EP0276188A2 - Servovalve électrohydraulique pour la commande asservie d'un actionneur hydraulique, notamment dans les servomécanismes de commande de vol des aéronefs - Google Patents

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EP0276188A2
EP0276188A2 EP88400129A EP88400129A EP0276188A2 EP 0276188 A2 EP0276188 A2 EP 0276188A2 EP 88400129 A EP88400129 A EP 88400129A EP 88400129 A EP88400129 A EP 88400129A EP 0276188 A2 EP0276188 A2 EP 0276188A2
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EP
European Patent Office
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jacket
shaft
distributor
hydraulic
servovalve
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EP88400129A
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German (de)
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EP0276188B1 (fr
EP0276188A3 (en
Inventor
Gérard Devaud
Arnaud Libault De La Chevasnerie
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Societe dApplications des Machines Motrices SAMM SA
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Societe dApplications des Machines Motrices SAMM SA
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Publication of EP0276188A3 publication Critical patent/EP0276188A3/fr
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    • Y10T137/86638—Rotary valve
    • Y10T137/86646—Plug type

Definitions

  • the present invention relates to an electrohydraulic servovalve intended for the control of a hydraulic device, either rotary for example a hydraulic motor, or linear for example a jack.
  • the invention therefore aims to provide a servovalve of the above type, in which the above disadvantages are eliminated.
  • the orifices and hydraulic conduits formed respectively in the body and in the jacket pass through the same common radial plane.
  • This arrangement provides the distributor with a better compactness than if these orifices and conduits were distributed axially, therefore reduces the bulk and increases the rigidity of the distributor.
  • the rotary movement is the same for all the moving parts, these being arranged coaxially with one another: motor magnets- torque, distributor shaft, moving element of the detector, for example the cursor of an electric potentiometer or a ferrite core in the case of an inductive position detector.
  • the magnets are preferably made of rare earths, and the core of the torque motor thus produced is welded to the distributor shaft, preferably by electron bombardment or by laser.
  • two diametrically opposite radial bores formed in the body, open into two corresponding openings in the jacket located in the same radial plane as said bores, and communicate with pipes for supplying hydraulic fluid.
  • under pressure and in the inner wall of the body facing the jacket are formed two longitudinal recesses passing through the same radial plane as the aforementioned lights and bores, connected by an annular recess and one of which opens into a terminal bore the end of the jacket connected to a first connecting pipe with the hydraulic device.
  • the electrohydraulic servovalve is intended to ensure the controlled control of a hydraulic actuator, rotary such as a hydraulic motor, or linear such as a hydraulic cylinder.
  • This actuator can itself drive an element which is mechanically integral with it, such as an aircraft control surface.
  • the output voltage of the detector 3 is connected to the input of the adder 4. This voltage is of opposite sign to that of the control voltage E.
  • the summator 4 and the amplifier 5 are well known means and which do not require any particular description. These two elements can be integrated into the servo-valve as shown, by means of hybrid electronic circuits, or else separated from the servo-valve itself.
  • the torque motor 1, also of known type, is schematically represented by windings 6 and a magnet 7. It is the same for the rotary detector 3, which can be inductive. In this case ( Figure 1), an external excitation voltage is applied to a primary winding 8a and an output voltage is obtained on the secondary winding 8b by coupling with a ferrite core 9 integral in rotation with the shaft 10 .
  • the detector 3b can also be a potentiometer: in this case, it is provided with a resistant track 8c and with a cursor 3a integral in rotation with the shaft 10.
  • the hydraulic fluid under pressure P enters the distributor 2 as indicated by the arrow P, leaves it as indicated by the arrow R towards the tank, after having supplied the hydraulic actuator by input U1 and output U2, or vice-versa, depending on the direction of control of distributor 2.
  • Amplifier 5 is either integrated into the assembly or separate, but in both cases connected to its output with the various windings 6 of the torque motor 1 on the one hand, and at its input to the position detector 3 via the adder 4.
  • the system thus produced constitutes an electro-hydraulic servo-distribution set called "direct-acting servovalve”.
  • the equilibrium position of this servovalve is defined by an angle of rotation of the different rotating parts of the motor 1, of the distributor 2 and of the detector 3, an angle whose amplitude is proportional to the voltage E applied to the input. of the summator 4.
  • the polarity of the command signal to the summator 4 triggers the simultaneous rotation of the magnets 7, of the shaft 10 and of the magnet 9, coaxial and integral in rotation, the sign of this angle of rotation depending on said polarity.
  • the system When the voltage returned by the detector 3 to the adder 4 is equal and opposite to the voltage E, the system remains controlled in equilibrium in the angular position of the shaft 10 and of the rotor 9.
  • the detector is an electric potentiometer 3b ( Figure 2), the central shaft 10 is integral with the cursor 3a of this potentiometer, which makes it possible to detect the angular position reached after application to the servovalve of a determined voltage E.
  • the hydraulic fluid arriving at P towards U1 or U2 and arriving at the outlet R via U2 or U1 the flow rate of the fluid supplied by the distributor 2 to the actuator, to which its orifices U1, U2 are connected, is directly proportional to the tension E applied.
  • This servovalve comprises a hollow body 11, of general axis XX, inside which are housed the torque motor 1, the rotary distributor 2, and at one end of which is fixed the position detector, for example the potentiometer 3b provided of the cursor 3a, fixed to the body 11 by screws 12.
  • the body 11 preferably cylindrical, has an approximately cylindrical end portion 13, of smaller diameter than the rest 14 of the body 11, and which is an integral part of the rotary distributor 2 described in detail below.
  • Annular ribs 20, 30 project from part 13 and serve to delimit grooves for insulating annular seals as well as the supply and return grooves P R.
  • the windings 6 of the torque motor 1 are arranged in part 14 of larger diameter of the body 11, coaxial to the axis XX around magnets 7 fixed to the shaft 10 of the distributor 2. Beyond the magnets 7, the shaft 10 is extended by an end portion 16 inside a cylindrical jacket 17 housed in the terminal part 13.
  • the end 16 of the shaft 10 has a portion 18 with a square profile whose vertices 18a-18d are rounded ( Figures 3 and 4) and which can rotate inside the shirt 17 with these four rounded tops sliding in leaktight fashion on the inner wall thereof.
  • the hydraulic fluid enters the distributor 2 at the supply pressure P by a first radial bore 19, is conveyed to the actuator (not shown) by end orifices 21, 22 (uses U1, U2), and returns to pressure tank R by a hole 23 in part 13.
  • these four openings 19, 21, 22, 23 have been shown in the same plane only for reasons of convenience of description and do not correspond to an industrial embodiment, because as can be seen in Figures 4 to 8, the orifices 19, 21, 22, 57 are actually distributed in four different axial planes.
  • Figure 3 shows in the same axial plane the dispenser as shown in Figures 6 and 8, the uses U1, U2 being brought back in the plane of Figure 12 for the convenience of interpretation.
  • the end portion 13 has two diametrically opposite radial holes 19, respectively served by the hydraulic fluid at the supply pressure P by pipes 24, 25.
  • the holes 19 open into two corresponding holes 26 in the jacket 17, diametrically opposite.
  • two other holes 27 are arranged in the part 13 opening into two corresponding radial slots 28 in the jacket 17, and which communicate with respective pipes 29 for the return of the fluid, to the pressure R towards the tank (not shown).
  • two other diametrically opposite holes 31 are formed in the part 13, opposite corresponding radial openings 32 of the jacket 17.
  • the holes 31 communicate with respective pipes 33, 34, which lead to a single pipe 35 opening into a chamber 36 of a double-acting hydraulic cylinder 37, the piston 38 integral with two coaxial rods 39 defines two chambers 36, 41.
  • the part 13 has two holes 42 diametrically opposite, opposite which two corresponding openings 43 of the jacket 17 are formed, and which communicate with two respective pipes 44, 45 which join in a single pipe 46 opening into the chamber 41 of the jack 37.
  • the rounded tops 18a, 18b, 18c, 18d of the portion 18 of square section of the shaft 10 close, in the position shown in Figure 3, respectively the slots 26, 28, 26, 28, so that no fluid n e enters or leaves the distributor 2 which is thus at rest.
  • the holes (19, 27, 31, 42) of the part 13 and the associated slots (26, 28, 32, 43) of the liner 17 all pass through the same common radial plane of the distributor 2 which is that of FIG. 3. These holes and lights are also symmetrical two by two.
  • the fluid contained in the chamber 36 is correspondingly discharged from the jack 37 by the pipes 35, 34 and 33 in the holes 31 and the associated lights 32.
  • the fluid penetrates from there into the jacket 17 and exits therefrom the lights 28 and the holes 27, at the discharge pressure R, through the pipes 29.
  • the inner wall of the end portion 13 has two longitudinal recesses 48, 49 ( Figures 8 and 9) connected by an annular recess 51, and one of which, at namely the recess 48, opens into the terminal bore 21 of the end 17a of the jacket 17.
  • the bore 21 therefore communicates on the one hand with one end of the recess 48, and on the other hand with one of the lines 35 and 46, namely in the example described and taking into account the partial correspondence between Figures 3 and 4 to 11, the pipe 46 (use U1).
  • the arrows shown in Figure 8 therefore indicate the direction of circulation of the fluid from the holes 19 and the lights 26 to the pipe 46, through the lights 32 and the recesses 48, 49 when the shaft 10 has rotated by a sufficient angle in counterclockwise A.
  • the inner wall of the end portion 13 also has two other longitudinal recesses 52, 53 parallel to the axis XX and connected by an annular recess 54 ( Figures 6 and 9 to 11), which communicates respectively with the radial slots 43.
  • the recess 53 opens at its opposite end into the second terminal bore 22 of the end 17a of the jacket 17, similar to the first bore 21.
  • the bore 22 is connected to a supply or return pipe for the hydraulic actuator 37, namely in the example described the pipe 35, taking into account the partial correspondence between Figures 3 and 4 to 12.
  • two diametrically opposite longitudinal recesses 55, 56 which communicate at one of their ends, with the two radial slots 28 and, at their opposite ends, with two radial openings 57 of the part 13 of the body 11, also diametrically opposite, and connected to the return line 29 at the pressure R.
  • the recess 55 is formed between the recesses 52 and 48, while the recess 56 is formed between the recesses 49 and 53 ( Figure 9).
  • the recess 55 may alternatively be extended by an extension 55a ( Figures 7 and 9).
  • the arrows shown in Figure 7 indicate the direction of flow of the fluid through the lights 28 and the recesses 55, 56 to the tank.
  • the orifices and hydraulic conduits formed in the jacket 17 and in the body 13 pass through the same common radial plane, which is that of Figure 4 (plane 4-4 of Figure 8), except the holes 21, 22 and 57. These are therefore the holes 19, the recesses 53, 56, 49 and the lights 26, 43, 28, 32.
  • roller bearings 65 are interposed between the jacket 17 and the shaft 10, on either side of the slots 26 and a single annular seal 66 is placed between the shaft 10 and the jacket 17, near the 'end of the latter next to the magnet 7, provides sealing.
  • the terminal part 10a of the shaft 10 contiguous to the detector 3b is mounted on a pair 67, 68 of respective ball bearings 69, 71.
  • the balls of each bearing 67, 68 are supported on bearing surfaces 69a, 69b, 71a, 71b diametrically opposite of the corresponding bearings. These bearing surfaces are offset axially so that, in each axial plane, such as that of FIG.
  • the bearings 67, 68 are housed in bottom parts 72, 73 assembled together by screws 74 and to the body by screws 12.
  • the servovalve according to the invention has the following: - the symmetry of the hydraulic conduits balances the static hydraulic forces on the distributor 2, and eliminates the risks of sticking, commonly encountered on linear and rotary drawers which do not have this arrangement; - The presence of the rollers 65 prevents any metal-metal friction contact between the movable part 18 and the fixed part (jacket 17).
  • the arrangement of the bearings with their X-shaped bearing allows the axial forces to be taken up in both directions. These forces can result, in the direction of the distributor 2 towards the bearings 67, 68, from the summation of the hydraulic forces exerted on the distributor 2, and from accelerations external to the servovalve. In the direction of bearings to distributor, these forces result from accelerations in opposite directions exerted on the servovalve.
  • the resumption of the above-mentioned hydraulic axial forces also makes it possible to remove a seal on one of the surfaces of the distributor 2, a single seal 66 then being necessary.
  • the control angles of the distributor 2 (rotation angles of the shaft 10) are compatible with the angles of optimum characteristics (10 to 15 degrees) of a torque motor such as 1; - the torque motor 1 is directly coupled to the distributor 2, without a mechanical conversion interface.
  • the second embodiment of the servovalve shown in Figure 13 comprises several synchronized torque motors 58, namely four in this example, each associated with a position detector 59 and a single central shaft 61.
  • the two opposite ends of the latter each order a rotary hydraulic distributor 62 for supplying two corresponding receiving hydraulic devices not shown, for example the two chambers of a double hydraulic cylinder such as the cylinder 37.
  • the distributors 62 are known per se (for example by American patent n o 4 335 745) and therefore do not require a particular description.
  • the number of torque motors 58 and associated amplifiers 59 can be arbitrary, such a system making it possible to satisfy the redundancy conditions required in aircraft flight control servomechanisms for safety reasons.

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Abstract

Cette servovalve comprend en combinaison un moteur couple rotatif (1) à débattement angulaire limité, un distributeur hydraulique (2) pouvant alimenter l'actionneur en fluide et comportant un arbre rotatif (10) relié coaxialement au moteur couple (1), un détecteur (3) de la position angulaire de l'arbre (10) coaxial à cet arbre, un sommateur (4) associé à un amplificateur électronique (5) relié au moteur-couple (1) et susceptible de recevoir une tension de commande (E) déterminée, la sortie du détecteur (3) étant reliée à l'entrée du sommateur (4). Les orifices et conduits hydrauliques ménagés dans le corps (11) et la chemise (17) du distributeur (2) convergent dans un même plan radial commun, ce qui réduit l'encombrement axial de ce dernier et en accroît la compacité et la rigidité.

Description

  • La présente invention a pour objet une servovalve électrohydraulique destinée à la commande d'un dispositif hydraulique, soit rotatif par exemple un moteur hydraulique, soit linéaire par exemple un vérin.
  • On connait divers types de systèmes d'asser­vissement susceptibles d'assurer cette fonction, qui généralement comprennent des jeux d'embiellages ou d'engrenages entre l'élément moteur et l'élément de distribution. Ces asservissements antérieurs présen­tent un certain nombre de sérieux inconvénients : l'existence de bielles ou d'engrenages est préjudi­ciable à la précision de la commande, en raison de l'existence inévitable de jeux dans ces moyens de transmission. De plus, dans ces dispositifs se pro­duisent nécessairement des frottements, qui nuisent au rendement de l'ensemble asservi. Enfin, les systèmes connus sont encombrants et relativement lourds. Tous ces inconvénients sont encore plus sensibles lorsque l'asservissement est utilisé sur des aéronefs (héli­coptères, avions, missiles, lanceurs), domaine dans lequel les contraintes et impératifs sont particuliè­rement poussés.
  • L'invention a donc pour but de réaliser une servovalve du type ci-dessus, dans laquelle les désa­vantages précédents sont éliminés.
  • La servovalve électrohydraulique visée par l'invention comprend :
    • a) un moteur couple rotatif à débattement angulaire limité;
    • b) un distributeur hydraulique comportant un arbre rotatif relié coaxialement au moteur couple, ce distributeur pouvant alimenter en fluide hydraulique le dispositif précité;
    • c) un détecteur de la position angulaire de l'arbre du distributeur, monté coaxialement à cet ar­bre de telle sorte que le moteur couple, le distribu­teur hydraulique et le détecteur aient leurs parties tournantes coaxiales et solidaires en rotation;
    • d) un sommateur associé à un amplificateur électronique relié au moteur couple et susceptible de recevoir une tension de commande déterminée, la sortie du détecteur étant reliée à l'entrée du sommateur afin que la tension électrique de sortie du détecteur abou­tisse au sommateur, cette servovalve comportant de plus un corps creux à l'intérieur duquel sont logés le moteur-couple et le distributeur rotatif, et à une ex­trémité duquel est fixé le détecteur de position, le moteur couple comporte un bobinage d'excitation d'aimants fixés à l'arbre rotatif du distributeur, et l'arbre est disposé axialement dans une chemise cy­lindrique elle-même placée dans le corps coaxialement à l'arbre, des orifices et des conduits d'un circuit hydraulique de commande du dispositif hydraulique étant ménagés dans cette chemise ainsi que dans le corps.
  • Suivant l'invention, les orifices et con­duits hydrauliques ménagés respectivement dans le corps et dans la chemise passent par un même plan radial commun.
  • Cette disposition assure au distributeur une meilleure compacité que si ces orifices et conduits étaient répartis axialement, diminue donc l'encombre­ment et accroît la rigidité du distributeur.
  • Par ailleurs dans la servovalve selon l'in­vention, le mouvement tournant est le même pour toutes les parties mobiles, celles-ci étant disposées coaxialement les unes aux autres : aimants du moteur-­ couple, arbre du distributeur, élément mobile du dé­tecteur, par exemple le curseur d'un potentiomètre électrique ou un noyau de ferrite dans le cas d'un détecteur de position inductif. Ainsi, les jeux et frottements générés par les systèmes de conversion antérieurs sont complètement supprimés, ce qui garantit à la servovalve notamment un degré de précision et de fiabilité plus élevé.
  • Les aimants sont de préférence réalisés en terres rares, et le noyau du moteur-couple ainsi réa­lisé est soudé à l'arbre du distributeur, de préfé­rence par bombardement électronique ou au laser.
  • Suivant d'autres particularités de l'inven­tion, deux perçages radiaux diamétralement opposés, ménagés dans le corps, débouchent dans deux lumières correspondantes de la chemise situées dans le même plan radial que lesdits perçages, et communiquent avec des canalisations d'alimentation en fluide hydraulique sous pression, et, dans la paroi intérieure du corps en regard de la chemise sont ménagés deux évidements longitudinaux passant par le même plan radial que les lumières et perçages précités, reliés par une creusure annulaire et dont l'un débouche dans un perçage ter­minal de l'extrémité de la chemise relié à une pre­mière canalisation de liaison avec le dispositif hy­draulique. Ces évidements communiquent d'autre part avec des lumières radiales correspondentes, diamétra­lment opposées, agencées dans la chemise, et lesdits évidements ainsi que les lumières correspondantes de la chemise d'un part, et lesdits perçages radiaux et lumières en regard de la chemise peuvent être mis en communication par une rotation dans le sens approprié de l'arbre convenablement profilé du distributeur, et tous ces perçages, lumières et évidements sauf le perçage terminal de la chemise, passent par un même plan radial.
  • D'autres évidements et creusures, qui seront décrits ci-après, sont formés dans la paroi intérieure du corps pour constituer le circuit hydraulique, en combinaison avec les lumières de la chemise. Le corps est obtenu par usinage chimique ou fonderie particu­lière, telle que la fonderie à cire perdue, procédés qui permettent la réalisation des évidements voulus dans sa paroi intérieure.
  • D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent plusieurs modes de réalisation à titre d'exemples non limitatifs :
    • - la Figure 1 est un schéma illustrant le principe de la servovalve selon l'invention;
    • - la Figure 1A est un schéma électronique mon­trant une variante du détecteur rotatif de position visible à la Figure 1;
    • - la Figure 2 est une vue en coupe axiale avec arrachements d'un premier mode de réalisation de la servovalve selon l'invention;
    • - la Figure 3 est une vue en coupe transver­sale de la servovalve selon l'invention et d'un schéma fonctionnel de son circuit hydraulique relié à un vérin, ce circuit hydraulique étant ainsi représenté pour faciliter la compréhension, mais ne correspondant pas à une réalisation industrielle effective de la servovalve;
    • - la Figure 4 est une vue en coupe trans­versale de la servovalve suivant 4-4 de la Figure 8;
    • - les Figures 5, 6, 7, 8 sont des vues en coupe transversale suivant respectivement 5-5, 6-6, 7-7 et 8-8 de la Figure 4;
    • - la Figure 9 est une vue en développé dans un plan de la paroi intérieure du corps de la servo­valve des Figures 2 à 8;
    • - la Figure 10 est une vue mi-coupe, mi-élé­vation du corps seulement de la servovalve, suivant 5-5 de la Figure 4;
    • - la Figure 11 est une vue en coupe axiale et élévation du corps de la servovalve suivant 11-11 de la Figure 10, ce plan correspondant au plan 7-7 de la Figure 4;
    • - la Figure 12 est une vue en coupe axiale détaillée et à plus grande échelle de la servovalve des Figures 2 et 4 à 11;
    • - la Figure 13 est une vue en élévation longitudinale et coupe partielle d'une forme de réa­lisation de la servovalve comportant plusieurs mo­teurs-couples synchronisés, associés à un arbre cen­tral unique.
  • La servovalve électrohydraulique dont le principe est schématiquement représenté à la Figure 1, est destinée à assurer la commande asservie d'un ac­tionneur hydraulique, rotatif tel qu'un moteur hydrau­lique, ou linéaire tel qu'un vérin hydraulique. Cet actionneur peut lui-même entraîner un élément qui en est mécaniquement solidaire, tel qu'une gouverne d'aéronef.
  • La servovalve comprend la combinaison d'éléments suivants :
    • a) un moteur-couple 1 rotatif à débattement angulaire limité;
    • b) un distributeur hydraulique 2 comportant un arbre rotatif 10 relié au moteur-couple 1, ce dis­tributeur 2 pouvant alimenter en fluide hydraulique l'actionneur précité;
    • c) un détecteur 3 de la position angulaire de l'arbre 10 du distributeur 2, monté coaxialement à cet arbre, de telle sorte que le moteur couple 1, le distributeur 2 et le détecteur 3 soient coaxiaux;
    • d) un sommateur 4 associé à une amplificateur électronique 5 en courant relié au moteur-couple 1, ce sommateur pouvant recevor une tension de commande dé­terminée E.
  • La tension de sortie du détecteur 3 est re­liée à l'entrée du sommateur 4. Cette tension est de signe opposé à celle de la tension de commande E.
  • Le sommateur 4 et l'amplificateur 5 sont des moyens bien connus et qui ne nécessitent pas de des­cription particulière. Ces deux éléments peuvent être intégrés dans la servo-valve comme représenté, au mo­yen de circuits électroniques hybrides, ou bien sépa­rés de la servo-valve proprement dite. Le moteur-cou­ple 1, également de type connu, est schématiquement représenté par des bobinages 6 et un aimant 7. Il en est de même du détecteur rotatif 3, qui peut être in­ductif. Dans ce cas (Figure 1), une tension d'excita­tion extérieure est appliquée sur un enroulement pri­maire 8a et une tension de sortie est obtenue sur l'enroulement secondaire 8b par couplage avec un noyau de ferrite 9 solidaire en rotation de l'arbre 10.
  • En variante (Figures 1A et 2), le détecteur 3b peut aussi être un potentiomètre : dans ce cas, il est pourvu d'une piste résistante 8c et d'un curseur 3a solidaire en rotation de l'arbre 10.
  • Le fluide hydraulique sous pression P entre dans le distributeur 2 comme indiqué par la flèche P, en sort comme indiqué par la flèche R vers le réser­voir, après avoir alimenté l'actionneur hydraulique par l'entrée U1 et la sortie U2, ou vice-versa, selon le sens de commande du distributeur 2. L'amplificateur 5 est, soit intégré à l'ensemble, soit séparé, mais dans les deux cas connecté à sa sortie avec les diffé­rents enroulements 6 du moteur-couple 1 d'une part, et à son entrée au détecteur de position 3 par l'inter­médiaire du sommateur 4.
  • Le système ainsi réalisé constitue un ensem­ble de servodistribution électrohydraulique appelé "servovalve à action directe".
  • En effet, la position d'équilibre de cette servovalve est définie par un angle de rotation des différentes parties tournantes du moteur 1, du dis­tributeur 2 et du détecteur 3, angle dont l'amplitude est proportionnelle à la tension E appliquée à l'en­trée du sommateur 4. La polarité du signal de commande au sommateur 4 déclenche la rotation simultanée des aimants 7, de l'arbre 10 et de l'aimant 9, coaxiaux et solidaires en rotation, le signe de cet angle de ro­tation dépendant de ladite polarité.
  • Lorsque la tension renvoyée par le détecteur 3 au sommateur 4 est égale et opposée à la tension E, le système reste asservi en équilibre dans la position angulaire de l'arbe 10 et du rotor 9. Si le détecteur est un potentiomètre électrique 3b (Figure 2), l'arbre central 10 est solidaire du curseur 3a de ce po­tentiomètre, ce qui permet de détecter la position angulaire atteinte après application à la servovalve d'une tension E déterminée. Le fluide hydraulique ar­rivant en P vers U1 ou U2 et parvenant à la sortie R par U2 ou U1, le débit du fluide fourni par le dis­tributeur 2 à l'actionneur, auquel sont reliés ses orifices U1, U2, est directement proportionnel à la tension E appliquée.
  • On décrira maintenant en se référant aux Fi­gures 2 à 8, un premier mode de réalisation de la ser­vovalve selon l'invention.
  • Cette servovalve comprend un corps creux 11, d'axe générale X-X, à l'intérieur duquel sont logés le moteur-couple 1, le distributeur rotatif 2, et à un extrémité duquel est fixé le détecteur de position, par exemple le potentiomètre 3b pourvu du curseur 3a, fixé au corps 11 par des vis 12.
  • Le corps 11, de préférence cylindrique, com­porte une partie terminale 13 approximativement cylin­drique, de plus petit diamètre que le reste 14 du corps 11, et qui fait partie intégrante du distribu­teur rotatif 2 décrit en détail ci-après. Des nervures annulaires 20, 30 font saillie de la partie 13 et ser­vent à délimiter des gorges pour des joints annulaires isolants ainsi que les gorges d'alimentation P et de retour R. Les bobinages 6 du moteur-couple 1 sont disposés dans la partie 14 de plus grand diamètre du corps 11, coaxialement à l'axe X-X autour d'aimants 7 fixés à l'arbre 10 du distributeur 2. Au-delà des ai­mants 7, l'arbre 10 se prolonge par une partie termi­nale 16 intérieure à une chemise cylindrique 17 logée dans la partie terminale 13. L'extrémité 16 de l'arbre 10 présente une portion 18 à profil carré dont les sommets 18a-18d sont arrondis (Figures 3 et 4) et qui peut tourner à l'intérieur de la chemise 17 avec ces quatre sommets arrondis glissant de manière étanche sur la paroi intérieure de celle-ci.
  • Sur la Figure 2, le fluide hydraulique entre dans le distributeur 2 à la pression d'alimentation P par un premier perçage radial 19, est acheminé vers l'actionneur (non représenté) par des orifices d'ex­trémité 21, 22 (utilisations U1, U2), et retourne au réservoir à la pression R par un perçage 23 dans la partie 13. Sur la Figure 2, ces quatre orifices 19, 21, 22, 23 n'ont été représentés dans le même plan que pour des raisons de commodité de description et ne correspondent pas à un mode de réalisation industriel­le, car comme on peut le vérifier sur les Figures 4 à 8, les orifices 19, 21, 22, 57 se trouvent en réalité répartis dans quatre plans axiaux différents.
  • Il en est de même pour la Figure 3 en ce qui concerne le schéma fonctionnel des canalisations du circuit hydraulique, qui n'ont été ainsi représentées que pour faciliter la compréhension du distributeur 2. La réalisation industrielle effective de ce circuit hydraulique est illustrée aux Figures 4 à 12. Toute­fois, la Figure 12 montre dans un même plan axial le distributeur tel que représenté aux Figures 6 et 8, les utilisations U₁, U₂ étant ramenées dans le plan de la Figure 12 pour la commodité de l'interprétation.
  • On décrira donc tout d'abord le principe de fonctionnement du distributeur 2 en se référant à la Figure 3, puis sa réalisation industrielle en réfé­rence aux Figures 4 à 12.
  • La partie terminale 13 présente deux perça­ges radiaux 19 diamétralement opposés, respectivement desservis par le fluide hydraulique à la pression d'alimentation P par des canalisations 24, 25. Les perçages 19 débouchent dans deux lumières correspon­dantes 26 de la chemise 17, diamétralement opposées.
  • Dans un plan perpendiculaire au plan axial des perçages 19, sont agencés, dans la partie 13, deux autres perçages 27 débouchant dans deux lumières ra­diales correspondantes 28 de la chemise 17, et qui communiquent avec des canalisations respectives 29 de retour du fluide, à la pression R vers le réservoir (non représenté). Entre les perçages 19 et 27, deux autres perçages 31 diamétralement opposés sont formés dans la partie 13, en regard de lumières radiales correspondantes 32 de la chemise 17. Les perçages 31 communiquent avec des canalisations respectives 33, 34, qui aboutissent à une canalisation unique 35 débouchant dans une chambre 36 d'un vérin hydraulique 37 à double effet, dont le piston 38 solidaire de deux tiges coaxiales 39 délimite deux chambres 36, 41. Enfin, entre les perçages 19 et 27, la partie 13 présente deux perçages 42 diamétralement opposés, en regard desquels sont ménagées deux lumières correspondantes 43 de la chemise 17, et qui communiquent avec deux canalisations respectives 44, 45 qui se rejoignent en une canalisation unique 46 débouchant dans la chambre 41 du vérin 37. Les sommets arrondis 18a, 18b, 18c, 18d de la portion 18 à section carrée de l'arbre 10 obturent, dans la position représentée à la Figure 3, respectivement les lumières 26, 28, 26, 28, de sorte qu'aucun fluide ne rentre ni ne sort du distributeur 2 qui est ainsi au repos.
  • Suivant une particularité importante de l'invention, les perçages (19, 27, 31, 42) de la par­tie 13 et les lumières associées (26, 28, 32, 43) de la chemise 17 passent tous par un même plan radial commun du distributeur 2 qui est celui de la Figure 3. Ces perçages et lumières sont en outre symétriques deux à deux.
  • Le fluide à la pression P arrivant par les canalisations 24, 25 dans les perçages 19 et les lu­mières 26 comme indiqué par les flèches, si une ten­sion E d'une polarité appropriée est appliquée au sommateur 4, excite les bobinages 6 et fait tourner les aimants 7 ainsi que l'arbre 10 dans le sens an­ ti-horaire de la flèche A, cette rotation met en com­munication les perçages 19 et les lumières 26 d'une part avec les perçages 42 et les lumières 43 d'autre part. En même temps, les perçages 31 et les lumières 32 sont mis en communication avec les lumières 28 et les perçages 27. De ce fait, comme indiqué par les flèches, le fluide sort de la chemise 17 par les ca­nalisations 44, 45 et entre dans la chambre 41 par la canalisation 46, de sorte que le piston 38 est déplacé vers la gauche (flèche A). Le fluide contenu dans la chambre 36 est corrélativement refoulé hors du vérin 37 par les canalisations 35, 34 et 33 dans les perça­ges 31 et les lumières associées 32. Le fluide pénètre de là dans la chemise 17 et en ressort par les lumiè­res 28 et les perçages 27, à la pression de refoule­ment R, par les canalisations 29.
  • Si l'arbre 10 tourne dans le sens horaire (flèche B), les lumières 26 sont mises en communica­tion avec les lumières 32, et le vérin 37 est actionné dans le sens inverse du précédent (flèches B), le fluide circulant en sens inverse dans les canalisa­tions 35 et 46. Les deux sens de circulation possibles du fluide sont matérialisés par des flèches doubles dans les canalisations 35, 46, 34, 33, 44, 45.
  • Dans la réalisation industrielle (Figures 4 à 12) de la servovalve, la paroi intérieure de la par­tie terminale 13, présente deux évidements longitudi­naux 48, 49 (Figures 8 et 9) reliés par une creusure annulaire 51, et dont l'un, à savoir l'évidement 48, débouche dans le perçage terminal 21 de l'extrémité 17a de la chemise 17. Le perçage 21 communique donc d'une part avec une extrémité de l'évidement 48, et d'autre part avec l'une des canalisations 35 et 46, à savoir dans l'exemple décrit et compte tenu de la correspondance partielle entre les Figures 3 et 4 à 11, la canalisation 46 (utilisation U1). Les flèches portées sur la Figure 8 indiquent donc le sens de circulation du fluide des perçages 19 et des lumières 26 vers la canalisation 46, par les lumières 32 et les évidements 48, 49 lorsque l'arbre 10 a tourné d'un angle suffisant dans le sens anti-horaire A.
  • La paroi intérieure de la partie terminale 13 présente également deux autres évidements longi­tudinaux 52, 53 parallèles à l'axe X-X et reliés par une creusure annulaire 54 (Figures 6 et 9 à 11), qui communique respectivement avec les lumières radiales 43. L'évidement 53 débouche à son extrémité opposée dans le second perçage terminal 22 de l'extrémité 17a de la chemise 17, similaire au premier perçage 21. Le perçage 22 est relié à une canalisation d'alimentation ou de retour de l'actionneur hydraulique 37, à savoir dans l'exemple décrit la canalisation 35, compte tenu de la correspondance partielle entre les Figures 3 et 4 à 12.
  • Enfin, dans la paroi intérieure de la partie 13 sont formés deux évidements longitudinaux 55, 56 diamétralement opposés, qui communiquent à l'une de leurs extrémités, avec les deux lumières radiales 28 et, à leurs extrémités opposées, avec deux ouvertures radiales 57 de la partie 13 du corps 11, également diamétralement opposées, et reliées à la canalisation de retour 29 à la pression R. L'évidement 55 est ména­gé entre les évidements 52 et 48, tandis que l'évide­ment 56 est formé entre les évidements 49 et 53 (Fi­gure 9). L'évidement 55 peut en variante, être prolon­gé par une extension 55a (Figures 7 et 9). Les flèches portées sur la Figure 7 indiquent le sens de circula­tion du fluide par les lumières 28 et les évidements 55, 56 vers le réservoir.
  • Comme dans la réalisation précédente, les orifices et conduits hydrauliques ménagés dans la chemise 17 et dans le corps 13 passent par un même plan radial commun, qui est celui de la Figure 4 (plan 4-4 de la Figure 8), sauf les perçages 21, 22 et 57. Il s'agit donc des perçages 19, des évidements 53, 56, 49 et des lumières 26, 43, 28, 32.
  • Par ailleurs, des roulements à rouleaux 65 sont interposés entre la chemise 17 et l'arbre 10, de part et d'autre des lumières 26 et un seul joint an­nulaire 66 est placé entre l'arbre 10 et la chemise 17, près de l'extrémité de cette dernière voisine de l'aimant 7, assure l'étanchéité.
  • Selon une autre particularité de la servo­valve, la partie terminale 10a de l'arbre 10 contiguë au détecteur 3b, est montée sur une paire 67, 68 de roulements à billes 69, 71, respectives. Les billes de chaque roulement 67, 68 s'appuient sur des portées 69a, 69b, 71a, 71b diamétralement opposées des pa­liers correspondants. Ces portées sont décalées axia­lement de manière que, dans chaque plan axial, tel que celui de la Figure 12, passant par deux billes 69 et 71 de chaque roulement 67, 68, les portées d'appui 69a, 71a, 69b, 71b des quatre billes 69 et 71 soient situées aux extrémités d'un X reliant deux billes diamétralement opposées 69 et 71, appartenant l'une au premier roulement 67 et l'autre au second 68.
  • Les roulements 67, 68 sont logés dans des pièces de fond 72, 73 assemblées entre elles par des vis 74 et au corps par les vis 12.
  • Lorsque l'arbre 10 tourne dans le sens an­ti-horaire (flèches A), le fluide à la pression P sort par le perçage 21 vers son utilisation U1 dans l'ac­ tionneur. En même temps, le fluide basse pression re­foulé de ce dernier rentre dans le distributeur 2 par les évidements 52, 53, 54 et les lumières 43, pénètre dans la chemise 17 et en ressort par les lumières 28, les évidements 55, 56 et les perçages 57 vers le ré­servoir à la pression R (Figure 7).
  • Le sens de circulation du fluide est inversé lorsque l'arbre 10 tourne dans le sens horaire (flè­ches B) : il sort du distributeur 2 par l'utilisation U2 (perçage 22) et y retourne par l'utilisation U1 (perage 21) vers le réservoir.
  • En plus des avantages déjà mentionnés, la servovalve selon l'invention présente les suivants :
        - la symétrie des conduits hydrauliques équilibre les forces hydrauliques statiques sur le distributeur 2, et écarte des risques de collage, rencontrés couramment sur des tiroirs linéaires et rotatifs qui ne présentent pas cette disposition;
        - la présence des rouleaux de roulements 65 évite tout contact de frottement métal-métal entre la partie mobile 18 et la partie fixe (chemise 17). Grâce à cette très forte réduction des frottements, il a pu être vérifié par des tests qu'une pollution acciden­telle du circuit hydraulique par des débris, tels que ceux provenant de la rupture d'un filtre à huile, n'a entraîné un accroissement des efforts de manoeuvre sur l'arbre 10 que dans un rapport de 10 au maximum, sans entraîner de blocage de la servovalve;
        - la convergence des voies de distribution hydraulique dans un seul plan radial orthogonal à l'axe de la servovalve, accroît considérablement la compacité et la rigidité du distributeur;
        - les roulements à billes 69, 71 avec leurs portées 69a, 71a, 69b, 71b disposées en X permettent de reprendre les efforts transversaux et axiaux considérables exercés sur l'arbre 10 du distributeur 2, donc d'empêcher tout grippage par l'accélération exercée dans certaines applications, qui peut atteindre 50 à 100 G. Au contraire, dans certaines réalisations connues, l'existence de butées mécaniques terminales pour le tiroir de la servovalve fait courir un risque de blocage aux très fortes accélérations.
  • De plus, la disposition des roulements avec leurs portées en X permet de reprendre les efforts axiaux dans les deux directions. Ces efforts peuvent résulter, dans le sens du distributeur 2 vers les roulements 67, 68, de la sommation des efforts hydrau­liques exercés sur le distributeur 2, et des accélé­rations extérieures à la servovalve. Dans le sens roulements vers distributeur, ces efforts résultent d'accélérations de sens opposés exercées sur la ser­vovalve. La reprise des efforts axiaux hydrauliques précités permet également de supprimer un joint d'étanchéité sur une des portées du distributeur 2, un seul joint 66 étant alors nécessaire.
        - Les angles de commande du distributeur 2 (angles de rotation de l'arbre 10) sont compatibles avec les angles de caractéristiques optimum (10 à 15 degrés) d'un moteur-couple tel que 1;
        - le moteur-couple 1 est accouplé directe­ment au distributeur 2, sans interface mécanique de conversion.
  • La seconde forme de réalisation de la ser­vovalve représentée à la Figure 13, comprend plusieurs moteurs-couples synchronisés 58, à savoir quatre dans cet exemple, associés chacun à un détecteur de posi­tion 59 et à un arbre central unique 61. Les deux ex­trémités opposées de ce dernier commandent chacune un distributeur hydraulique rotatif 62 d'alimentation de deux dispositifs hydrauliques récepteurs correspon­dants non représentés, par exemple les deux chambres d'un vérin hydraulique double tel que le vérin 37. Les distributeurs 62 sont connus en soi (par exemple par le brevet américain no 4 335 745) et ne nécessitent donc pas de description particulière. Le nombre de moteurs-couples 58 et d'amplificateurs associés 59 peut être quelconque, un tel système permettant de satisfaire aux conditions de redondance requises dans les servomécanismes de commande de vol des aéronefs pour des raisons de sécurité.

Claims (9)

1 - Servovalve électrohydraulique pour une commande asservie d'un dispositif hydraulique, notam­ment un vérin (37) ou un moteur, comprenant en combi­naison :
a) un moteur couple rotatif (1) à débatte­ment angulaire limité;
b) un distributeur hydraulique (2) compor­tant un arbre rotatif (10) relié coaxialement au mo­teur couple (1), ce distributeur (2) pouvant alimenter en fluide hydraulique le dispositif (37) précité;
c) un détecteur (3, 3b) de la position angu­laire de l'arbre (10) du distributeur (2), monté co­axialement à cet arbre, de telle sorte que le moteur-­couple (1), le distributeur hydraulique (2) et le dé­tecteur (3, 3b) aient leurs parties tournantes coaxia­les (7, 10, 9, 3a) et solidaires en rotation;
d) un sommateur (4) associé à un amplifi­cateur électronique (5) relié au moteur-couple (1) et susceptible de recevoir une tension de commande (E) déterminée, la sortie du détecteur (3, 3b) étant re­liée à l'entrée du sommateur (4) afin que la tension électrique de sortie du détecteur (3) aboutisse au sommateur (4), cette servo-valve comportant de plus un corps creux (11) à l'intérieur duquel sont logés le moteur-couple (1) et le distributeur rotatif (2), et à une extrémité duquel est fixé le détecteur de position (3), le moteur-couple comportant un bobinage (6) d'ex­citation d'aimants (7) fixés à l'arbre rotatif (10) du distributeur (2), et l'arbre étant disposé axialement dans une chemise cylindrique (17) elle-même placée dans le corps (11) coaxialement à l'arbre (10), et dans cette chemise (17) ainsi que dans le corps (11) sont ménagés des orifices et des conduits d'un circuit hydraulique de commande dudit dispositif hydraulique (37), caractérisée en ce que les orifices et conduits hydrauliqes (19, 27, 31, 47; 26, 28, 32, 43; 19, 55, 56, 48, 49, ... 26, 28, ... Figure 4) ménagés respecti­vement dans le corps (11) et dans la chemise (17) pas­sent tous par un même plan radial commun.
2 - Servovalve selon la revendication 1, ca­ractérisée en ce que deux perçages radiaux (19) dia­métralement opposés ménagés dans le corps (13) débou­chent dans deux lumières correspondantes (26) de la chemise (17) situées dans le même plan radial que les­dits perçages (19) et communiquent avec des canalisa­tions d'alimentation en fluide hydraulique sous pres­sion, et, dans la paroi intérieure du corps (11), en regard de la chemise (17), sont ménagés deux évide­ments longitudinaux (48, 49) passant par le même plan radial que les lumières et perçages précités, reliés par une creusure annulaire (51) et dont l'un (48) débouche dans un perçage terminal (21) de l'extrémité (17a) de la chemise (17) relié à une première canalisation de liaison avec le dispositif hydraulique (37), ces évidements (48, 49) communiquant d'autre part avec des lumières radiales correspondantes (32), diamétralement opposées, agencées dans la chemise (17), et lesdits évidements (48, 49) ainsi que les lumières correspondantes (32) de la chemise (17) d'une part, et lesdits perçages radiaux (19) et lumières en regard (26) de la chemise (17) d'autre part, peuvent être mis en communication par une rotation dans le sens approprié de l'arbre (10) convenablement profilé (18) du distributeur (2), et tous ces perçages, lumières et évidements sauf le perçage terminal (21) passent par un même plan radial (Figure 4).
3 - Servovalve selon la revendication 2, ca­ ractérisée en ce que dans la paroi intérieure du corps (13) sont formés deux évidements longitudinaux (52, 53) reliés par une creusure annulaire (54) du corps et qui communiquent, d'une part avec deux lumières ra­diales (43) diamétralement opposées de la chemise (17), et d'autre part avec un second perçage terminal (22) de l'extrémité (17a) de la chemise (17), commu­niquant avec une canalisation de liaison avec le dis­positif hydraulique (37), et ces évidements (52, 53, 54) peuvent être mis en communication avec lesdits perçages (19) du corps (13) et les lumières corres­pondantes (26) de la chemise (17) alimentés en fluide sous pression (P), lorsque l'arbre (10) profilé (18) du distributeur (2) tourne d'un angle déterminé dans le sens opposé au précédent.
4 - Servovalve selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que dans la paroi intérieure du corps (13) sont ménagés deux évidements longitudinaux (55, 56) diamétralement opposés, qui communiquent d'une part avec des lumières radiales correspondantes (28) de la chemise (17), et d'autre part avec des ou­vertures radiales (57) du corps (11) débouchant dans une canalisation de retour (R) du fluide au réservoir, ces évidements (55, 56) étant mis en communication par une rotation de l'arbre (10, 18) dans un sens ou dans l'autre avec l'un des deux groupes précités d'évide­ments (48, 49, 51; 52, 53, 54) du corps (11) et de lu­mières associées (32; 43) dans la chemise (17) pour permettre le retour au réservoir du fluide provenant du dispositif hydraulique (37).
5 - Servovalve selon la revendication 1, ca­ractérisée en ce que des roulements à rouleaux (65) sont interposés entre la chemise (17) et l'arbre (10) du distributeur (2).
6 - Servovalve selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie terminale de l'arbre rotatif (10) contiguë au détecteur de position (3) est montée sur une paire de roulements (67, 68) à billes, dans lesquels les billes (69, 71) de chaque roulement s'appuient sur des portées (69a, 71a; 69b, 71b) de paliers diamétralement opposées et décalées axialement de manière que, dans chaque plan axial passant par deux billes (69, 71) de chaque roulement, les portées d'appui des quatre billes soient situées aux extrémi­tés d'un X reliant deux billes diamétralement opposées (69, 71) appartenant l'une (69) au premier roulement (67) et l'autre au second roulement (68).
7 - Servovalve selon l'une des revendica­tions 1 à 6, caractérisée en ce que le détecteur de position angulaire est un potentiomètre (3b) muni d'un curseur (3a) solidaire en rotation de l'arbre (10) du distributeur (2).
8 - Servovalve selon l'une des revendica­tions 1 à 6, caractérisée en ce que le détecteur (3) est inductif et comprend deux enroulements primaire (8a) et secondaire (8b) entre lesquels est placé un noyau (9) solidaire en rotation de l'arbre (10).
9 - Servovalve selon l'une des revendica­tions 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux moteurs-couples (58) synchronisés, associés chacun à un amplificateur (59) et à un arbre central unique (61), dont les deux extrémiés opposées comman­dent des distributeurs hydrauliques rotatifs (62) d'alimentation des dispositifs récepteurs correspon­dants, par exemple deux chambres (36, 41) d'un vérin hydraulique double (37).
EP88400129A 1987-01-22 1988-01-21 Servovalve électrohydraulique pour la commande asservie d'un actionneur hydraulique, notamment dans les servomécanismes de commande de vol des aéronefs Expired - Lifetime EP0276188B1 (fr)

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