Brevet FR3080893A1 — publié le 20191108

PROCÉDÉ ET SYSTÈME DE MAINTIEN A RESSORT D'UN ARBRE EN POSITIONNEMENT BISTABLE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE [0001] L'invention se rapporte à un procédé et un système de maintien à ressort d'un arbre rotatif d'un mécanisme d'équipement en positionnement bistable, correspondant à deux positions déterminées définissant deux états du mécanisme, en particulier des états d'ouverture / fermeture ou de verrouillage / déverrouillage. [0002]L'invention concerne notamment mais pas exclusivement le domaine de l'aéronautique, et plus particulièrement les portes d'aéronefs qui sont équipées de nombreux mécanismes de rotation d'arbres entre deux positions d'état: mécanisme de loquet (« latch » en terminologie anglaise) d'ouverture / fermeture de porte, mécanisme de verrouillage / déverrouillage (« lock » en terminologie anglaise) du loquet, mécanisme de commande d'armement / désarmement du toboggan de la porte, mécanisme de sécurisation / libération du bras de charnière d'une porte de secours « sur l'aile » (« overwing » en terminologie anglaise), etc. Ces mécanismes permettent l'utilisation des portes d'avion dans les conditions normales et en cas d'urgence, tout en garantissant les requis de sécurité imposés par les normes de certification. [0003]Mais l'invention peut s'appliquer de manière générale dans tout domaine (bâtiment, automobile, ferroviaire, maritime, etc.) où un équipement présente un arbre ayant deux positionnements d'état. [0004]Ces mécanismes comportent un moyen de poussée guidé - une bielle à ressort ou à vérin - muni en ses extrémités de rotules d'articulation fixe et mobile, respectivement avec une pièce dite d'interface, liée à la structure ou constituant une partie fixe de la porte, et avec un levier - appelé « guignol » - solidarisé en rotation à l'arbre. 2 [0005]La figure 1 illustre schématiquement par une vue latérale les positions stables P1 et P2 d'un mécanisme à bielle 1 b monté sur une pièce d'interface 11 solidarisée à une structure de porte Si. Pour faire passer un arbre 4 d'une position stable à l'autre, le mécanisme 1 b passe par une position 5 intermédiaire instable PO (symbolisée par une ligne en traits pointillés). Dans cette position PO, l'axe longitudinal Y'Y du mécanisme lb, qui joint le centre des rotules R1 en position relative fixe et R2 en articulation mobile (respectivement de liaison de la bielle « B» à la pièce d'interface 11 et au guignol G1), passe par l'axe X'X de rotation de l'arbre 4. 10 [0006]En cette position PO, la bielle «B » présente une compression maximale. Pour atteindre l'une ou l'autre des positions stables P1 ou P2, le guignol G1 et l'arbre 4 tournent respectivement autour de l'axe X'X de l'arbre 4 selon la flèche Fi ou F2. Le guignol G1 fournit ainsi un bras de levier à l'effort de la bielle « B » qui exerce alors un moment sur l'axe de rotation X'X de l'arbre 4. Et 15 les rotules R1 et R2 permettent de garantir l'alignement du moyen de poussée « B » avec la pièce d'interface 11 d'une part et le guignol G1 d'autre part. [0007]Les deux positions stables Pi, P2 et la position intermédiaire instable PO du mécanisme à bielle à ressort 1 b monté sur la pièce 11 solidarisée à la structure de porte Si sont également représentées sur les vues des schémas 20 2a à 2c de la figure 2. En position P1 (schéma 2a) et P2 (schéma 2c), l'axe Y'Y du mécanisme à bielle 1 b joignant les rotules R1 et R2 ne passe pas sur l'axe X'X de rotation de l'arbre 4 de sorte à pouvoir exercer un moment de poussée sur l'arbre 4 via le guignol Ci. En position intermédiaire d'équilibre instable PO (schéma 2b), l'axe Y'Y passe par l'axe de rotation X'X de l'arbre 4 et, le bras de levier ayant un 25 déport nul, le moment de rotation est également nul. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0008] L'utilisation de tels mécanismes de poussée à vérin ou à ressort, permettant de stabiliser l'arbre selon deux positions angulaires définies 30 correspondant à deux états d'un équipement, est reprise dans de nombreux documents de brevet, par exemple US 4 639 021, US 5 577 781 ou US 2018001997. 3 [0009]Cependant, l'utilisation de tels moyens de poussée présente de nombreux inconvénients: un guidage interne est nécessaire dans le mécanisme de poussée afin d'éviter tout flambage latéral dû aux compressions axiales, le mécanisme de poussée risque de s'encrasser ce qui augment les efforts de 5 passage d'un état à l'autre de l'équipement, nécessité d'au moins une rotule pour garantir l'alignement et le guidage du mécanisme de poussée, masse élevée et complexité du mécanisme, ou encore usure des vérins (fuites, vieillissement, etc.) avec une perte fiabilité du mécanisme. EXPOSÉ DE L'INVENTION 10 [0010]L'invention vise à supprimer les inconvénients de l'état de la technique en faisant intervenir un mécanisme de poussée non guidé. Pour ce faire, l'invention prévoit une source de poussée bistable sous forme d'un ressort conique déformable entre deux positions stables permettant à un arbre lié à cette source de pivoter, de manière non guidée, entre deux positions angulaires 15 prédéfinies correspondant à deux états de l'équipement utilisant cet arbre. [0011] Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé de maintien à ressort d'un arbre rotatif en positionnement bistable selon l'une et l'autre de deux positions prédéterminées. Dans ce procédé, un mécanisme de poussée déformable bistable est relié transversalement en des extrémités à une 20 pièce d'interface et à un levier monté sur l'arbre rotatif autour d'un axe. Le procédé consiste à: - installer un ressort conique axialement précontraint, présentant en des extrémités un sommet et une base plane centrée, un axe central joignant le sommet au centre de la base, par couplage du sommet et de la base 25 respectivement à un levier monté sur l'arbre et à une pièce d'interface pour constituer un mécanisme de poussée à ressort conique; - positionner le levier selon une première position stable, dans laquelle le ressort conique précontraint génère une poussée contre la pièce d'interface et le levier qui contrebalance la flexion du ressort, l'axe central du ressort étant 30 incliné tangentiellement au sommet d'un angle donné par rapport à un plan de référence passant par le centre de la base et l'axe de rotation de l'arbre; 4 - appliquer un couple sur l'arbre d'intensité supérieure à la poussée contraire exercée par le ressort conique pour atteindre une position intermédiaire en compression maximale du ressort, dans laquelle l'axe central du ressort conique se trouve dans le plan de référence; et 5 - laisser la rotation de l'arbre se poursuivre par entraînement sous l'impulsion de la poussée exercée par le ressort conique à partir de la position intermédiaire, jusqu'à atteindre une seconde position stable dans laquelle le ressort conique travaille en flexion qui génère une même poussée entre les extrémités que celle exercée en première position stable. 10 [0012]De préférence, dans la seconde position stable, l'axe central du ressort est incliné tangentiellement sur le plan de référence d'un angle de valeur opposée à celle correspondant à la première position stable, la poussée exercée en la seconde position stable étant alors symétrique de la poussée exercée en la première position stable, et la position intermédiaire correspondant à un passage 15 de courbure symétrique du ressort. [0013]Ainsi, l'invention utilise un ressort se déformant en flexion-compression comme moyen de stockage et de restitution d'énergie: l'énergie de déformation est restituée sous forme de poussée agissant sur le levier pour atteindre la seconde position stable. 20 [0014] L'invention concerne également un système de maintien à ressort d'un arbre rotatif de mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Un tel système comporte un mécanisme de poussée bistable selon deux positions angulaires de l'arbre rotatif autour d'un axe donné, ainsi qu'un levier monté sur l'arbre rotatif et une pièce d'interface fixe couplés de part et d'autre du mécanisme bistable. Dans 25 ce système, le mécanisme bistable comporte un ressort conique présentant en extrémité un sommet couplé au levier et une base plane formée d'une portion de ressort s'étendant autour d'un centre dans un plan perpendiculaire à un plan de référence passant par l'axe de l'arbre rotatif et le centre de la base du ressort. De plus, le ressort conique présente un axe central incliné dans chacune desdites 30 positions stables par rapport au plan de référence, chaque position stable correspondant à un état de flexion précontraint du ressort. 5 [0015]Avantageusement, l'invention utilise un nombre minimal de pièces, ce qui rend le système moins lourd et plus fiable. L'invention n'utilise pas de pièce qui coulisse les unes sur les autres: le risque d'usure, d'encrassement ou de coincement est donc sensiblement diminué. De plus l'invention peut accepter un 5 faible désaxage ou défaut de parallélisme entre les extrémités du ressort conique en position intermédiaire, ce qui permet de s'affranchir des rotules et donc d'obtenir un gain sensible en masse. [0016]En outre, la forme conique du ressort permet de prévenir son flambage, ce qui permet la suppression d'une poussée guidée : le ressort est 10 auto-stable. [0017]Ainsi, le système de maintien selon l'invention ne contient aucun fluide ou gaz qui risque de vieillir prématurément et donc de générer des problèmes de maintenance pendant la durée de vie de l'équipement, en particulier d'une porte d'aéronef. Avantageusement, le système selon l'invention peut être 15 défini et fabriqué de manière standard, sans créer de plan de spécification. [0018]De préférence, les positions stables du ressort conique sont symétriques par rapport au plan de référence, l'axe central étant incliné symétriquement dans ces positions par rapport au plan de référence. [0019]Selon des modes de réalisation avantageux : 20 - le sommet du ressort conique est une zone de sommet solidarisée au milieu d'un axe de rotation monté, parallèlement à l'axe de l'arbre rotatif, sur des extensions venant du levier, et la base est insérée dans un support à paroi cylindrique d'axe confondu avec l'axe central du ressort en position intermédiaire entre les postions stables dans laquelle le ressort présente une symétrie axiale; 25 - le ressort conique est constitué d'une tige métallique qui s'étend selon une spirale tridimensionnelle de pas variable qui augmente entre le sommet et la base. PRÉSENTATION DES FIGURES 30 [0020]D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : 6 - les figures 1 et 2, des vues de différentes positions d'un mécanisme guidé à bielle selon l'état de la technique, articulé sur une interface de porte d'avion et un arbre rotatif via des rotules (déjà commentées); - la figure 3, une vue en perspective d'un exemple de système de 5 maintien selon l'invention comportant un ressort conique comme mécanisme de poussée entre un levier monté sur l'arbre rotatif et une paroi solidaire d'une pièce d'interface d'une porte d'avion; - la figure 4, une vue de face de la spirale tridimensionnelle formant le ressort conique selon la figure précédente, mettant en évidence le pas évolutif de 10 la spirale, et - la figure 5, des vues de face du système de maintien de la figure 3 selon deux positions angulaires correspondant aux positions stables de l'arbre rotatif (vues 5a et 5c), ainsi que selon la position intermédiaire d'équilibre instable (vue 5b) de passage d'une position stable à l'autre 15 DESCRIPTION DÉTAILLÉE [0021]Dans le présent texte, le qualificatif « transverse » se rapporte à une direction dans un plan perpendiculaire à l'axe du ressort conique au repos, sans contrainte exercée en ses extrémités. [0022]En référence à la vue en perspective de la figure 3, un exemple de 20 système de maintien 100 selon l'invention comporte un mécanisme à ressort conique 10, une pièce d'interface 2, solidarisée dans l'exemple à la structure de porte d'avion (non représentée), et un levier 3 monté sur l'arbre rotatif 4 (vu en transparence) pouvant pivoter autour de son axe X'X entre deux positions d'état d'un équipement, un mécanisme de verrouillage / déverrouillage dans l'exemple. 25 [0023]Le mécanisme à ressort 10 se compose d'un ressort conique 1 de section circulaire, d'un embout transverse 5 d'axe A'A monté sur le levier 3, et d'un support 13 à paroi cylindrique 13c et à fond plat 13f solidarisé à la pièce d'interface 2. Le ressort conique 1 est constitué d'une tige métallique préformée s'étendant en spirale tridimensionnelle le long d'un axe central Z'Z en position de 30 repos ou d'équilibre. Ce ressort conique 1 est fixé par solidarisation d'une zone d'extrémité de sommet 11 dans un alésage formé à travers et au milieu de 7 l'embout transverse 5, cet embout transverse 5 étant monté en rotation parallèlement à l'arbre rotatif 4 d'axe X'X. L'embout transverse 5 est agencé entre deux extensions 31 du levier 3 s'étendant perpendiculairement à l'arbre rotatif 4. L'embout transverse 5 se présente alors parallèle et à distance de l'arbre 4 et de 5 son axe X'X. [0024]La zone d'extrémité de sommet 11, qui s'étend parallèlement à l'axe Z'Z du ressort conique 1, traverse l'axe A'A en son milieu. Et la dernière spire 1 z du ressort conique 1 forme un anneau torique circulaire recourbé sur lui-même et constitue une base plane fixée sur le fond 13f et sur la paroi cylindrique 13c du 10 support 13 par tout moyen connu (pontets, colle, soudure, clips, etc.). [0025] La vue de face du ressort conique 1 illustrée en figure 4 montre l'axe central Z'Z autour duquel les spires telles que 1 t, 1v s'enroulent pour former une spirale tridimensionnelle 1S. La zone d'extrémité de sommet 11 s'étend le long de cet axe Z'Z qui traverse le fond plat 13f du support 13 sensiblement au 15 centre lc (ci-après centre de base) de la dernière spire circulaire lz. [0026] Le pas « p »entre deux spires consécutives, par exemple entre les spires lt et 1v, est évolutif en augmentant depuis une valeur pl du côté de la zone d'extrémité 11 jusqu'à une valeur p6 au niveau de la spire précédant la dernière spire 1 z. Cette augmentation permet de réaliser une répartition uniforme de la 20 déformée de ressort conique 1 en compression sous charge (cf. figure 5), le long de l'axe central Z'Z et participe ainsi à l'auto-stabilité du ressort. [0027]En référence aux vues de face de la figure 5, l'exemple de système de maintien 100 de la figure 3 apparaît selon une première P1 (vue 5a) et une seconde P2 (vue Sc) positions stables, correspondant à des positions d'état de 25 l'arbre 4 et de stabilité du levier 3, ainsi que selon la position intermédiaire d'équilibre instable PO (vue 5b) de passage d'une position stable à l'autre. Le ressort conique 1 est précontraint axialement afin de contrebalancer les flexions des positions P1 et P2. [0028]Sur la vue 5a, le levier 3 est pivoté sur l'axe X'X de l'arbre 4 et 30 maintenu en équilibre par le ressort conique 1 en flexion. L'axe central Z'Z du ressort conique 1 est courbé selon un angle au sommet +A formé entre la tangente au sommet Ts et un plan de référence Ps passant par le centre de base 8 1c et l'axe X'X de l'arbre 4. La précontrainte axiale génère alors une poussée entre la zone d'extrémité de sommet 11 et la dernière spire 1z, respectivement sur l'embout transverse 5 et sur le support 13. Cette précontrainte contrebalance ainsi la flexion maximale du ressort conique 1 en position P1 qui tend à ramener le 5 mécanisme à ressort 10 en position intermédiaire PO. [0029] L'opérateur met alors en rotation l'arbre 4 à l'aide d'une poignée (non représentée) qui applique un couple d'intensité supérieure à la poussée induite par le ressort conique 1 axialement précontraint. Le système 100 atteint ainsi la position intermédiaire instable PO illustrée par la vue 5b. Le ressort 10 conique 1 est alors en compression maximale, et l'axe X'X de l'arbre rotatif 4, l'embout transverse 5 du levier 3 et l'axe central Z'Z du ressort conique 1 sont alignés dans le plan de référence Ps. Le plan de référence Ps constitue alors un axe de symétrie pour le système 100. [0030] Le système 100 ne reste pas dans la position intermédiaire instable 15 PO de compression du ressort 1 mais se détend par la pulsion dynamique induite par la rotation de l'arbre 4. Le système 100 pivote alors jusqu'à atteindre la position stable P2 de la vue 5c. En position P2, le ressort conique 1 adopte une flexion symétrique selon un même état précontraint que dans la première position stable P1 (vue 4a), générant globalement des poussées de part et d'autre de l'axe 20 central Z'Z sur l'embout transverse 5 et sur le support 13. L'axe central Z'Z du ressort conique 1 est alors incliné d'un angle au sommet -A entre la tangente au sommet Ts et le plan de référence Ps, selon une même amplitude que dans la position initiale P1 (vue 5a) mais de signe opposé. [0031] Le système 100 permet ainsi de passer de la position stable P1 à 25 la position stable P2 ou, inversement, de la position stable P2 à la position stable Pl, par des mises en rotation de signe opposé appliquées par l'opérateur avec une intensité supérieure aux moments induits par le ressort conique 1 en ces positions. [0032] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et 30 représentés. Par exemple, le sommet ou la zone d'extrémité du ressort peut être solidarisé à l'embout transverse par tout moyen connu (soudure, colle, fusion, etc.), et la base plane du ressort peut être fixée directement sur la pièce 9 d'interface par des moyens connus (pontets, clips, soudure, colle, fusion, etc.). L'embout transverse peut être fixé au levier ou peut être monté en rotation dans les extensions du levier, de sorte à permettre au ressort de s'auto-adapter à la flexion. 5 [0033]Par ailleurs, la spirale tridimensionnelle du ressort conique présente en position intermédiaire PO une enveloppe conique de section choisie entre circulaire, polygonale et oblongue. [0034]En outre, l'enveloppe conique du ressort peut présenter un renflement dans une portion intermédiaire afin d'optimiser la forme conique en 10 fonction de la répartition souhaitée des poussées aux extrémités du ressort. [0035]De plus l'augmentation du pas des spires peut être de raison constante, géométrique ou variable afin de maîtriser l'effet REVENDICATIONS1. Procédé de maintien à ressort d'un arbre rotatif (4) en positionnement bistable selon l'une et l'autre de deux positions prédéterminées, dans lequel un mécanisme de poussée déformable bistable est relié transversalement en des extrémités à une pièce d'interface (2) et à un levier (3) monté sur l'arbre rotatif (4) autour d'un axe (X'X), le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à: - installer un ressort conique axialement précontraint (1), présentant en des extrémités un sommet (11) et une base plane (1z) centrée (1c), un axe central (Z'Z) joignant le sommet (11) au centre (1c) de la base (1z), par couplage du sommet (11) et de la base (1z) respectivement à un levier (3) monté sur l'arbre (4) et à une pièce d'interface (2) pour constituer un mécanisme de poussée à ressort conique (10); - positionner le levier (3) selon une première position stable (P1), dans laquelle le ressort conique (1) précontraint génère une poussée contre la pièce d'interface (2) et le levier (3) qui contrebalance la flexion du ressort (1), l'axe central (Z'Z) du ressort (1) étant incliné tangentiellement au sommet (11) d'un angle (+A) donné par rapport à un plan de référence (Ps) passant par le centre (1c) de la base (1z) et l'axe de rotation (X'X) de l'arbre (4); - appliquer un couple sur l'arbre (4) d'intensité supérieure à la poussée contraire exercée par le ressort conique (1) pour atteindre une position intermédiaire (PO) en compression maximale du ressort (1), dans laquelle l'axe central (Z'Z) du ressort conique (1) se trouve dans le plan de référence (Ps); et - laisser la rotation de l'arbre (4) se poursuivre par entraînement sous l'impulsion de la poussée exercée par le ressort conique (1) à partir de la position intermédiaire (PO), jusqu'à atteindre une seconde position stable (P2) dans laquelle le ressort conique (1) travaille en flexion générant une même poussée entre les extrémités que celle exercée en première position stable (P1). 2. Procédé de maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans la seconde position stable (P2), l'axe central (Z'Z) du ressort (1) est incliné tangentiellement d'un angle (-A) sur le plan de référence (Ps) de valeur 11 opposée à celle correspondant à la première position stable (P1), la poussée exercée en la seconde position stable (P2) étant alors symétrique de la poussée exercée en la première position stable (P1). 3. Système de maintien à ressort d'un arbre rotatif (4) de mise en 5 oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comportant un mécanisme de poussée bistable selon deux positions angulaires (P1, P2) de l'arbre rotatif (4) autour d'un axe donné (X'X), ainsi qu'un levier (3) monté sur l'arbre rotatif (4) et une pièce d'interface (2) fixe couplés de part et d'autre du mécanisme bistable, caractérisé en ce que, dans ce système (100), le mécanisme 10 bistable (10) comporte un ressort conique (1) présentant en extrémité un sommet (11) couplé au levier (3) et une base plane (1z) formée d'une portion de ressort (1) s'étendant autour d'un centre (1c) dans un plan perpendiculaire à un plan de référence (Ps) passant par l'axe (X'X) de l'arbre rotatif (4) et le centre (1c) de la base (1z) du ressort (1), et en ce que le ressort conique (1) présente un axe 15 central (Z'Z) incliné dans chacune desdites positions stables (P1, P2) par rapport au plan de référence (Ps), chaque position stable (P1, P2) correspondant à un état de flexion précontraint du ressort (1). 4. Système de maintien selon la revendication précédente, dans lequel le sommet est une zone d'extrémité de sommet (11) du ressort conique (1) 20 solidarisée au milieu d'un embout transverse (5) monté, parallèlement à l'axe (X'X) de l'arbre rotatif (4), sur des extensions (31) venant du levier (3). 5. Système de maintien selon la revendication précédente, dans lequel l'embout transverse (5) est monté en rotation dans les extensions (31) du levier (3). 25 6. Système de maintien selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la base (1z) est insérée dans un support (13) à paroi cylindrique (13c) d'axe confondu avec l'axe central (Z'Z) du ressort (1) en position intermédiaire (PO) entre les postions stables (P1, P2) dans laquelle le ressort (1) présente une symétrie axiale. 30 7. Système de maintien selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel le ressort conique (1) est constitué d'une tige métallique qui 12 s'étend selon une spirale tridimensionnelle (1S) de pas (p; pi, p6) variable qui augmente entre le sommet et la base. 8. Système de maintien selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel la spirale tridimensionnelle (1S) du ressort conique (1) présente 5 en position intermédiaire (PO) une enveloppe conique de section choisie entre circulaire, polygonale et oblongue. 9. Système de maintien selon la revendication précédente, dans lequel l'enveloppe conique du ressort (1) présente un renflement dans une portion intermédiaire.