Brevet FR2724985A1 — publié le 19960329

La présente invention concerne d'une maniè- re générale des dispositifs hydrauliques et plus particu- lièrement un dispositif de différentiation hydromécanique qui peut être utilisé notamment pour accroître la rigidi- té dynamique d'un actionneur et pour l'amortissement d'une charge dynamique. L'utilisation de plusieurs mécanismes pour la commande d'actionneurs hydrauliques qui servent eux-mêmes à positionner des surfaces de commande sur des véhicules aérospatiaux est bien connue dans l'art. Dans certains cas, les charges à commander sont très lourdes ou bien elles sont soumises à de grandes forces. Dans certaines condi- tions, ces charges ont une fréquence de résonance qui est à l'intérieur ou très voisine de la bande passante des systèmes de commande hydrauliques. Il faut donc prendre des dispositions pour amortir les oscillations qui peuvent se produire comme résultat de l'application d'une puissance hydraulique à la charge à partir d'un distributeur de com- mande faisant partie du système, ou comme résultat de for- ces extérieures appliquées à la charge. Ce problème de- vient particulièrement aigu lorsque la fréquence d'appli- cation de la puissance est voisine ou s'approche de la fré- quence de résonance de la charge. Dans d'autres cas, il faut ajuster la rigidité dynamique de l'actionneur pour minimiser le risque de vibration de surface, ce qui né- cessite habituellement une augmentation de la rigidité de l'actionneur. Dans l'art antérieur, on connait des systèmes pour effectuer l'amortissement de charge dynamique d'action- neurs de commande de vol. Toutefois, ces mécanismes néces- sitent généralement deux tiroirs de distribution mobiles qui sont tous deux centrés élastiquement et, pour que l'ap- pareil fonctionne correctement, il faut également prévoir des orifices calibrés correctement ajustés. Bien que des appareils du type décrit dans l'art antérieur aient donné satisfaction pour les fonctions désirées, on a trouvé qu'ils sont difficiles à construire, à régler et à entrete- nir, en raison de la complexité des systèmes. Des exemples représentatifs de ces systèmes de l'art antérieur sont dé- crits et illustrés dans les brevets des Etats-Unis N 3 138 072, 3 042 005 et 3 064 627. La présente invention a pour objet de procurer un dispositif de différentiation hydromécanique qui évite les inconvénients ci-dessus. Conformément à l'invention, cet objectif est atteint par un dispositif de différentiation hydromécani- que qui comprend des moyens de définition d'une chambre contenant un fluide compressible, ainsi que des moyens de fourniture d'un signal de pression. Un distributeur à tiroir à flottement libre est disposé de manière à recevoir le signal de pression et à se déplacer dans une première et une deuxième directions opposées, à partir d'une position neu- tre, en réponse à ce signal. Lorsque le tiroir se déplace ainsi, il met en communication une source de fluide sous pression,ou un retour pour ladite source,avec la chambre qui contient le fluide compressible. Lorsque le tiroir se déplace en réponse à une augmentation du signal de pression, il comprime le fluide dans la chambre, à l'extrémité oppo- sée du tiroir, et, en même temps, il met la source de fluide sous pression en communication avec la chambre, ce qui accroit la pression de fluide dans la chambre et ramène le tiroir à sa position neutre. Inversement, lorsque le si- gnal de pression décroît, le tiroir permet une expansion du fluide contenu dans la chambre, ce qui éloigne le tiroir de la chambre et, en même temps, fait communiquer le retour avec la chambre pour diminuer la pression de fluide dans la chambre et provoquer le retour du tiroir à sa position neu- tre. L'invention procure aussi un système comprenant un distributeur de commande pour appliquer un fluide sous pres- sion à un actionneur qui est lui-même relié à une charge. Un dispositif de différentiation hydromécanique comme dé- crit ci-dessus est connecté, dans un mode de mise en oeuvre, de manière à accroître la rigidité de l'actionneur par ap- plication de la pression ou du retour d'une source de flui- de sous pression à l'actionneur en réponse à une augmenta- tion ou une diminution de la pression apparaissant sur un côté de l'actionneur. En variante, la structure décrite ci-dessus peut être interconnectée avec l'actionneur pour effectuer un amortissement de charge dynamique par appli- cation de la pression ou du retour à l'actionneur. Un aspect important de la présente invention est que le dispositif de différentiation hydromécanique uti- lise un distributeur pour engendrer ce qui est sensiblement la dérivée première d'un signal d'entrée de pression, qui n'est pas basé sur un centrage élastique ou sur des orifices exactement calibrés. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complé- ment de description ci-après, qui se réfère aux dessins an- nexés dans lesquels: la figure 1 est un schéma d'un dispositif de dif- férentiation hydromécanique construit conformément aux prin- cipes de la présente invention; la figure 2 est un schéma d'un dispositif du type représenté sur la figure 1 mais qui comporte un élément d'avance-retard réglable; la figure 3 est un schéma d'un système utilisant le dispositif représenté sur la figure 1, pour augmenter la rigidité d'un actionneur; et la figure 4 est un schéma d'un système semblable à celui qui est représenté sur la figure 3, mais connecté de manière à effectuer un amortissement de charge dynamique. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. La présente invention procure un dispositif de différentiation hydromécanique simple qui engendre effecti- vement un signal de réaction de pression correspondant à la première dérivée, qui peut être utilisé dans un système de positionnement d'actionneur pour accroître la rigidité ou amortir une charge dynamique. Le signal de première dé- rivée de pression estengendré par utilisation d'un dis- tributeur à tiroir qui est hydromécaniquement ramené à une position neutre. Lorsqu'on applique un signal de pression au tiroir, celui-ci se déplace d'une distance proportionnel- le au signal d'entrée de pression et au volume et au module de compression d'un fluide compressible contenu dans une chambre, ce fluide étant en contact avec le tiroir. Lorsque le tiroir se déplace et comprime le fluide, une source de fluide sous pression est également appliquée à la chambre pour provoquer le retour du tiroir à sa position neutre. Lors de ce mouvement, un signal de sortie de pression est également engendré et il peut être appliqué à un système de positionnement d'actionneur, pour les fonctions indiquées plus haut. La figure 1 représente schématiquement un disposi- tif de différentiation hydromécanique 10 construit conformé- ment à la présente invention. Comme représenté, un distri- buteur à tiroir 12 comportant des portées 14,16,18 et 20 est logé dans un cylindre 26 de façon à pouvoir se dépla- cer en va-et-vient dans ce cylindre, sans l'aide de res- sorts ou d'éléments mécaniques similaires. Une source de fluide sous pression 22 (Ps) est connectée au cylindre 26 de manière à admettre le fluide sous pression dans le cylin- dre, entre les portées 16 et 18. Une pression de retour pour la source 22, comme illustré en 24 (R), est connectée au cylindre 26, entre les portées 14 et 16 et également entre les portées 18 et 20. Une source de signal de pression 28 (P1) est con- nectée à une extrémité du cylindre 26, le signal de pres- sion fourni par la source 28 étant appliqué à l'extrémité de la portée 14 du tiroir 12. A l'extrémité opposée du cy- lindre 26 est prévue une chambre 30 qui contient un fluide compressible, tel qu'un fluide hydraulique. La chambre 30 et le fluide qu'elle contient sont en contact avec l'ex- trémité de la portée 20. Une butée 32 est prévue pour em- pêcher un dépassement de course du tiroir 12 vers la droite, comme représenté sur la figure 1. Un passage 34 est connecté entre un orifice 36 et la chambre 30. Un autre pas- sage 38 est connecté à un orifice 40 également défini dans le cylindre 26. La portée 18 du tiroir 12 commande l'ouverture et la fermeture de l'orifice 36 de manière à permettre l'application du fluide sous pression ou du retour à la chambre 30 par l'intermédiaire du passage 34. En même temps que le mouvement du tiroir 12, la portée 16 ouvre l'ori- fice 40 pour appliquer la pression de la source 22 ou du retour 24 au passage de sortie 38, pour utilisation par un appareil auquel le dispositif de différentiation hydroméca- nique peut être connecté, comme décrit plus loin en détail. Toujours au titre de l'explication initiale, le tiroir 12 est effectivement bloqué hydromécaniquement dans la position représentée sur la figure 1, par la réac- tion engendrée du fait que l'orifice calibré 36 met la source 22 ou le retour 24 en communication avec la chambre et donc avec l'extrémité de la portée 20. Tout mouve- ment du tiroir 12 vers la droite comme représenté sur la figure 1 fait communiquer la source 22 avec la chambre 30, ce qui crée dans cette dernière une pression qui tend à rame- ner le tiroir 12 à sa position neutre ou fermée. De façon similaire, un mouvement du tiroir 12 vers la gauche comme représenté sur la figure 1 purge la chambre 30 vers le re- tour, par l'intermédiaire de l'orifice 36, ce qui permet au signal de pression d'entrée venant de la source 28 de ramener le tiroir 12 à sa position fermée ou neutre. Ainsi, le tiroir 12 est hydromécaniquement obligé de conserver une position sensiblement stable à un point neutre, ce qui a pour effet d'effacer toute entrée de signal de pression à l'état stable ou de sollicitation permanente. En même temps que le tiroir 12 se déplace alternativement vers la droite ou la gauche comme représenté sur la figure 1, en réponse à l'application initiale d'un signal de la source 28, un signal de retour de pression ou de source de pression ap- paraît au passage de sortie 38 et ce signal est effective- ment sous la forme de la dérivée première de la fonction échelon à partir de la pression à l'état stable de la source ou du retour. Lorsque le tiroir 12 se déplace vers la droite en réponse à une augmentation du signal de pression d'en- trée venant de la source 28, le fluide est comprimé dans la chambre 30. Le déplacement exact du tiroir 12 dépend du volume de fluide dans la chambre 30, de la surface de l'extrémité de la portée 20 et du module de compression du fluide compressible contenu dans la chambre 30. Ce dé- placement du tiroir ouvre l'orifice étranglé entre la portée 18 et le côté gauche de l'orifice 36 comme représenté sur la figure 1, ce qui permet au fluide de la source 22 de s'écouler par cet étranglement vers la chambre 30. Cet écou- lement ramène le tiroir 12 vers la position neutre comme représenté sur la figure 1, à une vitesse décroissante au fur et à mesure que l'orifice étranglé entre la portée 18 et le côté gauche de l'orifice 36 sur la figure 1 se ferme. Le mouvement est exponentiel, ce qui correspond approxima- tivement à un différentiateur en série avec un pôle, comme cela apparaît dans les dérivations indiquées dans l'appen- dice à la fin de la description. Le gain (rapport du dépla- cement à dP/dt),pour une surface fixe du tiroir, est déter- miné par le volume de la chambre 30 et par le module de com- pression du fluide contenu dans cette chambre, tandis que le pôle est fixé de façon indépendante seulement par le gain d'écoulement du tiroir qui est réglé par la largeur de fente de l'orifice 36. On se reporte maintenant plus particulièrement à la figure 2 qui représente un mode de réalisation du dispo- sitif de différentiation hydromécanique conforme à la pré- sente invention, dans lequel le tiroir est positionné propor- tionnellement au signal de pression d'entrée, filtré par un élément d'avance-retard réglable. Comme représenté, la struc- ture du dispositif de différentiation hydromécanique est identique à celle du dispositif de la figure 1 et on uti- lise les mêmes repères pour désigner les mêmes composants. La seule modification est l'addition d'une source de pres- sion de fluide de référence 42 (PR) connectée à la chambre par un étranglement 44. De façon typique, si le disposi- tif représenté sur les figures 1 et 2 est connecté à un actionneur comportant deux orifices de cylindre, alors le signal de pression de référence 42 correspond à l'orifice de cylindre opposé à celui qui fournit le signal d'entrée 28 (P1). La structure représentée sur la figure 2 fonctionne sensiblement de la même manière qui a été décrite plus haut avec référence à la figure 1, sauf que le chemin de fuite vers la source de pression de référence 42 permet un dé- placement à l'état stable du tiroir 12 pour une pression différentielle déterminée entre le signal de pression d'en- trée venant de la source 28 et le signal de pression de ré- férence venant de la source 42. Cela produit mathématique- ment un zéro réglable par rapport à un pôle, ce qui est la caractéristique d'avance-retard. Comme cela apparaîtra clairement aux hommes de l'art, si le signal de pression d'entrée de la source 28 di- minue, le tiroir 12 peut se déplacer vers la gauche sur la figure 1. Ce mouvement entraîne un déplacement de la portée 18 vers la gauche et fait communiquer le retour 24 avec la chambre 30 par l'intermédiaire du passage 34 et du bord droit de l'orifice 36. Il en résulte une diminu- tion de la pression dans la chambre 30 jusqu'à ce que le signal de pression d'entrée venant de la source 28 dé- passe la pression dans la chambre 30, ce qui ramène le tiroir 12 à sa position fermée ou neutre. Dans la configu- ration représentée sur la figure 2, la fréquence de zéro est fixée par la section de l'orifice, le module de compres- sion du fluide contenu dans la chambre 30 et le volume du fluide dans la chambre 30. La fréquence de pâle est fixée de façon indépendante par le gain d'écoulement du tiroir et la surface de l'extrémité de laportée 20 du tiroir 12. Comme il apparaîtra aux hommes de l'art, le tiroir 12 ne revient pas à sa position neutre ou fermée pendant qu'un signal de pression d'entrée augmentée venant de la source 28 est appliqué à la portée 14, tant que ce signal dépasse le signal de pression de référence de la source 42. Il en résulte un certain écoulement de fuite à travers l'orifice étranglé ou de réglage entre le côté gauche de la portée 18 et le côté gauche de l'orifice 36. Cela produit la caracté- ristique d'avance-retard du circuit. On se reporte maintenant plus particulièrement à la figure 3 qui représente le dispositif de différentia- tion hydromécanique, illustré sur la figure 1 et décrit plus haut, interconnecté avec un système de manoeuvre uti- lisé pour positionner une charge, par exemple une surface de commande de vol d'un véhicule aérospatial. Dans ce cas également, les divers composants du dispositif de différen- tiation hydromécanique représenté sur la figure 3 sont dé- signés par les mêmes repères que sur la figure 1. Comme représenté sur la figure 3, un actionneur 46 est relié à une charge 48, par exemple une surface de commande d'un véhicule aérospatial.Il apparaîtra aux hom- mes de l'art que l'application particulière- illustrée est seulement à titre d'exemple et qu'on peut appliquer le dis- positif de la présente invention à l'une quelconque de di- verses structures. Une vanne de commande 50 est reliée à un organe d'entrée, par exemple un levier d'entrée 52 ac- tionné par le pilote. La vanne de commande coulisse alter- nativement pour connecter la source de fluide sous pression 22 (Ps) ou son retour 24 à un côté ou à l'autre du piston 54 de l'actionneur 46, afin d'engendrer une extension ou une rétraction de l'actionneur. On voit facilement que le signal de pression d'entrée P1 est la pression qui apparaît dans la chambre de recul de l'actionneur 46, à gauche du piston 54. Ainsi, si la pression P1 augmente, le tiroir 12 se déplace vers la gauche sur la figure 3, ce qui applique la pression de la source 22 à la chambre 30, par l'intermé- diaire du passage 34, afin de ramener le tiroir 12 à sa po- sition fermée ou neutre représentée sur la figure 3. En même temps, lorsque le tiroir 12 se déplace vers la gauche, le retour 24 est connecté à la chambre d'avance ou d'exten- sion de l'actionneur 46, ce qui accroît la pression diffé- rentielle de part et d'autre du piston 54 et renforce donc la rigidité du système d'actionneur représenté sur la figu- re 3. On se reporte maintenant plus particulièrement à la figure 4, sur laquelle la structure illustrée sur la figure 1 est reliée à un système d'actionneur pour effec- tuer un amortissement de charge dynamique. Toutes les par- ties du système représenté sur la figure 4 sont les mêmes que sur la figure 3, à l'exception de l'interconnexion du signal de sortie qui apparaît dans le passage 38 du dispo- sitif de différentiation hydromécanique. Comme représenté sur la figure 4, on utilise un passage supplémentaire 56 pour relier le passage de sortie 38 à la chambre de recul à gauche du piston 54. Comme résultat, il apparaîtra aux hommes de l'art que, lorsque le signal de pression d'en- trée P1 augmente, le tiroir 12 se déplace vers la gauche avec lerésultat décrit ci-dessus mais, en outre, la portée 16 se déplace vers la gauche, ce qui connecte le retour à la chambre de recul de l'actionneur et purge immédiatement la pression existant dans cette chambre. On a ainsi décrit un dispositif de différentia- tion hydromécanique qui engendre un signal momentané qui décroît ensuite exponentiellement, comme décrit ci-dessus. On peut ensuite utiliser ce signal pour un renforcement de la rigidité d'un actionneur ou un amortissement d'une charge dynamique, selon l'application particulière désirée. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'in- vention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réa- lisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire tou- tes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du tech- nicien en la matière sans s'écarter du cadre ni de la por- tée de la présente invention. l APPENDICE Les termes utilisés dans les équations suivantes sont définis ci-après: Ap = Surface du tiroir (in2) m = Masse du tiroir (lb f - Sec2/in) d = Amortissement du tiroir (lb f - Sec/in) l= Module de compression (lb f/in2) V = Volume de la chambre (in3) K = Gain d'écoulement du bord d'étranglement (in4/sec) q 5 K = Gain d'écoulement de l'orifice (in5/sec/lb f) o P1 = Pressions de chambre (lb f/in2) X = Déplacement du tiroir (in) S = Opérateur différentiel d/dt Les équations dynamiques pour la différentiation avec un pâle unique sont (sans fuite à partir du volume): Solution tenant compte de la dynamique du tiroir: X(S) =S Pl(S) m(53+ ds2+ s+ Apkq) + kmV mV) Si on néglige la dynamique du tiroir: m = 0, d = 0 X(S) S Pl ( 5) A4 P S+ kil Si on néglige la dynamique du tiroir, les solu- tions dans ledomaine du temps sont: Réponse de Rampe: X(t)= V dP1 Réponse d'Echelon:X(t)=APA-- e Ap A13 Les équations dynamiques pour la configuration d'avance-retard sont les suivantes: Solution Dynamique Totale: X(S) = P, (s) kM 3 3+(k +_d2+(dkP Ap2 PS+ ApkI] Ap V m mV + mv m Si on néglige la dynamique du tiroir: m= 0, d = 0 (5 k()A(S+) V (Ap) REVENDICATIONS 1.- Dispositif de différentiation hydromécanique (10),caractérisé en ce qu'il comprend: (a) des moyens de définition d'une chambre (30) contenant un fluide compressible; (b) des moyens (28) de fourniture d'un signal de pression (P1); (c) une source (22) de fluide sous pression (Ps); (d) un retour (24,R) pour ladite source; (e) un distributeur à tiroir à flottement libre (12) disposé de manière à recevoir ledit signal de pres- sion (P1) et à se déplacer dans une première et une deuxiè- me directions s'éloignant d'une position neutre en réponse à ce signal, ledit signal de pression étant le seul moyen pour effectuer un mouvement d'éloignement dudit tiroir à partir d'une position neutre; (f) un passage (34) pour connecter l'un de ladite source (Ps) et dudit retour (R) à ladite chambre (30) par l'intermédiaire dudit distributeur à tiroir (12); (g) ledit tiroir (12) comprimant ledit fluide dans ladite chambre (30) en réponse à une augmentation du dit signal (P1) et connectant simultanément ladite source (22) à ladite chambre pour augmenter la pression de fluide dans cette dernière et ramener ledit tiroir à la position neutre; et (h) ledit tiroir (12) permettant l'expansion du dit fluide contenu dans ladite chambre (30) en réponse à une diminution dudit signal (P1) et connectant simultané- ment ledit retour (24) à ladite chambre pour diminuer la pression de fluide dans cette dernière et ramener ledit tiroir à la position neutre. 2.- Dispositif de différentiation hydromécanique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite chambre (30) est une chambre fermée à l'exception dudit passage (34). 3.- Dispositif de différentiation hydromécanique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit distributeur comprend un tiroir (12) ayant une pluralité de portées (14,16,18,20), incluant une première et une deu- xième portées d'extrémité (14,20), ledit tiroir étant dis- posé pour un mouvement alternatif dans un cylindre (26), ladite première portée d'extrémité (14) recevant ledit si- gnal de pression (P1) et ladite deuxième portée d'extrémité (20) communiquant avec ladite chambre (30) et ledit fluide compressible contenu dans cette chambre. 4.- Dispositif de différentiation hydromécanique suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ledit tiroir (12) comporte au moins une portée additionnelle (18) pour commander l'application de ladite source (22) et du dit retour (24) à ladite chambre (30). 5.- Dispositif de différentiation hydromécanique, caractérisé en ce qu'il comprend: (a) un cylindre (26) ayant une première et une deu- xième chambres d'extrémité et définissant un premier, un deuxième et un troisième orifices; (b) un tiroir à flottement libre (12) présentant une pluralité de portées (14,16,18,20) et disposé pour un mouvement alternatif dans ledit cylindre; (c) ladite première chambre d'extrémité (30) du dit cylindre définissant un volume prédéterminé; (d) des moyens prévus sur ladite deuxième chambre d'extrémité dudit cylindre pour recevoir une pression d'en- trée (P1); (e) une source (22) de fluide sous pression et un retour (24) pour cette source, connectés auxdits pre- mier et deuxième orifices; (f) un passage (34) de liaison de ladite première chambre d'extrémité (30) dudit cylindre audit troisième ori- fice; (g) une (18) desdites portées dudit tiroir fai- sant communiquer l'un de ladite source (22) et dudit re- tour (24) avec ladite première chambre d'extrémité (30) dudit cylindre par l'intermédiaire dudit passage (34) lorsque ledit tiroir (12) se déplace dans une première direction, et l'autre de ladite source et dudit retour avec ladite première chambre d'extrémité lorsque ledit ti- roir se déplace dans l'autre direction; et (h) ledit tiroir (12) se déplaçant alternative- ment en réponse à ladite pression d'entrée (P1) et à l'ap- plication de ladite source (22) et dudit retour (24) à la dite première extrémité (30) dudit cylindre.