FR2730027A1 - Electrovalve proportionnelle de regulation de debit pour circuit hydraulique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une électrovalve de régulation de débit pour un circuit hydraulique, comportant un bobinage électrique (10) coopérant avec un noyau magnétique mobile (22) sous l'effet d'une force d'actionnement ( PHI) par un champ magnétique créé par le bobinage électrique (10), et un élément de régulation de débit (32) entre une chambre d'entrée (35) reliée par un conduit d'entrée (44) à au moins un générateur de fluide sous haute pression (100) et une chambre de sortie (37) reliée par un conduit de sortie (46) à un circuit utilisateur (V). Selon l'invention, l'élément de régulation de débit (32) comporte un orifice calibré (50) provoquant une perte de charge entre la chambre d'entrée (35) et la chambre de sortie (37) exerçant sur l'élément de régulation de débit (32) une force d'origine hydraulique (FH ) opposée à la force d'actionnement ( PHI).

Description

ELECTROVALVE PROPORTIONNELLE DE REGULATION
DE DEBIT POUR CIRCUIT HYDRAULIQUE
La présente invention concerne les électrovalves proportionnelles de régulation de débit pour circuits hydrauliques.

De telles électrovalves sont connues et utilisées depuis longtemps dans de nombreux circuits hydrauliques, de façon à obtenir un débit proportionnel à un signal de commande.

Les électrovalves connues de ce type comprennent généralement un distributeur à tiroir coulissant dans un alésage dans lequel sont formées des gorges annulaires. Des portées formées à la surface du tiroir définissent avec les gorges de l'alésage des passages pour un fluide. Selon la position du tiroir dans l'alésage, la section de ces passages varie, et il est ainsi possible de contrôler le débit de fluide fourni par l'électrovalve en commandant la position du tiroir.

On connaît par exemple du document US-A-4 014 509 une électrovalve de ce type, dans laquelle le tiroir distributeur est intercalé entre deux ressorts agissant sur chaque extrémité du tiroir dans des chambres où règne une pression réduite par rapport à la pression d'une source de fluide sous haute pression.

La pression dans ces chambres d'extrémité peut être contrôlée par deux électrovalves proportionnelles, de sorte que le tiroir distributeur se déplace depuis sa position centrale neutre en fonction de la différence des pressions régnant dans ces chambres.

Cette électrovalve présente les inconvénients connus des distributeurs à tiroir, à savoir un usinage très précis, et donc coûteux, des portées et des gorges, et une inertie relativement élevée du tiroir distributeur interdisant des variations rapides de débit. Elle fonctionne en centre ouvert , c'est à dire que, même au repos, le fluide en provenance de la source de fluide sous haute pression traverse l'électrovalve et retourne au réservoir d'où il est soutiré par la source de fluide. Il en résulte une consommation d'énergie importante par la source de fluide, et un échauffement important du fluide lui-même. D'autre part, elle nécessite que les ressorts d'extrémité soient très rigoureusement appariés pour assurer le centrage exact du tiroir distributeur.

De plus, elle présente un encombrement important du fait qu'elle est formée d'une partie purement électrique avec le bobinage électrique, les pièces polaires et un noyau magnétique mobile, et d'une partie purement hydraulique avec le tiroir distributeur coulissant dans un alésage formé dans un corps comportant différents conduits. Le noyau magnétique mobile n'agissant pas sur le tiroir, mais sur un clapet pour régler la pression dans une des chambres d'extrémité, il s'ensuit que la position du tiroir distributeur, et par conséquent le débit de fluide fourni par cette électrovalve, ne peuvent être réglés avec toute la précision désire.

La présente invention a donc pour objet de proposer une électrovalve de régulation de débit qui permette un réglage très précis du débit de fluide et dont le fonctionnement soit fiable en toutes circonstances. Elle doit de plus avoir un encombrement réduit, et être de fabrication aisée pour en réduire le coût.

Dans ce but, I'invention propose une électrovalve de régulation de débit pour un circuit hydraulique, comportant un bobinage électrique coopérant avec un noyau magnétique mobile sous l'effet d'une force d'actionnement par un champ magnétique créé par le bobinage électrique, et un élément de régulation de débit entre une chambre d'entrée reliée par un conduit d'entrée à au moins un générateur de fluide sous haute pression et une chambre de sortie reliée par un conduit de sortie à un circuit utilisateur.

Selon la présente invention, I'élément de régulation de débit comporte un orifice calibré provoquant une perte de charge entre la chambre d'entrée et la chambre de sortie exerçant sur l'élément de régulation de débit une force d'origine hydraulique opposée à la force d'actionnement.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques et avantages de celle ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif et en référence au dessin annexé sur lequel
- La Figure 1 représente schématiquement en coupe un mode de réalisation d'une électrovalve conforme à la présente invention, et
- La Figure 2 représente schématiquement un circuit hydraulique mettant en oeuvre l'électrovalve de la Figure 1.

L'électrovalve représentée sur la Figure 1, et désignée dans son ensemble par la référence A, comporte un bobinage électrique 10 susceptible de faire circuler un flux magnétique dans deux pièces polaires 12 et 14. Le bobinage 10 est situé dans un volume délimité extérieurement par une carcasse cylindrique en matériau magnétique 16 et intérieurement par un manchon cylindrique en matériau amagnétique 18, des joints assurant l'étanchéité entre le manchon 18 et chacune des pièces polaires 12 et 14.

Ainsi assemblées, les pièces polaires 12 et 14 définissent un alésage interne commun 20, dans lequel coulisse, par l'intermédiaire d'un manchon fin 21 en matériau amagnétique, un noyau magnétique 22, par exemple en acier doux ou très doux, soumis au flux magnétique circulant dans les pièces polaires 12 et 14 et dans la carcasse 16 de façon à former un circuit magnétique pratiquement fermé.

La pièce polaire 14 est conformée de façon à ce que l'électrovalve A ait un fonctionnement du type proportionnel. De façon plus précise, on sait que le bobinage des électrovalves de ce type présente la caractéristique essentielle de pouvoir fournir un effort sensiblement constant pour un courant déterminé dans une plage de déplacement appréciable du noyau magnétique 22, de l'ordre de plusieurs millimètres. Cette caractéristique est mise à profit dans la présente invention pour assurer la fonction recherchée de modulation de débit par la modulation du courant électrique circulant dans le bobinage 10.

Une électrovalve de ce type présente alors l'avantage de pouvoir être commandée en faisant simplement varier le courant circulant dans le bobinage sans faire battre la partie mobile, et sans provoquer d'à-coups de pression dans le circuit hydraulique. De plus, une telle électrovalve peut facilement être commandée par un microprocesseur assurant par exemple un découpage d'un courant continu à une fréquence variable, ou à une fréquence fixe et avec un rapport cyclique variable.

Le noyau magnétique 22 est solidaire d'un poussoir 24 traversant la pièce polaire 14, et faisant saillie à travers une bague 25 à l'intérieur d'un alésage borgne 26 formé dans un corps 28 solidaire de la carcasse 16. L'alésage 26 peut être formé directement dans le corps 28, ou, comme on l'a représenté sur la Figure 1, être formé à l'intérieur d'une chemise 30 insérée dans le corps 26, et qui peut être également insérée dans la pièce polaire 14, assurant ainsi avantageusement la parfaite coaxialité de l'ensemble.

Une douille 32, comportant une paroi cylindrique 34 et un fond 36, est susceptible de coulisser dans l'alésage 26, et délimite dans cet alésage deux chambres 35 et 37. La douille 32 est soumise d'une part à l'action d'un ressort de compression 38 dans la chambre 35, interposé entre le fond 36 de l'alésage borgne 26 et le côté extérieur du fond 36 de la douille 32, et d'autre part à l'action contraire d'un ressort de compression 40 dans la chambre 37, interposé entre le côté intérieur du fond 36 de la douille 32 et une coupelle 42, elle-même en appui sur l'extrémité du poussoir 24.

La précontrainte au repos du ressort 40 étant nulle, la douille 32, dans la position de repos, est en appui sur la bague 25, dans sa position la plus éloignée du fond 36 de l'alésage 26, sous l'effet de la précontrainte au repos du ressort 38.

Un conduit d'entrée 44 débouche dans la chambre 35, à une extrémité de l'alésage 26, par exemple dans le fond 36 de cet alésage. Le conduit 44 est destiné à être relié à une source de fluide sous haute pression.

Un conduit de sortie 46 débouche dans la chambre 37, à l'autre extrémité de l'alésage 26, au voisinage de la bague 25. Ce conduit 46 est destiné à être relié à un circuit hydraulique utilisateur, et il est obturé, dans la position de repos de l'électrovalve représentée sur la Figure 1, par l'extrémité arrière 33 de la paroi cylindrique 34 de la douille 32.

Des filtres 48 pourront avantageusement être disposés dans les conduits 44 et 46 pour éviter l'intrusion d'impuretés à l'intérieur de l'électrovalve et/ou du circuit utilisateur.

Enfin, un orifice calibré 50, formant un restricteur de débit, est pratiqué dans le fond 36 de la douille 32, pour faire communiquer les chambres d'entrée 35 et de sortie 37.

L'électrovalve dont la structure vient d'être décrite fonctionne de la manière suivante.

Au repos, c'est à dire en l'absence de courant électrique circulant dans le bobinage 10, les différents éléments composant l'électrovalve occupent la position représentée sur la Figure 1. En particulier, comme on l'a déjà vu, la précontrainte au repos du ressort 38 supérieure à celle du ressort 40 maintient la douille 32 en appui sur la bague 25, obturant ainsi le conduit de sortie 46. La bague 25 pourra avantageusement être réalisée en un matériau plastique ou élastomère pour assurer, dans cette position de repos, l'étanchéité entre la chambre 37 et le conduit de sortie 46.

Le fluide sous haute pression arrivant par le conduit d'entrée 44 dans la chambre 35 traverse l'orifice calibré 50 et pénètre dans la chambre 37, où règne alors, dans cette position de repos, la même pression que dans la chambre 35
Lorsqu'un calculateur décide d'alimenter le circuit utilisateur en fluide sous pression, il commande alors l'augmentation du courant dans le bobinage 10. Ce courant engendre, par l'intermédiaire des pièces polaires 12 et 14, une force sur le noyau magnétique 22 et sur le poussoir 24 qui se déplace à l'encontre de l'action des ressorts 40 et 38.

La raideur du ressort 40 dans la chambre 37 étant supérieure à celle du ressort 38 dans la chambre 35, le poussoir 24 va alors déplacer à son tour la douille 32, une certaine quantité de fluide passant de la chambre 35 à la chambre 37 à travers l'orifice calibré 50.

En effet, dans cette première phase de fonctionnement de l'électrovalve, la douille 32 adopte en permanence une position telle que la résultante des forces antagonistes exercées sur elle par les ressorts 38 et 40 soit nulle. Elle se déplace ainsi d'une longueur directement proportionnelle à la longueur du déplacement du poussoir 24.

La douille 32 se déplace donc d'une distance D jusqu'à ce que son extrémité 33 arrive au niveau d'une lumière 52, formée dans l'exemple représenté dans la chemise 30, et communiquant avec le conduit de sortie 46.

La distance D est prédéterminée pour qu'elle corresponde sensiblement à une des limites de la plage de déplacement du noyau magnétique 22, évoquée plus haut, et pour laquelle le fonctionnement de l'électrovalve est de type proportionnel.

Autrement dit, les caractéristiques du bobinage 10 et des pièces polaires 12 et 14 sont prédéterminées pour qu'à cet instant du fonctionnement, l'intensité Io du courant circulant dans le bobinage 10 engendre sur le noyau magnétique 26 et le poussoir 24 une force 0 égale et de sens opposé à une force Fo égale à la somme des forces F38,0 exercée par le ressort 38 sur la douille 32 et F40 () exercée par le ressort 40 entre la douille 32 et le poussoir 24. Dans une deuxième phase de fonctionnement, pour toute valeur I de l'intensité du courant supérieure à
Io, le noyau magnétique 22 et le poussoir 24 seront soumis à une force proportionnelle à la quantité (I-Io).

Dans cette deuxième phase de fonctionnement, I'intensité du courant circulant dans le bobinage 10 augmentant, la force augmente et provoque le déplacement de la douille 32 au delà de la distance D, en comprimant les ressorts 38 et 40.

L'extrémité arrière 33 de la douille 32 découvre ainsi la lumière 52, permettant au fluide contenu dans la chambre 37 de s'écouler par le conduit 36 vers le circuit utilisateur. n y a donc à cet instant établissement d'un débit de fluide à travers l'électrovalve, entre les conduits d'entrée 44 et de sortie 46.

Un tel débit s'établit donc à travers l'orifice calibré 50. On sait qu'un tel orifice calibré induit une perte de charge, c'est à dire une pression en aval, dans la chambre 37, inférieure à la pression en amont, dans la chambre 35, et répondant à la formule

où : Q est le débit de fluide traversant l'orifice calibré 50,
K est une constante de proportionnalité,
a est un coefficient d'orifice, constant, et
Ap est la différence entre les pressions de part et d'autre de l'orifice 50.

La différence de pressions Ap entre les deux chambres 35 et 37 exerce d'autre part sur le fond 36 de la douille 32 une force d'origine hydraulique FH, dirigée dans le sens de l'écoulement, c'est à dire vers le poussoir 24, selon la formule: Fff=ApS où : S est la section de l'alésage 26.

On voit donc que la perte de charge induite par l'orifice calibré 50 résulte en une force
FH sur la douille 32, selon la formule:

Cette force d'origine hydraulique FH s'ajoute à la force mécanique
FR = F38 + F40
résultant de l'action combinée des ressorts 38 et 40, pour s'exercer sur le poussoir 24.

Le poussoir 24 pourra alors comprimer les ressorts 38 et 40 d'une quantité d, en ayant à vaincre un effort résistant
F= FUR +FI supérieur à Fg, et proportionnel à la valeur d de la compression des ressorts 38 et 40 et au débit de fluide traversant l'orifice calibré 50. La raideur des ressorts 38 et 40 sera alors prédéterminée pour réaliser en permanence l'équilibre des forces F et (tu sur le poussoir 24 et l'équilibre des forces FR et FH sur la douille 32, et obtenir ainsi un fonctionnement optimal de l'électrovalve.

Il résulte des explications qui précèdent qu'une variation de débit à travers l'orifice calibré 50 provoque une variation proportionnelle de la force FH sur la douille 32 et sur le poussoir 24 par l'intermédiaire du ressort 40, et qu'inversement une variation de la force exercée par le poussoir 24 sur la douille 32 par l'intermédiaire du ressort 40 provoquera une variation proportionnelle du débit Q.

On obtient en effet la relation finale:

où la force (tu est proportionnelle au courant (1-1(,) circulant dans le bobinage 10.

Dans la plage de fonctionnement proportionnel de l'électrovalve, où le noyau magnétique 22 ne se déplace que de quelques millimètres, les forces F38 et F40 varient très peu devant la variation de la force 4).

Il s'ensuit que lorsque l'on augmente l'intensité du courant I circulant dans le bobinage 10, le débit de fluide traversant l'orifice calibré 50 augmente proportionnellement, et que de même on peut faire diminuer ce débit en diminuant simplement l'intensité du courant circulant dans le bobinage 10.

En particulier, lorsque l'on désire interrompre la fourniture de fluide au circuit utilisateur, il suffit de faire décroître cette intensité en dessous de la valeur b pour que l'extrémité 33 de la douille 32 vienne recouvrir la fenêtre 52, et obturer le conduit de sortie 46.

On comprend ainsi qu'en modulant de façon appropriée l'intensité du courant circulant dans le bobinage 10, le noyau magnétique 26 et le poussoir 24 vont piloter la douille 32 de sorte que le débit de fluide dans le conduit de sortie 46 adopte une valeur qui est fonction de l'intensité du courant circulant dans le bobinage 10. On pourra ainsi alimenter un circuit utilisateur en fluide sous pression avec un débit ayant exactement la valeur désirée, proportionnelle à l'intensité du courant circulant dans le bobinage 10.

Bien entendu, lorsque l'extrémité 33 de la douille 32 découvre la lumière 52 pour offrir un passage au fluide sous pression, la section de ce passage est, dans toutes les positions de la douille 32, toujours supérieure à la section de l'orifice calibré 50, de façon à ce que ce dernier soit le seul à avoir une influence sur le débit de fluide, comme on vient de l'exposer. On pourra à cet effet prévoir un certain nombre de lumières régulièrement réparties tout autour de l'extrémité 33 de la douille, et débouchant dans une gorge annulaire communiquant avec le conduit de sortie 46.

On a représenté schématiquement sur la Figure 2 un exemple de circuit utilisateur, qu'on désire alimenter en fluide sous pression avec un débit prédéterminé. Un tel circuit est constitué par exemple d'un circuit d'alimentation d'un vérin hydraulique V à double effet, dont on veut que le piston se déplace avec une vitesse prédéterminée.

De tels vérins sont utilisés dans de nombreuses applications, et par exemple pour assurer la direction des roues arrière d'un véhicule automobile, ou pour modifier l'assiette d'un tel véhicule.

Le circuit hydraulique comporte deux électrovalves A et A' identiques à celle qui vient d'être décrite. Les différents éléments de l'électrovalve A' sont repérés par les mêmes signes de référence que ceux de l'électrovalve A, affectés d'un prime .

Les conduits d'alimentation 44 et 44' sont reliés à une source de fluide sous haute pression 100, comprenant par exemple une pompe 110 et un accumulateur 112, par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 114, la pompe 110 puisant dans un réservoir de fluide sous basse pression 116.

Les conduits de sortie 46 et 46' sont reliés aux chambres 118 et 118' respectivement du vérin V, par l'intermédiaire de deux électrovalves à trois voies et deux positions E et E' respectivement.

Chaque électrovalve E, E' comprend une bille 120, 120' mettant sélectivement les chambres 118, 118' du vérin V en communication avec les conduits de sortie 46, 46' des électrovalves A, A' ou avec le réservoir 116.

Chaque bille 120, 120' est pilotée par un poussoir 122, 122' soumis à l'action d'un solénoïde 124, 124'. Les bobinages 10 et 10', ainsi que les solénoïdes 124 et 124', sont reliés aux sorties d'un calculateur ou d'un microprocesseur (non représenté).

Les chambres 118, 118' du vérin V sont séparées par un piston 126 solidaire d'une tige
128 d'actionnement d'un dispositif mécanique D. Un capteur 130 est disposé sur la tige 128 du vérin V pour en mesurer la position à tout instant. Un tel capteur peut être constitué simplement par exemple par un potentiomètre linéaire.

Ainsi, lorsque l'on désire actionner le dispositif mécanique D à une vitesse constante, la tige 128 du vérin V se déplaçant par exemple vers le bas sur la Figure 2, le calculateur commande alors la mise en marche de la source de fluide 100 et l'excitation des électrovalves A et E'.

L'électrovalve E étant au repos permet la communication entre le conduit de sortie 46 de l'électrovalve A et la chambre 118 du vérin V, et donc l'alimentation en fluide sous pression de cette chambre 118.

L'électrovalve E' étant excitée permet la communication entre la chambre 118' du vérin
V et le réservoir de fluide sous basse pression 116, tandis que l'électrovalve A' étant au repos interdit la communication entre ses conduits d'entrée 44' et de sortie 46'. Le fluide contenu dans la chambre 118' peut donc retourner au réservoir 116.

Le piston 126 du vérin peut donc se mouvoir sous l'effet de l'admission de fluide dans la chambre 118. La position de la tige 128, et donc du piston 126, est mesurée en permanence par le capteur 130, et cette information est injectée à l'entrée du calculateur. Ce dernier, par un calcul simple de dérivation, pourra en déduire à chaque instant la vitesse de déplacement de la tige du vérin V.

Si le calculateur détecte une vitesse trop importante de la tige 128 du vérin, il commande alors une diminution du courant circulant dans le bobinage 10 de l'électrovalve A, ce qui a pour effet, comme on l'a vu plus haut, de diminuer le débit de fluide fourni par cette électrovalve à la chambre 118 du vérin, et par conséquent de ralentir le mouvement de la tige 128.

De même, si la vitesse de la tige 128 est estimée trop faible, le calculateur commande une augmentation du courant dans le bobinage 10 pour augmenter le débit de fluide fourni à la chambre 118, et donc la vitesse de la tige 128.

On voit donc bien que l'électrovalve de l'invention permet très facilement de contrôler le débit de fluide dans un circuit hydraulique, et par exemple la vitesse de déplacement d'une tige de vérin hydraulique, par la simple commande du courant électrique alimentant cette électrovalve.

De plus, la sécurité du dispositif mécanique commandé D est assurée dans tous les cas.

En effet, en cas de défaillance de l'électrovalve, du calculateur, de la source d'énergie électrique ou de la source de fluide sous haute pression, toutes les électrovalves reprennent leur position de repos illustrée sur la Figure 2. Dans cette position, les électrovalves A et A' interdisent la communication entre leurs conduits d'entrée 44, 44' et leurs conduits de sortie 46, 46', et les électrovalves E et E' interdisent la communication avec le réservoir de fluide sous basse pression 116.

Dans cette hypothèse de défaillance, les chambres 118 et 118' du vérin V sont donc totalement isolées du reste du circuit hydraulique, de sorte que le piston 126 et la tige 128 restent bloqués dans la position qu'ils avaient au moment où est apparue la défaillance, de sorte que tout mouvement ultérieur du dispositif mécanique D est impossible.

On voit également que l'électrovalve de l'invention fonctionne en centre fermé , puisque, en position de repos, il n'y a aucune circulation de fluide La consommation en énergie est donc limitée aux périodes de fonctionnement. De plus, le circuit en amont de l'électrovalve étant en permanence sous pression, la réaction de l'électrovalve lorsqu'elle est actionnée est très rapide.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été décrit, et son application n'est pas limitée au circuit utilisateur qui a été décrit, mais elle est susceptible au contraire de recevoir de nombreuses modifications qui apparaîtront à l'homme du métier et qui rentrent dans le cadre des revendications annexées, et elle pourra être utilisée dans de nombreux circuits dans lesquels on désire contrôler ou réguler le débit de fluide.

Claims (6)

REVENDICATIONS

1 - Electrovalve de régulation de débit pour un circuit hydraulique, comportant un bobinage électrique (10) coopérant avec un noyau magnétique mobile (22) sous l'effet d'une force d'actionnement () par un champ magnétique créé par le bobinage électrique (10), et un élément de régulation de débit (32) entre une chambre d'entrée (35) reliée par un conduit d'entrée (44) à au moins un générateur de fluide sous haute pression (100) et une chambre de sortie (37) reliée par un conduit de sortie (46) à un circuit utilisateur (V), caractérisée en ce que l'élément de régulation de débit (32) comporte un orifice calibré (50) provoquant une perte de charge entre la chambre d'entrée (35) et la chambre de sortie (37) exerçant sur l'élément de régulation de débit (32) une force d'origine hydraulique (FH) opposée à la force d'actionnement ((t > ).

2 - Electrovalve de régulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'élément de régulation de débit (32) est disposé entre un ressort de compression (38) dans la chambre d'entrée (35) et un ressort de compression (40) dans la chambre de sortie (37).

3 - Electrovalve de régulation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le ressort de compression (38) dans la chambre de sortie (37) est soumis à la force d'actionnement (a)).

4 - Electrovalve de régulation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le ressort de compression (38) dans la chambre de sortie (37) est en appui sur une coupelle (42) en appui sur un poussoir (24) solidaire du noyau magnétique mobile (22).

5 - Electrovalve de régulation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'élément de régulation de débit (32) est susceptible de coulisser dans un alésage (26), et comporte une extrémité (33) obturant, dans la position de repos de l'électrovalve (A), une communication (52) entre la chambre de sortie (37) et le conduit de sortie (46).

6 - Circuit hydraulique comprenant au moins un générateur de fluide sous haute pression (100), un réservoir de fluide sous basse pression (116) et un circuit utilisateur (V), caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrovalve de régulation (A) selon l'une quelconque des revendications précédentes.