Brevet FR3021085A1 — publié le 20151120

Dispositif de précharge pour un mécanisme de vis à rouleaux guidé en rotation La présente invention concerne le domaine des mécanismes de vis à rouleaux satellites assurant la conversion d'un mouvement de rotation en mouvement de translation, et plus précisément un mécanisme de vis à rouleaux guidé en rotation par rapport à un bâti, et muni d'un dispositif de précharge capable de rattraper les jeux à l'intérieur du mécanisme. L'invention trouve une utilité particulière dans le domaine aérospatial notamment pour la réalisation d'actuateur linéaire. On a recours aux actuateurs linéaires dans divers systèmes embarqués sur un satellite, comme par exemple pour l'orientation de dispositifs de propulsion dédiés au transfert d'orbite ou au maintien à poste 15 d'un satellite en orbite. Dans ces systèmes, un moteur électrique transmet un mouvement de rotation à un mécanisme vis-écrou assurant la conversion du mouvement de rotation en mouvement de translation. Pour améliorer le rendement de la conversion ou lorsqu'une grande précision de mouvement est recherchée, des mécanismes de type vis à rouleaux peuvent être mis en 20 oeuvre. De nombreux actuateurs linéaires utilisent les mécanismes de vis à rouleaux satellites, en particulier pour leur longue durée de vie et leur compacité. La figure 1 représente un actuateur linéaire comprenant un mécanisme de vis à rouleaux. De manière connue, le mécanisme de vis à 25 rouleaux 10 comprend des rouleaux 9 intercalés entre une vis sans fin 11 et deux bagues taraudées 12a et 12b reliées à un boitier 13. Le boitier est guidé en rotation par rapport au bâti 14 au moyen d'un palier à roulement 15. Dans l'exemple représenté, le boitier est entrainé en rotation par un moteur rotatif 16. La vis sans fin 11 est liée au bâti en rotation et libre en translation. 30 Le mouvement de rotation du boitier 13 permet d'entrainer en translation la vis sans fin 11 par rapport au bâti. Le principe des mécanismes de vis à rouleaux est connu et n'est pas repris ici, en particulier les moyens permettant de ramener à chaque tour de la vis sans fin, les rouleaux dans une position centrale par rapport aux deux bagues taraudées. 35 Il existe divers dispositifs de précharge pour les mécanismes de vis à rouleaux. Ces dispositifs qui imposent une précontrainte au mécanisme de manière à rattraper les jeux à l'intérieur du mécanisme sont couramment mis en oeuvre dans le domaine aérospatial. Lorsque le mécanisme est appelé à subir des vibrations élevées et à fonctionner sous vide poussé, comme c'est notamment le cas lors d'un lancement de l'engin spatial, les déplacements 5 axiaux relatifs répétés entre le boitier, les rouleaux et les bagues taraudés génèrent des chocs répétés qui peuvent endommager ou gripper les éléments du mécanisme. Dans une mise en oeuvre connue, on impose une précharge axiale entre les deux bagues taraudées, de manière à maintenir les éléments mobiles en contact les uns des autres. On connait plusieurs o mécanismes capables d'appliquer une précharge en compression entre les deux bagues taraudées. On connait en particulier le dispositif de précharge décrit par la demande de brevet publiée sous la référence FR2699633 dont le principe est représenté sur la figure 1. Les deux bagues taraudées 12a et 12b sont 15 montées dans le boitier 13 de sorte qu'une première bague taraudée, ici référencée 12a soit solidaire du boitier, et qu'une seconde bague taraudée, ici référencée 12b soit liée en rotation au boitier et libre en translation. Le dispositif de précharge est un mécanisme à ressort 17 comprenant un ressort hélicoïdal de compression 18 placé autour de la vis sans fin et entre 20 deux bagues d'appui 19a et 19b. La bague d'appui 19a est en contact de la bague taraudée 12b. La bague d'appui 19b est en contact d'un écrou de précharge 20 monté sur le boitier permettant d'imposer un effort en compression au ressort hélicoïdal. L'actuateur linéaire est constitué du mécanisme de vis à rouleaux 10 25 guidé en rotation par le palier à roulement 15. Le guidage en rotation est également exposé aux fortes vibrations et aux conditions de vide poussé. Pour cette raison, il comprend également un dispositif de précharge. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le palier à roulement est constitué de roulements à précharge solide de type super duplex. Le palier 15 comprend 30 deux rangées de roulements à billes à contact oblique montées en X. Les bagues intérieures 21a et 21b des deux rangées de roulements sont mises en charge au moyen d'un écrou de précharge 22 monté sur le bâti. Ainsi, l'actuateur linéaire comprend deux dispositifs de précharge, capables de précontraindre respectivement le mécanisme de vis à rouleaux 35 et le guidage en rotation de celui-ci par rapport au bâti. Il en résulte un actuateur linéaire complexe, dont la précharge nécessite un grand nombre de composants (bagues d'appui, ressort hélicoïdal, écrous de précharge, roulements super duplex à précharge, etc...). L'ensemble de ces composants, essentiellement constitués d'acier inoxydable, représente une 5 masse et un volume importants. L'actuateur linéaire est également complexe à concevoir et à fabriquer. Il reste donc désirable de disposer d'un actuateur linéaire intégrant un dispositif de précharge simple, peu coûteux, compatible des exigences les plus ambitieuses du domaine aérospatial. 10 A cet effet, l'invention a pour objet un actuateur linéaire comprenant un mécanisme de vis à rouleaux guidé en rotation par rapport à un bâti au moyen d'un premier et d'un second roulements à billes à contact oblique ; le mécanisme de vis à rouleaux comprenant des rouleaux intercalés entre une vis sans fin et une première et une seconde bagues taraudés liées 15 entre elles en rotation et libre en translation. La première et la seconde bagues taraudées sont solidaires d'une bague intérieure respectivement du premier et du second roulements à billes à contact oblique. L'actuateur linéaire comprend un unique dispositif de précharge capable d'exercer une contrainte entre deux bagues extérieures respectivement du premier et du 20 second roulements à billes à contact oblique, permettant de mettre en charge simultanément le mécanisme de vis à rouleaux et le guidage en rotation du mécanisme de vis-à rouleaux par rapport au bâti. Avantageusement, les bagues taraudées constituent les bagues 25 intérieures des deux roulements à billes. Avantageusement, les bagues taraudées sont liées au moyen d'une clavette ou d'un soufflet métallique. 30 Avantageusement, l'actuateur linéraire comprend un dispositif de précharge solide capable d'exercer une contrainte entre les bagues extérieures mises en contact l'une de l'autre. Avantageusement, le dispositif de précharge comprend une 35 surface d'appui et une bague élastique enserrant les deux bagues extérieures en contact l'une de l'autre, et comprenant un ensemble de vis de bridage configuré pour imposer une contrainte sur la bague élastique. Avantageusement, l'actuateur linéaire comprend un dispositif de 5 précharge élastique capable d'exercer une contrainte entre les deux bagues extérieures distantes l'une de l'autre. Avantageusement, le bâti comprend une première et une seconde demi-coquilles solidaires respectivement de la première et seconde bagues 10 extérieures. Le dispositif de précharge est configuré pour imposer une contrainte tendant à rapprocher les deux bagues extérieures ; le guidage en rotation étant assuré par les deux roulements à billes montés en « X ». Avantageusement, le bâti comprend une première et une seconde 15 demi-coquilles solidaires respectivement de la première et seconde bagues extérieures, et dont le dispositif de précharge est configuré pour imposer une contrainte tendant à éloigner les deux bagues extérieures ; le guidage en rotation étant assuré par les deux roulements à billes montés en « 0 ». 20 Avantageusement, la vis sans fin et le bâti sont liés en rotation et libre en translation. Avantageusement, la vis sans fin et le bâti sont liés au moyen d'une clavette ou d'un soufflet métallique. 25 Avantageusement, l'actuateur linéaire comprend un moteur rotatif capable d'entrainer en rotation les bagues taraudées du mécanisme de vis-à- rouleaux par rapport au bâti. 30 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple sur les figures suivantes. La figure 1, déjà présentée, représente un actuateur linéaire comprenant un mécanisme de vis à rouleaux selon l'état connu de la 35 technique, les figures 2a et 2b représentent un premier exemple d'actuateur linéaire selon l'invention comprenant un mécanisme de vis à rouleaux guidé en rotation, les figures 3a et 3b représentent un second exemple d'actuateur linéaire selon l'invention comprenant un mécanisme de vis à rouleaux guidé en rotation, les figures 4a et 4b représentent un troisième exemple d'actuateur linéaire selon l'invention comprenant un mécanisme de vis à rouleaux guidé en rotation. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. L'invention porte en premier lieu sur un actuateur linéaire destiné à être embarqué sur un engin spatial, par exemple pour l'orientation de la 15 poussée de propulseurs par rapport à la structure du satellite. Il est envisagé un actuateur linéaire comprenant un moteur rotatif électrique et un mécanisme de vis à rouleaux assurant la conversion en mouvement de translation. L'actionneur linéaire comprend un mécanisme de vis à rouleaux et un guidage en rotation coaxiaux. Les figures représentent une 20 configuration particulière de l'actionneur linéaire, dite à « vis translatante », dans laquelle le moteur entraine le boitier extérieur du mécanisme de vis à rouleaux en rotation par rapport à un bâti, entrainant à son tour la vis sans fin en translation par rapport au bâti. Dans une configuration alternative, dite à « écrou translatant », le moteur entraine la vis sans fin du mécanisme de vis 25 à rouleaux en rotation par rapport au bâti, entrainant en translation le boitier extérieur du mécanisme de vis à rouleaux par rapport au bâti. L'invention n'est pas limitée à l'application particulière d'un actuateur linéaire, en configuration vis translatante, embarqué sur un satellite, mais couvre plus largement un mécanisme de vis à rouleaux d'axe Z, guidé en rotation par 30 rapport à un bâti autour du même axe Z. L'invention porte sur un dispositif de précharge pour un tel mécanisme de vis à rouleaux guidé en rotation. L'idée générale de la présente invention est d'assurer une précharge simultanée de la vis à rouleaux et du palier de guidage en rotation de la vis à rouleaux. Trois modes 35 de réalisation possibles de dispositif de précharge sont décrits dans la suite. La précharge simultanée de la vis à rouleaux et de son guidage en rotation simplifie de manière significative les systèmes connus de l'art antérieur. Les figures 2a et 2b représentent un premier exemple d'actuateur 5 linéaire selon l'invention comprenant un mécanisme de vis à rouleaux d'axe Z, guidé en rotation par rapport à un bâti autour du même axe Z. Le mécanisme de vis à rouleaux 24 comprend une vis sans fin 25 d'axe Z, liée au bâti 26 en rotation et libre en translation. Il est envisagé de réaliser cette liaison glissière 27, entre la vis sans fin 25 et le bâti 26, au moyen d'une 10 clavette ou d'un soufflet métallique. Le mécanisme de vis à rouleaux 24 comprend également des rouleaux 28 intercalés entre la vis sans fin 25 et deux bagues taraudées 29a et 29b. Le principe de fonctionnement de la vis à rouleaux ainsi constituée est analogue à celui de l'art antérieur déjà introduit. Typiquement, la surface extérieure des rouleaux satellites 28 est pourvue de 15 gorges espacées selon un pas égal au pas des filets de la vis sans fin 25 et des deux bagues taraudées 29a et 29b. Les rouleaux sont répartis angulairement autour de la vis sans fin. Une cage séparatrice (non représentée) est généralement mise en oeuvre pour maintenir l'écartement angulaire des rouleaux. La vis sans fin comprend aussi des moyens pour 20 ramener à chaque tour de la vis sans fin, les rouleaux dans une position centrale axialement symétrique par rapport aux deux bagues taraudées. Ces moyens, non représentés sur les figures, sont habituellement constituées par un évidement formé à l'intérieur des deux bagues taraudées, sur une longueur excédant la longueur d'un rouleau, et par des surfaces de came 25 formées sur les bagues taraudées à proximité de la région angulaire correspondant à cet évidement. Les deux bagues taraudées 29a et 29b sont liées entre elles en rotation et libre en translation, par l'intermédiaire des moyens de liaison 30, préférentiellement constitués d'une clavette ou d'un soufflet métallique. La 30 vis à rouleaux ainsi définie permet de convertir un mouvement de rotation généré par un moteur rotatif 31 et transmis aux bagues taraudées, en un mouvement de translation de la vis sans fin 25. Le guidage en rotation du mécanisme de vis à rouleaux par rapport au bâti, autour de l'axe Z, est réalisé au moyen de deux rangées de 35 roulements à billes à contact oblique montées en « X ». Un premier roulement à billes 33a comprend une bague extérieure 32a et une bague intérieure solidaire de la bague taraudée 29a. De même, un second roulement à billes 33b comprend une bague extérieure 32b solidaire du bâti et une bague intérieure solidaire de la bague taraudée 29b. Dans l'exemple représenté sur les figures, les bagues taraudées 29a et 29b du mécanisme de vis à rouleaux constituent les bagues intérieures des roulements à billes 33a et 33b. Pour cela, chacune des bagues taraudées, respectivement 29a et 29b, comprennent une gorge aménagée dans la surface extérieure de la bague taraudée, assurant le guidage des billes des roulements à billes, io respectivement 33a et 33b. Notons qu'il est bien sûr également envisagé l'alternative selon laquelle le taraudage de la vis à rouleaux n'est pas directement usiné dans les bagues des roulements, mais réalisé dans des pièces intermédiaires solidaires des bagues des roulements. Les bagues extérieures 32a et 32b des deux roulements à billes 15 33a et 33b sont montés dans un alésage du bâti. La bague extérieure 33a est en butée le long d'un premier flan avec une surface d'appui 34 du bâti, et le long d'un second flan avec la bague extérieure 33b. La bague extérieure 33b est en contact le long d'un premier flan avec la bague extérieure 33a et le long d'un second flan avec une bague élastique 35. Un ensemble de vis 20 de bridage 36 est monté sur le bâti de manière à comprimer la bague élastique 35. La butée mécanique 34 et la bague élastique 35, enserrant les deux bagues extérieures 32a et 32b, forment avec l'ensemble de vis de bridage 36 configuré pour imposer une contrainte sur la bague élastique, le 25 dispositif de précharge de l'actuateur linéaire. Ce dispositif de précharge est particulièrement avantageux car il permet de mettre en charge simultanément le mécanisme de vis à rouleaux et le guidage en rotation du mécanisme de vis-à rouleaux par rapport au bâti. La figure 2b illustre les deux chemins d'efforts exercés simultanément par le dispositif de précharge : 30 un premier chemin d'effort 41 entre le bâti et les bagues extérieures des roulements à bille ; et un second chemin d'effort 42 entre le bâti et la vis sans fin, passant par les billes, les contacts obliques des roulements, les bagues taraudées et les rouleaux. Le rattrapage de jeu est dans un premier temps effectué entre les bagues intérieures du roulement et les rouleaux puis dans 35 un dans un deuxième temps entre les bagues extérieures du roulement. La maitrise de la contrainte interne dans le roulement double et dans la vis à rouleaux est ainsi garantie par rattrapage de jeu. La contrainte résiduelle dû au serrage des vis de bridage passe alors soit par la bague élastique, soit par les bagues extérieures des roulements. L'actuateur linéaire simplifie la combinaison entre la vis à rouleaux et son guidage en rotation. Le nombre de composants est fortement réduit. Les chaines de côtes sont simplifiées. La performance de l'actuateur est améliorée, en particulier les performances de pointage. L'actuateur linéaire intègre un dispositif de précharge unique, capable de rattraper les jeux des 10 deux mécanismes. Le procédé de fabrication et de mise en précharge de l'actuateur est plus simple et moins coûteux. Les figures 3a et 3b représentent un second exemple d'actuateur linéaire selon l'invention comprenant un mécanisme de vis à rouleaux guidé 15 en rotation par rapport à un bâti. Ce second exemple d'actuateur linéaire comprend des composants identiques au premier exemple décrit par les figures 2a et 2b. Les composants communs portent les mêmes repères sur les figures 3a et 3b. Ce second exemple comprend aussi des composants différents que nous allons décrire. 20 Le mécanisme de vis à rouleaux 24 comprend une vis sans fin 25 et des rouleaux 28 intercalés entre la vis sans fin 25 et deux bagues taraudées 29a et 29b. Les deux bagues taraudées 29a et 29b sont liées entre elles en rotation et libre en rotation, par l'intermédiaire des moyens de liaison 70 constitués d'un soufflet métallique, de pions ou de clavettes. La vis 25 à rouleaux ainsi définie permet de convertir un mouvement de rotation transmis aux bagues taraudées en un mouvement de translation de la vis sans fin 25. Comme précédemment, le guidage en rotation du mécanisme de vis à rouleaux par rapport au bâti est réalisé au moyen de deux rangées de roulements à billes à contact oblique 33a et 33b montées en « X ». Les 30 bagues taraudées 29a et 29b du mécanisme de vis à rouleaux 24 constituent les bagues intérieures des roulements à billes. Contrairement au premier exemple d'actuateur linéaire, les deux roulements à billes ne sont pas montés en contact l'un de l'autre, dans un alésage du bâti. Dans ce second exemple, le bâti comprend deux demi-35 coquilles 50a et 50b reliées par un ensemble de vis de bridage 52. La bague extérieure 51a du roulement à billes 33a est solidaire de la première demi-coquille 50a du bâti. La bague extérieure 51b du roulement à billes 33b est solidaire de la seconde demi-coquille 50b du bâti. Comme représenté sur les figures 3a et 3b, la bague extérieure et la demi-coquille peuvent être constituées d'un unique composant monobloc, permettant de réduire le nombre de composants de l'actuateur et simplifier son procédé de fabrication. Les bagues extérieures 51a et 51b des deux roulements à billes ne sont pas en contact l'une de l'autre. Dans cet exemple d'un montage en « X » des roulements à billes, l'ensemble de vis de bridage 52 est configuré de manière à exercer un effort tendant à rapprocher les deux bagues extérieures 51a et 51b formant le dispositif de précharge de l'actuateur linéaire. Comme dans le premier exemple, cet unique dispositif de précharge permet avantageusement de mettre en charge simultanément le mécanisme de vis à rouleaux et le guidage en rotation du mécanisme de vis-à rouleaux par rapport au bâti. Dans ce second exemple, les deux bagues extérieures ne sont pas en contact l'une de l'autre, la précharge est élastique. Comme illustré par la figure 3b, le dispositif de précharge permet le rattrapage des jeux au moyen d'un unique chemin d'effort 60 entre les demi-coquilles du bâti et la vis sans fin, passant par les billes, les contacts obliques des roulements, les bagues taraudées et les rouleaux. Ce dispositif de précharge élastique permet avantageusement de limiter le risque de grippage par frottement des pièces en contact. Les figures 4a et 4b représentent un troisième exemple d'actuateur linéaire selon l'invention comprenant un mécanisme de vis à rouleaux guidé en rotation par rapport à un bâti. Ce troisième exemple d'actuateur linéaire est similaire au second exemple décrit par les figures 2a et 2b. Les composants communs portent les mêmes repères et ne sont pas détaillés. Dans ce troisième exemple, le guidage en rotation est assuré au moyen de deux rangées de roulements à billes à contacts oblique 33c et 33d montées en « O ». Les bagues taraudées 29a et 29b du mécanisme de vis à rouleaux 24 constituent les bagues intérieures des roulements à billes. Dans ce troisième exemple, le bâti comprend deux demi-coquilles 50c et 50d reliées par un ensemble de vis de bridage 62. La bague 35 extérieure 51c du roulement à billes 33c est solidaire de la première demi- coquille 50c du bâti. La bague extérieure 51d du roulement à billes 33d est solidaire de la seconde demi-coquille 50d du bâti. Les bagues extérieures 51c et 51d des deux roulements à billes ne sont pas en contact l'une de l'autre. L'ensemble de vis de bridage 62 est configuré de manière à exercer un effort tendant à éloigner les deux bagues extérieures 51c et 51d. Comme précédemment, cet unique dispositif de précharge permet avantageusement de mettre en charge simultanément le mécanisme de vis à rouleaux et le guidage en rotation du mécanisme de vis-à rouleaux par rapport au bâti. Les deux bagues extérieures ne sont pas en contact l'une de l'autre, la précharge est élastique. Comme illustré par la figure 4b, le dispositif de précharge permet le rattrapage des jeux au moyen d'un unique chemin d'effort 70 entre les demi-coquilles du bâti et la vis sans fin, passant par les billes, les contacts obliques des roulements, les bagues taraudées et les rouleaux. Ce dispositif de précharge élastique permet avantageusement de limiter le risque de grippage par frottement des pièces en contact.20 REVENDICATIONS1. Actuateur linéaire comprenant un mécanisme de vis à rouleaux (24) guidé en rotation par rapport à un bâti (26) au moyen d'un premier et d'un second roulements à billes à contact oblique (33a, 33b), le mécanisme de vis à rouleaux (24) comprenant des rouleaux (28) intercalés entre une vis sans fin (25) et une première et une seconde bagues taraudés (29a, 29b) liées entre elles en rotation et libre en translation, caractérisé en ce que la première et la seconde bagues taraudées (29a, 29b) 10 sont solidaires d'une bague intérieure respectivement du premier et du second roulements à billes à contact oblique (33a, 33b), et en ce que l'actuateur linéaire comprend un unique dispositif de précharge (36, 52) capable d'exercer une contrainte entre deux bagues extérieures (32a, 32b) respectivement du premier et du second roulements à billes à 15 contact oblique (33a, 33b), permettant de mettre en charge simultanément le mécanisme de vis à rouleaux (24) et le guidage en rotation du mécanisme de vis-à rouleaux (24) par rapport au bâti (26). 2. Actuateur linéaire selon la revendication 1, dans lequel les 20 bagues taraudées (29a, 29b) constituent les bagues intérieures des deux roulements à billes (33a, 33b). 3. Actuateur linéaire selon la revendication 2, dans lequel les bagues taraudées (29a, 29b) sont liées au moyen d'une clavette (30). 25 4. Actuateur linéaire selon la revendication 2, dans lequel les bagues taraudées (29a, 29b) sont liées au moyen d'un soufflet métallique (70). 30 5. Actuateur linéaire selon la revendication 1 à 4, comprenant un dispositif de précharge solide (36) capable d'exercer une contrainte entre les bagues extérieures (32a, 32b) mises en contact l'une de l'autre. 6. Actuateur linéaire selon la revendication 5, dont le dispositif de 35 précharge (36) comprend une surface d'appui (34) et une bague élastique(35) enserrant les deux bagues extérieures (32a, 32b) en contact l'une de l'autre, et comprenant un ensemble de vis de bridage (36) configuré pour imposer une contrainte sur la bague élastique (35). 7. Actuateur linéaire selon la revendication 1 à 4, comprenant un dispositif de précharge élastique (52) capable d'exercer une contrainte entre les deux bagues extérieures (51a, 51b) distantes l'une de l'autre. 8. Actuateur linéaire selon la revendication 7, dont le bâti comprend une première et une seconde demi-coquilles (50a, 50b) solidaires respectivement de la première et seconde bagues extérieures (51a, 51b), et dont le dispositif de précharge (52) est configuré pour imposer une contrainte tendant à rapprocher les deux bagues extérieures (51a, 51b) ; le guidage en rotation étant assuré par les deux roulements à billes (33a, 33b) montés en « X ». 9. Actuateur linéaire selon la revendication 7, dont le bâti comprend une première et une seconde demi-coquilles (50c, 50d) solidaires respectivement de la première et seconde bagues extérieures (51c, 51d), et dont le dispositif de précharge (62) est configuré pour imposer une contrainte tendant à éloigner les deux bagues extérieures (51c, 51d) ; le guidage en rotation étant assuré par les deux roulements à billes (33c, 33d) montés en «o ». 10. Actuateur linéaire selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la vis sans fin (25) et le bâti (26) sont liés en rotation et libre en translation. 11. Actuateur linéaire selon la revendication 10, dans lequel la vis 30 sans fin (25) et le bâti (26) sont liés au moyen d'une clavette ou d'un soufflet métallique (27). 12. Actuateur linéaire selon l'une des revendications précédentes, comprenant un moteur rotatif (31) capable d'entrainer en rotation les baguestaraudées (29a, 29b) du mécanisme de vis-à-rouleaux (24) par rapport au bâti (26).5