Après un premier sidestick qui respecte les fondamentaux de l’original – duretés réalistes, amortissement – je suis désormais engagé dans une seconde réalisation dont l’ambition est de respecter l’ensemble des caractéristiques de l’original, en mettant en oeuvre des solutions techniques proches de celles de l’original.
L’ensemble doit pouvoir être réalisé avec les machines dont je dispose, la CNC en profilé alu, le tour en profilé, et la petite fraiseuse type X2. Les matériaux de base sont pour l’essentiel des tôles d’alu 2017 de diverses épaisseurs, du tube d’alu 2017, du rond en acier “stub” ou en laiton, roulements, ressorts et visserie standard, tous aisément trouvables sur le net.
Trois exceptions : les “dampers” qui servent à réguler les vitesses de déplacement du manche, un électro-aimant pour animer le mécanisme de blocage du stick lorsque le pilote automatique est en fonction, et le stick (le manche) ; ces éléments seront achetés.
1 - Spécifications :
1.1 - La duretée des mouvements :
Mon premier sidestick satisfait pour l’essentiel à ces spécifications, il a été “validé” par un professionnel, ce qui m’incite à penser que je suis dans le vrai.
| Pitch | Roll in | Roll out | |
| Effort max | 10 daN | 3 daN | 2 daN |
| Pré-contrainte | 0.5 daN | 0.4 daN | 0.4 daN |
| Débattement | +- 16 deg | 20 deg | 20 deg |
La dureté du mouvement “roll” est proportionnelle au débattement, de 0° à +-20°, plus importante coté “roll in” que coté “roll out” ; la présence d’une précontrainte exige un effort minimum pour quitter la position neutre.
La dureté du mouvement “pitch” est la même selon que l’on tire ou que l’on pousse le stick ; elle est proportionnelle au débattement, d’abord modérée sur un premier palier entre 0 et +-6° de déviation, puis nettement plus ferme au delà, de +-6° à +-16° ; une précontrainte est également appliquée au neutre.
Les mouvements sont nettement amortis sur les 2 axes.
Le stick est, en position neutre, incliné vers l’avant (à piquer) et vers l’intérieur, ce qui implique un effort plus important pour pousser à fond que pour tirer à fond, et un effort plus important pour ramener à fond vers l’intérieur que l’extérieur.
1.2 - Blocage du stick :
Un mécanisme bloque le stick lorsque le PA est engagé ; un bouton sur le manche permet de le débloquer ; il est également possible de débloquer le stick en appliquant un effort suffisant, 5 daN pour le pitch, 3.5 daN pour le roll.
1.3 - Conception des mécanismes :
Le stick (le manche) actionne les 2 axes “pitch” et “roll” par l’intermédiaire d’un “cardan” ; une came poussée par un électro-aimant et rappelée par un ressort vient se loger dans 2 encoches pratiquées dans le cardan pour assurer le blocage au neutre du stick lorsque le PA est engagé.
Sur l’axe roll, 2 ensembles de 3 ressorts travaillant en extension ramènent l’axe au neutre ; le neutre, ainsi que la pré-contrainte des ressorts au neutre, sont réglables ; un “damper” à huile amortit les mouvements autour de l’axe.
Sur l’axe “pitch”, 2 doubles ressorts (chaque paire de ressort est montée dans un ensemble fonctionnant tant en compression qu’en extension) ramènent l’axe au neutre en respectant le double palier de résistance ; un “damper” amortit les mouvements autour de l’axe.
Un contre-poids est fixé sur l’axe pitch, tendant à piquer au repos ; il semble équilibrer le poids du stick, lui même incliné vers l’avant et tendant donc à cabrer ; je n’ai pas vraiment compris si cet équilibrage physique était vraiment le pourquoi de ce contre-poids.
Les mouvements de rotation des 2 axes sont captés par 2 ensembles “transducers” par l’intermédiaire de biellettes.
Dans cette seconde version, je souhaite être au plus proche de la conception de l’original, en particulier pour ce qui concerne le “cardan” central, et le retour au neutre sur l’axe roll.
Cependant, je ne doublerai pas les mécanismes de rappel au neutre sur l’axe pitch et sur l’axe roll, cette redondance ne présentant aucun intérêt pour un simulateur. De même, je n’implémenterai pas le contrepoids présent sur l’axe pitch, dont je n’ai toujours pas vraiment compris l’objet, et qui ne me semble pas utile pour un simulateur.
1.4 - Modélisations :
Compte tenu de mes machines, je vais modéliser l’ensemble sous Solidworks ; les plans d’usinages dériveront de mises en plan au format “.dxf”, reprises sous Turbocad pour préparer les trajectoires d’usinage ; ces plans seront enfin convertis en fichiers “.nc” grace à Cambam, pour usinage à la CNC avec Mach3.
La modélisation est répartie en plusieurs sous-ensembles :
– Le cardan, qui transforme les mouvements du stick en rotations selon les axes pitch et roll,
– Le mécanisme de rappel sur l’axe roll, qui permet de régler finement la position du neutre ainsi que les pré-contraintes,
– L’ensemble ressorts de l’axe pitch, à double action (fonctionne tant en extension qu’en compression), et qui offre un double pallier de résistance,
– Le chassis,
– Divers autres mécanismes, comme celui du blocage au neutre, ou les potentiomètres à effet hall qui font office de “transducer” pour capter les mouvements de rotation des 2 axes.
2 - Le cardan :
2.1 - Modélisation du cardan :
Ce “cardan” est l’un des 2 mécanismes un peu mystérieux du sidestick, avec celui du blocage au neutre. Il vise à permettre , en actionnant le stick (le manche), de récupérer les angles de déflexion sur 2 axes “roll” et “pitch” situés dans un même plan.
Le coeur du dispositif est un cardan dont l’une des 2 fourchettes est solidaire de l’axe roll, et l’autre solidaire du stick ; cette seconde fourchette a une forme cylindrique qui enveloppe la première fourchette et la noix du cardan.
Ce sous-ensemble cylindrique est en rotation à l’intérieur d’un second cylindre, la liaison entre les deux est assurée par 2 roulements ; ce second cylindre est solidaire de l’axe pitch. Pour des raisons de réalisation, ce second “cylindre” est constitué de 2 anneaux alésés pour recevoir les 2 roulements à bille, solidarisés par 2 pièces sur-lesquelles sont fixés les 2 axes pitch.
Le centre de la noix est positionné précisément à l’intersection des axes de révolution pitch et roll.
L’anneau arrière se prolonge sur le bas afin d’offrir un point d’ancrage à l’un des ressorts de rappel au neutre.
La liaison du cylindre intérieur à l’ensemble arrière de fixation du stick se fait grace à un cylindre encastré à l’arrière du cylindre intérieur, maintenu par 4 vis, et sur-lequel l’ensemble de fixation est fixé.
2.2 - Réalisation du cardan :
L’ensemble doit d’une part être usinable avec les petites machines dont je dispose, et d’autre part être entièrement démontable : j’ai donc exclu toute forme de colle (à part le frein filet), et approvisionné de la visserie m4 et m5 en quantité !
Le coeur du cardan est un bloc en alu percé/alésé pour accueillir 4 demi-axes, l’un horizontal, constitué de 2 demi-axes maintenus en place par 2 vis sans tête, et l’autre, également constitué par 2 demi-axes solidarisés par une vis axiale, et maintenu en place par une 3ème vis sans tête.
Les axes, en laiton, tournent chacun dans un roulement 8x12x3,5.
La fourchette de l’axe roll (stub de 12) est usinée dans un rond d’alu : tournage du moyeu, perçage/alésage, puis fraisage ; les 2 demi-axes vissés ensemble et leurs roulements sont maintenus par 2 petites plaques vissées sur les flans de la fourchette (non encore en place sur la photo).
La seconde fourchette est usinée dans un tube d’alu de 50, épaisseur 5 ; les roulements des 2 autres demi-axes sont logés dans l’épaisseur du tube et également maintenus par 2 petites plaques vissées.
Cet ensemble tourne dans 2 roulements 50x65x7 qui viennent encadrer les 2 petites plaques précédentes ; ces 2 roulements sont montés dans un pseudo-cylindre constitué de 2 flasques alésées et reliées ensemble par 2 joues latérales, également percées/alésées pour accueillir les 2 demi-axes pitch.
Le stick doit actionner directement le tube constituant la seconde fourchette ; l’ assemblage sur lequel sera monté le stick est fixé à ce tube par l’intermédiaire d’un cylindre de diamètre 40 et d’épaisseur 10 encastré à l’arrière du tube et maintenu par 4 vis sans tête.
Aucun jeu, c’est un bel ensemble ! il reste à ménager 2 encoches sur la section avant du tube, nécessaires au blocage du stick lorsque le PA est engagé ; profil délicat à concevoir, les forces de déblocage en dépendent en partie …
3 - Retour au neutre sur l'axe roll :
3.1 - Conception du retour au neutre sur l'axe roll :
Le mécanisme de retour au neutre du sidestick original est doublé, j’imagine pour des obligations de redondance, je n’en conserverai qu’un seul, tout en en repectant les principes.
Ce mécanisme est en fait constitué de deux mécanismes symétriques, l’un pour le roll in, l’autre pour le roll out :
– lors d’un mouvement “roll in”, un poussoir (en rouge) solidaire de l’axe roll pousse sur un “culbuteur roll in” (en vert) qui tourne autour de l’axe roll, et qui est rappelé au neutre par un ressort (en bleu) ; le neutre est matérialisé par une butée (en mauve) que ce “culbuteur roll in” ne peut dépasser, ce seuil étant réglable par une vis.
– lors d’un mouvement dans l’autre sens, ce même poussoir pousse un “culbuteur roll out” (en orange), qui de la même façon est rappelé au neutre par un second ressort (en jaune) ; la course de ce culbuteur est également limitée par la butée, seuil également réglable.
Une vis placée sur chaque culbuteur entre culbuteur et poussoir permet de régler la pré-contrainte des ressorts au neutre.
Sur l’appareil original, l’un des ressorts de rappel est ancré sur le chassis, le second est ancré sur le premier ; dans mon implémentation, les 2 ressorts sont ancrés au chassis, ce qui ne change strictement rien du point de vue de la cinématique du mécanisme, mais me permet d’en faciliter la réalisation.
On obtient ainsi un retour au neutre très précis, et la possibilité de pré-contraindre le stick au neutre, deux propriétés facilement réglables.
Pour compléter le tableau, l’axe roll agit par l’intermédiaire d’un levier sur un amortisseur à huile, et agit par l’intermédiaire d’un second levier sur un “transducer” qui transforme en signaux électriques la position de l’axe ; dans le cas précis, le transducer sera remplacé par un potentiomètre à effet hall.
La détermination des ressorts est une affaire de trigonométrie, couple au repos éxercé sur le stick = couple résistant du ressort au neutre, idem en position extrême, et ceci des 2 cotés, in et out. J’ai supposé que l’effort exercé sur le stick (celui qui figure dans le tableau des caractéristiques) est perpendiculaire à son axe.
3.2 - Réalisation du retour au neutre sur l'axe roll :
3.2.1 - Le poussoir :
Le poussoir est composé de 2 demi-poussoirs en alu, dont l’alésage de l’un présente un profil particulier : demi cercle, applati, pour épouser le méplat correspondant sur l’axe roll ; ceci est nécessaire pour assurer une liaison axe/poussoir capable d’encaisser un couple important, tout en restant démontable.
Les 2 demi-poussoirs sont réunis par 2 vis/écrous (plutôt que vis dans taraudage) pour permettre un serrage vigoureux ; aux 2 exrémités, 2 vis présentent leur extrémité à la surface du poussoir : c’est sur ces 2 surfaces en acier que viendront s’appuyer les vis d’appui des culbuteurs.
3.2.2 - Les culbuteurs :
Les culbuteurs tournent librement autour de l’axe roll : ce mouvement est assuré par une paire de roulements 18x12x4 (2 pour améliorer le comportement latéral).
Les roulements sont enprisonnés dans un demi culbuteur inférieur et un demi culbuteur supérieur, le tout surmonté d’un bras coudé sur lequel viendra appuyer le poussoir ; une flasque est fixée latéralement sur cet ensemble, afin d’immobiliser les 2 roulements.
3.2.3 - Les ressorts de rappel :
Ces ressorts sont des ressorts de traction, calcul en fonction des bras de levier et de la résistance en roll in et en roll out ; diamètre 12.7, pré-tension inférieure à la précontrainte fixée par les caractéristiques du stick.
Chaque boucle du ressort est fixée par l’intermédiaire d’une rondelle en delrin dans un petit assemblage en 2 parties vissées entre-elles, qui permettra la liaison avec les culbuteurs d’un coté, et le chassis de l’autre.
3.2.4 - La butée centrale :
La position des culbuteur au repos est assurée par une butée centrale qui limite le mouvement des culbuteurs, dotés pour celà d’une vis réglable qui vient s’apuyer sur la butée centrale. Cette butée, en forme de croix, est positionnée sous l’axe roll, et fixée sur une paroi intermédiaire du chassis, qui accueille également les brides de fixation des ressorts.
La paroi intermédiaire, qui sera fixée sur les flans latéraux du chassis, présente des évidements nécessaires au passage des écrous de fixation des ressorts sur les culbuteurs, ainsi qu’à leur montage.
3.2.5 - Présentation de l'équipage mobile et de la paroi intermédiaire :
Le dimensionnement important de certaines pièces est rendu nécessaire par les forces mises en jeu.
4 - Retour au neutre sur l'axe pitch :
4.1 - Conception du retour au neutre sur l'axe pitch :
Dans ce cas, il faut assurer un double palier de résistance.
La courbe de résistance présente d’abord un premier seuil au neutre (précontrainte), puis croit modérément entre 0 et 6° de” déflexion, avant de croitre fortement au delà.
L’implémentation matérielle est différente de celle de l’axe roll, il s’agit ici d’un dispositif à double action, sur lequel on peut tirer ou pousser, et dont la position d’équilibre est le neutre.
4.1.1 - Principe d'un "ressort" double action :
En noir épais, les 2 extrémités du dispositif :
– en tirant sur l’extrémité droite, le poussoir noir de gauche comprime le ressort par l’intermédiaire de la coulisse orange de gauche ; à droite, le ressort est en butée sur le corps du dispositif par l’intermédiaire de la coulisse orange de droite.
– en poussant sur l’etrémité de droie, c’est le poussoir noir de droite qui comprime le ressort par l’intermédiaire de la coulisse de droite ; le ressort es en butée à l’opposé, par l’intermédiaire de la coulisse de gauche.
La pré-contrainte s’obtient en ajustant la distance des 2 butées noires par rapport à la longueur du ressort.
Dans notre cas, il faut en plus durcir le ressort à partir d’une certaine compression ; cela s’obtient en introduisant un second ressort qui ne commence à être comprimé qu’à partir de cette compression.
4.2 - Modélisation :
L’axe de l’ensemble (en haut) est muni de 2 butées fixes, qui vont venir comprimer le petit ressort (en 3ème ligne) par l’intermédiaire de 2 poussoirs en laiton ; 2 collerettes en delrin sont fixées sur ces poussoirs, et guideront l’ensemble dans le corps cylindrique de l’ensemble (en bas) ; les collerettes butent aux deux extrémités du corps cylindriques.
Ce premier ressort détermine la résistance de l’ensemble pour les déflexions entre 0 et 6°.
Un second ressort (2de ligne) concentrique avec le premier bute d’un coté sur le poussoir de droite ; il est muni coté gauche d’un troisième poussoir, qui est actionné par le poussoir gauche du petit ressort lorsque la déflexion atteint 6°, assurant ainsi le durcissement de la résistance pour les déflexions au delà de 6°.
4.3 - Réalisation du retour au neutre sur l'axe pitch :
Les poussoirs du ressort intérieur sont tournés dans du laiton, celui du second ressort est tourné dans du delrin, afin d’assure un glissement optimal sur le premier poussoir.
Les 2 premiers poussoirs sont complétés par deux disques en delrin, maintenus par deux petites collerettes en laiton enchassées à l’extrémité de chaque poussoir ; ces disques glissent à l’intérieur du corps principal, taillé dans un tube étiré en alu 2017, diamètre 30×26.
L’une des extrémités du corps est en partie obturée par une colerette en alu, collage epoxy ; cette colerette constitue l’une des 2 butées d’extrémité.
L’autre extrémité du corps est obturé par une pièce en alu, tournée et fraisée, qui servira de fixation à l’ensemble, et qui constitue la seconde butée d’extrémité : cette pièce est immobilisée à l’extrémité du corps par 3 vis btr (réglage possible), d’où la présence d’une couronne de renfort en alu, également collée à l’epoxy.
Poussoirs et ressorts sont montés sur un axe de 6 en stub, fileté à ses extrémités ; un double écrou de chaque coté permet de fixer la longueur maximale de l’ensemble, donc la pré-contrainte.
Une fois introduit dans le corps principal, l’ensemble ne doit présenter aucun jeu par rapport au corps, ni compression supplémentaire : ce réglage est obtenu grace aux 3 btr évoquées ci-dessus.
Une pièce cylindrique épaulée, tournée en alu, est vissée à l’extrémité libre de l’axe, et viendra appuyer sur le poussoir gauche (cette pièce peut pénétrer à l’intérieur du corps). Le tout est complété par un chapeau cylindrique tourné en PFTE, et une rotule de fixation.
5 - Première intégration :
Arrivé à ce stade, cardan et mécanismes de retour au neutre terminés, je tente une première intégration.
Je réalise un chassis temporaire en mdf de 10, rajoute quelques roulements ainsi qu’un début de mécanisme de blocage du cardan, puis installe les premiers composants.
L’ensemble est assez cossu (chassis 172×245, hauteur 245), ce sont les dampers (non encore installés) et le gros ressort pitch qui dictent la géométrie. Et aucun doute, ça fonctionne bien !
6 - Le mécanisme de verrouillage :
6.1 - Conception :
Avion en vol, AP engagé, le stick est bloqué au neutre ; pour reprendre la main, il faut appuyer sur l'”AP disconnect”, ou “forcer” sur le stick, en exerçant une force de 5 daN sur le pitch, ou 3,5 daN sur le roll.
J’ai mis du temps à comprendre ce mécanisme de verrouillage, qui s’avère plutôt astucieux.
C’est le croquis ci-contre qui m’a d’une part fait comprendre comment était conçu le “cardan”, et d’autre part suggéré les secrets de ce verrou :
La noix intermédiaire du cardan pivote d’avant en arrière autour de l’axe de pitch, et tourne autour de l’axe du roll ; 2 encoches calibrées sont pratiquées sur sa section circulaire avant, sur un diamètre horizontal, et 2 roulettes sont poussées contre ces encoches ; lorsque la noix bascule d’avant en arrière, les flans supérieurs ou inférieurs des encoches viennent appuyer contre les roulettes et tendent à les repousser ; il en est de même lorsque la noix tourne autour de l’axe roll.
Lorsque l’AP est engagé, les roulettes sont maintenues fermement dans les encoches par le biais d’un jeu de leviers et biellettes actionnées par un électro-aimant monostable.
Cet électro-aimant est doté d’un aimant qui maintien son noyau en position ; une impulsion dans un sens vient plaquer le noyau contre l’aimant, une impulsion dans l’autre sens décolle le noyau et le repousse, il suffit de rajouter un ressort (non représenté) pour le maintenir dans cette seconde position. AP engagé, l’électro-aimant est en position “maintien par l’aimant”.
Sous l’effet d’un effort suffisamment important sur le stick, la noix du cardan s’écarte légèrement de la position neutre, et la logique d’actionnement de l’électro-aimant (qui s’appuie sur la situation de l’avion au sol ou en l’air, et de l’état de l’AP) ramène le noyau de l’électro-aimant en position “rappel par le ressort”, libérant ainsi la noix.
6.2 - Réalisation :
6.2.1 - Verrouillage du cardan :
Les 2 roulettes sont des roulements de 12 mm de diamètre, le profil des encoches du verrou a la forme d’un triangle rectangle isocèle, hauteur 5,5 mm ; la réalisation de ces encoches demande une bonne précision afin au final de respecter les efforts de déblocage.
Ces encoches sont réalisées à la fraiseuse avec une fraise à chanfreiner de 90 degrés ; les 2 plats latéraux sur la noix intermédiaire du cardan permettent son positionnement précis dans l’étau.
Les roulettes sont montées à l’extrémité d’un levier ; l’autre extrémité du levier est monté sur un arbre de 10 (stub), fixation en 2 parties emprisonnant l’axe, l’une des 2 présente un plat de 1 mm d’épaisseur qui trouve son correspondant sur l’arbre, de façon à avoir une indexation radiale sans glissement.
Les 2 leviers sont donc parfaitement alignés, le tout est installé dans un étrier qui est ensuite fixé sur le chassis.
6.2.2 - Actionneur :
La longueur des divers leviers et bielles détermine la force de maintien de l’électro-aimant ; la course de l’électro-aimant doit également être prise en considération ; la gamme de choix de cet électro-aimant étant relativement étroite, ce sont ses caractéristiques précises qui à l’inverse vont définir la longueur définitives des leviers.
Au final, j’ai retenu le modèle suivant, force de maintien 60 N (c’est costaud, le truc pèse tout de même 550 g !).
L’électro-aimant est monté dans un petit sous-ensenble ; il comporte les démultiplications nécessaires, ainsi que le ressort de maintien en position relaché (verrou non actif).
L’actionneur est fixé sur le fond du châssis, réglage position possible (4 trous oblongs) pour pouvoir placer très précisément les roulements au fond des encoches lorsque l’électro-aimant est en position “maintien par l’aimant”.
7 - Les dampers :
Chacun des 2 axes, roll et pitch, est doté d’un “damper” double action (tiré, poussé), afin de limiter la vitesse de rotation de chacun de ces axes ; la combinaison ressorts/damper constitue un amortisseur.
L’amortissement des mouvements du sidestick réel est important, mais n’ayant pas connaissance précisément de ses caractéristiques, je me suis fié à ce que diverses videos sur le net laissent présumer, tout de même confirmées par des pilotes Airbus.
J’ai retenu le même modèle que celui pour lequel j’avais opté pour le sidestick v1, un ADA 505M ; il s’agit d’un modèle dont chaque vitesse de déplacement (tiré, poussé) est réglable séparément par l’intermédiaire d’une petite molette graduée : de 25 à 900 mm/sec pour une force de propulsion de 250 à 2000 N ; l’ajustement aux forces mises en jeu dans le stick s’opère grâce à la longueur du levier qui relie l’axe (pitch, roll) au damper.
Le damper ext fixé à sa base grâce à un étrier fixé au flan du châssis, et coté axe (pitch, roll) grâce à un levier en 2 parties qui viennent pincer l’axe, immobilisation radiale assurée par un plat de 1 mm.
La taille importante de chaque damper (entre-axe médian 225 mm) détermine l’encombrement en hauteur du chassis (265 mm), de même que c’est la longueur de l’ensemble ressorts pitch qui détermine la longueur du chassis (305 mm)
8 - Les capteurs de position :
La position du stick est mesurée provisoirement par 2 potentiomètres à piste cermet de 10 k-ohms (à remplacer par 2 potentiomètres “hall” selon le modèle décrit par ailleurs).
Compte tenu du débattement de chaque axe, une démultiplication 3/1 est nécessaire, assurée par un jeu d’engrenages 60 dents / 20 dents ; engrenages standards (HCPeurope) en nylon, module 1, ré-usinage à la fraiseuse pour réduction de l’épaisseur et alésage, et rajout d’un moyeu en delrin.
9 - Finalisation :
Il ne reste plus qu’à intégrer cette mécanique dans un boitier métal.
Joues avant et arrière en alu de 10, joues latérales et fond en alu de 5, le tout assemblé à l’aide d’équerres fraisées 25x12x12.
Pour la connectique, rajout d’un petit boitier également en alu, qui abrite une carte type joystick (entrées analogiques et numériques), pour regrouper les signaux en provenance des capteurs d’axe, les signaux en provenance de la poignée, ainsi que les signaux d’un tiller externe ; 3 prises en facade, une prise usb pour la carte, une prise 2 poles pour l’électro-aimant du verrouillage, et une prise 3 poles pour le tiller.
Fin du montage, avec une face supérieure en alu de 5 et un soufflet oem.
L’engin pèse environ 12 kg, et les sensations attendues sont incroyablement là, strictement rien à voir avec un joystick même bien retravaillé.
Je suis satisfait, l’objectif est atteint ; respect des caractéristiques du “vrai”, ainsi que des principes de sa conception ; de plus, je pense qu’il s’agit d’une pièce rare !
Et un grand plaisir à la réaliser …
Magnifique boulot Michel!
Hello Jacques,
merçi tout plein, de la part d’un pro le compliment est très gratifiant !
J’espère que tu auras un jour l’occasion de l’essayer et de me dire si en effet il est vraiment proche du vrai …
Michel