ES2256050T3 - Accionador con un piston de mando piezoelectrico. - Google Patents

Abstract

Accionador que comprende una camisa de deslizamiento (1) y un pistón (2) apto para desplazarse axialmente en dicha camisa, comprendiendo dicho pistón una pluralidad de porciones (a, b, c) sucesivas de material multicapas piezoeléctricas, siendo unos medios de mando aptos para aplicar sobre dichas porciones unas tensiones de mando para dilatar unas porciones de manera que se bloqueen con respecto a la camisa de deslizamiento y para alargar otras porciones en el interior de dicha camisa, siendo estas dilataciones y alargamientos mandados por dichos medios de mando según unas secuencias que desplazan el pistón en dicha camisa, caracterizado porque los medios de mando son aptos para aplicar a cada una de las porciones (a, b, c) una tensión que acorta dicha porción y la bloquea en la camisa de deslizamiento (1) y una tensión que libera dicha porción con respecto a dicha camisa y que la alarga en esta, siendo la una y la otra de estas dos tensiones aplicadas sucesivamente a dicha porción cuando tiene lugar una secuencia de desplazamiento del pistón (2), siendo así cada porción utilizada en bloqueo y en alargamiento cuando tiene lugar dicha secuencia.

Description

Accionador con un pistón de mando piezoeléctrico.

La presente invención se refiere a un accionador con pistón activo.

La invención encuentra ventajosamente aplicación en particular para los accionadores de freno, en particular en el campo de la aeronáutica.

Generalmente, los accionadores de freno conocidos hasta el presente son unos accionadores de tipo hidráulico que permiten unos esfuerzos muy importantes, presentando al mismo tiempo una buena capacidad de absorción del juego ligado al desgaste, a los cambios de temperatura, etc...

Estos accionadores presentan sin embargo inconvenientes ligados a la utilización de un fluido hidráulico: riesgo de fugas, necesidad de un generador de presión, etc...

Un objetivo de la invención es proponer un accionador que no presente los inconvenientes de los accionadores hidráulicos.

Se han propuesto ya unos accionadores que comprenden un pistón constituido por varias porciones magnetoestrictivas sucesivas, aptas para ser mandadas independientemente unas de las otras.

Se podrá hacer referencia a este respecto a las diferentes patentes siguientes:

US nº 5.281.875, US nº 5 317 223, US nº
5 039 894.

Dichos accionadores necesitan prever alrededor del pistón unos medios de generación de campo magnético que son complejos y particularmente voluminosos.

En particular, a volumen idéntico, no permiten generar los mismos esfuerzos que un accionador hidráulico.

Se conoce ya por otra parte unos accionadores piezoeléctricos que comprenden una camisa de deslizamiento y un pistón apto para desplazarse axialmente en dicha camisa, comprendiendo dicho pistón una pluralidad de porciones sucesivas de material multicapas piezoeléctricas, siendo unos medios de mando aptos para aplicar sobre dichas porciones unas tensiones de mando para dilatar unas porciones de manera que se bloqueen con respecto a la camisa de deslizamiento y para alargar otras porciones en el interior de dicha camisa, siendo estas dilataciones y alargamientos mandados por dichos medios de mando según unas secuencias que desplazan el pistón en dicha camisa.

Dichos accionadores han sido en particular descritos ya en el documento FR 2 702 895 y en el resumen de la patente japonesa JP 60 148389. Están clásicamente constituidos por unas porciones destinadas unas a dilatarse perpendicularmente al sentido de desplazamiento del pistón, las otras a dilatarse según la dirección de desplazamiento, estando estas diferentes porciones dispuestas según unas estructuras en H.

Se comprende que dichas estructuras resultan de una realización muy onerosa y complicada.

La invención propone en cuanto a sí misma una estructura de accionador piezoeléctrico particularmente simple.

En particular, los medios de mando del accionador de la invención son aptos para aplicar a cada una de las porciones una tensión que acorta dicha porción y la bloquea en la camisa de deslizamiento y una tensión inversa que libera dicha porción con respecto a dicha camisa y que la alarga en ésta, siendo la una y la otra de estas dos tensiones sucesivamente aplicadas a dicha porción cuando tiene lugar una secuencia de desplazamiento del pistón, siendo cada porción así utilizada en bloqueo y en alargamiento cuando tiene lugar dicha secuencia.

Una estructura de accionador de este tipo es capaz de generar unas presiones muy importantes (de 50 a 100 Mpa) del mismo orden de magnitud que las altas presiones que reinan en los circuitos hidráulicos actuales. A diámetro equivalente, el pistón piezoeléctrico es capaz de generar los mismos esfuerzos que un pistón hidráulico.

Dicho accionador es ventajosamente completado por las diferentes características siguientes tomadas solas o según todas sus combinaciones técnicamente posibles:

- una porción presenta una pluralidad de electrodos que se extienden transversalmente con respecto al eje del pistón, extendiéndose por lo menos una metalización de mando eléctrico en por lo menos una parte de la altura del pistón hasta un rehundido en el cual la metalización está en contacto con un electrodo cada dos de la porción, estando los electrodos de la porción alternativamente desplazados con respecto a dicho rehundido, y estando la metalización, a nivel de las porciones que no alimenta, desplazada con respecto al rehundido de manera que no esté en contacto con los electrodos de estas porciones;

- el pistón comprende una envolvente metálica en la cual las porciones están alojadas, estando una metalización de mando alojada en una ranura existente en la altura del pistón;

- la camisa de deslizamiento comprende un cilindro interior, un cilindro exterior y un cilindro intermedio, presentando el material del cilindro intermedio un coeficiente de dilatación superior al de los cilindros interior y exterior;

- el cilindro intermedio presenta unas ranuras que se extienden radialmente de su superficie interior hacia su superficie exterior;

- los medios de mando comprenden unos medios para mandar la deformación de las porciones según una secuencia tal que, en un primer tiempo, el pistón avanza de forma que elimine el juego que lo separa de la superficie sobre la cual debe pasar a apoyarse y en un segundo tiempo, aplica un esfuerzo sobre dicha superficie.

Otras características y ventajas y de la invención resaltarán aún en la descripción que sigue que es puramente ilustrativa y no limitativa y que debe ser leída según las figuras anexas, en las cuales:

- las figuras 1 y 2 son unas representaciones esquemáticas de un accionador de acuerdo con un modo de realización posible de la invención y en particular de su pistón;

- las figuras 3a a 3e son unas representaciones esquemáticas que ilustran el funcionamiento del accionador cuyo pistón está representado en la figura 1;

- la figura 4 es una representación esquemática en sección axial que ilustra la disposición de los electrodos en un pistón de un accionador de acuerdo con un modo de realización posible de la invención,

- la figura 5 es una representación en sección parcial de un detalle del pistón de la figura 4;

- la figura 6 es una representación esquemática en alzado del accionador de la figura 5;

- las figuras 7a a 7c ilustran las conexiones de los diferentes grupos de cerámicas;

- la figura 8 es una representación esquemática en sección de la camisa de deslizamiento de un accionador de acuerdo con un modo de realización posible de la invención.

El accionador ilustrado en las figuras 1 y 2 comprende una camisa de deslizamiento 1 que es un cilindro y un pistón 2 aptos para deslizar axialmente en dicho cilindro 1.

El pistón 2 está constituido por una pluralidad de porciones de cerámica piezoeléctrica. En el presente caso, para el ejemplo ilustrado en las figuras 1 y 2 y utilizado en la descripción que sigue, estas porciones están en número de tres y están referenciadas por "a", "b", "c". Desde luego, puede ser previsto un mayor número de porciones.

Las diferentes porciones están provistas de electrodos que permiten mandarlas independientemente unas de las otras. En la figura 2, Va, Vb y Vc representan las tensiones de mando de cada una de las porciones "a", "b", "c".

Estas porciones "a", "b", "c" pueden ser de cerámica multicapas o de cerámica maciza. La utilización de cerámica multicapa presenta la ventaja de permitir poder utilizar unas tensiones de mando reducidas.

El principio de funcionamiento de dicha estructura está ilustrado en las figuras 3a a 3e.

Para eliminar el juego del mecanismo de frenado, se desplaza el pistón 2 en el cilindro 1 combinando el alargamiento/acortamiento del material y su estricción.

Se supone para la descripción siguiente que cada porción se alarga adelgazándose cuando la tensión aplicada es +V y se corta engrosándose cuando la tensión es -V. Además, se supone que, en reposo, el juego entre el pistón 2 y la camisa de deslizamiento 1 es muy pequeño de manera que desde que una porción engrosa, se encuentra bloqueado y cuando se alarga, se encuentra libre.

En la figura 3a, el pistón 2 está representado en reposo.

Las dos flechas en esta figura 3a y que son a continuación tomadas de nuevo en las figuras 3b a 3e, han sido representadas para permitir materializar la progresión del pistón 2.

En un primer tiempo (figura 3b), una tensión -V es aplicada sobre la porción a, mientras que una tensión +V es aplicada sobre las otras dos porciones b y c.

Solamente la porción a está entonces bloqueada con respecto al cilindro 1. Las otras dos porciones son a su vez alargadas.

En un segundo tiempo (figura 3c), se invierte la tensión sobre la porción c, quedando la tensión sobre las otras dos porciones a y b invariable.

La porción c es así mantenida en su estado alargado y la porción c pasa a bloquearse en una posición en la que ha avanzado con respecto a la posición que ocupaba inicialmente (figura 3a).

En una tercera etapa (figura 3d), se invierten las tensiones de mando de las porciones a y b, de manera que la porción b pase a bloquearse con respecto al cilindro 1 estando también avanzada con respecto a la posición que ocupaba inicialmente (figura 3a), mientras que la porción a no está bloqueada con respecto a la camisa de deslizamiento.

En una cuarta etapa finalmente (figura 3e), se invierte la tensión de mando de la porción a de manera que se reencuentra entonces en una posición en la que el conjunto del pistón ha avanzado con respecto a su posición de la figura 3a.

Estas cuatro etapas pueden ser a continuación repetidas hasta que el juego del pistón con respecto al mecanismo de frenado haya sido eliminado.

Cuando el pistón ha eliminado el juego del mecanismo de frenado, es inmovilizado en la posición correspondiente a las representadas en la figura 3b o en la figura 3e. La presión puede entonces ser controlada rápidamente y finamente controlando Vb y Vc, permaneciendo Va igual a -V.

Las porciones del pistón 2 son por ejemplo unos cilindros o discos multicapas de 25 mm de diámetro y de un espesor de 50 mm.

El pistón 2 comprende ventajosamente una envolvente E (figura 1) que es un manguito metálico de pequeño espesor.

Esta envolvente metálica E presenta la ventaja de permitir resolver los problemas de tolerancia de fabricación encontrados con unas porciones piezoeléctricas.

En particular, el pistón 2 provisto de su envolvente E puede ser mecanizado de nuevo exteriormente a fin de obtener el diámetro buscado con una precisión adecuada (mejor que 5 \mum para un diámetro de 25 mm).

Esta envolvente E se elige de un diámetro interior igual o ligeramente inferior al diámetro de la cerámica en reposo.

Ésta es deslizada en dicha envolvente E imponiendo Va = Vb = Vc = +V, de manera que se aproveche de la estricción de las diferentes porciones.

En una variante o como complemento, la envolvente E puede ser dilatada por calentamiento cuando tiene lugar el enmangado, lo que es en particular hecho posible gracias al hecho de que la envolvente E es de pequeño espesor con respecto al diámetro del pistón 2.

La envolvente E puede también recibir un tratamiento de superficie destinado a optimizar su coeficiente de rozamiento.

Por otra parte, como se ha ilustrado en las figuras 4 a 6, se prevé que los electrodos, referenciados por 3 en estas figuras, no desemboquen en el exterior del pistón 2, sino que son alimentados por unas metalizaciones 5 que se extienden en unas ranuras 6 que el pistón 2 presenta.

Estas ranuras 6 presentan en particular en toda la altura de la porción que alimentan (en el presente caso la porción a) un rehundido 7 que se extiende hacia el interior y en el cual su metalización 5 está en contacto con los electrodos 3.

Así, los electrodos 3 no enrasan con la superficie más exterior del pistón 2, sino que están sin embargo alternativamente desplazados a un lado o al otro de un diámetro del pistón 2, de la manera que se ha ilustrado en la figura 4.

Como muestran la figura 6 y las figuras 7a a 7c, las ranuras 6 están ventajosamente repartidas estando angularmente desplazadas alrededor del pistón 2.

Las mismas se extienden todas a partir de un mismo extremo del pistón 2, en la altura de éste, y terminan a nivel del rehundido 7 de la porción que alimentan. A nivel de las porciones que sus metalizaciones 5 no alimentan, los fondos de estas ranuras 6 están desplazados hacia el exterior con respecto al fondo del rehundido 7, de manera que dichas metalizaciones 5 no estén en contacto con los electrodos 3.

En la figura 6, se han representado esquemáticamente por dos círculos 5a, 5b los circuitos de alimentación de las diferentes metalizaciones 5.

Por otra parte, se sabe que a consecuencia de una solicitación importante, por ejemplo del tipo de la ejercida cuando tiene lugar el frenado de una aeronave, la temperatura de los frenos se eleva.

Una elevación importante de la temperatura puede conducir a una despolarización de las cerámicas piezoeléctricas. La temperatura a la cual empieza esta despolarización puede ser destinada a 100ºC por debajo de la temperatura de Curie, lo que da aproximadamente 130ºC para una cerámica blanda y 230ºC para una cerámica dura.

Para evitar cualquier riesgo de despolarización, el mando eléctrico aplica después del frenado una tensión constante idéntica en todas las porciones del pistón. Esta tensión puede ser más alta que la tensión máxima de utilización. La misma tiene por efecto repolarizar la cerámica mientras la temperatura desciende de nuevo de un valor elevado a la temperatura ambiente.

Como se habrá comprendido, los modos de realización expuestos anteriormente suponen que, en reposo, el juego mecánico entre el pistón 2 y el cilindro 1 en el cual desliza, es netamente más pequeño que el aumento de diámetro del pistón 2 que provoca su bloqueo (o sea aproximadamente 10 \mum en el ejemplo dado).

Es previsible realizar unos ajustes de algunos \mum de juego a una temperatura (temperatura ambiente por ejemplo).

Por el contrario, es difícil conservar este juego para unos desplazamientos de temperatura que van de -60ºC a +200ºC como se ha encontrado en los frenos. Esto es debido a la dilatación diferencial entre el pistón 2 y el cilindro 1 que pueden tener coeficientes de dilatación térmica diferentes.

Es necesario un aparejamiento de gran precisión. Ahora bien resulta que las cerámicas piezoeléctricas utilizadas para el pistón tienen un coeficiente de dilatación muy bajo, incluso negativo. No es por tanto fácil encontrar el material del cilindro que tenga el coeficiente exactamente adecuado al mismo tiempo que se buscan otras propiedades como el comportamiento mecánico, la mecanizabilidad, etc.

La estructura de cilindro o camisa de deslizamiento representada en la figura 8 permite obtener y de regular este acuerdo para la concepción con la ayuda de materiales tradicionales. El dispositivo está compuesto por tres materiales montados coaxialmente.

La misma comprende un cilindro interior 8 en la cual desliza el pistón 2, un cilindro externo 9 y un cilindro intermedio 10 que se extiende entre el cilindro interior 8 y el cilindro externo 9.

El cilindro 9 es pretensado, encerrando el cilindro 8 y el cilindro intermedio 10.

Este cilindro intermedio 10 presenta unas ranuras radiales 11 que se extienden a partir de generatrices de un cilindro interior 8. Estas ranuras 11 son bastante profundas para llegar a la proximidad de la superficie exterior de dicho cilindro interior 8 y pueden eventualmente desembocar.

El o los materiales de los cilindros 8 y 9 se eligen con unos coeficientes de hidratación bajos, pero sin embargo algebraicamente superiores al del pistón.

El material del cilindro intermedio 10 se elige con un coeficiente de dilatación superior.

Cuando la temperatura aumenta, el cilindro 10 se dilata radialmente, pero está parcialmente impedido por el cilindro 9 que se dilata menos que él.

En consecuencia, la expansión exterior impedida es aplicada sobre el cilindro 8 que se encuentra radialmente comprimido. Las ranuras 11 tienen una función capital para impedir la formación de tensiones ortorradiales que impedirían cualquier expansión del cilindro 10 hacia el interior. Para que las ranuras 11 no creen ondulación sobre el cilindro 8, se elige para dichas ranuras una anchura inferior al espesor de dicho cilindro 8. La expansión del cilindro 10 obliga al cilindro 9 a la expansión, mientras que cuando el cilindro 9 se comprime, contrae al cilindro 8. Las deformaciones relativas de los cilindros 8 y 9 se reparten en proporción a la inversa de su rigidez. Cuanto más grueso y rígido es el cilindro 9, más comprimido será el cilindro 8.

Se ajusta por consiguiente el coeficiente de dilatación interna del cilindro 8 actuando sobre el espesor del cilindro 9. Un mecanizado externo constituye por tanto un medio de ajuste final del coeficiente de dilatación interna, sabiendo que este último sólo podrá evolucionar hacia un valor algebraico mayor.

Desde luego, el término cilindro utilizado en los desarrollos que preceden debe entenderse en el sentido amplio. Designa de manera general cualquier forma definida por un conjunto de generatrices paralelas que se apoyan sobre una misma superficie cerrada.

El accionador que acaba de ser descrito es ventajosamente utilizado para equipar unos estribos de freno, y más particularmente unos estribos de freno de aviones.

Claims (7)

1. Accionador que comprende una camisa de deslizamiento (1) y un pistón (2) apto para desplazarse axialmente en dicha camisa, comprendiendo dicho pistón una pluralidad de porciones (a, b, c) sucesivas de material multicapas piezoeléctricas, siendo unos medios de mando aptos para aplicar sobre dichas porciones unas tensiones de mando para dilatar unas porciones de manera que se bloqueen con respecto a la camisa de deslizamiento y para alargar otras porciones en el interior de dicha camisa, siendo estas dilataciones y alargamientos mandados por dichos medios de mando según unas secuencias que desplazan el pistón en dicha camisa, caracterizado porque los medios de mando son aptos para aplicar a cada una de las porciones (a, b, c) una tensión que acorta dicha porción y la bloquea en la camisa de deslizamiento (1) y una tensión que libera dicha porción con respecto a dicha camisa y que la alarga en esta, siendo la una y la otra de estas dos tensiones aplicadas sucesivamente a dicha porción cuando tiene lugar una secuencia de desplazamiento del pistón (2), siendo así cada porción utilizada en bloqueo y en alargamiento cuando tiene lugar dicha secuencia.

2. Accionador según la reivindicación 1, caracterizado porque una porción presenta una pluralidad de electrodos que se extienden transversalmente con respecto al eje del pistón, extendiéndose por lo menos una metalización de mando eléctrico en por lo menos una parte de la altura del pistón hasta un rehundido en el cual la metalización está en contacto con un electrodo cada dos de la porción, estando los electrodos de la porción alternativamente desplazados con respecto a dicho rehundido, estando la metalización, a nivel de las porciones que no alimenta, desplazada con respecto al rehundido de manera que no entre en contacto con los electrodos de estas porciones.

3. Accionador según la reivindicación 2, caracterizado porque el pistón comprende una envolvente metálica en la cual las porciones están alojadas, estando una metalización de mando alojada en una ranura que se extiende en la altura del pistón.

4. Accionador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la camisa de deslizamiento comprende un cilindro interior, un cilindro exterior y un cilindro intermedio, presentando el material del cilindro intermedio un coeficiente de dilatación superior a los de los cilindros interior y exterior.

5. Accionador según la reivindicación 4, caracterizado porque el cilindro intermedio presenta unas ranuras (11) que se extienden radialmente desde su superficie interior hacia su superficie exterior.

6. Accionador según la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de mando comprenden unos medios para mandar la deformación de las porciones según una secuencia tal que, en un primer tiempo, el pistón avanza de forma que elimine el juego que lo separa de la superficie sobre la cual debe apoyarse y, en segundo tiempo, aplica un esfuerzo sobre dicha superficie.

7. Accionador de freno, caracterizado porque está constituido por un accionador según una de las reivindicaciones anteriores.