Brevet FR2790618A1 — publié le 20000908

L'invention concerne une unité d'actionnement du type comportant un piézo-élément, qui est adapté pour actionner un dispositif de réglage au moyen d'une liaison active, et un boîtier en forme de douille, dans lequel est disposé le piézo-élément, une partie d'extrémité supérieure du boîtier étant reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, au piézo-élément, et une partie d'extrémité inférieure du boîtier pouvant être reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, au dispositif de réglage. Des unités d'actionnement comportant un piézo- élément sont mises en oeuvre, par exemple, dans la technique automobile pour commander des injecteurs d'un moteur à combustion interne. Ainsi, on connaît, à partir de DE 38 44 134 C2, un injecteur pour lequel une aiguille d'injecteur est actionnée, par l'intermédiaire d'un dispositif de réglage, par un piézo-élément. Dans ce cas, le piézo- élément déclenche, par une liaison d'actionnement, le dispositif de réglage, et il est fixé dans sa position par un boîtier en forme de douille. Les piézo-éléments utilisés d'habitude sont constitués de céramique de quartz, qui se dilate en cas d'une élévation de température dans l'unité d'actionnement, ce qui décale la position du piézo- élément par rapport au dispositif de réglage, et ainsi modifie la liaison active entre le piézo-élément et le dispositif de réglage. Pour compenser cet effet de la température sur le piézo-élément, le boîtier recevant le piézo-élément est, en règle générale, fabriqué en Invar, car ce matériau présente un coefficient de dilatation thermique analogue à la céramique de quartz. Le boîtier en Invar peut donc suivre dans une large mesure la modification de dimension du piézo- élément produite par la modification de température, de façon que la position du piézo-élément par rapport au dispositif de réglage, et donc l'effet d'actionnement sur ce dispositif de réglage, restent essentiellement non-influencés. La fabrication du boîtier d'actionneur en Invar présente toutefois l'inconvénient que l'Invar est un matériau relativement plus cher et, de plus, plus mou. En outre, avec un boîtier en Invar, on ne peut pas obtenir une compensation totale de l'effet de température sur la céramique de quartz. Le but de la présente invention est donc d'offrir une unité d'actionnement comportant un piézo-élément, qui, avec un coût favorable, assure une compensation totale de l'effet de température sur le piézo-élément. Ce problème est résolu par une unité d'actionnement avec piézo-élément du type indiqué ci- dessus, qui est caractérisée en ce que le boîtier comporte au moins une douille intérieure, une douille intercalaire et une douille extérieure, qui sont emboîtées les unes dans les autres, la douille intérieure étant reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, par une partie d'extrémité supérieure, au piézo-élément, et, par une partie d'extrémité inférieure, à une partie d'extrémité inférieure de la douille intercalaire, et la douille extérieure étant reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, par une partie d'extrémité supérieure, à une partie d'extrémité supérieure de la douille intercalaire et, de plus, pouvant être reliée par une partie d'extrémité inférieure, au dispositif de réglage, la douille intérieure, la douille intercalaire et la douille extérieure étant constituées d'au moins deux matériaux différents, choisis de façon que le coefficient de dilatation thermique obtenu sur l'ensemble des douilles corresponde essentiellement à celui du piézo-élément. Avantageusement, l'invention prévoit que la douille intérieure et la douille extérieure soient réalisées dans un matériau A, et que la douille intercalaire soit constituée d'un matériau B, le matériau A ayant un coefficient de dilatation thermique plus faible que le matériau B. Du fait de cette construction composite du boîtier d'actionneur à partir de trois douilles reliées entre elles et constituées de deux matériaux différents, on peut obtenir une compensation totale de la dilatation thermique du piézo-élément, car les matériaux peuvent alors être déterminés les uns par rapport aux autres de telle façon que le coefficient de dilatation thermique résultant soit ajusté à celui du piézo-élément. De plus, il existe la possibilité d'utiliser, comme matériaux pour les douilles, des matériaux d'un coût favorable par rapport à l'Invar, qui, de plus, présentent une résistance supérieure et se laissent usiner, par exemple souder, plus facilement. Suivant une forme d'exécution préférée de l'invention, la douille intérieure et la douille extérieure sont réalisées dans un matériau comportant une faible dilatation thermique, de préférence un acier allié au chrome ayant un coefficient de dilatation thermique 10. 10-6 mm/ C, et la douille intercalaire est constituée d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique élevé, de préférence un acier au nickel, comportant un coefficient de dilatation thermique de 17,5.10-6 mm/OC. Avec un tel ensemble de douilles, on peut obtenir un coefficient de dilatation thermique total de 2,5.10-6 mm/ C, qui correspond exactement à celui du piézo-élément précontraint. Ces matériaux sont, de plus, particulièrement bon marché et faciles à usiner. Suivant une caractéristique de l'invention, la douille intérieure, la douille intercalaire et la douille extérieure sont reliées les unes aux autres par conjugaison de formes. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la douille intérieure, la douille intercalaire et la douille extérieure sont, de préférence, soudées les unes aux autres par points. Par ailleurs, selon l'invention, un jeu radial est chaque fois avantageusement prévu entre la douille intérieure, la douille intercalaire et la douille extérieure. On décrira ci-après plus en détail l'invention, en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une première forme d'exécution d'une unité d'actionnement selon l'invention, - la figure 2A est une vue en coupe longitudinale d'une deuxième forme d'exécution d'une unité d'actionnement selon l'invention, et - la figure 2B est une vue de dessus de la forme d'exécution représentée sur la figure 2A. La figure 1 représente schématiquement une unité d'actionnement constituée d'un piézo-élément 1, d'une tige d'actionnement 2, reliée au piézo-élément, et d'un boîtier 3 recevant le piézo-élément. En outre, le piézo- élément 1 a de préférence, une forme cylindrique et peut être construit à partir de plusieurs éléments unitaires empilés les uns sur les autres, qui sont encapsulés dans un dispositif de précontrainte, le piézo- élément 1 étant soumis, de préférence, à une précontrainte de 800 à 1000 N. Le piézo-élément peut être relié, par la tige d'actionnement 2, à un dispositif de réglage, par exemple à une soupape hydraulique, qui, à son tour, peut commander une aiguille d'injecteur dans un injecteur. Dans le piézo-élément 1, on peut, en appliquant une tension, créer une dilatation longitudinale qui déclenche, par l'intermédiaire de la tige d'actionnement 2, le dispositif de réglage, lequel ouvre alors l'aiguille d'injecteur située dans l'injecteur. Le boîtier 3 recevant le piézo-élément 1 est, de préférence, également réalisé cylindrique et est constitué de l'assemblage d'une plaque de tête 31, d'une plaque de fond 32 et d'un ensemble ou assemblage de douilles 33. Le piézo-élément 1 est en outre relié de façon fixe par une surface d'extrémité à une surface intérieure de la plaque de tête 31. Dans la plaque de fond 32 du boîtier 3, est, de plus, prévue une ouverture 321, d'o dépasse la tige d'actionnement 2 adaptée sur le piézo-élément 1 pour pouvoir créer une liaison avec le dispositif de réglage. L'assemblage de douilles 33, qui enferme complètement le piézo-élément 1, est constitué de trois douilles 331, 332, 333 emboîtées les unes dans les autres. La douille intérieure 331 est ici reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, par sa partie d'extrémité supérieure, à la plaque de tête 31, de préférence par une liaison par soudure 311. De plus, sur la douille intérieure 331, est réalisé, dans une zone d'extrémité inférieure, un épaulement 334 circonférentiel de forme annulaire. Sur cet épaulement 334 s'appuie la douille intercalaire 332 pourvue d'une rainure périphérique 335 de forme annulaire dans une zone d'extrémité inférieure. Sur cette douille intercalaire 332 est de plus réalisée, dans une zone d'extrémité supérieure 4, une autre rainure périphérique 336 de forme annulaire, dans laquelle la douille extérieure 333 fait prise par un épaulement circonférentiel 337 s'étendant dans une partie d'extrémité supérieure. De plus, cette douille extérieure 333 présente avantageusement, dans sa partie d'extrémité inférieure, une zone de bride 338 élargie, qui est reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, à la plaque de fond 32, de préférence sous la forme d'une liaison par soudure 332. Cette plaque de fond 32 peut, à son tour, être appliquée de façon fixe sur le dispositif de réglage. En variante à la forme d'exécution représentée sur la figure 1, le boîtier 3 peut également être réalisé sans plaque de fond 32, la zone de bride 338 de la douille extérieure 333 étant alors reliée de façon fixe au dispositif de réglage. Dans le cas de l'ensemble de douilles 33 représenté sur la figure 1, on utilise, pour la transmission de force, essentiellement la longueur totale de toutes les trois douilles 331, 332, 333. Le piézo-élément précontraint, constitué de céramique de quartz, se dilate en cas d'élévation de température, le coefficient de dilatation thermique up de la céramique de quartz étant d'environ 2,5. 10-6 mm/ C. Il se produit alors une modification de la longueur du piézo-élément égale à Ax = Cp. AT x étant la longueur du piézo- élément et AT étant la différence de température (en OC). Pour empêcher que cette variation de longueur du piézo-élément 1, produite par une modification de la température, provoque un décalage de la position du piézo-élément par rapport au dispositif de réglage, et donc influe sur la liaison active entre le piézo-élément et le dispositif de réglage, cette modification de longueur est prise en compte par un ajustement thermique correspondant du boîtier 3 de l'unité d'actionnement. La longueur appropriée y du boîtier 3 pour prendre en compte la modification de longueur du piézo-élément provoquée par une variation de température est ici la distance entre la surface de contact du piézo-élément 1 avec la plaque de tête 31 du boîtier 3, désignée comme plan de référence al sur la figure 1, et la surface de contact du boîtier 3 avec le dispositif de réglage, désignée comme plan de référence a2. En admettant que la tige d'actionnement 2 n'est essentiellement soumise à aucune dilatation thermique en cas de variation de température, la longueur y de l'assemblage de douilles 33 doit prendre en compte la modification de longueur du piézo-élément 1, pour empêcher un décalage de position du piézo-élément 1 par rapport au dispositif de réglage en cas de variation de la température. Comme, dans le cas de la forme d'exécution représentée sur la figure 1, la longueur x du piézo-élément 1 correspond essentiellement à la longueur y de l'assemblage de douilles 33 concernée par une dilatation thermique, cela signifie que le coefficient de dilatation thermique de l'assemblage de douilles 33 doit être mis en accord avec le coefficient de dilatation thermique du piézo-élément 1. Selon l'invention, les matériaux des douilles 331, 332, 333 sont choisis de telle façon que la douille intérieure 331 et la douille extérieure 333 soient réalisées dans un matériau A, que, par contre, la douille intercalaire 332 soit réalisée dans un matériau B, le matériau A présentant un coefficient de dilatation thermique plus faible que le matériau B. Il en ressort un coefficient de dilatation thermique aH, pour l'assemblage de douilles 33, de aH = 2 - a( cA étant le coefficient de dilatation thermique du matériau A, et aB étant le coefficient de dilatation thermique du matériau B. Si on utilise, comme matériau A, un acier allié au chrome, comportant un coefficient de dilatation thermique xA = 10. 10-6 mm/ C, et, comme matériau B, un acier constitué chimiquement d'un alliage de nickel, comportant un coefficient de dilatation thermique aB. = 17,5. 10-6 mm/ C, on obtient alors, pour l'assemblage de douilles 33, suivant la formule ci-dessus, un coefficient de dilatation thermique de aH = 2,5.10-6 mm/ C, qui correspond à celui du piézo-élément précontraint. On peut ainsi complètement compenser, au moyen de l'assemblage de douilles 33, la modification de longueur du piézo-élément 1, provoquée par une modification de température. La mise en oeuvre d'acier allié au chrome comme matériau A et d'acier constitué chimiquement d'un alliage de nickel comme matériau B permet une fabrication économique du boîtier 3. De plus, l'utilisation de ces matériaux permet de réaliser un usinage plus facile et d'obtenir une solidité élevée du boîtier. La figure 2 représente une deuxième forme d'exécution d'une unité d'actionnement selon l'invention. Pour cette forme d'exécution, au contraire de celle de la figure 1, la douille intérieure 331 est raccordée, dans sa partie d'extrémité inférieure, à la partie d'extrémité inférieure de la douille intercalaire 332 au moyen d'une liaison par soudure 339. La douille intercalaire 332 est, à son tour, reliée, dans sa partie d'extrémité supérieure, à la partie d'extrémité supérieure de la douille extérieure 333 par une liaison par soudure 340. Les liaisons par soudure 339, 340, ainsi qu'également les liaisons par soudure 311 entre la douille intérieure 331 et la plaque de tête 31, et que la liaison par soudure 322 entre la douille extérieure 333 et la plaque de fond 32, sont, comme le montre la figure 2B, réalisées de préférence sous la forme de points de soudure, ce qui permet une fabrication particulièrement simple du boîtier. Entre la douille intérieure 331, la douille intercalaire 332 et la douille extérieure 333, il est prévu, de plus, un jeu radial, de façon que les dilatations radiales différentes des douilles se compensent lors de variations de la température, sans qu'apparaissent des tensions internes dans l'assemblage de douilles 33. REVENDICATIONS 1. Unité d'actionnement comportant un piézo- élément (1), qui est adapté pour actionner un dispositif de réglage au moyen d'une liaison active (2), et un boîtier (3) en forme de douille, dans lequel est disposé le piézo-élément, une partie d'extrémité supérieure du boîtier étant reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, au piézo-élément, et une partie d'extrémité inférieure du boîtier pouvant être reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, au dispositif de réglage, caractérisée en ce que le boîtier (3) comporte au moins une douille intérieure (331), une douille intercalaire (332) et une douille extérieure (333), qui sont emboîtées les unes dans les autres, la douille intérieure (331) étant reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, par une partie d'extrémité supérieure, au piézo-élément (1), et, par une partie d'extrémité inférieure, à une partie d'extrémité inférieure de la douille intercalaire (332), et la douille extérieure (333) étant reliée, par conjugaison de formes et/ou par engagement dynamique, par une partie d'extrémité supérieure, à une partie d'extrémité supérieure de la douille intercalaire (332) et, de plus, pouvant être reliée par une partie d'extrémité inférieure, au dispositif de réglage, la douille intérieure (331), la douille intercalaire (332) et la douille extérieure (333) étant constituées d'au moins deux matériaux différents, choisis de façon que le coefficient de dilatation thermique obtenu sur l'ensemble (33) des douilles corresponde essentiellement à celui du piézo-élément (1). 2. Unité d'actionnement suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la douille intérieure (331) et la douille extérieure (333) sont réalisées dans un matériau A, et en ce que la douille intercalaire (332) est constituée d'un matériau B, le matériau A ayant un coefficient de dilatation thermique plus faible que le matériau B. 3. Unité d'actionnement suivant la revendication 2, caractérisée en ce que la douille intérieure (331) et la douille extérieure (333) sont réalisées dans un acier allié au chrome ayant un coefficient de dilatation thermique de 10.10-6 mm/ C, et en ce que la douille intercalaire (332) est réalisée dans un acier allié au nickel, comportant un coefficient de dilatation thermique de 17,5.10-6 mm/ C. 4. Unité d'actionnement suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la douille intérieure (331), la douille intercalaire (332) et la douille extérieure (333) sont reliées les unes aux autres, par conjugaison de formes. 5. Unité d'actionnement suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la douille intérieure (331), la douille intercalaire (332) et la douille extérieure (333) sont, de préférence, soudées les unes aux autres par points. 6. Unité d'actionnement suivant la revendication , caractérisée en ce qu'entre la douille intérieure (331), la douille intercalaire (332) et la douille extérieure (333), il est, chaque fois, prévu un jeu radial.