Brevet FR3025313A1 — publié le 20160304

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des bancs d'essais pour la simulation de conditions fonctionnelles réelles d'éléments de contrôle d'un moteur de fusée. ETAT DE L'ART Dans le cadre de la conception d'un actionneur électrique pour une vanne localisée dans un conduit hydraulique de moteur fusée, et de son électronique d'asservissement, il est nécessaire de réaliser des simulations reproduisant les conditions réelles de fonctionnement des différents organes de ce système d'actionnement afin de valider son comportement en fonctionnement. Afin de limiter les coûts des essais, on cherche à réaliser des tests sur l'actionneur de vanne pris isolément, sans l'intégrer dans un système complet car une telle intégration dans un système complet est très lourde à mettre en oeuvre et ne permettrait pas couvrir toute l'étendue du domaine de qualification. Les simulations doivent donc reproduire les différentes charges appliquées sur l'arbre de transmission de puissance en rotation de l'actionneur de vanne, notamment, la résultante des efforts appliqués sur leur dispositif d'accouplement avec les éléments mobiles de la vanne, notamment l'obturateur. Cette résultante comporte principalement 2 composantes : - les charges hydrodynamiques, supposées dépendantes de la position de l'obturateur et des conditions thermodynamiques dans la veine fluide dépendantes du fonctionnement du moteur fusée, et - les charges de frottement sec générées sur l'obturateur ou la ligne d'arbre de la partie écoulement - Les charges de frottement visqueux (dependant de la vitesse d'actionnement) liées à la partie écoulement 3025313 2 Les charges hydrodynamiques sont typiquement reproduites à l'aide d'un moteur qui applique un effort simulant ces charges. En revanche, les frottements sec et visqueux que produirait la charge à laquelle serait réellement accouplé un actionneur de vanne est 5 particulièrement complexe à reproduire. En effet, ces frottements agissent comme un couple purement résistif, et ont donc un comportement non linéaire discontinu dépendant du signe de la vitesse qui est très difficile à reproduire. 10 La présente invention vise ainsi à proposer un système permettant de reproduire un tel frottement sec, de manière fiable et simple à mettre en oeuvre en remplaçant le corps de vanne et ses différents éléments contribuant aux éléments résistifs réels. 15 PRESENTATION DE L'INVENTION A cet effet, la présente invention propose un système pour la reproduction d'un couple de frottement sec s'appliquant sur un actionneur, par exemple sur un actionneur d'une vanne de conduit 20 hydraulique d'un moteur d'engin spatial, comprenant : - un disque accouplé à un arbre de transmission de puissance, - un frein à disque comprenant un étrier monté sur un bâti et des plaquettes adaptées pour être mises au contact du disque, - un actionneur électrique configuré pour contrôler l'effort d'application 25 des plaquettes sur le disque de manière à appliquer un couple résistant contrôlé sur l'arbre de transmission de puissance. L'actionneur électrique est par exemple un actionneur piézo-électrique. L'actionneur électrique est typiquement configuré de manière à générer 30 un déplacement et/ou un effort proportionnel à une tension ou à un courant de commande qui lui est appliqué. 3025313 3 Selon un mode de réalisation particulier, le disque est mobile en rotation autour d'un axe, le système comprenant des moyens de mesure d'efforts tangentiels à la rotation du disque que l'étrier transmet au bâti. L'étrier est alors typiquement monté fixe sur le bâti, et lesdits moyens 5 de mesure d'efforts tangentiels comprennent des jauges de mesure de contraintes mesurant les contraintes appliquées à la fixation de l'étrier sur le bâti. En variante, l'étrier est monté sur le bâti, de manière à être mobile autour d'un axe de rotation, par exemple afin d'obtenir un degré de 10 liberté suffisant pour que les moyens de mesure d'efforts soient sollicités, et lesdits moyens de mesure d'efforts tangentiels comprennent des moyens de mesure du déplacement angulaire de l'étrier autour de l'axe de rotation. 15 L'invention concerne également un procédé pour la reproduction d'un couple de frottement sec s'appliquant sur l'arbre de transmission de puissance d'un actionneur, dans lequel, au moyen d'un frein à disque, on applique un effort radial sur des plaquettes frottant sur un disque, générant alors un couple résistant sur l'arbre de transmission de 20 puissance de l'actionneur, le frein à disque étant piloté au moyen d'un actionneur électrique. Le disque est typiquement mobile en rotation autour d'un axe, et on mesure alors les efforts tangentiels à la rotation du disque qu'un étrier 25 du frein à disque transmet au bâti. Selon un mode de réalisation particulier, on réalise un pilotage en boucle fermée de l'effort de freinage par action sur l'actionneur électrique à partir de la mesure de l'effort appliqué sur l'étrier du frein à disque. 30 Cette mesure sur l'étrier permet d'avoir une lecture directe de l'effort de freinage qui n'est pas parasitée par les phénomènes dynamiques liés au dispositif de frein et de reproduction de la charge comme sur une mesure classique par un couplemètre sur l'arbre. 3025313 4 En variante, on réalise un pilotage en boucle ouverte de l'effort de freinage par action sur l'actionneur électrique à partir d'une information filtrée ou estimée de l'effort appliqué sur un étrier du frein à disque. 5 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des figures annexées, sur lesquelles : 10 - La figure 1 présente un exemple de système selon un aspect de l'invention, - La figure 2 présente un autre mode de réalisation de système selon un aspect de l'invention. 15 Sur l'ensemble des figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE 20 La figure 1 présente un exemple de système selon un aspect de l'invention, la figure 2 présente une variante de ce système. Le système présenté comprend un actionneur 2, comprenant un arbre de transmission de puissance 21 en rotation accouplé à un disque 3. 25 L'actionneur 2 est typiquement piloté au moyen d'un contrôleur 22 représenté schématiquement sur les figures. Le disque 3 peut être un disque plein ou être évidé en son centre. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, le disque 3 est évidé en son centre, et a une forme générale de volant. 30 Un frein à disque 4, comprenant un étrier 41 et des plaquettes 42, est monté sur un bâti 43 via son étrier 41, de manière à pouvoir sélectivement appliquer les plaquettes 42 contre le disque 3 avec un effort mécanique radial donné, de sorte que les plaquettes 42 frottent 3025313 5 contre le disque 3 et exercent ainsi un couple résistant, s'opposant au déplacement angulaire du disque 3 et donc au déplacement angulaire de l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2. 5 Le couple de frottement développé par le système en fonction de l'effort mécanique appliqué sur les plaquettes 42 est bien connu, et peut être calculé au moyen de la relation suivante : Cf= f x Kgeo x Fpiaquettes Dans laquelle : Cf est le couple de frottement appliqué par le frein à disque 4 et le 10 disque 3 sur l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2; f est le coefficient de frottement entre les plaquettes 42 et le disque 3 ; Kgeo est une constante déterminée en fonction de la géométrie du disque 3 et des plaquettes 42. Fplaquettes est l'effort mécanique radial appliqué par les plaquettes 42 sur 1 5 le disque 3. On peut ainsi déterminer l'effort mécanique radial à appliquer sur les plaquettes 42 pour appliquer un couple de frottement donné sur le disque 3. 20 Le système comprend également un actionneur 5, configuré de manière à piloter le frein à disque 4, et donc à contrôler l'effort d'application des plaquettes 42 sur le disque 3 dans le but de maîtriser le couple résistant sur l'arbre de transmission de puissance 21 sur l'actionneur 2, 25 L'actionneur 5 est typiquement un actionneur de type électrique, par exemple un actionneur piézo-électrique, avantageusement configuré pour générer un déplacement et/ou un effort des plaquettes 42 vers le disque 3 proportionnel à une tension de commande appliquée à l'actionneur 5. 30 L'actionneur 5 est par exemple un actionneur piézo-électrique amplifié mécaniquement de type pantographe. 3025313 6 L'actionneur 5 peut par exemple être un actionneur tel que commercialisé sous la référence APATM 500XL par la société CEDRAT TECHNOLOGIES. 5 L'actionneur 5 comprend typiquement une boucle d'asservissement de la commande qu'il délivre. La commande peut être en boucle fermée, ou en boucle ouverte pour laquelle on définit alors une loi linéaire s'appliquant pour un domaine de fonctionnement limité. 10 Les valeurs d'entrée de l'actionneur 5 sont alors typiquement : - Le couple résistant exercé sur l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2, pour lequel on présentera ci-après des structures permettant sa détermination ; - La valeur du couple résistant de frottement sec que l'on cherche à 15 reproduire. La vitesse angulaire de déplacement du disque 3 et donc de l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2 peut également être prise en compte, par exemple de manière discontinue, de manière à neutraliser la commande lorsque la vitesse angulaire est égale ou proche 20 de zéro. Ces valeurs d'entrées sont traitées par l'actionneur 5, typiquement au moyen d'un calculateur couplé ou intégré à l'actionneur 5, de manière à délivrer une commande de sortie adaptée pour exercer l'effort radial des 25 plaquettes 42 sur le disque 3. Le calculateur réalise également une fonction d'asservissement, en assurant le maintien de l'effort souhaité malgré de possibles évolutions du système, par exemple les caractéristiques de frottement entre le disque 3 et les plaquettes 42 qui sont susceptibles d'évoluer avec le 30 temps, notamment en cas d'élévation de la température. La vitesse de déplacement du disque 3 est utilisée dans une fonction de commande de l'actionneur électrique de type créneau, qui permet le 3025313 7 maintien d'un effort mécanique radial des plaquettes 42 sur le disque 3 lorsque la vitesse de déplacement est nulle ou sensiblement nulle, et inhibe l'effet de la vitesse sur la commande dès lors qu'une valeur seuil de vitesse est atteinte. 5 Afin de mesurer le couple résistant appliqué par le système, le système selon l'invention comprend typiquement des moyens de mesure des efforts tangentiels à la rotation de l'arbre de transmission 21 de l'actionneur 2 et du disque 3, que l'étrier 41 transmet au bâti 43. 10 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, l'étrier 41 est monté fixe sur le bâti 43, et les moyens de mesure 6 des efforts tangentiels comprennent des jauges de mesure de contraintes mesurant les contraintes appliquées à la fixation de l'étrier 41 sur le bâti 43. 15 Cette mesure des contraintes appliquées à la fixation de l'étrier 41 sur le bâti 43 permet de déduire directement par le principe d'action et de réaction le couple résistant appliqué sur l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2, indépendamment du coefficient de frottement entre les plaquettes 42 et le disque 3 et des conditions de 20 fonctionnement. Cette mesure des contraintes permet également de s'affranchir des effets d'inertie du disque 3 qui perturbent une mesure directe par couple mètre sur un axe de rotation comme réalisée habituellement. L'utilisation de jauges de contraintes avec une bande passante élevée, 25 typiquement supérieure à 10kHz, couplée à une bande passante élevée de l'actionneur 5, typiquement supérieure à 100kHz lorsqu'il s'agit d'un actionneur piézo-électrique, permet d'envisager un contrôle simple et efficace du système en boucle fermée. En l'absence de signal par les moyens de mesure 6 des efforts 30 tangentiels, par exemple lorsque le système est immobile, le maintien de l'effort de freinage exercé par le frein à disque 4 peut être réalisé selon la dernière consigne de freinage appliquée alors que le système n'était pas immobile, ou selon une valeur prédéterminée. 3025313 8 Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, l'étrier 41 est monté sur le bâti 43 par l'intermédiaire d'un support 45 de manière à être mobile autour d'un axe de rotation 44, typiquement confondu avec 5 l'axe de rotation du disque 3, ou par exemple parallèle à l'axe de rotation de l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2 et du disque 3. Les moyens de mesure 6 des efforts tangentiels comprennent deux ressorts 62 et 63, identiques et montés en opposition, de manière à 10 chacun s'opposer à la rotation de l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2 et du disque 3 autour de son axe de rotation 44 selon un sens distinct. Des capteurs 64 mesurent alors le déplacement angulaire de l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2 et du disque 3 autour de son axe de rotation 44, ce qui permet ainsi, en 1 5 couplant le déplacement angulaire mesuré avec la valeur de raideur des ressorts 62 et 63, de déterminer le couple résistant sur l'arbre de transmission de puissance 21 de l'actionneur 2. Le système proposé permet ainsi de reproduire de manière simple et 20 fiable le couple de frottement sec s'appliquant sur un actionneur de vanne, par exemple l'actionneur d'une vanne hydraulique pouvant notamment être intégrée dans un moteur d'engin spatial, en particulier lors de manoeuvres ou de régulation de faibles amplitudes autour d'une position donnée, sans nécessiter d'intégrer la vanne dans un système 25 complet. Le système proposé peut notamment être utilisé pour la modélisation de frottements secs sur des vérins linéaires, ou plus généralement pour tous types d'actionneurs dont les marges en couple moteur et couple résistant sont relativement faibles, et présentant ainsi un risque sur la 30 stabilité de position en cas de frottement sec. REVENDICATIONS1. Système pour la reproduction d'un couple de frottement sec s'appliquant sur un actionneur, comprenant : - un disque (3) accouplé à un arbre de transmission de puissance (21) - un frein à disque (4) comprenant un étrier (41) monté sur un bâti (43) et des plaquettes (42) adaptées pour être mises au contact du disque (3) de manière à y appliquer un effort orthogonal, - un actionneur électrique (5) configuré pour contrôler l'effort 10 d'application des plaquettes (42) sur le disque (3) de manière à appliquer un couple résistant contrôlé sur l'arbre de transmission de puissance (21). 2. Système selon la revendication 1, dans lequel ledit actionneur 1 5 électrique (5) est un actionneur piézo-électrique. 3. Système selon la revendication 2, dans lequel ledit actionneur électrique (5) est configuré de manière à générer un déplacement et/ou un effort proportionnel à une tension ou à un courant de commande qui 20 lui est appliquée. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le disque (3) est mobile en rotation autour d'un axe, le système comprenant des moyens de mesure (6) d'efforts tangentiels à la rotation du disque (3) 25 que l'étrier (41) transmet au bâti (43). 5. Système selon la revendication 4, dans lequel l'étrier (41) est monté fixe sur le bâti (43), et lesdits moyens de mesure (6) d'efforts tangentiels comprennent des jauges de mesure de contraintes mesurant 30 les contraintes appliquées à la fixation de l'étrier (41) sur le bâti (43). 6. Système selon la revendication 4, dans lequel l'étrier (41) est monté sur le bâti (43), de manière à être mobile autour d'un axe de rotation 3025313 (44), et lesdits moyens de mesure d'efforts (6) tangentiels comprennent des moyens de mesure du déplacement angulaire de l'étrier autour de. l'axe de rotation (44). 5 7. Procédé pour la reproduction d'un couple de frottement sec s'appliquant sur un arbre de transmission de puissance (21) d'un actionneur , dans lequel, au moyen d'un frein à disque (4), on applique un effort orthogonal sur des plaquettes (42) frottant sur un disque (3), générant alors un couple résistant sur l'arbre de transmission de 10 puissance (21), l'application des plaquettes (42) sur le frein à disque (4) étant piloté au moyen d'un actionneur électrique (5). 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le disque (3) est mobile en rotation autour d'un axe, et dans lequel on mesure les efforts tangentiels à la rotation du disque (3) qu'un étrier (41) portant les plaquettes (42) du frein à disque (4) transmet au bâti (43). 9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel on réalise un pilotage en boucle fermée de l'effort de freinage par action sur l'actionneur électrique (5) à partir de la mesure de l'effort appliqué sur le disque (3) via les plaquettes (42) réalisée sur un étrier (41) du frein à disque (4). 10. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel on réalise un pilotage en boucle ouverte de l'effort de freinage par action sur l'actionneur électrique (5) à partir d'une information filtrée ou estimée de l'effort appliqué sur un étrier (41) du frein à disque (4).