FR2583115A1 - Transducteur electrofluidique du type buse/palette et servovalve hydraulique equipee d'un tel transducteur - Google Patents

Transducteur electrofluidique du type buse/palette et servovalve hydraulique equipee d'un tel transducteur Download PDF

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Abstract

LE TRANSDUCTEUR 2 COMPREND UNE PALETTE-BILAME PIEZO-ELECTRIQUE 12 DONT LES DEPLACEMENTS, SOUS L'EFFET DE SIGNAUX ELECTRIQUES, CONTROLENT DIRECTEMENT LA FUITE DE UNE OU DEUX BUSES-GICLEURS 8, 8. LA PALETTE 12 EST MONTEE FLOTTANTE, SANS AUCUN ENCASTREMENT, ENTRE DES APPUIS FIXES 34, 34 ET ELASTIQUES 36, 36 DU GENRE ROTULAIRE, N'ENTRAVANT PAS LA LIBRE DEFORMATION (FLECHE OU CAMBRURE) DE LA PALETTE. L'INVENTION PERMET D'AUGMENTER LE RAPPORT "TENSION DU SIGNALDEPLACEMENT" DE LA PALETTE ET DE REDUIRE L'HYSTERESIS POUR OBTENIR DE MEILLEURES PRECISION ET FIDELITE DE REPONSE.

Description

Transducteur électro-fluidique du type buse/palette
et servo-valve hydraulique équipée d'un tel trans-
ducteur.
La présente invention concerne un transduc-
teur électro-fluidique du type buse/palette, notam- ment pour la commande d'une servo-valve hydraulique
à partir de signaux électriques.
L'invention vise plus particulièrement un
transducteur dans lequel la palette mobile est consti-
tuée par un bilame piézo-électrique dont l'une au moins des faces coopère directement avec au moins une
buse pour contrôler, en fonction des déformations du-
dit bilame provoquées par lesdits signaux électriques,
le débit de fuite de ladite ou desdites buses.
La variation du débit de fuite de la ou des
buses peut être utilisée, de façon connue, pour pilo-
ter les déplacements du tiroir d'une servo-valve.
Un transducteur de ce genre, pour la commande d'une servo-valve, a été décrit par exemple dans la demande de brevet allemand DT-25.11.752, publiée le
7 octobre 1976.
On sait qu'un bilame piézo-électrique est com-
posé de deux couches de matériaux séparées par une électrode commune. Dans une des couches, les cristaux se contractent alors que dans l'autre ils se dilatent,
ce qui produit une cambrure de la lame.
Dans les transducteurs proposés jusqu'à pré-
sent, le bilame est encastré rigidement, à ses deux extrémités ou bien à une seule d'entre elles (à la
façon d'une poutre cantilever), dans un carter conte-
nant les buses, de manière à fixer la position de re- pos du bilame par rapport aux buses. Dans le cas d'un bilame ayant une forme circulaire, la fixation par
encastrement peut être faite sur tout le bord périphé-
rique du bilame.
O10 Les servo-valves équipées de tels transduc-
- teurs sont appréciées pour leur fiabilité, due au pe-
tit nombre de pièces du transducteur, pour leurs fai-
bles volumes et poids, et pour leur très faible consom-
mation électrique en régime statique.
Cependant, la précision et la répétabilité de
ce type de servo-valves sont insuffisantes pour cer-
taines applications. En effet, la courbe du déplaces
ment du bilame par rapport à la buse associée, en fonc-
tion de la tension appliquée au bilame, peut présenter
une histérésis d'environ 15 %. Il en résulte que les ca-
ractéristiques de sortie de la servo-valve (pression
ou débit) sont affectées de la même imprécision.
La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient et d'améliorer la précision et la
répétabilité, grâce à un transducteur perfectionné.
La Demanderesse a étudié la déformation des
bilames piézo-électriques et a observé qu'on ne pou-
vait pas tenir fermement le matériau, par encastrement, sans contrarier la libre dilatation ou contraction des cristaux et influencer, par là- même, la "déformée"
du bilame. Dans la zone d'encastrement, les micro-
cristaux subissent une compression permanente et, en bordure de l'encastrement, le matériau subit un effort de cisaillement par l'arête terminale de la surface d'encastrement. Il en résulte que la flèche ou la cambrure d'un bilame encastré est inférieure à la
flèche ou cambrure naturelle que pourrait prendre li-
brement ce bilame et que, au surplus, les déformations ne sont pas identiques au cours d'un cycle complet de variation de la tension électrique de commande.
La Demanderesse a découvert qu'il était possi-
ble de remédier aux inconvénients décrits ci-dessus
grâce à un montage "flottant" du bilame piézo-élec-
trique. L'invention a pour objet un transducteur du
type buse/palette, à bilame piézo-électrique, coopé-
rant directement avec le ou les buses, dans lequel le
bilame piézo-électrique est maintenu seulement en posi-
tion, en regard de la ou des buses, par des organes d'appui sensiblement ponctuels ou linéaires, agissant
sur les deux faces opposées du bilame, situés au voi-
sinage des bords dudit bilame, jouant le rôle de pi-
vots et autorisant la libre déformation naturelle du-
dit bilame sur toute sa surface sous l'effet desdits
signaux électriques.
Grâce à cette disposition, on supprime totale-
ment tout encastrement du bilame intervenant sur une
surface appréciable de celui-ci.
Toutes autres choses égales par ailleurs, on
a pu mesurer qu'avec un transducteur suivant l'inven-
tion l'hystérésis est seulement de l'ordre de 1 % au
lieu d'environ 15 %, comme indiqué précédemment.
L'invention a également pour objet les servo-
valves hydrauliques pilotées par un transducteur/p3r
zo-hydraulique tel que défini ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de
la description et des dessins qui montrent diverses
formes de réalisation de l'invention.
La figure 1 est une vue en coupe d'une servo-
valve hydraulique pilotée par un transducteur suivant l'invention. Les figures 2 et 3 sont des vues partielles, considérablement agrandies, de la fixation du bilame,
au repos et lorsque le bilame se déforme.
La figure 4 illustre la fixation du bilame par
des supports élastiques.
La figure 5 illustre la fixation du bilame par
des supports mécaniques élastiques.
La figure 6 montre des appuis rotulaires du
bilame par billes.
La figure 7 est une vue schématique d'un trans-
ducteur buse/palette à une seule buse.
La figure 8 est une vue en coupe d'un trans-
ducteur à palette circulaire, avec une seule buse.
La figure 9 est une vue partielle du transduc-
teur de la figure 8, avec un autre mode de réalisation
du système de fixation de la palette.
Les figures 10 et 11 montrent la fixation
flottante de la palette par appuis hydrostatiques.
Les figures 12A, 12B, 12C et 13A, 13B, 13C
sont des vues en perspective de palettes piézo-élec-
triques ouvragées.
La figure 14 est une représentation schémati-
que d'encore une variante de fixation flottante de la
palette dans un transducteur suivant l'invention.
La servo-valve hydraulique représentée sur la figure 1 comprend essentiellement un transducteur électro-fluidique 2, constituant un étage pilote pour un distributeur 4. Une telle servo-valve peut être utilisée pour commander un appareil récepteur, par
exemple un vérin hydraulique à double effet 6.
Dans le mode de réalisation représenté, le transducteur 2 comporte deux buses ou gicleurs 8, 8', fixées dans un carter 10, qui débouchent directement en regard des deux faces d'une palette ou bilame piézoélectrique 12 recevant le signal électrique de
commande par un conducteur 14.
Ainsi qu'il est connu, la déformation de la palette 12 modifie le rapport des fuites entre les deux buses 8, 8'.
Le distributeur 4 peut être d'un type quelcon-
que connu. Il comporte par exemple un tiroir de commu-
tation 16 obturant ou découvrant les conduits haute
pression et basse pression 18, 20 ainsi que les con-
duits d'utilisation 22, 24 allant au vérin 6. Le
tiroir 16 est centré par des ressorts 26, 26' et déli-
mite, à ses deux extrémités, des chambres de pression 28, 28' qui sont en communication, par des conduits
, 32, 30', 32' avec les buses 8, 8'.
Le fonctionnement d'une telle servo-valve est suffisamment connu pour qu'il suffise de rappeler que
les signaux électriques appliqués à la palette piézo-
électrique 12. permettent de commander l'organe moteur 6.
Suivant l'invention, et comme il est claire-
ment représenté sur la figure 1, la palette 12 est montée "flottante" dans une chambre 33 limitée par les
parois du carter 10, c'est-à-dire sans aucun encastre-
ment d'une partie de la palette dans un support rigide,
par exemple dans les parois du carter 10.
La palette 12 est maintenue seulement en posi-
tion, en regard des buses 8, 8', par des organes d'ap-
pui sensiblement ponctuels ou linéaires formant une
suspension de type rotulaire.
Dans le cas de la figure 1 (et en supposant
que la palette 12 est une lame allongée de forme rec-
tangulaire), des premiers appuis, sur l'une des faces de la palette, sont constitués par deux supports, en forme d'arête, 34, 34' solidaires d'une première paroi du carter 10. Des seconds appuis, sur la face opposée
de la palette, sont constitués par des presseurs élas-
tiques 36, 36', appliques contre la palette par des ressorts 38, et dont les têtes sont de forme sphérique,
ou cylindrique, pour minimiser les frottements et per-
mettre un "roulement" de la palette sur les presseurs. Les presseurs élastiques 36, 36' sont supportés par
la seconde paroi du carter 10.
Les premiers organes 34 forment des appuis sensiblement linéaires, les seconds organes 36 forment des appuis sensiblement ponctuels, les premiers et seconds organes d'appui étant situés en face les uns des autres, sur les deux faces opposées de la palette,
au voisinage des bords de la palette.
Des butées ou cales de réglage 40, 40' (fixes ou ajustables) peuvent être prévues, dans le carter
, pour assurer le centrage longitudinal de la pa-
lette 12 dans le carter.
On a représenté schématiquement, sur la figu-
re 2, à une échelle agrandie, le système de montage flottant, sur un des bords seulement de la palette 12, la palette étant représentée en traits pleins dans sa position plane de repos et en traits interrompus dans sa position incurvée (considérablement exagérée) sous
l'effet d'une tension électrique. On voit que, lors-
qu'elle se déforme, la palette pivote sans frottement autour de l'arête du support fixe 34 et repousse le poussoir élastique mobile 36, sans que, pratiquement, la libre déformation de la palette soit entravée, comme cela se produisait avec les palettes encastrées
dans le carter.
Dans la variante représentée sur la figure 3, le support fixe 42 présente, non plus une arête vive, mais une surface d'appui cylindrique (ou sphérique
dans le cas d'un appui ponctuel) 'de façon qu'il se pro-
duise un roulement de la surface de la palette contre
la surface de l'organe d'appui.
Dans la variante représentée sur la figure 4, les organes d'appui peuvent être constitués (sur l'une ou sur les deux faces de la palette 12) par des billes 44 au matériau élastique ou, dans le cas de l'utilisa- tion d'une palette de forme circulaire, par des
joints circulaires en matériau élastique.
Dans la variante représentée sur la figure 5, les organes d'appui sont constitués par des doigts 46, 46', à tête sphérique ou cylindrique, les doigts 46 formant les supports fixes, tandis que lep doigts 46' sont pressés Plastiquement contre la palette 12
par des ressorts 38.
Suivant la variante de la figure 6, les orga-
nes d'appui de la palette 12 sont constitués par des couples de deux billes métalliques 48, 48' logées dans des cavités 50, 50' creusées dans les parois du carter 10 du transducteur. Les billes forment, pour la palette, une suspension rotulaire n'entravant pas
la libre déformation de la palette.
Bien entendu les différents types d'organes d'appui qui ont été décrits peuvent être combinés entre eux, par exemple une bille métallique (figure 6) en regard d'une bille élastique (figure 4), ou en regard d'un poussoir élastique tel que 46' sur la
figure 5.
Le nombre des paires d'organes d'appui peut varier suivant la forme de la palette. Par exemple,
pour une palette rectangulaire, on peut utiliser (figu-
re 1) deux paires d'organes d'appui comprenant chacu-
ne un appui linéaire (34) et un appui ponctuel (36), ou bien trois ou quatre paires d'organes d'appui
ponctuels (figures 4, 5 et 6).
Dans le cas d'une palette circulaire, on uti-
lise avantageusement trois paires d'organes d'appui équiangulairement répartis, ou encore une infinité de points d'appui en continu, formant une ligne continue
d'appui, comme on le verra à propos du mode de réalisa-
tion de la figure 8.
Il a surtout été question dans ce qui précède de transducteurs comportant une buse ou gicleur en
regard de chacune des faces du bilame piézo-électri-
que, les deux buses fonctionnant différentiellement.
Mais l'invention s'applique aussi, bien entendu, au cas o le transducteur ne comprend qu'une seule buse
8 en regard de l'une des faces de la palette 12, com-
me cela est représenté schématiquement sur la figure
7. Là encore, la palette 12 est maintenue par un monta-
ge flottant comportant des appuis rotulaires 34, 34' et 36, 36', par exemple analogues à ceux de la figure 1. On a représenté sur la figure 8 un mode de
réalisation d'un transducteur comportant une seule bu-
se 8 en regard de la palette 12, celle-ci ayant une
forme circulaire et non pas rectangulaire.
Le carter 10 est formé de deux parties assem-
blées 10, 10'. La partie 10' du carter comporte une lèvre circulaire en saillie 52, ayant par exemple un profil arrondi, qui constitue une ligne continue de points d'appui sur laquelle porte la face inférieure
de la palette 12 et contre laquelle cette face infé-
rieure peut se déplacer par roulement lors des défor-
mations de la palette.
Les seconds appuis, sur la face opposée de la palette 12, sont constitués par un joint circulaire à section ronde 54, en matériau élastique, qui est positionné dans une gorge circulaire 56 creusée dans
la partie 10 du carter.
La palette circulaire 12 est ainsi supportée, de façon flottante, sans encastrement, au voisinage
de son bord périphérique, par deux lignes d'appui con-
tinues circulaires se faisant face.
Une variante de ce montage, pour le même trans-
ducteur, est représentée partiellement sur la figure 9 o la lèvre circulaire en saillie 52', ménagée dans
la partie 10' du carter, a un profil en arête. La pa-
lette 12 est alors libre de pivoter autour de cette arête, comme il a été exposé à propos des figures 1 et 2, cette arête formant une ligne continue de points d'appui. Les seconds organes d'appui peuvent être
constitués par une pluralité (par exemple 3) de pous-
soirs 46', à tête sphérique, soumis à l'action de res-
sorts 38' et analogues à ce qui est représenté sur
la figure 5.
Bien entendu un même mode de suspension, avec appuis en ligne continue et/ou avec appuis ponctuels, peut s'appliquer à des palettes piézoélectriques de
forme polygonale.
On a décrit et représenté jusqu'à présent des
organes d'appui mécaniques ou élastiques pour mainte-
nir la palette 12, mais il est également possible d'utiliser, sur l'une des faces ou sur les deux faces
de la palette, des organes d'appui de type hydrostati-
que analogues à ceux utilisés par exemple dans les
paliers hydrostatiques.
Sur la figure 10 on a représenté schématique-
ment un montage flottant d'une palette 12 dans un carter 10 au moyen d'un support mécanique 34 en forme d'arête, sur une des faces de la palette, et au moyen d'une buse hydrostatique 58, alimentée en liquide sous
pression par un conduit 60.
Dans le mode de réalisation de la figure 11, la suspension est faite hydrostatiquement, par des buses 58, 58', sur les deux faces de la palette 12, celle-ci étant maintenue centrée dans le carter 12 par
des cales de centrage 40.
Bien entendu, et notamment dans le cas d'une palette de forme circulaire, on prévoit une pluralité
de butées hydrostatiques (par exemple trois équiangu-
lairement réparties), les buses alimentant de préfé- rence des gorges ou "poches" hydrostatiques ainsi
qu'il est usuel pour les paliers fluides.
Le système de suspension hydrostatique ci-
dessus est avantageux, car il donne une suspension
suffisamment raide, sans imposer aucun frottement mé-
canique à la palette, ce qui laisse à celle-ci son entière liberté naturelle de déformation. Au surplus,
dans une servo-valve hydraulique, le fluide7sous tfi-
te pression (par exemple 100 à 400 bars) est disponi-
ble, pour alimenter la suspension hydrostatique, sans nécessiter aucune installation complémentaire. Bien
entendu, le bilame fonctionne dans le fluide hydrauli-
que (huile) qui remplit la chambre 33 du carter, comme dans les cas o le système de support de la palette
est mécanique ou élastique.
On a décrit dans ce qui précède des transduc-
teurs utilisant des palettes piézo-électriques de for-
me rectangulaire, polygonale ou circulaire, ces palet-
tes étant pleines.
Mais on peut utiliser également, comme il est représenté sur les figures 12A, 12B, 12C, une palette
12 ouvragée présentant des découpes 62 laissant sub-
sister entre elles au moins une bande libre 64 sur
laquelle n'agit aucun organe d'appui.
Les organes d'appui ont été schématisés par des flèches 66, 66', 66", ces organes d'appui pouvant être de l'un des types quelconques décrits dans ce qui précède. La ou les buses, schématisées par leur point d'impact 68 sur la palette 12, débouchent en regard des bandes libres 64 de la palette. Les il découpes 62 permettent d'adapter la flexibilité de la
palette bilame tout en éloignant de la zone de con-
trainte maximale l'influence de la fixation.
On peut également prévoir, comme il est repré-
senté sur les figures 13A, 13B, 13C, des formes plus complexes, présentant plusieurs fentes pour former des bilames 12 particulièrement ouvragés en vue
d'exécuter des fonctions multiples. Chaque bande ac-
tive 64 du bilame peut être associée à une buse ou
à deux buses dont on a indiqué les emplacements 68.
Les organes d'appui ont été symbolisés par des flè-
ches 66.
Chaque bande 64 peut 8tre découplée électriquement
de ses voisines en découpant une partie des électrodes sui-
vant des saignées 70 ou 70' judicieusement disposées de façon à découpler l'interaction mécanique des bilames 12 entre eux, chaque
bande active recevant son signal électrique par un conducteur dis-
tinct 14, 14', 14". Comme il est représenté sur la figure 13C, chaque bande active 64 peut être fixée en version deux appuis, l'emplacement 68 de la buse (ou des buses) étant situé entre deux appuis. Mais, comme il est représenté sur les figures 12A, 12B, 12C, 13A, 13B, chaque bande 64 peut être fixée en simple appui, à la façon d'une poutre cantilever, l'emplacement 68 de la buse se trouvant alors à l'extrémité libre de la lame pour bénéficier, vis-à-vis de la buse, de la
déformation totale du bilame.
Une fixation analogue à une fixation cantile-
ver peut également être réalisée avec une palette 12 de forme simple, rectangulaire allongée, comme il est schématiquement représenté sur la figure 14, o la déformation de la palette 12 a été considérablement exagérée. Dans ce cas, deux appuis fixes 34, 34' rapprochés, sont prévus au voisinage de l'un des bords
72 de la palette et coopèrent avec des appuis élasti-
* ques opposés 36, 36' tandis que les buses 8, 8' coopè-
rent avec la palette 12 au voisinage de son bord li;
bre 74, de façon à utiliser la totalité de la déforma-
tion du bilame sur sensiblement toute sa longueur.
Il est connu que l'un des inconvénients des bilames piézo-électriques utilisés dans les transduc- teurs buse/palette jusqu'à présent est la tension de commande élevée qu'ils nécessitent (plus de 100 V
et, généralement de l'ordre de 200 V) et que leurs au-
tres inconvénients sont le faible déplacement (quel-
ques dizaines de microns), déplacement qui est contra-
rié par le ou les encastrements du bilame dans le car-
ter, ainsi que la non reproductibilité des déplacements
au cours d'un cycle de'déformation.
Le système de montage flottant du bilame sui-
vant l'invention, sans aucun encastrement, permet d'obtenir un rapport "déplacement/tension de commande"
beaucoup plus élevé et de réduire dans une très gran-
de mesure le phénomène d'hystérésis.

Claims (14)

REVENDICATIONS
1. Transducteur électro-fluidique du type
buse/palette, notamment pour la commande d'une servo-
valve hydraulique à partir de signaux électriques, dans lequel la palette mobile est constituée par un bilame piézo-électrique dont l'une au moins des faces
coopère directement avec au moins une buse pour con-
trôler, en fonction des déformations dudit bilame pro-
voquées par lesdits signaux électriques, le débit de fuite de ladite ou desdites buses, ledit transducteur
étant caractérisé en ce que ledit bilame piézo-élee-
trique (12) est maintenu seulement en position, en regard de la ou des buses (8, 8') par des organes d'appui (34, 34', 36, 36') sensiblement ponctuels ou linéaires, agissant sur les deux faces opposées du bilame, situés au voisinage des bords dudit bilame,
jouant le rôle de pivots et autorisant la libre défor-
mation naturelle dudit bilame sur toute sa surface
sous l'effet desdits signaux électriques.
2. Transducteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les organes d'appui (36, 36')
sont du type rotulaire.
3. Transducteur suivant l'une des revendica-
tions 1 ou 2, caractérisé en ce que les organes d'appui sont disposés par paires (34, 36) en regard
l'un de l'autre, sur les deux faces opposées du bilame.
4. Transducteur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'un au moins des organes d'appui (36, 36', 46') de chaque paire est mobile
élastiquement dans au moins une direction perpendicu-
laire aux faces du bilame.
5. Transducteur suivant l'une des revendica-
tions précédentes, caractérisé en ce que les organes
d'appui sont constitués par des billes (48, 48').
6. Transducteur suivant l'une des revendica-
tions 3 ou 4, caractérisé en ce que l'un au moins des
organes d'appui d'une paire est constitué par un élé-
ment en matériau élastique (44).
7. Transducteur suivant la revendication 6,
caractérisé-en ce que l'un au moins des organes d'ap-
pui d'une paire est constitué par un joint en maté-
riau élastique (54) ayant la même forme que la forme en plan du bilame et constituant une infinité de points d'appui en continu sur la face considérée du
bilame (12).
8. Transducteur suivant l'une des revendica-
tions 1 à 3, caractérisé en ce que les organes d'ap-
pui sont fournis par une suspension fluidique (58, 58') analogue à un palier fluide, sans appui physique
sur le bilame.
9. Transducteur suivant l'une des revendica-
tions précédentes, caractérisé en ce que le bilame piézo-électrique (12) a une forme circulaire en plan et en ce que les paires d'organes d'appui précitées sont réparties équiangulairement au voisinage de la
périphérie du bilame.
10. Transducteur suivant l'une des revendica-
tions 1 à 8, caractérisé en ce que le bilame a une
forme polygonale.
11. Transducteur suivant l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisé en ce que le
25831'15
bilame (12) présente des découpes (62) laissant subsis-
ter entre elles au moins une bande libre (64) sur la-
quelle n'agit aucun organe d'appui.
12. Transducteur suivant l'une des revendica-
tions précédentes, qui comprend un carter (10) formant une chambre fermée (33), ledit carter supportant au moins une buse (8) d'arrivée de fluide dont l'ajutage débouche en regard de l'une des faces du bilame (12), ledit transducteur étant caractérisé en ce que les
O10 organes d'appui (34, 36) précités sont portés, à l'in-
térieur de ladite chambre (33) par les parois du carter.
13. Transducteur suivant la revendication 12, caractérisé en ce que le bilame (12) monté librement entre ses organes d'appui, est centré latéralement
dans la chambre (33) précitée par des cales de centra-
ge (40, 40') portées par le carter (10).
14. Servo-valve hydraulique (4), caractérisée
en ce qu'elle est pilotée par un transducteur électro-
piézo-hydraulique (2) à buses/palette suivant l'une
des revendications précédentes.
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