Brevet FR2800028A1 — publié le 20010427

ACTIONNEUR A PISTON ACTIF La présente invention est relative à un actionneur à piston actif. Elle trouve en particulier avantageusement application pour les actionneurs de frein, notamment dans le domaine de l'aéronautique. Généralement, les actionneurs de frein connus à ce jour sont des actionneurs de type hydraulique qui permettent des efforts très importants, tout en présentant une bonne capacité de rattrapage du jeu lié l'usure, aux changements de température, etc... Ces actionneurs présentent toutefois des inconvénients liés à l'utilisation d'un fluide hydraulique : risques de fuites, nécessité d'un générateur de pression, etc... Un but de l'invention est de proposer un actionneur qui ne présente pas les inconvénients des actionneurs hydrauliques. II a déjà été proposé des actionneurs comportant un piston constitué de plusieurs tronçons magnéto-strictifs successifs, aptes à être commandés indépendamment les uns des autres. On pourra à cet égard se référer aux différents brevets suivants : US 5.281.875 US 5.317.223, US 5.039.894. De tels actionneurs nécessitent de prévoir autour du piston des moyens génération de champ magnétique qui sont complexes et particulièrement encombrants. Notamment, à volume d'encombrement identique, ils ne permettent pas d'engendrer les mêmes efforts qu'un actionneur hydraulique. L'invention propose quant à elle un actionneur comportant une chemise de coulissement et un piston apte à se déplacer axialement dans ladite chemise, ledit piston comportant une pluralité de tronçons successifs en matériau actif, aptes à être déformés indépendamment les uns des autres des moyens de commande pour se raccourcir sur eux-mêmes de façon a se bloquer par rapport à la chemise de coulissement ou pour s'allonger de façon à se libérer par rapport à celle-ci, caractérisé ce que lesdits tronçons sont de type piezo électrique. Une telle structure d'actionneur est capable d'engendrer des pressions très importantes (de 50 à 100 Mpa) du même ordre de grandeur que les plus fortes pressions régnant dans les circuits hydrauliques actuels. A diamètre équivalent, le piston piezo électrique est capable d'engendrer les mêmes efforts qu'un piston hydraulique. Un tel actionneur est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles - les moyens de commande comportent des moyens pour commander la déformation des tronçons selon une séquence telle que dans un premier temps, piston avance de façon à rattraper le jeu le sépare de la surface laquelle il doit venir en appui et dans deuxième temps applique effort sur ladite surface ; - le matériau piezo électrique est de type multicouches ; - le piston comporte au moins une rainure dans laquelle est reçue une métallisation en contact avec des électrodes réparties à l'intérieur dudit piston ; - cette rainure comporte au niveau d'un tronçon un renfoncement dans lequel la metallisation est en contact avec les électrodes ; - le piston comporte une enveloppe métallique dans laquelle les tronçons sont reçus ; - la chemise de coulissement comporte un cylindre intérieur, un cylindre extérieur et un cylindre intermédiaire, le matériau du cylindre intermédiaire présentant un coefficient de dilatation supérieur à ceux des cylindres intérieur et extérieur ; - le cylindre intermédiaire présente des fentes qui s'étendent radialement de sa surface intérieure vers sa surface extérieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit qui est purement illustrative et non limitative et qui doit être lue sur les figures annexées sur lesquelles - les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques d'un actionneur conforme à un mode de réalisation possible de l'invention et notamment de son piston ; - les figures 3a à 3e sont des représentations schématiques illustrant le fonctionnement de l'actionneur dont le piston est représenté sur la figure 1 ; - la figure 4 est une représentation schématique en coupe axiale illustrant disposition des électrodes dans un piston d'un actionneur conforme à mode de réalisation possible de l'invention ; - la figure 5 est une représentation en coupe partielle d'un détail du piston de la figure 4 ; - la figure 6 est une représentation schématique en élévation de l'actionneur la figure 5 ; - figures 7a à 7c illustrent les connexions des différents groupes céramiques ; - la figure 8 est une représentation schématique en coupe de la chemise de coulissement d'un actionneur conforme à un mode de réalisation possible de l'invention. L'actionneur illustré sur les figures 1 et 2 comporte une chemise de coulissement 1 qui est un cylindre et un piston 2 apte à coulisser axialement dans ledit cylindre 1. Le piston 2 est constitué d'une pluralité de tronçons de céramique piezo électrique. En l'occurrence, pour l'exemple illustré sur les figures 1 et et utilisé dans la description qui suit, ces tronçons sont au nombre de trois sont référencés par "a", "b", "c". Bien entendu, un plus grand nombre de tronçons peut être envisagé. Les différents tronçons sont pourvus d'électrodes qui permettent de les commander indépendamment les uns des autres. Sur la figure 2, Va, Vb et Vc représentent les tensions de commande de chacun des tronçons ", "b.. "c@@. Ces tronçons "a", "b", "c" peuvent être en céramique multicouches en céramique massive. L'utilisation de céramique multicouche présente l'avantage de permettre de pouvoir utiliser des tensions de commande réduites. Le principe de fonctionnement d'une telle structure est illustré sur les figures 3a à 3e. -- Pour rattraper le jeu du mécanisme de freinage, on déplace le piston 2 dans le cylindre 1 en combinant l'allongementlraccourcissement du matériau et sa striction. On suppose pour la description suivante que chaque tronçon s'allonge en s'amincissant lorsque la tension appliquée +V et se raccourcit en grossissant lorsque la tension est -V. De plus suppose qu'au repos le jeu entre le piston 2 et la chemise de coulissement 1 est très faible sorte que dès qu'un tronçon grossit, il se trouve bloqué et que lorsqu'il 'allonge, il se trouve libre. la figure 3a, le piston 2 est représenté au repos. deux flèches sur cette figure 3a et qui sont ensuite reprises sur les figures 3b à 3e, ont été représentées pour permettre de materialiser la progression du piston 2. Dans un premier temps (figure 3b), une tension -V est appliquée sur le tronçon a, tandis qu'une tension +V est appliquée sur les deux autres tronçons b et c. Seul le tronçon a est alors bloqué par rapport au cylindre 1. Les deux autres tronçons sont quant à eux allongés. Dans un deuxième temps (figure 3c), on inverse la tension sur le tronçon c, la tension sur les deux autres tronçons a et b étant quant à elle inchangée. tronçon c est ainsi maintenu dans son état allongé et le tronçon c vient bloquer dans une position où il est avancé par rapport à la position qu'il occupait initialement (figure 3a). Dans une troisième étape (figure 3d), on inverse les tensions de commande des tronçons a et b, de sorte que le tronçon b vient se bloquer par rapport au cylindre 1 en étant également avancé rapport à la position qu'il occupait initialement (figure 3a), tandis que tronçon a n'est plus bloqué par rapport à la chemise de coulissement . Dans une quatrième étape enfin (figure 3e), on inverse la tension de commande du tronçon a de sorte que l'on se retrouve alors dans une position où l'ensemble du piston a avancé par rapport à sa position de la figure 3a. Ces quatre étapes peuvent ensuite être répétées jusqu'à ce que le jeu piston par rapport au mécanisme de freinage ait été répété. Lorsque le piston a ainsi rattrapé le jeu du mécanisme de freinage, il est immobilisé dans la position correspondant à celles représentées sur la figure 3b ou sur la figure 3e. La pression peut alors être contrôlée rapidement et finement en contrôlant Vb et Vc, Va restant égale à -V. Les tronçons du piston 2 sont par exemple des cylindres ou disques multicouches de 25mm de diamètre et d'une épaisseur de 50mm. Le piston 2 comporte avantageusement une enveloppe E (figure 1) qui un manchon métallique de faible épaisseur. Cette enveloppe métallique E présente l'avantage de permettre de résoudre les problèmes de tolérance de fabrication rencontrés avec des tronçons piezo électriques. En particulier, le piston 2 muni de son enveloppe E peut etre réusiné extérieurement afin d'obtenir le diamètre recherché avec précision adéquate (meilleure que 5Nm pour un diamètre de 25mm). Cette enveloppe E est choisie d'un diamètre intérieur égal ou légèrement inférieur au diamètre de la céramique au repos. Celle-ci est glissée dans ladite enveloppe E en imposant Va = Vb = Vc = , de façon à profiter de la striction des différents tronçons. variante ou en complément, l'enveloppe E peut être dilatée par chauffage lors de l'emmanchement, ce qui est notamment rendu possible grâce au fait que l'enveloppe E est d'épaisseur faible par rapport au diamètre du piston 2. L'enveloppe E peut aussi recevoir un traitement de surface destiné à optimiser son coefficient de frottement. Par ailleurs, ainsi qu'illustré sur les figures 4 à 6, on prévoit que les électrodes, référencées par 3 sur ces figures, ne débouchent pas à l'extérieur du piston 2, mais sont alimentées par des métallisations 5 qui s'étendent dans des rainures 6 que le piston 2 présente. Ces rainures 6 présentent en particulier sur toute la hauteur du tronçon qu'elles alimentent (en l'occurrence le tronçon a) un renfoncement 7 qui étend vers l'intérieur et dans lequel leur métallisation 5 est en contact avec les électrodes 3. Ainsi, les électrodes 3 n'affleurent pas à la surface la plus extérieure du piston 2, mais sont néanmoins alternativement décalées d'un coté ou de l'autre d'un diamètre du piston 2, de la façon qui est illustrée sur la figure 4. Comme le montrent la figure 6 et les figures 7a à 7c, les rainures 6 sont avantageusement réparties en étant angulairement décalées autour du piston 2. Elles s'étendent toutes à partir d'une même extrémité du piston 2, dans la hauteur de celui-ci, en se terminant au niveau du renfoncement 7 du tronçon qu'elles alimentent. Au niveau des tronçons leurs métallisations 5 n'alimente pas, les fonds de ces rainures 6 sont décalés vers l'extérieur par rapport au fond des enfoncement 7, de façon que lesdites métallisations 5 ne soient pas en contact avec les électrodes 3. Sur la figure 6, on a représenté schématiquement par deux cercles 5a, les circuits d'alimentation des différentes métallisations 5. Par ailleurs, on sait qu'à la suite d'une sollicitation importante, par exemple du type de celle exercée lors du freinage d'un aéronef, la température des freins s'élève. Une élévation importante de la température peut conduire à une dépolarisation des céramiques piezo électriques. La température à laquelle commence cette dépolarisation peut être destinée à 100 C en dessous de la température de Curie, ce qui donne environ 130 C pour une céramique douce et 230 C pour une céramique dure. Pour éviter tout risque de dépolarisation, la commande électrique applique après le freinage une tension constante identique sur tous les tronçons du piston. Cette tension peut être plus forte que la tension maximale d'utilisation. Elle a pour effet de repolariser la céramique pendant que la température redescend d'une valeur élevée à l'ambiante. Comme on l'aura compris, les modes de réalisations exposés ci- dessus supposent qu'au repos le jeu mécanique entre le piston 2 et le cylindre 1 dans lequel il coulisse, est nettement plus -faible que l'augmentation diamètre du piston 2 qui provoque son blocage (soit environ 10 Nm dans l'exemple donné). II est envisageable de réaliser des ajustages de quelques pm de jeu à une température (température ambiante par exemple). Par contre il est difficile de conserver ce jeu pour des excursions de température allant de -60 C à +200 C comme il est rencontré dans les freins. Ceci est à la dilatation différentielle entre le piston 2 et le cylindre 1 qui peuvent avoir des coefficients de dilatation thermique différents. Un appariement de grande précision est nécessaire. Or il s'avère que les céramiques piezo électriques utilisées pour le piston ont un coefficient de dilatation très faible, voire négatif. Il n'est donc pas aisé de trouver le matériau du cylindre ayant le coefficient exactement adapté d'autant plus que l'on recherche d'autres propriétés comme la tenue mécanique, l'usinabilité, etc. La structure de cylindre ou chemise de coulissement représentée sur la figure 8 permet d'obtenir et de régler cet accord à la conception à l'aide de matériaux traditionnels. Le dispositif est composé de trois matériaux montés coaxialement. Elle comporte un cylindre intérieur 8 dans lequel coulisse le piston 2, un cylindre externe 9 et un cylindre intermédiaire 10 qui s'étend entre le cylindre intérieur 8 et le cylindre externe 9. Le cylindre 9 précontraint, en les serrant le cylindre 8 et le cylindre intermédiaire 10. Ce cylindre intermédiaire 10 comporte des fentes radiales 11 qui s'étendent à partir de génératrices d'un cylindre intérieur 8. Ces fentes 11 sont assez profondes pour arriver au voisinage de la surface extérieure dudit cylindre interieur 8 et peuvent éventuellement être débouchantes. Le ou matériaux des cylindres 8 et 9 sont choisis avec des coefficients de dilatation faibles, mais néanmoins algébriquement supérieurs à celui du piston. Le matériau du cylindre intermédiaire 10 est choisi avec un coefficient de dilatation supérieur. Lorsque la température augmente, le cylindre 10 se dilate radialement, mais il est partiellement empêché par le cylindre 9 qui se dilate moins que lui. En conséquence, l'expansion extérieure interdite est reportée sur le cylindre 8 qui se trouve radialement comprimé. Les fentes 11 un rôle capital pour empêcher la formation de contraintes orthoradiales qui empêcheraient toute expansion du cylindre 10 vers l'intérieur. Pour que les fentes 1 ne créent pas d'ondulation sur le cylindre 8, on choisit pour lesdites fentes une largeur inférieure à l'épaisseur dudit cylindre 8. L'expansion du cylindre 10 contraint le cylindre 9 à l'expansion, tandis que lorsque le cylindre 9 se comprime, il contraint le cylindre 8. Les déformations relatives des cylindres 8 et 9 se répartissent au prorata de l'inverse de leur raideur. Plus le cylindre 9 est épais et raide, plus cylindre 8 sera comprimé. ajuste par conséquent le coefficient de dilatation interne du cylindre en jouant sur l'épaisseur du cylindre 9. Un usinage externe constitue donc un moyen d'ajustage final du coefficient de dilatation interne, sachant que ce dernier ne pourra évoluer que vers une valeur algébrique plus grande. Bien entendu, le terme cylindre utilisé dans les développements qui précèdent doit être entendu au sens large. Il désigne de façon générale toute forme définie par un ensemble de génératrices parallèles s'appuyant sur une même surface fermée. L'actionneur qui vient d'être décrit est avantageusement utilisé pour équiper des étriers de frein, et plus particulièrement des étriers de frein d'avions. REVENDICATIONS . Actionneur comportant une chemise de coulissement et un piston apte à déplacer axialement dans ladite chemise, ledit piston comportant une pluralité de tronçons successifs en matériau actif, aptes ' être déformés indépendamment les uns des autres par des moyens de commande pour se raccourcir sur eux-mêmes de façon à se bloquer par rapport à la chemise de coulissement ou pour s'allonger de façon à se libérer par rapport à celle-ci, caractérisé en ce que lesdits tronçons sont de type piezo électrique. 2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce les moyens de commande comportent des moyens pour commander la déformation des tronçons selon une séquence telle que dans un premier temps, le piston avance de façon à rattraper le jeu qui le sépare de la surface sur laquelle il doit venir en appui et dans un deuxième temps applique un effort sur ladite surface. 3. Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce le matériau piezo électrique est de type multicouches. Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston comporte au moins une rainure dans laquelle est reçue une métallisation en contact avec des électrodes réparties à l'intérieur dudit piston. 5. Actionneur selon la revendication 4, caractérisé en ce que cette rainure comporte au niveau d'un tronçon un renfoncement dans lequel la métallisation est en contact avec les électrodes. 6. Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le piston comporte une enveloppe métallique dans laquelle les tronçons sont reçus. 7. Actionneur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chemise de coulissement comporte un cylindre intérieur, un cylindre extérieur et un cylindre intermédiaire, le matériau du cylindre intermédiaire présentant un coefficient de dilatation supérieur -à ceux des cylindres intérieur et extérieur. 8. Actionneur selon la revendication caractérisé en ce que le cylindre intermédiaire présente des fentes qui étendent radialement de sa surface intérieure vers sa surface extérieure. 9. Actionneur de frein, caractérisé en ce qu'il est constitué par un actionneur selon l'une des revendications précédentes. 10. Actionneur de frein d'avion, caractérisé en ce qu'il est constitué par un actionneur selon l'une des revendications 1 à 8.