Brevet FR2793358A1 — publié le 20001110

L'invention concerne un dispositif de commande pilote, notamment pour des soupapes formant distributeurs pneumatiques, comportant un boîtier entourant un espace intérieur, un actionneur, qui est disposé dans cet espace intérieur et comporte, pour la conversion d'un signal d'entrée électrique en un signal de sortie mécanique, au moins un empilage d'éléments piézoélectriques, et dans lequel l'actionneur est disposé sous précontrainte dans l'espace intérieur et actionne un élément de commutation. De tels dispositifs de commande pilote se caractérisent par leur faible absorption de courant électrique et peuvent par conséquent être utilisés dans un environnement protégé contre les risques d'explosion. Ils sont agencés d'une manière compacte, travaillent sans usure et possèdent de faibles temps de commutation. Ces dispositifs de commande pilote ne requièrent une consommation en courant notable que dans le cas d'une commutation; entre les processus de commutation, le besoin en courant est faible au point d'être négligeable. Il faut insister notamment sur la force élevée de commutation au début d'un processus de commutation, ce qui est avantageux notamment dans le cas de soupapes de régulation commandées par voie hydraulique ou pneumatique, étant donné qu'à cet instant les forces antagonistes, conditionnées par l'écoulement, sont relativement élevées. On obtient ces caractéristiques avantageuses au moyen d'un empilage d'éléments piézoélectriques commandés électriquement. Ces derniers sont montés sous précontrainte mécanique dans un boîtier d'un dispositif de commande pilote, o ils coopèrent en général avec un élément de commutation. Un tel dispositif est connu par exemple d'après le document DE 42 20 177 A1. La précontrainte, qui agit sur les éléments piézoélectriques, est appliquée par un composant rigide se présentant sous la forme d'un boulon de serrage. Le mouvement de basculement de l'élément de commutation est transmis à l'aide de poussoirs à un élément non représenté. Pour la commande pilote de soupapes ou distributeurs de fluides, il est par conséquent nécessaire d'utiliser un dispositif supplémentaire qui convertit la course de commutation en un signal pneumatique ou hydraulique. Ce mode de fonctionnement est relativement compliqué en raison de la multiplicité de composants mobiles, est fragile du point de vue mécanique et requiert un volume de construction important. D'après le document allemand DE 195 47 149 A1 on connaît une soupape pour fluide, dans laquelle on fait l'économie de l'étape intermédiaire indiquée plus haut de conversion du signal mécanique en un signal de fluide sous pression, par le fait que dans cette soupape on utilise comme élément de commutation un dispositif de flexion bimorphe. Ce dernier se déforme en fonction d'une précontrainte appliquée et commande de ce fait des liaisons de fluide sous pression entre les raccords d'une soupape. Les forces d'ouverture et de fermeture d'un dispositif de flexion bimorphe sont cependant relativement faibles de sorte que ce dispositif convient uniquement pour la commutation de flux volumiques relativement faibles. En outre l'ensemble de l'espace intérieur du boîtier est chargé par un fluide sous pression et de ce fait est soumis à des charges de pression intenses. ces inconvénients sont éliminés conformément à l'invention à l'aide d'un dispositif de commande pilote du type indiqué plus haut caractérisé en ce que pour la précontrainte de l'actionneur, il est prévu dans le boîtier, au moins un élément formé d'un matériau élastomère qui est disposé au voisinage de l'extrémité de l'élément de commutation, tournée vers l'actionneur. L'agencement selon l'invention présente l'avantage consistant en ce qu'on utilise un actionneur formé d'un empilage d'éléments piézoélectriques, dont la précontrainte mécanique est produite d'une manière relativement simple par une pièce en élastomère. Cette pièce en élastomère ferme simultanément, d'une manière étanche au fluide sous pression, une partie du boîtier de sorte que l'espace intérieur du boîtier, qui est chargé par du fluide sous pression, est fortement réduit et que la résistance du boîtier à la pression s'en trouve accrue. La pièce élastomère peut être montée aisément, est disponible sous la forme d'un article fabriqué en grande quantité et peut être réalisée en différents matériaux et avec des dimensions différentes. La précontrainte pour l'actionneur peut par conséquent être choisie d'une manière spécifique à l'application. Sur la base de son élasticité, le matériau élastomère est à même de transmettre des déplacements angulaires de l'actionneur à l'élément de commutation et de compenser simultanément des tolérances de fabrication. Selon une autre caractéristique de l'invention, en coopération avec un épaulement situé sur le boîtier, au moins un élément divise l'espace intérieur en une chambre recevant l'actionneur et en une chambre logeant l'élément de commutation, et l'élément est agencé sous la forme d'un anneau, qui ferme de façon étanche les deux chambres l'une par rapport à l'autre. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'une des chambres est traversée par un fluide sous pression et comporte des sièges de soupape. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de commutation est agencé sous la forme d'une armature basculante comportant un élément de soupape, et une plaque formant bride qui est située à l'opposé de l'élément de soupape et la plaque formant bride possède un collet, sur laquelle prend appui l'élément formé d'un matériau élastomère. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de commutation fait partie d'une soupape commutation formant distributeur à voies multiples, comportant au moins un canal associé à un conduit d'arrivée, à un conduit de retour et à un raccord de travail. Selon une autre caractéristique de l'invention, il est prévu deux éléments, qui enserrent entre eux une chambre de pression chargeant l'élément de commutation, et il existe un décalage entre les centres de l'actionneur et de l'élément de commutation appliqué sur l'actionneur. Selon une autre caractéristique de l'invention, les deux éléments sont disposés dans des plans distants l'un de l'autre. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de commutation s'applique sur le côté d'action de l'actionneur. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'actionneur et l'élément de commutation sont réalisés d'un seul tenant. La pièce en matériau élastomère divise l'espace intérieur du boîtier en une chambre logeant l'actionneur et non traversée par le fluide sous pression et en une chambre traversée par le fluide sous pression. Ces deux chambres ne peuvent pas s'influencer réciproquement. Pour réaliser la fermeture étanche de ces deux chambres, dans le cas o on effectue un choix approprié de la pièce en élastomère, aucun composant auxiliaire n'est nécessaire. Pour permettre une compensation de forces d'ouverture conditionnées par la technique fluidique, au niveau de l'élément de commutation, ce dernier peut être disposé de telle sorte que son centre est décalé par rapport à celui de l'actionneur de sorte que la force de pression, qui agit sur l'élément de commutation, produit en fonction du dispositif un moment de basculement d'ouverture ou de fermeture. Lorsque la pression augmente dans la chambre, parcourue par le fluide, du boîtier la force de pression, qui précontraint l'actionneur, augmente, ce qui a pour effet que sa capacité de travail est particulièrement bien utilisée. L'actionneur peut par conséquent être réalisé avec des dimensions plus faibles, et de ce fait le volume de construction du dispositif de commande pilote peut être réduit de façon supplémentaire. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente un dispositif de commande pilote selon l'invention, en coupe transversale; et - la figure 2 représente une variante de réalisation du dispositif de commande pilote indiqué précédemment, également en coupe transversale. La figure 1 représente un dispositif de commande pilote 10, dont le boîtier 10 renferme un espace intérieur 14. L'espace intérieur 14 est formé à titre d'exemple par un perçage borgne horizontal 16, dont l'ouverture frontale est fermée par un bouchon 18. Ce perçage borgne 16 comporte une circonférence intérieure étagée, la première partie 16a du perçage, qui possède le diamètre intérieur le plus petit, étant située à l'opposé de l'ouverture frontale. Cette première section 16a du perçage est augmentée d'une chambre de soupape 20, qui est disposé de façon excentrée par rapport au perçage borgne 16. Dans la chambre de soupape 20 sont formés deux sièges de soupape 22, 23, qui sont situés en vis-à-vis et au niveau desquels débouchent des canaux 24, 26 véhiculant le fluide sous pression. Ces canaux 24, 26 véhiculant le fluide sous pression traversent la paroi du boîtier 12 en direction de l'extérieur. Un troisième canal 28 pour le fluide sous pression s'étend en étant décalé latéralement par rapport aux canaux 24, 26 pour le fluide sous pression, et ce également depuis l'espace intérieur 14 en direction du côté extérieur du boîtier. Le canal 24 pour le fluide sous pression forme le canal de retour désigné par R, le canal 26 véhiculant le fluide sous pression forme le canal aller P, et le canal 28 pour le fluide sous pression forme le canal de travail A d'une soupape à 3/2 voies dont le fonctionnement est connu depuis longtemps. Pour commander des liaisons de transfert de fluide sous pression entre les canaux 24 à 28 véhiculant le fluide sous pression, un élément de commutation 30 est monté dans l'espace intérieur 14. Cet élément de commutation 30 se subdivise en un élément de soupape 32, qui commande les sièges de soupape 22, 23 et est disposé à l'extrémité libre d'un bras de commutation conique 4, et en une plaque formant bride 36, qui est située à l'opposé de l'élément de soupape 32 et comporte un collet 38 tourné vers le bras de commutation 34. La plaque formant bride 36 pénètre dans la deuxième partie 16b, qui possède un diamètre intérieur supérieur, du perçage borgne 16 et centre, sur le collet 38, un anneau élastomère 40. Ce dernier prend appui sur un épaulement 41 du boîtier, qui est situé en vis-à-vis du collet 38, et divise la chambre intérieure 14 en deux chambres 42, 44 étanchéifiées l'une par rapport à l'autre. La première chambre 42, qui inclut la chambre de soupape 20, est traversée par le fluide, tandis qu'un actionneur 46 est disposé dans la seconde chambre 44 exempte de fluide sous pression pour actionner l'élément de commutation 30. En ce qui concerne cet actionneur 46, qui est représenté seulement schématiquement sur la figure 1, il s'agit par exemple de deux empilages d'éléments piézoélectriques, qui agissent dans des sens réciproquement opposés et peuvent se dilater ou se contracter en étant alimentés par un courant électrique. Les deux faces frontales de l'actionneur 46 exécutent un mouvement de basculement l'une par rapport à l'autre. L'actionneur 46 prend appui d'une part sur le bouchon 18 et d'autre part sur la plaque formant bride 36 de l'élément de commutation , l'actionneur 46 étant chargé par une précontrainte au moyen de la bague élastomère 40 située dans le boîtier 12. L'élasticité de cette bague permet la transmission du mouvement de basculement de l'actionneur 46 sur l'élément de commutation 30. Ce dernier ouvre par conséquent la liaison de fluide sous pression, qui est fermée dans la position de repos représentée, depuis le canal d'arrivée désigné par P en direction du canal de travail désigné par A et ferme simultanément la liaison de fluide sous pression ouverte jusqu'alors, qui s'étend du canal de travail A jusqu'au canal de retour R. La précontrainte de l'unité est appliquée par la bague élastomère 40 à l'actionneur 46, dimensionnée de telle sorte que, également dans la seconde position de commutation non représentée de la soupape à 3/2 voies, cette bague élastomère 40 étanchéifie de façon fiable l'une par rapport à l'autre les deux chambres 42, 44. Une alimentation en tension, polarisée en sens opposé, de l'actionneur 46 provoque un mouvement de basculement de l'élément de commutation 30 en sens opposé et ramène ce dernier à nouveau dans sa position de départ représentée. Un dispositif de commande pilote 10 agissant de cette manière peut être couplé hydrauliquement ou pneumatiquement à des soupapes formant distributeurs classiques de sorte que l'on peut commuter des flux volumiques comparativement importants avec des courants de commutation relativement faibles pour l'empilage piézoélectrique. Une variante de réalisation du dispositif de commande pilote décrit 12 est représentée sur la figure 2. Cette soupape de commande pilote perfectionnée 10a diffère notamment par le fait que le centre de l'actionneur 46a présente un décalage 48 par rapport au centre de la plaque formant bride 36a de l'élément de commutation 30a. En outre contrairement au premier exemple de réalisation, l'élément de commutation 30a est chargé par deux bagues élastomères a, qui sont disposées dans des plans distants l'un de l'autre et qui enserrent entre elles une chambre de pression 50 de forme essentiellement annulaire. Cette dernière est limitée dans la direction axiale par la plaque formant bride 36a et par l'épaulement 41a situé du côté du boîtier. Cet épaulement 41a se prolonge par rapport à l'épaulement 41 et possède sur son extrémité tournée vers le bras de commutation 34a, une partie étagée servant à recevoir la seconde bague élastomère 40a. La chambre de pression 50 est reliée par l'intermédiaire d'un canal d'alimentation 52 au canal 26 véhiculant le fluide sous pression, qui est associé au canal d'arrivée P. Par conséquent en raison du niveau de pression régnant dans le canal d'arrivée P, la plaque formant bride 36a et par conséquent l'élément de commutation 30a sont chargés par une force de pression, qui produit un couple de basculement supplémentaire en raison du décalage 48 entre les centres de l'actionneur 46a et de l'élément de commutation 30a. Grâce à un dimensionnement approprié de ce décalage 48 des centres, les lignes d'action de force de l'actionneur 36a et de la chambre de pression 50 sont accordées l'une sur l'autre de sorte que des forces d'ouverture, qui agissent sur le siège de soupape 22a et dépendent de la pression d'arrivée, sont compensées. La chambre de pression 50, qui est insérée entre les deux bagues élastomères 40a provoquent, lorsque la pression augmente dans le canal d'arrivée, un accroissement de la précontrainte de l'actionneur 46a. De ce fait on peut agencer les bagues élastomères 40a de manière qu'elles soient plus flexibles, c'est-à-dire avec un frottement intérieur plus faible. De ce fait on peut choisir un actionneur 46a encore plus petit, ce qui conduit à un volume hors tout encore plus faible et à une consommation de puissance, réduite de façon supplémentaire, du dispositif de commande pilote 10a. Dans le cas de systèmes compensés en pression conformément à la figure 2, seules les forces de frottement et la faible compression des bagues élastomères 40a doivent être vaincues, indépendamment des pressions de fonctionnement. Naturellement, on peut apporter des modifications et compléments supplémentaires aux exemples de réalisations décrits, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de commande pilote (10, 10a), notamment pour des soupapes formant distributeurs pneumatiques, comportant un boîtier (12, 12a) entourant un espace intérieur (14, 14a), un actionneur (46, 46a), qui est disposé dans cet espace intérieur (14, 14a) et comporte, pour la conversion d'un signal d'entrée électrique en un signal de sortie mécanique, au moins un empilage d'éléments piézoélectriques, et dans lequel l'actionneur (46,46a) est disposé sous précontrainte dans l'espace intérieur (14, 14a) et actionne un élément de commutation (30, 30a), caractérisé en ce que pour la précontrainte de l'actionneur (46, 46a), il est prévu dans le boitier (12, 12a), au moins un élément (40, 40a) formé d'un matériau élastomère qui est disposé au voisinage de l'extrémité de l'élément de commutation (30, 30a), tournée vers l'actionneur (46). -- 2. Dispositif de commande pilote selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en coopération avec un épaulement (41, 41a) situé sur le boîtier, au moins un élément (40, 40a) divise l'espace intérieur (14, 14a) en' une chambre (44, 44a) recevant l'actionneur (46, 46a) et en une chambre (42, 42a) logeant l'élément de commutation (30, a), et que l'élément (40, 40a) est agencé sous la forme d'un anneau, qui ferme de façon étanche les deux chambres (42, 42a, 44, 44a) l'une par rapport à l'autre. 3. Dispositif de commande pilote selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des chambres (42, 42a, 44, 44a) est traversée par un fluide sous pression et comporte des sièges de soupape (22, 22a, 23, 23a). 4. Dispositif de commande pilote selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de commutation (30, 30a) est agencé sous la forme d'une armature basculante comportant un élément de soupape il (32, 32a), et une plaque formant bride (36, 36a) qui est située à l'opposé de l'élément de soupape (32, 32a) et que la plaque formant bride (36, 36a) possède un collet (38, 38a), sur laquelle prend appui l'élément (40, 40a) formé d'un matériau élastomère. 5. Dispositif de commande pilote selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément de commutation (30, 30a) fait partie d'une soupape de commutation formant distributeur à voies multiples, comportant au moins un canal (26, 26a, 24, 24a, 28, 28a) associé à un conduit d'arrivée (P), à un conduit de retour (R) et à un raccord de travail (M). 6. Dispositif de commande pilote selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est prévu deux éléments (40, 40a), qui enserrent entre eux une chambre de pression (50) chargeant l'élément de commutation (30a), et qu'il existe un décalage (48) entre les centres de l'actionneur (46a) et de l'élément de commutation (30a) appliqué sur l'actionneur. 7. Dispositif de commande pilote selon la revendication 6, caractérisé en ce que les deux éléments (40, 40a) sont disposés dans des plans distants l'un de l'autre. 8. Dispositif de commande pilote selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément de commutation (30, 30a) s'applique sur le côté d'action de l'actionneur (46, 46a). 9. Dispositif de commande pilote selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'actionneur (46, 46a) et l'élément de commutation (30, a) sont réalisés d'un seul tenant.