Brevet FR2794196A1 — publié le 20001201

Dispositif de mesure et affichage continu de la position ou contrôle de position d'une tige de vérin La présente invention a pour objet un dispositif de mesure et d'affichage continu de la position ou de contrôle de position d'une tige de vérin. Le secteur technique de l'invention est le domaine de l'exploitation des vérins à double effet développant des puissances élevées sur de grandes courses, et dont les applications industrielles sont nombreuses. La présente invention s'applique en particulier aux vérins dont la course de la tige est au moins égale 1 mètre, notamment dont la course est de l'ordre de 5 à 10 ou 20 mètres ; de tels vérins sont notamment utilisés pour la commande de vannes et de turbines de barrages hydrauliques, pour le déplacement d'élévateurs d'aéronefs équipant des navires porte-aéronefs, pour l'actionnement d'écluses, de ponts à relevage hydraulique, de plates-formes élévatrices, de structures off shore - l'invention s'applique notamment à des vérins double effet développant un effort maximal de poussée au moins égal à 10 4 Newton, 5 % notamment de l'ordre de 10 a 108 Newton (de 10 tonnes à 10 000 tonnes). Les brevets EP 305 306 et EP 505 297 décrivent un dispositif de positionnement d'une tige de vérin qui comporte : - un boîtier étanche fixé à une extrémité du corps du vérin, qui délimite avec le corps du vérin une cavité qui renferme un tambour monté sur un arbre rotatif s'étendant transversalement à l'axe (longitudinal) du vérin ; - un câble enroulé sur le tambour et dont une extrémité est solidaire du piston (et/ou de la tige) du vérin ; - un ressort de torsion (en spirale) pour le rappel de l'arbre (et/ou du tambour) et le maintien en tension du câble ; à cet effet, le ressort possède une extrémité qui est fixée à l'arbre de rotation du tambour, et une extrémité montée fixe par rapport au boîtier - un transducteur sensible à la position angulaire de l'arbre et du tambour, tel qu'un codeur absolu, qui est connecté à un circuit électronique pour l'asservissement du vérin ; a cet effet, une partie mobile (arbre) du transducteur est fixée à l'arbre de rotation du tambour par un raccord flexible. Le fonctionnement est le suivant : un mouvement de translation de la tige du vérin dans le corps du vérin entraîne un enroulement (ou alternativement un dévidement) du câble sur le tambour, ce qui entraîne une rotation, dans un sens horaire ou dans le sens opposé (anti-horaire) de l'arbre ; la rotation de l'arbre transformée par le transducteur en gnaux e lques permet la mesure et/ou le contr^le de la position de s 1 'lectri 0 1 la tige, le cas échéant la commande de la pressurisation hydraulique du piston du vérin dans le sens et la proportion souhaités. Par la rotation d'un moyeu mobile claveté sur l'arbre transversal sur lequel est également fixé le tambour, le ressort en spirale est tendu lors de la sortie de la tige du vérin ; lors de la rentrée de la tige du vérin, le ressort en spirale transmet le couple de rappel au moyeu mobile qui à son tour entraîne en rotation le tambour pour maintenir le câble tendu. La particularité du dispositif décrit dans le document EP 305 306 est que la fixation de l'extrémité du câble à l'équipage mobile (piston et/ou tige) du vérin, se fait par une articulation double selon deux axes parallèles de pivotement dont un coïncide avec l'axe du vérin ; selon ce document, l'arbre associé au tambour est monté rotatif grâce à deux paliers, et traverse deux parois opposées du boîtier, par deux orifices équipes de joints d'étanchéité. La particularité des différents dispositifs décrits dans le document EP 505 297 est que le tambour est constitué par une paroi cylindrique creuse pourvue à une extrémité d'une flasque, de sorte qu'il forme un logement pour le ressort, pour le codeur ou pour les deux. Malgré les avantages qu'ils procurent, ces dispositifs sont complexes et coûteux. En outre, pour que l'encombrement du ressort soit minimal tout en étant compatible avec les valeurs élevées de course de la tige du vérin, on est amené à prévoir un ressort comportant une (ou plusieurs) lame métallique très mince et conformée selon une spirale comportant de nombreuses spires imbriquées, qui sont très proches les unes des autres ; des essais ont montré que ces ressorts sont fragiles, en particulier à leurs points d'attache, et que des frottements interviennent entre les spires, qui réduisent le couple de rappel utile, en particulier lorsque la tige du vérin est rentrée dans le corps de vérin au maximum, ce qui correspond à une position de déploiement du ressort dont le couple de rappel est alors à sa valeur minimale. La présente invention a pour objet de proposer un dispositif de positionnement d'une tige de vérin qui soit amélioré. Un objectif de l'invention est de proposer un tel dispositif qui soit simplifié et dont la performance et la fiabilité soient accrues. Selon un premier aspect, l'invention consiste à proposer un tel dispositif dans lequel le ressort de torsion, qui est disposé à l'intérieur du boîtier, est fixé à celui-ci par sa partie (extrémité) centrale, et est fixé au tambour par sa partie périphérique. De ce fait, il est possible de monter l'organe (tambour ou poulie) d'enroulement du câble sur un arbre qui traverse une seule paroi du boîtier, par un seul orifice, ce qui nécessite l'emploi d'un seul joint d'étanchéité ; étant donné que la pression régnant dans la cavité du boîtier est généralement la pression du fluide agissant sur le piston du vérin, laquelle pression peut être de l'ordre de plusieurs centaines de bar (au moins égale à 10' Pa, par exemple une pression de service de 3.107 Pa et une pression d'épreuve de 5.10 7 Pa), la suppression d'un )oint représente un avantage important ; cette disposition supprime ou diminue les difficultés liées à l'alignement de deux paliers ; en outre, du fait que le ressort est noyé dans le fluide (généralement de l'huile) sous pression remplissant la cavité délimitée par le boîtier, il est lubrifié en permanence et fonctionne de façon plus satisfaisante, notamment du fait de la diminution des efforts dûs aux frottements entre les spires d'un ressort à lame en spirale ; il a en outre été constaté que la fixation au boîtier de la (des) lame(s) conformée(s) en spirale du ressort de torsion par son (leur) extrémité centrale améliore le fonctionnement du ressort ; cette amélioration se traduit par une diminution notable des frottements entre les parties (spires) du ressort il est présumé que ces améliorations résultent notamment du fait que les spires périphériques du ressort, qui sont sollicitées en premier lieu et en priorité, ne sont pas fixées au tambour par un encastrement mais par une liaison de type appui (ou appui articulé) facilitant leur déformation ; l'extrémité de la lame se positionne en suivant les enroulements autour du moyeu fixe, sans jamais être fléchie ; il a en outre été constaté que cette disposition facilite le brassage du fluide remplissant la cavité, et par conséquent augmente son pouvoir lubrifiant ; ceci permet en outre de favoriser la production par le ressort d'un couple de rappel sensiblement constant, quelle que soit la position angulaire du tambour (et/ou de l'arbre). La fixation centrale de la lame du ressort est de préférence réalisée sur un moyeu central fixe, qui est intégré ou fixé à une paroi latérale du boîtier et qui s'étend dans la cavité dans le prolongement de l'arbre du tambour ; de ce fait, la zone centrale de la cavité occupée par le moyeu peut être de diamètre réduit ; en outre, du fait de la fixation de l'extrémité périphérique de la lame du ressort sur la paroi interne du tambour en forme de cloche, l'invention permet de libérer presque tout l'espace délimité par le tambour pour loger le ressort, contrairement au brevet EP 505 297 où une partie de cet espace est occupée par une flasque cylindrique (fixe) de fixation périphérique du ressort ; du fait que le tambour s'étend sensiblement à l'extrémité de son arbre, la masse de celui-ci est diminuée ; de préférence, l'arbre et le tambour forment un ensemble monobloc (une seule pièce) en fonte d'acier ou d'alliage métallique ; ceci en facilite l'usinage, le montage et le démontage, et l'équilibrage statique et dynamique. Le palier de montage de l'arbre dans un alésage traversant une paroi du boîtier est de préférence réalisé en utilisant une butée à billes (et/ou à rouleaux ou aiguilles) à double effet, qui supporte les efforts de poussée axiale résultant de la pression régnant dans le boîtier ; la raideur de ce type de palier permet notamment d'éviter l'usage de plusieurs paliers et permet de supprimer des paliers de diamètre voisin du diamètre du tambour, qui nécessiterait des usinages multiples et coûteux A et entraînerait des problèmes d'alignement. Une partie au moins (de préférence sensiblement la totalité) du ressort s'étend à l'intérieur d'un logement prévu dans le tambour qui est creux et/ou évidé ; ceci permet d'obtenir un dispositif compact et contribue à diminuer la masse et l'inertie de rotation du tambour, ce qui permet notamment de diminuer les efforts auxquels est soumis le câble lors d'accélérations du piston, et de diminuer les efforts repris par le palier. Le tambour comporte de préférence une portion tubulaire (creuse) munie (ou prolongée) à une extrémité par un flasque en forme de disque plan, qui assure la liaison entre la portion tubulaire et l'arbre et qui est percée et/ou évidée ; cette disposition favorise également l'équilibrage des pressions du fluide de part et d'autre du flasque ; la partie tubulaire est creuse pour recevoir le ressort et est de préférence formée extérieurement selon une gorge en plusieurs spirales sensiblement jointives permettant l'enroulement du câble selon plusieurs tours de rotation du tambour, de manière r-égulière, répétitive et contrôlée. La présence d'un seul palier étanche à la pression régnant dans le boîtier, contribue à diminuer les coûts de fabrication, en particulier ceux liés à l'usinage, et diminue notablement le risque de défaillance par fuite. Selon un autre aspect, l'invention consiste à utiliser un codeur optique (ou transducteur équivalent) à arbre creux qui est fixé (engagé coulissant doux) directement sur une extrémité de l'arbre du tambour ; cette caractéristique permet de supprimer le dispositif séparé d'accouplement et contribue à la simplification et à une plus grande facilité de montage et de démontage du codeur. Selon un autre aspect, l'invention consiste à fixer une extrémité du câble à l'équipage mobile (piston et/ou tige) du vérin par une simple articulation, de préférence selon un axe de pivotement sensiblement confondu avec l'axe de la tige du vérin ; il a en effet été constaté que, de façon surprenante, une telle disposition, qui introduit certes une certaine distorsion (défaut de proportionnalité) dans la conversion du mouvement de translation du piston en mouvement de rotation du tambour, conduit à des performances similaires à celles obtenues avec l'articulation double décrite dans le document EP 305 306, lesquelles performances sont notablement meilleures qu'avec une liaison fixe ; de préférence, à cet effet, l'extrémité du câble est fixée à la périphérie d'un disque (ou d'un bras) monté librement pivotant (selon l'axe de la tige du vérin) sur la tête (le piston) de la tige. Les avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif un mode préférentiel de réalisation de l'invention. Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure à l'autre. La figure 1 illustre schématiquement un vérin coiffé d'un boîtier équipé d'un dispositif de contrôle de position de tige de vérin selon l'invention. La figure 2 illustre en vue en coupe longitudinale à échelle agrandie, le dispositif de contrôle de position de la figure 1. Le corps tubulaire 1 du vérin 2 s'étend selon un axe 3 longitudinal et délimite une cavité 4 cylindrique à l'intérieur de laquelle peut se déplacer le piston 5 entraînant la tige 6, selon un mouvement de translation selon l'axe 3. La tête du piston est équipée d'un palier 7 permettant la libre rotation selon l'axe 3 d'un disque 8 à la périphérie duquel est fixée l'extrémité 9 d'un câble 10 ; une partie de ce câble est enroulée dans les gorges 15 d'un tambour 11 monté rotatif selon un axe 12 à l'intérieur d'un boîtier 13 muni d'une bride 14 de fixation étanche à l'extrémité supérieure du corps 1. L'articulation (simple) de la liaison du câble 10 au piston 5 permet à la partie de câble s'étendant entre le piston et le tambour, de rester sensiblement parallèle à l'axe 3, et/ou selon une inclinaison par rapport à cet axe qui est sensiblement constante, malgré d'une part une rotation possible du piston 5 dans le corps 1 (selon l'axe 3), et malgré d'autre part un déplacement de l'extrémité loa du câble 10 à la sortie du tambour consécutif à une rotation de celui-ci ; grâce Na cette orientation sensiblement invariante, la mesure du déplacement du piston par la mesure de la rotation du tambour est entachée d'une erreur angulaire sensi Ilement nulle (généralement de l'ordre de 0,01 % à 0,001 %). Le tambour, qui comporte une partie tubulaire lia d'axe 12 et une partie llb en forme de disque perpendiculaire à l'axe 12, est monté rotatif selon l'axe 12 entre les parois latérales 34 et 15 du boîtier 13, à l'intérieur d'une cavité 16 remplie d'huile, délimitée par les parois du boîtier et communiquant avec la cavité 4 du vérin. A cet effet, la pièce il formant tambour est prolongée par un arbre 17 (d'axe 12) formant une seule pièce avec le tambour ; l'arbre 17 s'étend au travers de l'arbre creux 18 d'un codeur 19 fixé par une bride 20 à l'extrémité l7a de l'arbre 17. Le corps du codeur 19 est fixé à la face externe 21 de la paroi 34 par un dispositif anti-couple 22 et est protégé par un capot 23. Alors que le codeur 19 est disposé à l'extérieur du boîtier 13, le ressort 24 à lame spirale est fixé à un moyeu fixe 25 cylindrique d'axe 12, coaxial à l'arbre 17 ; le moyeu 25 est fixé à la paroi 15 par une vis 26 et par un ergot 27 de blocage en rotation. L'extrémité périphérique du ressort 24 est fixée par trois vis ou rivets 28 à la paroi interne llc de la partie llb du tambour qui délimite avec le moyeu 25 une cavité recevant le ressort. La partie llb du tambour est percée d'orifices lid permettant l'allégement du tambour ainsi que l'équilibrage de la pression d'huile de part et d'autre du disque ilb ; l'arbre 17 est monté dans un alésage traversant la paroi 34 par l'intermédiaire d'une butée à double effet - les aiguilles 29 (ou rouleaux ou billes) supportent les efforts radiaux (par référence à l'axe 12) auxquels est soumis le palier, tandis que les billes 30 (ou équivalent) supportent les efforts axiaux résultant notamment de la pression régnant dans la cavité 16 -, la raideur élevée de ce palier supportant l'arbre - tambour (17, 11) permet d'éviter la présence d'autres paliers ; cependant un guidage supplémentaire peut être prévu, par un roulement 31 monté sur un petit arbre 32 d'axe 12 et dans un logement 33 prévu à l'extrémité libre du moyeu fixe 25. Le corps du boîtier 13 est constitué par deux pièces seulement une pièce principale forme la bride 14, la paroi 34 et l'enveloppe 35 une deuxième pièce formant la paroi 15 est fixée à la pièce principale par des vis 36. Les signaux délivrés par le codeur 19 permettent l'affichage numérique continu de la position de la tige du vérin. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle de position d'un équipage mobile (5, 6) d'un vérin (2) comportant un câble (10) lié par une extrémité (9) à l'équipage, un tambour (11) rotatif pour l'enroulement du câble, un transducteur (19) sensible à la rotation du tambour, un ressort (24) de rappel du tambour, caractérisé en ce que le tambour est creux et reçoit une partie au moins du ressort qui est fixé, d'une part à la périphérie (11c) du tambour et d'autre part à un moyeu (25) fixe. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le moyeu (25) s'étend coaxialement à l'arbre (17) du tambour et à l'intérieur d'une cavité (16) sous pression délimitée par un boîtier (13) étanche recevant le tambour et le ressort. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le transducteur (19) est disposé à l'extérieur du boîtier (13) et comporte un arbre (18) creux emmanché à l'extrémité (17a) de l'arbre (17). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel le tambour (11) et l'arbre (17) forment une seule pièce. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, danslequel l'arbre (17) est monté rotatif par rapport au boîtier (13) par un palier incorporant une butée (29, 30) à double effet. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'extrémité (9) du câble est liée à l'équipage mobile par une simple articulation (7) selon l'axe (3) longitudinal du vérin. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le tambour comporte un flasque (11b) en forme de disque percé d'orifices (11d). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel le boîtier (13) comporte une pièce principale formant une bride (14) et des parois (34, 35), et comporte une deuxième pièce (15) à laquelle est fixé le moyeu (25) fixe. 9. Vérin (2) comportant un dispositif selon l'une quelconque 4 \ des revendications 1 à 8, dont l'effort de poussée est de l'ordre de 10 a 108 Newton.