Brevet FR2513958A1 — publié le 19830408

La présente invention concerne un servo-volant électrique pour véhicules automobiles du type comprenant un groupe motoréducteur agissant sur les organes de direction et un élé- ment électrique à résistance, sensible au couple de manoeuvre exercé sur le volant, en mesure de commander, par I'intermé- diaire d'un circuit électrique, l'intervention du groupe motoréducteur. On sait que le rôle d'un-servo-volant consiste à exercer sur un organe de direction, normalement sur l'arbre de direction, un couple de rotation de manière à réduire l'effort que le conducteur doit exercer sur le volant pendant les manoeuvres de changement de direction. L'interven- tion du servo-volant permet donc une rotation plus aisée du volant spécialement dans les manoeuvres les plus fatigantes, comme dans le cas d'une voiture à l'arrêt ou dans des courbes de faible rayon. Un but de la présente invention est de fournir un servovolant électrique du type ci-dessus, simple sur le plan mécanique et fiable, et qui comporte, en outre, un élément électrique sensible aux rotations du volant de manière à délivrer des signaux de valeur élevée afin que le circuit électrique de commande du groupe moto-réducteur soit fiable et économique. Un autre but de la présente invention est de fournir un servo-volant électrique qui, dans n'importe quelles conditions, n'empêche pas le fonctionnement manuel du volant. Pour résoudre ces problèmes techniques, il est prévu selon l'invention, un servo-volant électrique comprenant comme dispositif électrique un extensomètre à résistance appliqué sur une barre de torsion disposée axialement et solidaire de l'arbre de direction. Conformément à l'invention, le circuit électrique comprend un circuit à pont et une centrale électronique qui commande l'alimentation du moteur électrique et par conse- quent l'intervention du scrvo-volant untquamend après avoir vérifié l'exactitude des signaux provenant dudit circuit à pont et la conformité de rotation du volant (arbre de direction) avec celle du moteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre faite en regard des dessins annexés et donnant, uniquement à titre d'exemple, une forme préférée de réalisation du servo-volant. Sur ces dessins, la figure 1 est une vue schématique du servo-volant électrique selon l'invention la figure 2 est une vue partielle, à celle agrandie, de l'arbre de direction de la figure 1 sur une partie duquel est appliqué l'extensomètre à résistance, selon l'invention les figures 3 et 4 représentent deux coupes, respectivement selon les lignes III-III et IV-IV de la figure 2 ; et la figure 5 représente, de manière schématique, le circuit électrique de commande du servo-volant. En se référant à la figure l le volant du véhicule automobile est indiqué en 1, l'arbre de direction actionné par le volant en 2 et un moteur à courant continu est indiqué en 3, ce moteur agissant sur l'arbre de direction par l'intermédiaire d'un réducteur 4. Le groupe 3-4 constitue donc le moto-réducteur du servo-volant dont le rôle, comme on le sait, est celui d'exercer sur l'arbre 2, pendant les manoeuvres de changement de direction, un couple de rotation qui réduit l'effort exercé par le conducteur sur le volant. Selon l'invention, l'arbre 2 présente, solidaire à celui-ci et dans le sens axial, une barre de torsion 2' sur laquelle est appliqué un extensomètre électrique à résistance (jauges de contraintes) 5 de manière à mettre en évidence par l'intermédiaire des variations de résistance les déformations de torsion de cette barre. De préférence, la barre 2' présente une section réduite par rapport à celle de l'arbre et ceci dans le but de mettre en évidence les sollicitations de torsion. Celle-ci peut faire partie de l'arbre ou, en tant qu'organe en soi, elle peut être ridigement assemblée à l'arbre par l'intermédiaire d'une soudure ou par emboitement ou au moyen de nervures, etc... Pour rendre la barre 2' insensible aux sollicitations étrangères aux sollicitations de torsion telles que celles de flexion, de cisaillement, de charges de pointe, etc. la barre elle-même est logée dans un manchon. rigide 6 ne permettant aucune rotation libre de façon à être soumise aux sollicitations de torsion tandis qu'elle annule toute autre sollicitation pour une meilleure précision de la mesure. Dans ce but, le manchon 6 se prolonge sur l'arbre 2 autour de la barre 2' sur toute la longueur de celle-ci et appuie de manière rotative par l'extrémité sur l'arbre. 2. Le manchon est fixé à la carrosserie 6' ou à toute autre partie fixe du véhicule automobile. L'extensomètre à résistance illustré sur la figure 2 possède des grilles en chevrons et en conséquence est le plus adapté pour les mesures de torsion. Celui-ci est constitué par plusieurs grilles ou résistances en forme de plaquettes, appliquées autour de la barre 2' comme représenté sur les figures 3 et 4. En particulier, deux grilles R1, R2 ayant des nervures à 450 par rapport à l'axe longitudinal mais à 900 entre elles (voir la figure 2) sont disposées côte à côte et près l'une de l'autre sur la barre 2' alors que deux autres grilles R'1 et R'2, identiques aux premières sont disposées sur la barre en position diamétralement opposée. De cette manière, pendant une rotation déterminée de a barre 2', les grilles R1, R'1 subissent une variation de résistance analogue alors que les grilles R2, R'2 subissent une variation opposée. Par exemple, pour une rotation dans le sens horaire de la barre 2', la résistance de Ri et de R'1 augmentera, étant donné que les grilles se détendent, alors que celle de R2 et de R'2 diminuera étant donné que les grilles se compriment et vice-versa pour une rotation dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Comme il ressort de la figure 5, les grilles ou résistances R1, R'1 constituent les résistances des deux faces opposées du pont de Wheatstone Pi 'alors que les grilles ou résistances R2, R'2 constituent les résistances des deux autres faces du pont. Comme représenté sur les figures 2 et 4, sur la barre 2' deux grilles R3, R4 sont également appliquées, orientées et montées comme R1, R2. Ces autres grilles sont prévues pour réaliser un pont auxiliaire P2 ayant un rôle de contrôle comme il sera expliqué ci-après. Les couples des résistances R1, R'1, R2, R'2 et R3, R4 sont disponibles dans le commerce sous la forme de plaquettes doubles, ce qui explique la configuration des résistances (voir figures 2, 3 et 4) cte-à-côte, deux à deux, et connectées. I1 est-6vident, cependant, qu'on peut employer des plaquettes simples, c'est-à-dire chacune comprenant une grille ou résistance, auquel cas ces plaquettes peuvent être disposées autour de la barre 2' dans un rapport angulaire différent de celui représenté et leur connection électrique peut être faite sur le pont. I1 est clair, en outre, que dans le cas de plaquettes doubles,-il n'est pas strictement nécessaire quelles soient disposées sous un angle de 1800 entre elles comme représenté sur la figure 3. Le circuit électrique illustré sur la figure 5 est capable de noter le couple appliqué sur le volant 1 par l'intermédiaire de la déformation de l'extensomètre 5 placé sur la barre de torsion 2' et de fournir de manière correspondante et alimenter le groupe moto-réducteur 3-4 en actionnant l'arbre de direction 2. Un tel circuit additionnel au pont de Wheatstone P1 et au pont auxiliaire P2 comprend une centrale électronique C qui contrôle l'alimentation du moteur 3 par un interrupteur 7. La centrale C peut être schématisée en deux sections C1 et C2 respectivement de commande et de contrôle. La section de commande C1 comprend un circuit de seuil S1 et un système d'amplification A tous deux de type connu. A l'entrée 7, 8 de S1 est appliqué le signal fourni par la sortie 9, 10 du pont P1. La sortie 11, 12 du système d'amplification A fournit la tension d'alimentation au moteur en courant continu 3. Toutefois, l'alimentation du moteur ne peut se produire, lorsque le signal apparaît à la sortie 11, 12, que si l'interrupteur I inséré dans le circuit d'alimentation 11, 11', 3, I, 12 du moteur est fermé. Le rôle du circuit de seuil S1 est d'activeur le système d'amplification A et en conséquence avoir une tension à sa sortie 11, 12 uniquement lorsque le signal d'entrée 7, 8 atteint une certaine valeur, réglable, qui à titre d'exemple, sera supposée être de 6 mV. Grâce au circuit de seuil 51, on a la possibilité de commander l'intervention du servovolant, en supposant l'interrupteur 1 fermé, uniquement si les efforts exercés sur le volant dépassent une valeur minimale. En modifiant le seuil de S1, on peut régler à volonté la sensibilité du système au couple appliqué au volant. Avec un tel seuil, le servo-volant ntintervient qu'à la suite de manoeuvres effectives sur le volant, réalisant ainsi un premier contrôle du servo-volant lui-même. Le système d'amplification A assure une correspondance entre la torsion de la barre 2' et la tension à la sortie 11, 12, c'est-a-dire aux bornes du moteur 3. Il faut noter cependant que l'amplificateur A comprend un nombre limité de circuits opërationnels et en conséquence est très fiable et d'un prix rffiduit. Ceci e$t dû au fait qu'à son entrée sont appliqués des signaux d'intensité élevée, de l'ordre d'une dizaine de mV, signaux qui sont précisément obtenus grâce au type d'extensomètre utilisé (extensomètre du type à torsion), et au type de déformation considérée. La section de contrôle C2 comprend un circuit de seuil S2 et un circuit de comparaison CC, tous deux de réalisation connue. A l'entrée 13, 14 du circuit de seuil S2 on applique le signal fourni par les sorties 10, 15 respectivement de P1 et P2. Le circuit S2 fournit le signal à une première entrée 16 du circuit CC uniquement lorsque le signal appliqué à l'entrée 13, 14 atteint une certaine valeur, réglable, inférieure ou tout au plus égale à celle du seuil S1. Toujours à titre d'exemple, on suppose que cette valeur est de 5 mV. On verra ci-dessous le rôle de S2 et de cette valeur inférieure à celle de S1. Le circuit de comparaison CC présente également une seconde entrée 17, 18 à laquelle on applique le signal présent à la sortie 11, 12 de l'amplificateur A. Comme mentionné ci-dessus, ce signal, en valeur et en polarité, est identique à celui appliqué aux bornes du moteur lorsque 11 interrupteur I est fermé. Grâce à sa sortie 19, le circuit CC commande l'interrupteur I dont le contact 20 est normalement ouvert, comme indiqué. Toutefois, il faut préciser que le circuit CC agit sur l'interrupteur I de façon à commander aussi bien la fermeture que l'ouverture du contact 20. Le rôle du circuit CC est double : sa première fonction est de comparer l'efficacité de tous les circuits et des composants (résistances, S1, S2, A) et sa seconde fonction -est de vérifier la concordance entre une rotation donnée du volant et une rotation déterminée du moteur. Le circuit CC effectue ces vérifications en comparant les valeurs et la polarité des signaux qui lui parviennent de S2 et de la sortie 11, 12 de l'amplificateur A. C'est seulement lorsque cette comparaison est correcte et satisfaisante qu'il commande la fermeture du contact 20. A l'inverse, si la comparaison n'est pas correcte, le circuit commande l'ouverture du contact, au cas ou il serait fermé, hypothèse qui se vérifie lorsque le servo-volant fonctionne alors que le contact 20 est fermé et qu'il se produit une panne ou une détérioration dans le circuit. Ainsi, le circuit de comparaison CC commande l'intervention du servo-volant uniquement lorsque la totalité du circuit est en état correct et qu'à une manoeuvre donnée du volant 1 correspond le braquage bien défini de la roue du véhicule automobile, ce qui est indiqué par la polarité présente à la sortie de A. En définitive, avec le circuit CC, on dispose d'un second contrôle du servo-volant. Un autre contrôle est assuré par le seuil S2 qui effectue un contrôle de seuil. Si le seuil S1 devait faire défaut en l'absence de S2, on pourrait avoir des signaux à la sortie 11, 12 en provenance de A même pour de faibles signaux à l'entrée 7, 8 de S1, qui correspondent à de faibles efforts exercés sur le volant. En conséquence, sans S2, le moteur 3 démarrerait, en supposant que soit satisfaite la conformité du mouvement comme indiqué ci-dessus avec le contact 20 fermé. Par contre, avec S2 incorporé au circuit, et en cas de panne de S1, le circuit CC est alimenté en 16 uniquement par des signaux à l'entrée 13, 14 supérieurs a 5 mV. En conséquence, on a la certitude que CC ferme le contact 20 toujours à condition que soit satisfaite la conformité du mouvement avec l'intervention du servo-volant, uniquement après qu'un certain effort minimal aura été appliqué au volant même si ce minimum est inférieur à celui fixé par S1. I1 convient de se rappeler que CC, pour fermer le contact 20 doit recevoir le signal d'autorisation tant de S2 que de la sortie 11, 12. Si l'on obtient de la comparaison de ces signaux un résultat correct, alors CC ferme le dit contact. Si le contact 20 est fermé et que la comparaison donne un résultat non-satisfaisant, CC intervient sur le contact 20 afin de l'ouvrir s'il est fermé et pour le maintenir ouvert, s'il est ouvert. On peut conclure que la centrale électronique C uniquement après avoir vérifié l'exactitude des signaux provenant des ponts et la conformité de rotation du volant par rapport à celle du moteur commandera l'alimentation du moteur et par conséquent l'intervention du servo-volant. Le servo-volant fonctionne de la manière suivante Le volant 1 étant en position de repos, la barre 2' n'est pas déformée puisqu'elle n'est soumise à aucune sollicitation de torsion. En conséquence, même les différentes résistances des ponts P1 et P2 ne sont pas déformées car elles ne subissent ni effort de traction, ni effort de compression. Par conséquent, leur résistance ohmique ne change pas et du fait qu'elle est la même pour toutes ces résistances, il se produit un état d'équilibre des ponts P1 et P2 et aucun signal n'est appliqué aux entrées 7 et 8 de C1 et 13 et 14 de C2. Dans ces conditions, aucun signal n'apparaît à la sortie 11, 12 de C1 et l'interrupteur I est ouvert, puisque le circuit CC ne reçoit pas de signaux en 17, 18. Supposons maintenant que le conducteur exerce sur le volant 1 un couple de rotation dans le sens des aiguilles d'une montre. Par suite de cette torsion, les résistances R1, R'1 et R3 s'étirent ce qui augmente la résistance ohmique alors que R2, R'2 et R4 se compriment ce qui diminue leur résistance. Le pont P1 est déséquilibré et un signal est appliqué tant à l'entrée 7, 8 de C1 qu'à l'entrée 13, 14 de C2. Dans l'hypothèse que toutes les résistances soient en état satisfaisant, les deux-signaux appliqués à ces entrées sont égaux et leur valeur dépend du couple appliqué sur le volant. Les signaux sont également de même polarité. Le signal appliqué à l'entrée 7, 8 suppose être supérieur au seuil de S1, commande le système d'amplification A qui délivre à la sortie 11, 12 une tension proportionnelle audit couple. Simultanément, aux entrées 16 et 17, 18 du circuit de comparaison CC, on applique tant au signal provenant de S2 qu'au signal provenant de 11, 12 et, dans les conditions de conformité entre le sens de rotation du volant et le sens de rotation du moteur, et également à condition que tous les circuits fonctionnent correctement (ce que CC vérifie par la comparaison des signaux), ledit circuit CC pourra alors commander l'interrupteur I de façon à fermer le contact 20 et à autoriser en conséquence le démarrage du moteur 3 lequel, par l'intermédiaire du réducteur 4, entralnera l'arbre de direction 2, par intégration de l'effort manuel de braquage. En revanche, si ces conditions ne sont pas remplies, le circuit CC ne commandera pas la fermeture de I et le moteur 3 ne démarrera pas. Si pendant le fonctionnement normal du servo-volant, une panne se produit dans une partie du circuit, CC la décèle et commande l'ouverture du contact 20 ce qui détermine l'arrêt du moteur 3 et la mise hors service du servo-volant. Dans tous les cas où le servo-volant électrique n'intervient pas, le braquage peut s'effectuer manuellement, avec effort manuel. Dans ce cas la barre de torsion 2' agit comme un organe intermédiaire de transmission mécanique. En conséquence, la barre de torsion doit avoir des dimensions suffisantes pour transmettre l'effort de braquage lorsque ce dernier s'effectue manuellement. L'interrupteur I tel que représenté est du type mécanique, c'est-à-dire à relais. Toutefois, il peut être du type électronique et dans ce cas, le signal de commande provenant du circuit CC mettrait cet interrupteur dans l'état de fermeture ou d'ouverture. On a considéré précédemment un extensomètre du type à torsion. I1 est cependant évident que des extensomètres normaux pourraient être utilisés et dans ce cas, il serait avantageux d'appliquer la plaquette concernée en hélices opposées à 450 par rapport à l'axe longitudinal, car dans cette direction la déformation est maximale. De la description qui précède, il est évident que le servo-volant selon l'invention est de réalisation simple et fiable tant du point de vue mécanique qu'électrique. I1 faut noter qu'il est uniquement nécessaire d'intervenir sur l'arbre de direction 2 soit par l'application de l'extensomètre 5 soit par la commande au moyen du groupe motoréducteur 3-4 cequi, en cas de panne à la partie électrique, ne compromet pas l'actionnement manuel du volant. REVENDICAtIONS 1. Servo-volant électrique pour véhicules automobiles comprenant un moteur électrique agissant sur les organes de direction et un élément électrique sensible au couple de manoeuvre exercé sur le volant, en mesure de commander, par l'intermédiaire d'un circuit électrique, l'intervention du moteur, caractérisé par le fait que l'élément électrique est constitué par un extensomètre à résistance (jauges de contraintes) appliqué sur une barre de torsion (2') disposée dans le sens axial et solidaire de l'arbre de direction (2) actionné par le volant. 2. Servo-volant électrique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la barre de torsion (2') présente une section inférieure à la section de l'arbre de direction (2). 3. Servo-volant électrique selon la revendication 1, ou l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la barre de torsion est entourée librement par un manchon rigide (6) qui est solidaire de la partis fixe du véhicule et appuyé de manière rotative par l'extrémi1 sur l'arbre de direction (2) de façon à permettre la rotation libre de la barre (2') -et annuler les sollicitations autres que les sollicitations de torsion. 4. Servo-volant électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'extensomètre est du type à torsion et comprend une pluralité de grilles en chevrons espacées de 900 et à 450 par rapport à l'axe longitudinal , disposées autour de la barre de torsion, de façon à ce que, dans un sens de rotation défini, certaines grilles (résistances) subissent une augmentation de résistance et les autres une diminution. 5. Servo-volant électrique selon l'une des revendicatio 1 à 3, caractérisé par le fait que l'extensomètre comprend une pluralité de résistances disposées en hélices opposées à 450 par rapport à l'axe longitudinal, de façon que pour un sens de rotation déterminé de la barre, certaines résistancessubissent une augmentation de.résistance et d'autres une diminution. 6. Servo-volant électrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le circuit électrique au moyen duquel les extensomètres commandent le moteur électrique comprend - un pont de Wheatstone (P1) dans lequel les résistances des deux faces opposées sont constituées par les résistances d'un premier couple d'extensomètres ayant la même variation de résistance pour un sens de rotation déterminé de la barre, tandis que la résistance des deux autres faces opposées du pont sont constituées par les résistances d'un second couple des extensomètres ayant une variation de résistance opposée à celle du premier couple. - un pont auxiliaire de contrôle (P2), à deux branches, adjacentes dont les résistances sont constituées par les résistances des deux--autres extensomètres appliqués sur la barre mais ayant des variations de résistance opposées pour un sens déterminé de rotation de la barre, et - une centrale électronique (C) à l'entrée de laquelle sont appliqués les signaux de sortie desdits ponts, ladite centrale, après avoir vérifié-l'exactitude desdits signaux et la conformité de rotation du volant avec celle dû moteur, commande l'alimentation de ce dernier et en conséquence l'intervention du servo-volant. 7. Servo-volant électrique selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la centrale électronique (C) est constituée de deux sections, une section de commande (C1) et une section de contrôle (C2), la première section comprenant d'une part un premier circuit de seuil (S1) auquel est appliqué le signal de sortie du pont de Wheatstone, et, d'autre part, un système d'amplification (A) qui fournit l'alimentation au moteur électrique (3) par l'intermédiaire d'un interrupteur (I); la seconde section (C2) comprenant, d'une part, un second circuit de seuil (52) auquel est appliqué le signal de sortie des deux ponts et, d'autre part, un circuit de comparaison (CC) à deux entrées, une première entrée (16) pour recevoir le signal du second circuit de seuil uniquement quand le signal appliqué à l'entrez (13-14) de ce dernier dépasse la valeur de seuil, mais qui est inférieur ou égal à celui du premier seuil, et une seconde entrée (17-18) pour recevoir le signal fourni par le système d'amplification (A) qui est égal en valeur et en polarité à celui appliqué aux bornes du moteur, et en ce que le circuit de comparaison (CC) après avoir comparé les valeurs et la polarité des signaux qui lui parviennent du circuit de seuil et de.l'amplificateur, commande la fermeture de l'interrupteur (I) dans le cas de la comparaison correcte, et en revanche commande l'ouverture dudit interrupteur, qui se trouve en l'état fermé, dans le cas de comparaison incorrecte.