Brevet FR2976983A1 — publié le 20121228

L'invention concerne les actionneurs hydrauliques ou pneumatiques, notamment ceux destinés à manoeuvrer des robinets à quart de tour, comme les robinets à papillon ou les robinets à boule. Les deux principales cinématiques qui y sont utilisées sont la cinématique à pignon crémaillère et la cinématique à palonnier. La cinématique à palonnier, qui a été décrite dans les documents FR2933760, DE3925887 et EP0994284, utilise un levier placé à 45° par rapport aux axes principaux de l'actionneur, portant deux fentes et solidaire de l'axe de manoeuvre du robinet. Un pion cylindrique implanté sur chaque piston se déplace dans les chambres du levier en provoquant la rotation de l'arbre de manoeuvre lorsque les pistons de déplacent suivant un mouvement linéaire entre deux positions extrêmes de butée représentant les positions fermée et ouverte du robinet. La courbe caractéristique du couple fourni par ce type d'actionneur est symétrique et est la partie inférieure d'une sinusoïde. La courbe du couple en fonction de l'angle d'ouverture montre que le couple aux deux extrémités représentant les positions ouverte et fermée du robinet est plus grand que le couple à mi-course à 45°. Cette forme du couple n'est pas bien adaptée. Une bonne partie de l'énergie potentielle n'est jamais utilisée. En outre, l'ensemble des efforts étant transmis par l'intermédiaire des deux pions intégrés dans chacun des pistons, les pressions de contact entre ces pions et la partie antagoniste du levier sont très grandes et imposent des matériaux durs, très résistants à la friction et aux frottements, ainsi qu'un graissage très efficace pour éviter l'usure, voire le grippage des pièces sous charge. C'est pourquoi on utilise le plus souvent la technologie à pignon crémaillère, qui a été décrite dans les brevets EP2243965, EP1486680 et US5492050. Le principe de ces appareils consiste à transformer le mouvement linéaire d'un ou de plusieurs pistons sur lesquels est installée une crémaillère en un mouvement de rotation par l'intermédiaire d'un pignon cylindrique. La particularité des robinets à papillon est de présenter un couple de manoeuvre ou couple résistant très grand au voisinage de la position de fermeture, lorsque le disque pénètre dans la bague ou le joint d'étanchéité, alors que le couple décroît très rapidement dès les premiers degrés d'ouverture pour atteindre une valeur comprise entre 10 et 20% du couple maximum pendant tout le reste de la course. Or ces actionneurs fournissent un couple constant, si bien qu'environ 50% du couple potentiel de l'actionneur, voire plus, n'est jamais utilisé. L'invention pallie cet inconvénient par un actionneur pneumatique ou hydraulique à pignon crémaillère, dans lequel le couple fourni par l'actionneur est mieux adapté au couple résistant qu'il doit vaincre, ce qui permet de mieux faire des économies d'énergie. L'actionneur suivant l'invention comprend un carter, quatre pistons cylindriques se déplaçant deux par deux solidairement en sens contraire dans le carter sous l'action de la pression d'un fluide et solidaires en translation respectivement de crémaillères qui engrènent avec un pignon. L'actionneur est caractérisé en ce que le rayon de courbure d'une première partie du profil du pignon qui engrène avec les crémaillères en une première position angulaire du pignon est plus grand que le rayon de courbure d'une deuxième partie du profil du pignon qui engrène avec les crémaillères en une deuxième position angulaire du pignon à 90° de la première position angulaire. En modulant la longueur du bras de levier dissymétriquement en fonction de l'angle d'ouverture du robinet, on augmente le couple fourni, seulement lorsqu'on a besoin de vaincre un couple résistant plus grand, en obtenant notamment un couple en fermeture plus grand que le couple en ouverture, de préférence, deux fois plus grand. Suivant un mode de réalisation, le rayon de courbure du profil du pignon augmente progressivement de la deuxième partie à la première partie. A partir d'un couple en fin d'ouverture, on augmente progressivement ce couple suivant un profil correspondant à la développée angulaire d'une forme sinusoïdale progressive, qui peut être une ellipse, jusqu'à obtenir un couple valant sensiblement deux fois le couple en fermeture, le profil du pignon est dans ce cas une ellipse de la forme 1= x2 + -2 , x et y a2 b2 étant les coordonnées des points de l'ellipse dans un système de coordonnées cartésien, a étant la longueur du petit axe de l'ellipse, b étant la longueur du grand axe de l'ellipse et b ? 2a. Suivant un autre mode de réalisation, plus simple à 30 fabriquer, la première partie et la deuxième partie du profil du pignon sont un premier et un deuxième arcs de cercle et le premier et le deuxième arcs de cercle sont reliés entre eux par une courbe en spirale. A partir d'un couple en fin d'ouverture, on maintient ce couple sur 50 à 60% de la courbe, puis on l'augmente sensiblement linéairement jusqu'à obtenir un couple en fermeture valant au moins deux fois le couple en ouverture. Ce couple en fermeture est atteint, de préférence, à une dizaine de degrés avant la fermeture et est maintenu constant jusqu'à la fermeture complète du robinet. La courbe de couple en fonction de l'angle est une combinaison de trois courbes principales. La première et la dernière courbes correspondent au couple maximum et au couple minimum produits par deux arcs de cercle du profil, tandis que ces deux courbes sont reliées par une pente sensiblement rectiligne produite par la courbe en spirale du pignon entre l'angle d'environ 40° jusqu'à l'angle de 10°. Suivant le profil du pignon, ces trois courbes peuvent être reliées par deux rayons de raccordement, de manière à faciliter l'engrènement et la réalisation de la denture. Afin de ménager le débattement nécessaire au grand rayon du pignon, il vaut mieux que deux sous-pistons jumelés de section droite circulaire agissent sur chaque crémaillère. Cela permet d'avoir une section suffisante du piston au droit du dos de la crémaillère. Le profil de chaque crémaillère a la forme de la courbe développée linéaire du profil du piston. L'invention vise aussi un robinet comprenant un obturateur, papillon ou boule, monté tournant sur un quart de tour entre une position d'ouverture complète et une position de fermeture par la rotation d'un arbre solidaire en rotation de l'obturateur entraîné en rotation par un actionneur à pignon solidaire en rotation de l'arbre, la première position angulaire du pignon correspondant à la position d'ouverture complète du robinet et la deuxième position angulaire du pignon correspondant à la position de fermeture du robinet. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple : La Figure 1 est une vue éclatée d'une partie d'un robinet suivant l'invention ; La Figure 2 est une vue en perspective d'une partie de l'actionneur du robinet de la Figure 1 ; La Figure 3 est une vue en perspective éclatée d'une 15 partie de l'actionneur ; La Figure 4 est une vue en perspective éclatée d'une partie de l'actionneur ; La Figure 5 est une vue en perspective éclatée d'une partie de l'actionneur illustrant le 20 cheminement du fluide ; Les Figures sont des vues en coupe illustrant le 6 et 7 fonctionnement de l'actionneur en ouverture et en fermeture ; La figure 8 est une vue en perspective éclatée d'une 25 culasse ; La Figure 9 est une vue en coupe d'un pignon et d'une crémaillère suivant un mode de réalisation suivant l'invention ; La Figure 10 est une vue en coupe d'une variante d'un pignon et d'une crémaillère suivant l'invention ; et La Figure 11 est un graphique des couples en fonction de 5 l'angle d'ouverture du robinet. Comme montré à la Figure 1, l'actionneur est constitué d'un moyeu 5, pourvu de cannelures longitudinales Gr et d'une forme en creux S' q qui peut être de forme carrée, servant à l'entraînement du carré mâle Sq de l'arbre de 10 commande du robinet à manoeuvrer. La Figure 2 montre que le moyeu 5 reçoit un pignon 4 de forme non circulaire dont il est solidaire par les cannelures Gr. Deux paliers 7 et 8 sont placés aux parties supérieure et inférieure du moyeu 5 pour limiter 15 les frottements lors de la rotation du moyeu dans son logement du carter 1. Le carter 1 est constitué d'un profil creux dont la section est de forme oblongue avec sa plus grande dimension dans le plan horizontal. Il est percé en son 20 centre d'un alésage à plusieurs diamètres destiné à recevoir le moyeu 5. Suivant la Figure 3, le pignon 4 étant placé à l'intérieur du carter 1 dans l'alignement de l'alésage central du carter, le moyeu 5 est glissé par la partie inférieure du carter pour venir se loger dans 25 l'alésage tout en passant au travers des cannelures du pignon 4. Lors de cette opération, les rainures supérieures en croix du moyeu 5 seront alignées avec les repères R du pignon, de manière à ce qu'il soit possible de repérer, après montage, que l'actionneur est en 30 position ouverte ou fermée. Dans l'alésage oblong du carter viennent prendre place deux ensembles pistons-crémaillères 2 et 2', chacun d'entre eux étant introduit symétriquement par les ouvertures du carter à l'opposé l'une de l'autre, comme montré en Figure 3, de manière à ce que les crémaillères de chaque ensemble engrènent dans le même sens avec la denture du pignon qui se trouve être complémentaire. Comme montré aux Figures 3 et 4, à chaque extrémité du carter viennent prendre place les doubles cylindres 3 et 3'. Ces cylindres 3A, 3B et 3'A, 3'B reçoivent chacun un joint torique 21, interne à chaque cylindre, pour faire étanchéité dynamique avec chaque piston correspondant, 2A, 2B, 2'A et 2'B, ainsi qu'une série de joints 20 et 20' sur chacune de ses faces externes en contact avec le carter 1 et les culasses 6 et 6' pour faire étanchéité statique. La Figure 4 montre la disposition des pièces. Les culasses 6 et 6' et les cylindres 3 et 3' sont fixés sur le carter 1 par les vis 10. L'étanchéité entre les faces est réalisée au moyen de joints toriques 21, logés dans les gorges 22 ou bien de joints de forme 20 pour épouser les formes et les canaux d'amenée et d'échappement des fluides moteurs comprimés. Afin d'alimenter et de vidanger les cylindres 3A, 3B et 3'A, 3'B, des canalisations sont ménagées dans le carter 1 et les cylindres 3 et 3'. Les Figures 5, 6 et 7 montrent les conduits d'amenée de fluide moteur pressurisé en noir, tandis que les volumes et canaux grisés sont ceux mis à l'échappement sans pression. Le carter 1 est équipé de deux trous 0 et C de raccordement aux réseaux pneumatiques ou hydrauliques. Le trou 0, qui commande l'ouverture du robinet, communique avec un canal longitudinal 31 qui débouche sur les deux faces d'appui des cylindres 3 et 3'. Ces cylindres 3 et 3' sont eux mêmes percés d'un canal 30 et 30' qui assure la continuité et donc la communication du canal du carter 31 vers les culasses 6 et 6'. L'alimentation en fluide pour l'ouverture étant assurée jusqu'aux culasses 6 et 6', ces dernières sont pourvues de deux encoches 40 et 41 sur chaque culasse, pour que le fluide moteur soit guidé jusqu'aux cylindres 3A, 3B et 3'A, 3'B et sur les pistons 2A, 2B et 2'A, 2'B comme montré aux Figures 7 et 8. Pour la fonction de fermeture, les connexions à la source de pression et à l'échappement sont inversées. Le fluide pressurisé est admis par l'orifice C, tandis que l'orifice O est mis à la pression atmosphérique. Cet orifice C débouche directement au centre du carter et applique la pression de fluide comprimé au dos des pistons 2A, 2B, 2'A et 2'B qui repoussent les ensembles 2 et 2' vers les culasses 6 et 6' entraînant le pignon 4 et le moyeu 5 en rotation en sens horaire, l'actionneur étant vu de dessus, provoquant ainsi la fermeture du robinet. Dans un mode de réalisation, on part d'un couple Cl en fin d'ouverture et on augmente progressivement ce couple suivant un profil correspondant à la développée angulaire d'une forme sinusoïdale, progressive, qui peut être une ellipse, jusqu'à obtenir un couple C2 valant sensiblement 2 fois Cl en fermeture comme montré à la Figure 9. La courbe de couple 17 en fonction de l'angle peut être de 1 a forme - ~(a sin a)2 + (b cos a)2 y et le profil du pignon 15 2 2 peut être une ellipse de la forme 1=a2 + b2 avec b-2a tandis que la crémaillère présente une forme sinusoïdale 16 correspondant à la développée linéaire de l'ellipse 15. Comme montré à la Figure 10, cette solution propose de partir d'un couple Cl en fin d'ouverture, de maintenir ce couple sur 50 à 60% de la course, puis d'augmenter sensiblement linéairement ce couple jusqu'à obtenir un couple C2 valant au moins 2 fois Cl. Ce couple étant atteint à une dizaine de degrés avant la fermeture, il est maintenu constant jusqu'à la fermeture complète du robinet. La courbe de couple 20 en fonction de l'angle se trouve être une combinaison de trois courbes principales. La première et la dernière courbes correspondent au couple maximum et au couple minimum générés par les deux arcs de cercle R1 et R2 du profil 18, tandis que ces deux courbes sont reliées par une pente sensiblement rectiligne générée par la courbe en spirale du pignon entre l'angle d'environ 40° jusqu'à l'angle de 10°. Suivant le profil du pignon 18, ces 3 courbes sont reliées par deux rayons de raccordement de manière à faciliter l'engrènement et la réalisation de la denture. La Figure 11 est un graphique illustrant, à section de piston égale, le couple Ape, d'un actionneur à pignon elliptique suivant l'invention par rapport au couple Apc d'un actionneur à pignon rectiligne classique, une courbe de couple résistant Vp d'un robinet étant représentée en partie inférieure du graphique. Le graphique donne le couple TC en ordonnées, tandis que les abscisses indiquent l'angle a° d'ouverture du robinet, 0° signifiant que le robinet est fermé et 90° qu'il est ouvert. On voit que la courbe de couple Ape de l'actionneur suivant l'invention à pignon elliptique reproduit à peu près homothétiquement la courbe du couple résistant Vp du robinet, tandis que, dans un actionneur classique, le couple Apc est constant sur tout l'angle de fonctionnement du robinet. Il devient ainsi possible de mieux utiliser la puissance de l'actionneur et de prendre notamment pour un robinet donné un actionneur de moindre puissance. A section de piston égale, un actionneur suivant l'invention permet de manoeuvrer des robinets dont le coupe est double de ceux manoeuvrés par des actionneurs classiques. REVENDICATIONS1. Actionneur comprenant un carter (1), quatre pistons (2A, 2B, 2'A, 2'B) se déplaçant, deux par deux solidairement, en sens contraire dans le carter sous l'action de la pression d'un fluide et solidaires en translation respectivement de crémaillères (2, 2') qui engrènent avec un pignon (4), caractérisé en ce que le rayon de courbure d'une première partie du profil du pignon (4) qui engrène avec les crémaillères (2, 2') en une première position angulaire du pignon (4) est plus grand que le rayon de courbure d'une deuxième partie du profil du pignon (4) qui engrène avec les crémaillères (2, 2') en une deuxième position angulaire du pignon à 90° de la première position angulaire. 2. Actionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le rayon de courbure du profil du pignon (4) augmente progressivement de la deuxième partie à la première partie. 3. Actionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le profil du pignon est une ellipse (15) de la 2 2 forme 1=--+ 2 b2 , x et y étant les coordonnées des points de l'ellipse (15) dans un système de coordonnées cartésien, a étant la longueur du petit axe de l'ellipse, b étant la longueur du grand axe de l'ellipse et b ? 2a.30 4. Actionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie et la deuxième partie du profil du pignon (4) sont un premier et un deuxième arcs (R1, R2) de cercle et le premier et le deuxième arcs (R1, R2) de cercle sont reliés entre eux par une courbe en spirale. 5. Actionneur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la courbe en spirale va d'une position angulaire de 40° environ à une position angulaire de 10° environ, la position angulaire de 0° étant celle de la première partie du profil du pignon (4). 6. Actionneur suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil de chaque crémaillère (2, 2') a la forme de la courbe développée linéaire du profil du pignon (4). 7 Robinet comprenant un obturateur monté tournant sur un quart de tour entre une position d'ouverture complète et une position de fermeture par la rotation d'un arbre solidaire en rotation de l'obturateur entraîné en rotation par un actionneur à pignon solidaire en rotation de l'arbre, caractérisé en ce que l'actionneur est tel que défini à l'une quelconque des revendications précédentes et la première position angulaire du pignon correspond à la position d'ouverture complète du robinet et la deuxième position angulaire du pignon correspond à la position de fermeture du robinet.