La présente invention a pour objet un dispositif de transformation d'un mouvement de rotation en un mouvement linéaire.
Des systèmes permettant une telle transformation de mouvement sont bien entendu connus, tels que ceux constitués par une vis mère et un écrou. Lorsqu'un tel système est utilisé pour convertir un grand nombre de révolutions d'un arbre d'entrée en une course relativement faible d'un écrou, le pas du filetage ne pouvant pas descendre en-dessous de valeurs limites dues à la réalisation des pièces, vis et écrou, on intercale entre l'arbre d'entrée et la vis mère un réducteur à engrenages. Une telle solution conduit vite à un encombrement important et à une correspondance entre la position angulaire de l'arbre d'entrée, sur un grand nombre de tours de celui-ci, avec la course linéaire de l'écrou présentant une grande imprécision du fait du cumul des jeux des engrenages du réducteur, ce qui rend de tels systèmes inutilisables pour de nombreuses applications.
La présente invention a pour objet un dispositif de transformation d'un mouvement de rotation en un mouvement linéaire qui ne présente par les inconvénients précités et qui de ce fait permet d'associer de façon non univoque et avec grande précision la position d'un organe se déplaçant linéairement sur une faible course à une position angulaire donnée d'un arbre d'entrée sur un grand nombre de révolutions de celui-ci.
Le dispositif selon l'invention se distingue par les caractéristiques décrites et revendiquées ci-après.
Le dessin annexé illustre trois formes d'exécution du dispositif de transformation de mouvement selon l'invention.
La fig. 1 illustre en coupe une première forme d'exécution du dispositif.
La fig. 2 illustre en coupe une seconde forme d'exécution du dispositif utilisée pour l'actionnement de contacts de fin de course.
La fig. 3 illustre en coupe une troisième forme d'exécution du dispositif utilisée pour la mesure du nombre de tours de l'arbre d'entrée et sa position angulaire à l'intérieur de chaque révolution.
La fig. 4 illustre en coupe une variante de la troisième forme d'exécution du dispositif.
La première forme d'exécution du dispositif de transformation d'un mouvement rotatif en un mouvement linéaire illustré à la fig. 1 comporte un bâti constitué dans l'exemple illustré par un disque 1 muni d'un alésage central 2 dans lequel sont montés des paliers 3, 4 recevant l'arbre d'entrée 5. La surface périphérique 6 de ce disque 1 présente un épaulement 7 permettant l'emboîtage et la fixation d'un boîtier 8 de protection du mécanisme. Ce bâti comporte encore dans l'exemple illustré une plaque cylindrique 9 fixée sur la face interne du disque 1, par exemple à l'aide de vis, et dont le diamètre correspond à celui de l'épaulement 7. Cette plaque 9 présente une perçage central 10 donnant passage à l'extrémité de l'arbre 5 portant un pignon 11.
Cette plaque 9 présente un perçage recevant un palier 12 dans lequel est tourillonnée l'une des extrémités d'un arbre secondaire 13. L'extrémité libre 14 de cet arbre secondaire 13 comporte un filetage présentant un pas p. L'arbre secondaire 13 comporte deux épaulements 15, 16 de diamètre différents sur lesquels sont montées deux roues dentées 17, 18 respectivement, toutes deux en prise avec le pignon 11, et présentant un nombre de dents différent d'une ou de quelques unités.
La roue 17 est solidaire angulairement de l'arbre secondaire 13 tandis que la roue 18 est tourillonnée folle sur l'épaulement 16 de cet arbre secondaire 13.
Trois tiges 19 sont vissées par une de leurs extrémités dans la plaque 9 et servent de glissière à un support 20, coulissant librement sur ces tiges, sur l'extrémité duquel est monté un roulement 21, dans lequel est pivoté le moyeu 22 d'un écrou 23 dont le taraudage est en prise avec le filetage de l'arbre secondaire 13.
Cet écrou 23 présente un flasque 24 présentant des alésages coulissant sur des goupilles d'entraînement 25 solidaires de la roue dentée 18.
Le mécanisme décrit permet d'obtenir même pour des nombres de tours n élevés de l'arbre d'entrée 5 une vitesse relative faible entre les deux roues dentées 17, 18 et donc entre la partie filetée 24 de l'arbre secondaire 13 et l'écrou 23. De ce fait la course linéaire relative c entre l'écrou 23 et l'arbre secondaire 13 est faible même pour une grande vitesse de rotation de l'arbre d'entrée 5. Ceci est obtenu grâce à l'effet différentiel créé par les deux roues dentées 17, 18, dont le nombre de dents diffère d'une ou de quelques unités, engrenant toutes deux avec le pignon 11 solidaire de l'arbre 5.
Une caractéristique importante du mécanisme décrit réside dans son très faible encombrement, son nombre de pièces limite et pratiquement l'absence de jeux.
La course linéaire c de l'écrou 23 et de son support 20 pour un nombre de tours n de l'arbre d'entrée 5 est donné par la formule
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où
p est le pas du filetage de l'écrou en mm.
N1 le nombre de dents du pignon 11
N2 le nombre de dents de la roue 17
N3 le nombre de dents de la roue 18
Si l'on choisit par exemple N1 = 20; N2=100, N3 = 99 et
p = 1mm qui sont toutes des valeurs aisément réalisables, on voit que pour
n = 100 tours de l'arbre d'entrée 5 la course de l'écrou 23 est de
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Comme dans une telle construction on dispose facilement de la place nécessaire pour une course relative de l'écrou 23 par rapport à l'arbre secondaire 13 de 20 mm au moins, on voit qu'il faudrait 10 000 tours de l'arbre d'entrée pour cette course de 20 mm.
De plus, grâce à l'absence de jeux d'un tel mécanisme on a une très bonne corrélation entre la position angulaire de l'arbre 5 (comptée sur ces 10 000 tours) et la position de l'écrou à l'intérieur de sa course de 20 mm.
Une application immédiate d'un tel dispositif est la réalisation d'un vérin électrique. En effet à l'aide d'un petit moteur électrique de faible puissance il est possible de développer une force de plusieurs tonnes.
Dans la forme d'exécution illustrée à la fig. 2 le mécanisme de base du dispositif est le même que celui décrit à la fig. 1, ainsi les mêmes chiffres de référence désignent les mêmes pièces et ce mécanisme de base ne sera pas décrit à nouveau.
Dans cette seconde forme d'exécution le support 20, solidaire axialement de l'écrou 23 est muni d'une came 26 à deux rampes destinée à coopérer avec les organes mobiles 27 de rupteurs 28 fixés sur une barette 29 elle-même fixée sur le bâti 1, 9 du mécanisme.
Il est évident que dans des variantes plusieurs cames 26 peuvent être fixées sur une même génératrice du support 20 ou sur des génératrices différentes de celui-ci et chacune de ces cames 26 peuvent coopérer avec un ou plusieurs rupteurs 28 fixés sur des barette 29 situées dans des plans radiaux par rapport au support 20 passant par lesdites génératrices.
On réalise ainsi une boîte de commutation permettant de commander de multiples fonctions dépendant de la position angulaire multitours de l'arbre d'entrée 5 dans un encombrement très réduit même pour un grand nombre de tours de l'arbre 5.
Dans la troisième forme d'exécution illustrée à la fig. 3 le mécanisme de base est toujours identique, les mêmes chiffres de référence définissent les mêmes éléments, toutefois ce mécanisme comporte en outre une prolongation 30 de l'arbre secondaire 13 pivotée dans un roulement 31 solidaire d'une plaque 32 fixée sur le bâti 1, 9. Cette plaque 32 sert de support à plusieurs tiges axiales 33 servant de coulisses ou guides au support 20, ces tiges 33 passant dans les alésages du flasque 24 de ce support. Un ressort 34 prend appui entre cette plaque 32 et le flasque 24 et élimine de ce fait tout jeux pouvant exister entre les filets de l'écrou 23 et de la partie filetée 14 de l'arbre secondaire 13.
Un capteur électrique linéaire 35, par exemple du type LVDT (Linear variable differential transformer), soit un capteur linéaire capacitif, est monté sur le flasque 24 et coopère avec un noyau (non illustré) solidaire de la plaque 32. L'amplitude du signal électrique délivré par ce capteur 35 est une fonction, généralement linéaire, de la pénétration du noyau (non illustré) dans le vide central du capteur soit de la course entre l'écrou 23 et l'arbre secondaire 13, et donc une indication précise de la position angulaire multitours de l'arbre d'entrée 5.
Dans la variante illustrée à la fig. 4, le capteur électrique linéaire est remplacé par un résolveur 37, solidaire du bâti 1, 9, 32 dont le ou les rotors sont entraînés en rotation par une crémaillère 36 portée par l'écrou 23 en prise avec un pignon 38 du résolveur 37.
Enfin un autre avantage du mécanisme décrit réside dans le fait que malgré la grande vitesse de rotation des divers éléments, arbre 5, roues 17, 18, arbre secondaire 13 et écrou 23, les vitesses relatives des pièces en friction l'une contre l'autre, roues 17, 18 et écrou 23, arbre secondaire 13, sont très faibles ce qui fait qu'un tel mécanisme ne subit pratiquement aucune usure.
The present invention relates to a device for transforming a rotational movement into a linear movement.
Systems allowing such a movement transformation are of course known, such as those constituted by a lead screw and a nut. When such a system is used to convert a large number of revolutions of an input shaft into a relatively short stroke of a nut, the pitch of the thread cannot fall below limit values due to the achievement of the parts, screws and nut, a gear reducer is inserted between the input shaft and the mother screw. Such a solution quickly leads to a large size and a correspondence between the angular position of the input shaft, over a large number of turns thereof, with the linear travel of the nut having great inaccuracy due to the accumulation of backlash gears, which makes such systems unusable for many applications.
The subject of the present invention is a device for transforming a rotational movement into a linear movement which does not have the abovementioned drawbacks and which therefore makes it possible to unambiguously and very precisely associate the position of an organ moving linearly over a short stroke at a given angular position of an input shaft on a large number of revolutions thereof.
The device according to the invention is distinguished by the characteristics described and claimed below.
The accompanying drawing illustrates three embodiments of the movement transformation device according to the invention.
Fig. 1 illustrates in section a first embodiment of the device.
Fig. 2 illustrates in section a second embodiment of the device used for actuating limit switches.
Fig. 3 illustrates in section a third embodiment of the device used for measuring the number of turns of the input shaft and its angular position inside each revolution.
Fig. 4 illustrates in section a variant of the third embodiment of the device.
The first embodiment of the device for transforming a rotary movement into a linear movement illustrated in FIG. 1 comprises a frame constituted in the example illustrated by a disc 1 provided with a central bore 2 in which are mounted bearings 3, 4 receiving the input shaft 5. The peripheral surface 6 of this disc 1 has a shoulder 7 allowing the fitting and fixing of a housing 8 for protecting the mechanism. This frame also comprises in the example illustrated a cylindrical plate 9 fixed to the internal face of the disc 1, for example using screws, and the diameter of which corresponds to that of the shoulder 7. This plate 9 has a hole central 10 giving passage to the end of the shaft 5 carrying a pinion 11.
This plate 9 has a bore receiving a bearing 12 in which one of the ends of a secondary shaft 13 is journalled. The free end 14 of this secondary shaft 13 has a thread having a pitch p. The secondary shaft 13 has two shoulders 15, 16 of different diameter on which are mounted two toothed wheels 17, 18 respectively, both in engagement with the pinion 11, and having a number of teeth different from one or a few units.
The wheel 17 is angularly integral with the secondary shaft 13 while the wheel 18 is journalled idly on the shoulder 16 of this secondary shaft 13.
Three rods 19 are screwed by one of their ends into the plate 9 and serve as a slide for a support 20, sliding freely on these rods, on the end of which is mounted a bearing 21, in which the hub 22 is pivoted by a nut 23 whose thread is engaged with the thread of the secondary shaft 13.
This nut 23 has a flange 24 having bores sliding on drive pins 25 integral with the toothed wheel 18.
The mechanism described makes it possible to obtain even for high numbers of revolutions n of the input shaft 5 a low relative speed between the two toothed wheels 17, 18 and therefore between the threaded part 24 of the secondary shaft 13 and l 'nut 23. Therefore the relative linear stroke c between the nut 23 and the secondary shaft 13 is small even for a high speed of rotation of the input shaft 5. This is obtained thanks to the differential effect created by the two toothed wheels 17, 18, the number of teeth of which differs by one or a few units, both meshing with the pinion 11 secured to the shaft 5.
An important characteristic of the described mechanism is its very small footprint, its number of parts limit and practically the absence of games.
The linear stroke c of the nut 23 and its support 20 for a number of turns n of the input shaft 5 is given by the formula
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or
p is the thread pitch of the nut in mm.
N1 the number of teeth of the pinion 11
N2 the number of teeth of the wheel 17
N3 the number of teeth of the wheel 18
If we choose for example N1 = 20; N2 = 100, N3 = 99 and
p = 1mm which are all easily achievable values, we see that for
n = 100 turns of the input shaft 5 the stroke of the nut 23 is
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As in such a construction there is easily the space necessary for a relative stroke of the nut 23 relative to the secondary shaft 13 of at least 20 mm, we see that it would take 10,000 turns of the shaft entry for this 20 mm stroke.
In addition, thanks to the absence of clearances of such a mechanism, there is a very good correlation between the angular position of the shaft 5 (counted over these 10,000 revolutions) and the position of the nut inside. its stroke of 20 mm.
An immediate application of such a device is the production of an electric actuator. Indeed using a small electric motor of low power it is possible to develop a force of several tons.
In the embodiment illustrated in FIG. 2 the basic mechanism of the device is the same as that described in FIG. 1, thus the same reference numerals designate the same parts and this basic mechanism will not be described again.
In this second embodiment, the support 20, axially integral with the nut 23 is provided with a cam 26 with two ramps intended to cooperate with the movable members 27 of switches 28 fixed on a bar 29 itself fixed on the frame 1, 9 of the mechanism.
It is obvious that in variants several cams 26 can be fixed on the same generator of the support 20 or on different generators of the latter and each of these cams 26 can cooperate with one or more breakers 28 fixed on bar 29 located in radial planes with respect to the support 20 passing through said generators.
A switching box is thus produced making it possible to control multiple functions depending on the multi-turn angular position of the input shaft 5 in a very small footprint even for a large number of turns of the shaft 5.
In the third embodiment illustrated in FIG. 3 the basic mechanism is always identical, the same reference numbers define the same elements, however this mechanism further comprises an extension 30 of the secondary shaft 13 pivoted in a bearing 31 secured to a plate 32 fixed to the frame 1 , 9. This plate 32 serves as a support for several axial rods 33 serving as slides or guides for the support 20, these rods 33 passing through the bores of the flange 24 of this support. A spring 34 is supported between this plate 32 and the flange 24 and therefore eliminates any play that may exist between the threads of the nut 23 and of the threaded part 14 of the secondary shaft 13.
A linear electrical sensor 35, for example of the LVDT (Linear variable differential transformer) type, ie a capacitive linear sensor, is mounted on the flange 24 and cooperates with a core (not illustrated) integral with the plate 32. The signal amplitude electric delivered by this sensor 35 is a function, generally linear, of the penetration of the core (not illustrated) in the central vacuum of the sensor or of the travel between the nut 23 and the secondary shaft 13, and therefore a precise indication of the multi-turn angular position of the input shaft 5.
In the variant illustrated in FIG. 4, the linear electrical sensor is replaced by a resolver 37, integral with the frame 1, 9, 32, the rotor or rotors of which are driven in rotation by a rack 36 carried by the nut 23 engaged with a pinion 38 of the resolver 37.
Finally, another advantage of the mechanism described resides in the fact that despite the high speed of rotation of the various elements, shaft 5, wheels 17, 18, secondary shaft 13 and nut 23, the relative speeds of the parts in friction one against the other, wheels 17, 18 and nut 23, secondary shaft 13, are very weak which means that such a mechanism undergoes practically no wear.