leurs, si la description qui précède fait apparaître 5 clairement l'intérêt présenté par le mécanisme selon l'invention, lorsqu'il est utilisé sur un engin spatial, il est important d'observer que les avantages qu'il pré- sente permettent de l'utiliser au sol, dans des applica- tions impliquant la présence de vibrations élevées,10 notamment sous vide. REVENDICATIONS 1 Mécanisme de vis à rouleaux dans lequel des rouleaux ( 28) et une cage de guidage ( 30) de ces rouleaux sont interposés entre une vis ( 14) et deux demi-écrous annulaires ( 24,26), caractérisé par le fait que les deux demi-écrous sont montés dans un boîtier de précharge ( 18) de telle sorte qu'un premier ( 24) de ces demi-écrous soit solidaire du boîtier et que le deu- xième demi-écrou ( 26) soit lié au boîtier en rotation et libre en translation, un ressort hélicoïdal de compres- sion ( 48) étant placé autour de la vis ( 14), entre le deuxième demiécrou ( 26) et une surface d'appui ( 46) du boîtier située de l'autre côté du deuxième demi-écrou, par rapport au premier demi-écrou ( 24). 2 Mécanisme de vis à rouleaux selon la reven- dication 1, caractérisé par le fait que la vis et les demi-écrous étant métalliques, les rouleaux ( 28) sont constitués, au moins dans leurs parties périphériques en contact avec la vis et les demi-écrous, de matériaux plastiques. 3 Mécanisme de vis à rouleaux selon la reven- dication 2, caractérisé par le fait que les rouleaux ( 28) sont réalisés totalement en matière plastique. 4 Mécanisme de vis à rouleaux selon la reven- dication 2, caractérisé par le fait que les rouleaux ( 28) sont métalliques et revêtus, sur lesdites parties périphériques, de couches de matière plastique. Mécanisme de vis à rouleaux selon la reven- dication 4, caractérisé par le fait que la vis ( 14) et les demi-écrous ( 24,26) sont revêtus de couches d'ar- gent. 6 Mécanisme de vis à rouleaux dans lequel des rouleaux ( 28) et une cage de guidage ( 30)de ces rou- leaux sont interposés entre une vis ( 14) et deux demi- écrous annulaires ( 24,26), caractérisé par le fait que les deux demi-écrous sont montés dans un boîtier de pré- charge ( 18) de telle sorte qu'un premier ( 24) de ces demi-écrous soit solidaire du boîtier et que le deuxième demi-écrou ( 26) soit lié au boîtier en rotation et libre 5 en translation, des moyens élastiques de compression ( 48) étant placés autour de la vis ( 14), entre le deu- xième demi-écrou ( 26) et une surface d'appui ( 46) du boî- tier située de l'autre côté du deuxième demi-écrou, par rapport au premier demi-écrou ( 24). 7 Actuateur linéaire utilisable dans l'espa- ce, comprenant un organe moteur rotatif ( 10) et un méca- nisme de vis à rouleaux ( 16), caractérisé par le fait que ce mécanisme est réalisé conformément à l'une quel- conque des revendications précédentes.