Brevet FR2925624A1 — publié le 20090626

Système de soupape de commande hydraulique La présente invention concerne un système de soupape destiné à commander un système d'entraînement hydraulique. Les systèmes d'entraînement hydraulique sont utilisés dans de nombreuses applications de chargement mécanique, par exemple dans un équipement de construction, un équipement agricole, des chariots élévateurs à fourche, des grues et d'autres systèmes de travaux entraînés de manière hydraulique. Des pistons hydrauliques entraînant un organe mécanique associé sont commandés par des soupapes qui commandent l'écoulement de fluide hydraulique à travers une conduite de pompage et une conduite de retour, afin de remplir ou de vider le piston hydraulique. Le degré d'ouverture et de fermeture de la ligne de pompage, respectivement des soupapes de commande de conduite de retour, détermine la vitesse de déplacement et la position de l'élément de chargement mécanique associé. Il est donc important de garantir une certaine précision dans l'ouverture et la fermeture des soupapes de commande et de réduire la sensibilité de l'ouverture de soupape de commande à une pression dans le système hydraulique. Dans certains systèmes classiques, les soupapes hydrauliques sont commandées au moyen d'actionneurs électromagnétiques combinés à un amplificateur hydraulique pour fournir la force requise pour le déplacement et le maintien de la tige de soupape. Cependant, il est difficile d'obtenir, avec ces systèmes de commande, une commande précise et rigide des soupapes. Un autre moyen connu de commande des soupapes se fait par le biais d'un actionneur comprenant un moteur électrique qui entraîne la tige de commande de soupape, tel que décrit dans le document DE 19 948 379 ou US 4 650 159. L'utilisation d'un moteur pas à pas pour actionner une tige de soupape est avantageuse en raison de la rigidité élevée qu'il confère au système de commande de soupape hydraulique en plus de permettre une précision élevée de l'ouverture et de la fermeture des soupapes par l'intermédiaire d'une commande du moteur pas à pas. Cependant, un inconvénient majeur de ces systèmes est la taille du moteur pas à pas et le nombre d'unités de soupapes hydrauliques qui peuvent être agencées d'une manière juxtaposée. Dans le document DE 19 948 379 par exemple, le bloc hydraulique possède quatre paires de soupapes de commande montées d'une manière juxtaposée, chaque soupape de commande étant actionnée par un moteur pas à pas électrique connecté à la tige de soupape via un bras de liaison, chacun des moteurs étant agencé dans une orientation différente. Dans cette configuration, des soupapes additionnelles ne peuvent pas être ajoutées au bloc de soupapes et les différents agencements des divers moteurs électriques accroissent les coûts de fabrication et d'assemblage. En raison de ce qui précède, un objet de l'invention consiste à mettre à disposition un système de soupape de commande hydraulique avec une pluralité de soupapes juxtaposées, qui est compact, économique du point de vue de la fabrication de l'assemblage, et qui fournit une commande précise et rigide de l'ouverture et de la fermeture des soupapes hydrauliques. Un objet supplémentaire de la présente invention consiste à mettre à disposition un système de soupape de commande hydraulique qui peut être facilement agrandi pour inclure davantage de soupapes de commande d'une manière juxtaposée dans un bloc compact. Les objectifs de la présente invention ont été atteints grâce à la mise à disposition d'un système de soupape de commande hydraulique comprenant un bloc de soupapes hydrauliques avec une pluralité de segments de soupapes de commande agencés d'une manière juxtaposée, chaque segment de soupape de commande comprenant une première conduite, par exemple une conduite de pompage, une seconde conduite, par exemple une conduite de retour, et une tige de soupape déplaçable adaptée pour ouvrir et fermer la première conduite, respectivement fermer et ouvrir la seconde conduite à des degrés variables en fonction d'une position de la tige de soupape, le système de soupape comprenant en outre une pluralité d'actionneurs agencés d'une manière juxtaposée, un actionneur pour chaque segment de soupape, chaque actionneur comprenant un moteur électrique connecté à ladite tige de soupape respective par l'intermédiaire d'un mécanisme d'accouplement, chaque moteur possédant un rotor et un stator ayant une pluralité de bobines positionnées autour du rotor, des points médians approximatifs des bobines définissant un cercle virtuel autour du rotor, moyennant quoi un rapport DS/HS d'un diamètre DS du cercle virtuel défini par les points médians des bobines du stator divisé par une hauteur totale HS des bobines dans une direction parallèle à un axe de rotation du rotor est supérieur à 1,6. De manière avantageuse, l'actionneur a une largeur égale ou inférieure à chaque segment de soupape hydraulique de telle sorte qu'une pluralité d'actionneurs identiques peuvent être assemblés d'une manière juxtaposée pour actionner une pluralité de soupapes hydrauliques respectives dans un bloc de soupapes compact tout en bénéficiant de la rigidité positionnelle et de la précision de commande du moteur électrique. Le mécanisme d'accouplement de l'actionneur peut comprendre de manière avantageuse une crémaillère et un pignon, la crémaillère étant directement fixée à la tige de soupape ou formant une extension de celle-ci. Le moteur électrique peut avantageusement être un moteur pas à pas, le stator comprenant une pluralité de bobines positionnées autour de bras s'étendant radialement du stator. Le stator comprend de préférence au moins six bobines, de préférence huit. En vue d'obtenir une précision et une rigidité élevé lors du déplacement de la tige de soupape, le moteur a de préférence un grand nombre de pas par tour, de préférence plus de 100, par exemple autour de 200 pas. Le grand nombre de pas est également particulièrement avantageux en ce qu'il fournit une très faible hystérésis positionnelle lors d'un changement de direction d'entraînement. Dans le mode de réalisation représenté, le rotor possède environ 50 dents. D'autres objets et caractéristiques avantageuses de l'invention ressortiront des revendications et de la 20 description et des figures détaillées suivantes. La figure la est une vue d'un système de soupape de commande hydraulique selon cette invention ; la figure lb est une vue dans la direction de la flèche lb de la figure 1 ; 25 la figure 1c est une vue dans la direction de la flèche 1c de la figure lb ; la figure 2a est une vue en coupe transversale à travers une ligne 2a-2a de la figure 1 ; la figure 2b est une vue en coupe transversale à 30 travers une ligne 2b-2b de la figure 2a ; la figure 3a est une vue en coupe transversale similaire à la figure 2a, à l'exception du fait qu'elle représente une variante de l'actionneur électrique ; la figure 3b est une vue en coupe transversale à travers une ligne 3b-3b de la figure 3a ; la figure 4a est une vue en coupe transversale similaire à la figure 2a à l'exception du fait qu'elle représente encore une autre variante d'un actionneur hydraulique ; la figure 4b est une vue en coupe transversale à travers une ligne 4b-4b de la figure 4a ; la figure 5a est une vue en coupe transversale d'une 10 partie d'une variante du système de soupape de commande hydraulique de la figure 2a ; et la figure 5b est une vue en coupe transversale à travers une ligne 5b-5b de la figure 5a. On se réfère aux figures sur lesquelles un système 2 15 de soupape de commande hydraulique comprend une pluralité de segments 4 de soupapes de commande hydrauliques juxtaposées, chaque segment comprenant un dispositif 6 de soupape hydraulique et un actionneur 8, 8', 8", 8"'. Les dispositifs de soupape hydraulique des segments de soupapes 20 de commande peuvent être mis à disposition en tant que composants séparés assemblés ensemble pour former un seul bloc ou en variante peuvent être réalisés à partir d'un seul bloc ou à partir d'un certain nombre de composants assemblés ensemble en tant qu'un seul bloc. 25 Chaque dispositif de soupape hydraulique comprend une portion de corps 10 à l'intérieur de laquelle sont disposés les canaux 12, 14, 16, 17, 19 à travers lesquels s'écoule un fluide hydraulique. Les canaux comportent un premier canal 12 et un deuxième canal 14 qui sont destinés à être 30 connectés aux conduites hydrauliques menant à un piston hydraulique pour l'entraînement d'une charge mécanique. Les canaux comportent en outre des canaux d'entrée 17, 19 destinés à être connectés à un système de pompe hydraulique qui fournit la pression hydraulique, et un canal d'évacuation 16 pour le retour de fluide hydraulique. Les premier et deuxième canaux 12, 14 peuvent être respectivement connectés à une première conduite (telle qu'une conduite de pompage) et une seconde conduite (telle qu'une conduite de retour). La soupape hydraulique comprend en outre une tige 22 de soupape montée de manière à pouvoir coulisser dans une cavité 28 de tige de soupape qui communique avec les canaux 12, 14, 16, 17, 19. La tige de soupape est mobile dans une direction linéaire T le long d'un axe 13 de tige de soupape. La tige de soupape a des portions transversales réduites 24, 26 pour interconnecter ou déconnecter la première conduite, respectivement la seconde conduite, d'avec les canaux d'entrée 17, 19 de façon à ouvrir et fermer la première conduite 12 ou la seconde conduite 14, pour un mouvement avant ou arrière du piston hydraulique qui y est connecté. La position de translation de la tige de soupape dans la cavité détermine le degré d'ouverture ou de fermeture des soupapes qui fait à son tour varier la pression et l'écoulement de fluide hydraulique vers et depuis le système d'entraînement hydraulique connecté à la soupape. Il est donc important d'avoir un déplacement et un positionnement précis de la tige de soupape, ainsi qu'une rigidité élevée en maintien et en stabilisation de la tige de soupape dans toute position donnée quelconque. Ce positionnement précis et ce maintien rigide de la tige de soupape sont fournis par l'actionneur 8, 8', 8", 8" ' monté sur une face de montage 21a d'actionneur du corps 10 de soupape hydraulique à travers lequel s'étend une extrémité 23 de la tige 22 de soupape. L'actionneur comprend un logement 30, un moteur électrique monté dans le logement couplé à la tige 22 de soupape via un mécanisme d'accouplement 33. Le moteur comprend un stator 32, 32', 32", 32" ' fixé de manière rigide au logement 30, et un rotor 36, 36', 36", 36"' monté de manière à pouvoir effectuer une rotation via des paliers 41 sur le stator ou le logement. L'axe R de la rotation du rotor s'étend dans une direction axiale A, de manière orthogonale par rapport à l'axe 13 de tige de soupape et un plan majeur défini généralement par la tige 22 de soupape et les premier et deuxième canaux hydrauliques 12,14. Le mécanisme d'accouplement 33 comprend un engrenage 38 de rotor fixé de manière rigide au rotor dès qu'il se met en prise avec un engrenage réducteur 25 ayant une grande roue 37 d'engrenage et un pignon 39 monté de manière à pouvoir effectuer une rotation sur un axe 43 fixé au logement. A la place de l'engrenage réducteur, il est également possible d'avoir une courroie de transmission autour de l'engrenage 38 de rotor et du pignon 39. Le pignon 39 d'engrenage réducteur se met en prise avec une crémaillère dentée 40 qui est couplée à l'extrémité 23, et alignée avec celle-ci, de la tige 22 de soupape. En variante, la crémaillère dentée peut être formée solidairement avec la tige de soupape. D'autres mécanismes d'accouplement connus dans la technique qui transforment un mouvement de rotation du rotor en un mouvement de translation linéaire de la tige de soupape peuvent également être utilisés sans s'éloigner de la portée de la présente invention. La crémaillère dentée 40 est supportée et guidée par un galet 27 en s'appuyant contre une face 29 de la crémaillère dentée opposée au pignon 39. Le logement 30 d'actionneur a généralement une forme de parallélépipède délimité par des faces majeures opposées 53a, 53b et des faces mineures étroites 53c, 53d, 53e, 53f, dont l'une est une face de montage. Le logement comprend une partie de base 35a, de préférence en un alliage de métaux non magnétique coulé et une partie de couvercle 35b. La partie de base comprend une cavité 52 destinée à accueillir le stator 32 du moteur, et des cavités 55a, 55b, 55c destinées à accueillir le palier 41 de rotor et les axes 43a, 45a de l'engrenage réducteur 25 et du galet de support 27 respectivement. La partie de couvercle 35b peut également être prévue avec des cavités 54a, 54b correspondantes pour accueillir le palier 41 de rotor correspondant et l'axe 43 d'engrenage réducteur d'une manière compacte tout en permettant avantageusement un assemblage axial du moteur et du mécanisme d'accouplement avec les parties 35a, 35b de logement. La face de montage étroite 53c du logement 30 d'actionneur, pour un montage contre la face de montage 21a du corps de soupape hydraulique, comprend un passage 56 pour la tige 22 de soupape couplée à la crémaillère dentée 40, le passage 56 étant formé par une extension tubulaire 57 adaptée pour être reçue dans une cavité 58 correspondante de la portion de corps 10 de soupape hydraulique. L'extension tubulaire 57 permet à l'actionneur d'être positionné précisément par rapport à la portion de corps 10 de soupape hydraulique et de plus guide et positionne l'extrémité 23 de tige de soupape de manière précise dans l'actionneur. Des connecteurs électriques 59, 59' s'étendent hors du logement 30 sur une face mineure étroite 53e (voir figure 2a) du côté où les premier et deuxième canaux hydrauliques 12 à 14 sont connectés, ou sur la face mineure étroite 53d opposée à la face de montage 53c (voir figure 5a). Le stator du moteur électrique comprend une pluralité de bobines 42 montées sur une structure de circuit magnétique avec des bras 34 de stator s'étendant radialement et vers l'intérieur, de préférence formés à partir de feuilles stratifiées empilées d'un matériau ferromagnétique, pour générer un champ magnétique variable qui entraîne le rotor. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 2a, 2b, et 5a, 5b, le moteur est un moteur pas à pas. Le rotor comprend un aimant permanent 44 sous la forme d'un disque coincé entre une paire de disques conducteurs de flux magnétique 46, par exemple des disques réalisés à partir d'un matériau ferromagnétique stratifié empilé. Le stator comprend de préférence au moins six bobines 42 agencées autour de la circonférence du rotor, montées sur les bras 34 de stator s'étendant radialement. En vue d'obtenir une précision et une rigidité élevées lors du déplacement de la tige de soupape, le moteur pas à pas possède de préférence un grand nombre de pas par tour, de préférence plus de 100, par exemple environ 200 pas. Le nombre important de pas est également particulièrement avantageux en ce qu'il fournit une très faible hystérésis positionnelle lors d'un changement de direction d'entraînement, et une résolution élevée. Le rotor et le stator du moteur pas à pas ont tous les deux de préférence un grand nombre de dents 47, de préférence plus de 40. Le stator du mode de réalisation de moteur pas à pas a de préférence au moins six bobines, mais de préférence huit ou plus. Le rapport DS/HS du diamètre moyen DS d'un cercle virtuel défini par les centres approximatifs des bobines de stator, par rapport à la hauteur totale HS de bloc, est avantageusement supérieur à 1,6, de préférence supérieur à 1,7, ou encore supérieur à 2. Le rapport DR/HR du diamètre externe DR du rotor par rapport à la hauteur axiale totale HR de disque de rotor, la hauteur axiale étant mesurée dans la direction de l'axe de rotation R, est de préférence supérieur à 2,5 et de préférence 3 ou plus. Dans la variante des figures 5a, 5b, le rapport DS/HS est approximativement 1,7 alors que dans la variante des figures 2a, 2b le rapport DS/HS est approximativement égal à 2,2. Les rapports susmentionnés permettent à l'actionneur d'avoir l'épaisseur H identique ou inférieure à la largeur des segments de soupapes hydrauliques classiques, qui sont habituellement d'une largeur d'environ 40 mm, tout en fournissant le couple et la stabilité requis pour déplacer la tige de soupape à des pressions typiques que l'on trouve dans des systèmes de commande de soupape pour des équipements agricoles, des chariots élévateurs à fourche, un équipement de construction et analogues. Les actionneurs électriques peuvent ainsi être assemblés d'une manière identique et juxtaposés sur toute pluralité quelconque de segments de soupapes hydrauliques d'un bloc de soupapes hydrauliques. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures 3a et 3b, le moteur de l'actionneur électrique est un moteur CC sans balai comprenant un stator ferromagnétique 32' avec une pluralité de bras ou pôles 34' de stator dirigés radialement et vers l'intérieur. Les bobines 42' sont montées d'une manière écartée autour de la périphérie du rotor sur certains des pôles 34'. Le rotor 36' comprend un aimant permanent annulaire 44' qui possède une pluralité de segments adjacents polarisés de manière alternée. Le moteur CC sans balai génère un couple inférieur à la variante de moteur pas à pas illustré sur les figures 2a, 2b, mais le rotor 36' effectue une rotation à une vitesse supérieure de telle sorte que le rapport de démultiplication du système d'engrenage agissant sur la crémaillère 40 soit supérieur au rapport de démultiplication du mécanisme d'accouplement de l'actionneur du moteur pas à pas. Aux vues de la démultiplication supérieure, la réversibilité du système hydraulique (dans les situations où le moteur électrique est arrêté) n'est pas aussi bonne qu'avec le moteur pas à pas. Certaines applications n'exigent cependant pas une réversibilité dans le cas d'une panne d'alimentation ou pour d'autres raisons, et dans certaines applications, la réversibilité peut au contraire ne pas être souhaitée. On se réfère maintenant aux figures 4a et 4b sur lesquelles on représente un autre mode de réalisation dans lequel l'actionneur électrique comprend un moteur à réluctance variable comprenant un stator ferromagnétique 32" ayant une pluralité de bras ou pôles 34" de stator dirigés radialement et vers l'intérieur autour desquels des bobines 42" sont montées. Dans le cas d'un moteur à réluctance variable, le rotor 36" comprend un corps ferromagnétique avec une pluralité de pôles dirigés radialement et vers l'extérieur 48, le nombre de pôles de rotor étant inférieur au nombre de pôles de stator. Les bobines de stator génèrent un champ magnétique variable qui génère l'équivalent d'un champ magnétique rotatif attirant les pôles 48 de rotor. Au vu du fait que le moteur à réluctance variable ne génère aucune résistance magnétique lorsque l'alimentation électrique est arrêtée, le moteur présente une réversibilité élevée et peut donc avantageusement être utilisé dans des applications où une réversibilité est souhaitée. La hauteur L de l'actionneur (c'est-à-dire, la distance entre les faces mineures 53e et 53f) peut avantageusement être approximativement égale à la hauteur du corps de soupape hydraulique, de telle sorte que les faces mineures opposées 53e, 53f de l'actionneur ne s'étendent pas sensiblement au-delà des faces 21b, 21c correspondantes du corps de soupape hydraulique. Dans la variante des figures 5a, 5b, le connecteur hydraulique 59', pour la connexion d'une unité d'entraînement et d'alimentation externe au moteur, fait saillie depuis la face mineure 53d, opposée à la face de montage 53c, permettant un accès aisé et commode aux connecteurs. De manière avantageuse, les actionneurs de moteur électrique, qui fournissent une rigidité positionnelle et une précision de commande, ont des épaisseurs égales ou inférieures à celles de chaque segment de soupape hydraulique de telle sorte qu'une pluralité d'actionneurs identiques puissent être assemblés d'une manière juxtaposée pour actionner une pluralité de soupapes hydrauliques respectives, pour former ainsi un système de bloc de soupapes hydrauliques compact mais néanmoins performant. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système (2) de soupape de commande hydraulique comprenant un bloc de soupapes hydrauliques avec une pluralité de segments (4) de soupapes de commande agencés d'une manière juxtaposée, chaque segment (4) de soupape de commande comprenant une première conduite (12), une deuxième conduite (14), et une tige de soupape déplaçable adaptée pour ouvrir et fermer la conduite (12), respectivement fermer et ouvrir la seconde conduite (14) à des degrés variables en fonction d'une position de la tige (28) de soupape, le système (2) de soupape comprenant en outre une pluralité d'actionneurs (8, 8', 8", 8" ') agencés d'une manière juxtaposée, un actionneur (8, 8', 8", 8" ') pour chaque segment (4) de soupape, chaque actionneur (8) comprenant un moteur électrique connecté à une dite tige (22) de soupape respective par l'intermédiaire d'un mécanisme d'accouplement (33), chaque moteur ayant un rotor (36, 36', 36", 36"') et un stator (32, 32', 32", 32"') , moyennant quoi un rapport DS/HS, DS'/HS', DS"/HS", DS" ' /HS" ' d'un diamètre moyen DS, DS', DS", DS"' d'un cercle virtuel à travers des points médians de bobines (42) du stator {32, 32', 32", 32" ') divisé par une hauteur totale HS, HS', HS", HS"' des bobines (42) dans une direction parallèle par rapport à un axe de rotation du rotor (36, 36', 36", 36" ') est supérieur à 1,6. 2. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport 30 DS/HS, DS'/HS', DS"/HS", DS'"/HS"' est supérieur à 1,7. 3. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport DS/HS, DS'/HS', DS" /HS'', DS'"/HS'" est supérieur à 2. 4. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme d'accouplement (33) comprend une crémaillère (40) connectée à une extrémité (23), et s'étendant depuis celle-ci, de la tige (22) de soupape, se mettant en prise avec un pignon monté dans l'actionneur et entraîné par le rotor. 5. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bloc de soupapes hydrauliques comprend plus de quatre segments (4) de soupapes de commande hydrauliques juxtaposés et actionneurs associés. 6. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est un moteur pas à pas et le stator comprend six bobines (42) ou plus agencées sur des bras (34) s'étendant radialement du stator. 7. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 6, caractérisé en ce que stator comprend au moins huit bobines. 8. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moteur possède plus de 100 pas par tour. 9. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est un moteur CC sans balai. 10. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur est un moteur à réluctance variable. 11. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les actionneurs sont montés contre une face de montage de chaque segment (4) de soupape de commande du bloc de soupapes hydrauliques à travers lequel s'étend une extrémité (23) de la tige (22) de soupape respective. 12. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le segment (4) de soupape de commande et les actionneurs correspondants ont une largeur inférieure ou égale à 40 mm. 13. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque actionneur comprend un logement (30) ayant une partie de base (35a) et une partie de couvercle (35b), la partie de base (35a) étant coulée à partir d'un alliage non magnétique et comprenant des cavités (52) destinées à accueillir le stator et des axes (43) supportant un engrenage réducteur (25) du mécanisme d'accouplement (33). 14. Système (2) de soupape de commande hydraulique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le logement (30) d'actionneur comprend une extension tubulaire (57) s'étendant depuis une face de montage étroite (21a), l'extension pouvant être reçue dans une cavité (52) correspondante dans le segment (4) de soupape hydraulique à travers lequel s'étend la tige (22) de soupape.