Brevet FR2549432A1 — publié le 19850125

La présente invention concerne un dispositif de direction assistée du type électrique pour des véhicules utilisant un moteur électrique comme source de force motrice pour réduire ou aider la force néces5 saire pour tourner le volant de direction du véhicule. Les dispositifs de direction sont groupés en un type non assisté et un type assisté et dans ce dernier type, une force motrice est additionnée à la force appliquée au volant de direction de manière à la réduire 10 ou à l'aider Les dispositifs de direction assistée de ce dernier type sont en outre groupés en un type électrique et un type hydraulique. Comparativement à un dispositif de direction assistée du type hydraulique, le dispositif de direc15 tion assistée du type électrique ne nécessite pas de pompe à huile ou similaire comme source d'entrainement, normalement accouplée directement avec le moteur et utilisée pour l'entrainement et offre donc l'avantage qu'il n'y a aucune perte de puissance du moteur, 20 aucune possibilité de fuite, de contamination, de détérioration ou autre de l'huile de commande hydraulique, que l'entretien est facilité car l'huile de commande hydraulique n'est pas utilisée selon le principe de fonctionnement, qu'aucune tuyauterie hydraulique n'est nécessaire mais seulement un câblage électrique, ce qui conduit à une facilité de montage et qu'aucun dispositif hautement précis et délicat comme une soupape de commande hydraulique n'est nécessaire, ce qui permet d'obtenir un ensemble peu 30 couteux. Un objet de l'invention est donc de proposer un dispositif de direction assistée du type électrique qui peut être facilement incorporé dans un espace limité d'un véhicule automobile. Un autre objet de l'invention est de proposer un dispositif de direction assistée du type électrique dans lequel une partie de moteur électrique d'assistance et une partie d'un mécanisme de conversion de mouvement destiné à convertir un mouvement de rotation en un mouvement rectiligne pour assurer la direction sont constituées respectivement par des unités, pouvant être facilement assemblées. D'autres caractéristiaues et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple nullement limitatif: La figure 1 représente un mode de réalisation d'un dispositif de direction assistée du type électrique selon l'invention, La figure 2 est une coupe longitudinale des parties essentielles de ce mode de réalisation de 15 l'invention, et La figure 3 est une coupe transversale de la partie de coussinet de crémaillère de ce mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, qui représente un disposiitf 20 de direction d'un véhicule automobile comprenant un mécanisme de direction assistée du type électrique selon l'invention, la référence 1 désigne un volant de direction et la référence 2 désigne un arbre de direction sur lequel le volant est fixé L'arbre de direction 2 est accouplé avec un arbre de pignon 5 par un joint universel 6 L'arbre de pignon 5 comporte un pignon 16 (voir figure 2) à son extrémité et le pignon 16 engrène avec une crémaillère 17 formée dans une barre de commande 7 pouvant se déplacer vers la gauche 30 et vers la droite dans un boitier de direction 3 qui sera décrit en détail par la suite. Une unité 8 de moteur d'assistance est montée sur le boitier de direction 3, consistant en un mécanisme de conversion de mouvement qui convertit le mouvement 35 de rotation d'entrée pour la direction en un mouvement rectiligne destiné à faire pivoter les roues directrices du véhicule Le mouvement de sortie de rotation de l'unité de moteur 8 entraine la barre de commande 7 par l'intermédiaire d'un dispositif de transmission de couple comprenant un embrayage électromagnétique 9; le dispositif de transmission de couple de l'unité de 5 moteur à la barre de commande 7 sera décrit en détail par la suite. L'arbre de direction 2 porte un détecteur de couple 4 qui détecte le couple appliqué au volant et la sortie du détecteur de couple 4 est connectée à un circuit de commande 11 A son tour, le circuit de commande 11 peut être connecté à une autre source d'entrée, comme un détecteur de vitesse de véhicule 13 si nécessaire La référence 12 désigne une source d'alimentation électrique Le circuit de commande 11 15 est connecté à l'unité de moteur électrique 8 et à l'embrayage électromagnétique 9 et il commande l'unité de moteur électrique 8 et l'embrayage électromagnétique 9 sur la base du couple appliqué à l'arbre de direction et/ou d'informations comme la vitesse du véhicule, mais 20 ce circuit de commande n'est pas directement concerné par l'invention et ne sera donc pas décrit en détail. D'une façon générale, le boitier 3 est fixé au véhicule par des supports 14 et 15 Des articulations à rotule, non représentées, sont montées sur les extrémités opposées de la barre de commande 7 et sont accouplées avec la roue directrice, non représentée, par un levier articulé ou similaire, de la manière connue. Un mécanisme de direction assistée du type électrique, selon un mode de réalisation de l'invention, 30 sera maintenant décrit, particulièrement en regard de la figure 2. Comme cela a déjà été indiqué, la référence 16 désigne un pignon formé sur l'arbre 5 et la référence 17 désigne une crémaillère avec une denture rectiligne 35 formée sur la barre de commande 7 La référence 18 désigne un tampon à pression soumlis à la charge dans la direction radiale de la barre de commande 7, c'est-à-dire la direction perpendiculaire à la direction longitudinale, la référence 19 désigne un ressort qui imprime une pression préalable d'engrènement au pignon hélicoïdal 16 et à la crémaillère 17 par l'intermédiaire du tampon 18, la référence 20 désigne un capuchon qui permet de régler la pression préalable d'engrènement, la référence 21 désigne un écrou de blocage destiné à immobiliser le capuchon 20 et la référence 22 désigne un carter Par ailleurs, une vis 29 est formée dans une autre position de la barre de commande 7 et un écrou à billes 25 entoure une partie de la vis 29 Dans le cas de ce mode de réalisation, l'écrou à billes 25 comporte deux circuits de circulation de billes 25 a 15 et 25 b et un certain nombre de billes 33 (dont une seule est représentée) dans ces circuits de circulation a et 25 b et entre l'écrou 25 et le filet de vis qui lui correspond, et par conséquent, la vis 29, l'écrou à billes 25 et les billes 33 forment un dispositif à 20 vis et écrou à billes de type connu, comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2 380 662. Les extrémités opposées de l'écrou à billes 25 sont supportées pour pouvoir tourner dans un carter 30 par des paliers à billes 26 et 27 La référence 130 25 désigne un capuchon destiné à appliquer une pression préalable sur les paliers 26 et 27, la référence 131 désigne un contreécrou destiné à régler le capuchon et la référence 132 désigne un coussinet de crémaillère soumis à la charge dans la direction radiale 30 de la barre de commande 7. L'unité de moteur 8 comporte un carter comprenant une partie cylindrique 100 et des parties latérales opposées 101 et 102 qui lui sont fixées Dans le présent mode de réalisation, la partie latérale de 35 droite 101 est formée solidairement du carter 22 du dispositif à pignon et crémaillère mais en variante, elle pourrait en être séparée. Un stator 107 est monté sur la partie périphérique intérieure du carter 100 Un arbre 104 est supporté pour pouvoir tourner mais sans pouvoir se déplacer axialement dans la partie centrale des pièces latérales opposées 101 et 102 par des paliers 105 et 106 Un rotor 108 est fixé sur l'arbre 104, faisant face radialement au stator 107 du moteur Un enroulement magnétique 107 a est prévu sur le stator du moteur et il reçoit un courant électrique provenant du circuit 10 de commande 11 représenté sur la figure 1; cependant, la réalisation du moteur lui-même est classique et n'a pas à être décrite en détail. L'arbre 104 du moteur se présente sous la forme d'un cylindre creux et la barre de commande 7 passe en son intérieur Ainsi, la structure de moteur comportant les carters 100, 101, 102, le stator 107, le rotor 108 et l'arbre 104 est disposée coaxialement avec la barre de commande 7 L'arbre 104 du moteur comporte une partie 104 a qui sort de la partie latérale 20 102 du carter et qui pénètre dans un carter d'embrayage 109 qui sera décrit ci-après. Le carter d'embrayage 109 est une pièce cylindrique fixée par une extrémité sur la plaque latérale 102 du carter de moteur et dont l'autre extrémité est fixée sur le carter 30 du dispositif à vis et écrou à billes. Une pièce cylindrique 110 est fixée sur la partie 104 a de l'arbre 104 du moteur pénétrant dans le carter d'embrayage et un disque à friction 110 a 30 est formé radialement et solidairement de la partie d'extrémité de la pièce cylindrique 110 Le disque à friction 110 Oa porte une garniture à friction 111. Une bague support 115 est fixée sur une partie de la surface périphérique intérieure du carter d'embrayage 109, voisine du moteur Un enroulement électromagnétique annulaire 116 est disposé sur la bague support 115 L'enroulement électromagnétique 116 est connecté au circuit de commande 11 de la figure 1 et il est commandé en tout ou rien par le circuit de commande 11. Par ailleurs, une collerette 25 c fixée sur l'écrou 25 du dispositif précité à vis et écrou à billes se trouve à l'intérieur- ducarter d'embrayage 109 Un disque à friction 124 de transmission de couple est fixé sur la collerette 25 c par des ressorts plats 117 disposés radialement vers l'extérieur. Le disque à friction 124 est constitué par un matériau magnétique, il comporte une surface tournée vers la garniture 111 du disque à friction 110 Oa, et il est normalement rappelé vers la gauche sur la figure 2 par les ressorts plats 117 de sorte que le disque à friction 124 se trouve normalement dégagé du disque à friction 110 a; mais quand l'enreoulement électromagnétique 116 est excité, le disque à friction 124 est attiré par cette bobine 116 vers la droite de la figure 2 et il en résulte que ce disque à friction 124 vient en appui sur le disque à friction 110 Oa, permettant ainsi de transmettre le couple de sortie du moteur à l'écrou 25. Selon la réalisation décrite ci-dessus, la crémaillère 17 du dispositif à pignonet crémaillère 25 et la vis 29 du dispositif à vis et écrou à billes sont formées dans des positions différentes la barre de commande 7 Le pignon 16 engrène avec la crémaillère 17 pour convertir la rotation du volant 1 en un mouvement linéaire de la barre de commande 7, et il coopère 30 également avec le tampon à pression 18 pour empêcher que la barre de commande 7 tourne autour de son axe longitudinal Par ailleurs, l'écrou 25 du dispositif à vis et écrou à billes est supporté par les paliers 26 et 27, par l'intermédiaire des billes 33 de manière à pouvoir tourner par rapport au carter et il est combiné avec la vis 29 Le disque à friction 124 est monté sur la collerette 25 c fixée sur l'écrou 25 par les ressorts plats 117 et, quand la bobine électromagnétique 116 est excitée, le disque à friction 124 est accouplé avec l'autre disque à friction 111 contre la force des ressorts plats 117, de sorte que l'arbre de sortie 104 du moteur électrique, couplé par cannelures avec la partie tubulaire 110 qui est solidaire de la collerette 110 Oa portant le disque à friction 111 est accouplé avec l'écrou 25 Quand la bobine 116 est désexcitée, le disque à friction 124 10 est tiré vers l'écrou 25 par le ressort plat 117 et les deux disques à friction 111 et 124 sont séparés l'un de l'autre de sorte que la sortie de l'unité de moteur électrique 8 n'est plus transmise à l'écrou 25. Quand la sortie de l'unité de moteur électrique 8 est transmise, le dispositif à vis et écrou à billes convertit la rotation de l'unité de moteur en un mouvement axial ou linéaire de la barre de commande 7 vers la droite ou vers la gauche, et à ce moment, la barre de commande 7 subit une force de réaction qui tend à la faire tourner; mais cette barre de commande 7 est réalisée de manière qu'elle ne puisse pas tourner sous l'effet des forces de réaction de la partie d'engrènement entre le pignon 16 et la crémaillère 17 en raison du tampon de pression 18 comme cela a déjà 25 été expliqué. Le circuit de commande 11 reçoit du détecteur de couple 4 et du détecteur 13 de vitesse du véhicule des signaux électriques correspondant au couple sur l'arbre de direction et à la vitesse du véhicule res30 pectivement et il traite ces signaux d'une manière prédéterminée pour émettre des signaux de commande vers l'unité de moteur électrique 8 et l'embrayage électromagnétique 9 Ainsi, par l'engagement ou le dégagement de l'embrayage électromagnétique 9, l'unité 35 de moteur électrique 8 est commandée de manière que le passage entre la direction non assistée et la direction assistée soit effectué ou qu'une sortie appropriée soit obtenue conformément au couple et à la vitesse du véhicule détectée pendant la direction assistée. Par exemple, pendant la marche à vitesse réduite, quand la force sur le volant est la plus forte, l'embrayage 9 peut être engagé pour commander l'unité de moteur électrique 8 afin qu'une sortie correspondant au couple 10 détecté puisse être obtenue, et la force appliquée sur le volant de direction 1 peut être réduite d'une valeur correspondant à cette sortie ou, quand la force sur le volant est faible et qu'une sensation de direction plus directe est nécessaire comme pendant la marche à grande vitesse, l'embrayage électromagnétique 9 peut être dégagé et la direction non assistée peut être adoptée; en outre, dans l'état de direction assistée, la sortie de l'unité de moteur électrique 8 peut être contrôlée en tenant compte de la vitesse du 20 véhicule et de l'angle de direction. Egalement, pour des raisons de sécurité, il est nécessaire que le circuit de commande 11 dégage l'embrayage électromagnétique 9 pour passer en direction non assistée lorsqu'une anomalie apparait. Le fonctionnement du dispositif sera décrit ci-après. Quand l'embrayage électromagnétique 9 est dégagé ou n'est pas en condition de fonctionnement, l'arbre de sortie 104 de l'unité de moteur électrique 30 8 et l'écrou 25 sont séparés l'un de l'autre Quand le volant de direction 1 est manoeuvré dans ces conditions, sa rotation est convertie en un mouvement axial ou rectiligne de la barre de commande 7 par l'engrènement entre le pignon 16 et la crémaillère 17, et détermine l'orientation des roues directrices par une articulation à rotule et un levier articulé, non représentés Ce fonctionnement est le même que celui d'un dispositif de direction non assistée du type à pignon et crémaillère. Quand l'embrayage électromagnétique 9 est engagé ou en condition de fonctionnement, l'arbre 104 de l'unité de moteur électrique 8 et l'écrou 25 sont accouplés Quand le volant 1 est manoeuvré dans ces conditions, le couple de l'arbre de direction correspondant à la charge que reçoit de l'extérieur la barre de commande 7 est détecté par le détecteur de couple 4 et il est transmis au circuit de commande 11; la vitesse du véhicule est également transmise par le détecteur de vitesse 13 au circuit de commande 11. Comme cela a déjà été expliqué, sur la base de ces 15 signaux, le couple de sortie de l'unité de moteur électrique 8 est contrôlé avec une caractéristiques prédéterminée et ce couple est transmis à la barre de commande 7 par le dispositif à vis et écrou à billes ,33,29 avec un rapport élevé d'efficacité et de 20 réduction. La figure 3 illustre à une échelle exagérée un exemple du coussinnet 32 qui reçoit la charge dans la direction radiale de la barre de commande 7 utilisée dans ce dispositif de direction assistée du type 25 électrique La charge radiale sur le côté de la vis et de l'écrou à billes de la barre de commande 7 est supportée essentiellement par les paliers 26 et 27 du dispositif à vis et écrou à billes mais, comme une contre-mesure dansle cas de circulation sur une 30 mauvaise route, il est souhaitable que le coussinet 32, comme le montre la figure 3, soit constitué d'une matière élastique comme d'une résine et que, dans une plage étroite de charge radiale, la déformation élastique du coussinet soit établie à une valeur élevée afin35 que presque toute la charge soit supportée par les paliers 26 et 27 du dispositif à vis et écrou à billes, le coussinet 32 étant réalisé pour être en contact avec le carter 22, et recevoir directement une charge radiale dépassant une valeur prédéterminée quand cette charge dépasse une certaine valeur et quand la 5 déformation du dispositif à vis et écrou à billes et des paliers 26,27 augmente En plus de l'effet mentionné ci-dessus, ce coussinet de crémaillière 32 n'est en contact avec la barre de commande 7 qu'en plusieurs points dans la plage normale de direction, dans laquelle 10 la charge radiale est réduite, en étant combinée avec le dispositif à vis et écrou à billes, de sorte que le frottement résultant du mouvement radial ou linéaire de la barre de commande 7 par le dispositif à vis et écrou est réduit; ainsi, une direction légère est possible 15 et lorsqu'une forte charge radiale s'exerce par l'extérieur, le coussinet 32 se déforme et la pression de la surface qui est en contact avec la barre de commande 7 augmente, ce qui augmente le frottement et évite les chocs en retour, ce qui améliore la sensibilité de la 20 direction. Aucun réducteur de vitesse à engrenage ou similaire n'est utilisé entre l'unité de moteur électrique 8 et l'écrou 25, ce qui conduit à une structure simple de rendement élevé (faible perte 25 par frottement) et de faible bruit, en permettant ainsi de réaliser un dispositif compact et léger. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, le détecteur de couple 4 peut être de type courant, utilisant une jauge de contrainte ou une jauge magnéti30 que et il peut être monté sur l'arbre à pignon 5. En outre, dans ce mode de réalisation décrit, les extrémités opposées de la barre de commande 7 qui est la barre de sortie, sont accouplées avec les roues directrices par un joint à rotule, un levier 35 articulé, etc mais l'invention peut également s'appliquer au type dit à attaque centrale, dans lequel la partie centrale de l'arbre de sortie est accouplée avec les roues directrices. Selon l'invention telle que décrite ci-dessus, un dispositif d'actionnement du type à vis et écrou à billes est combiné avec un dispositif de direction du type à pignon et crémaillère, ce qui élimine la nécessité de prévoir séparément un mécanisme pour empêcher la rotation de la vis 29 formée sur la barre de commande 7, qui est indispensable pour un dispositif d'actionnement à action directe du type à vis et écrou à billes Le couple de sortie du moteur électrique d'assistance est transmis par le dispositif à vis et écrou à billes et cela conduit à une structure simple et compacte de haute efficacité ayant un effet similaire à celui obtenu lorsqu'un réducteur à engrenage est utilisé et par conséquent, il est généralement réaliste sur le plan du volume, de l'efficacité, etc d'utiliser un moteur électrique ayant des caractéristiques telles qu'une vitesse élevée et un faible couple dans un dispositif de direction assistée. Selon l'invention, le dispositif à vis et écrou à billes, le dispositif de direction comprenant le dispositif à pignon et crémaillère et ledispositif d'assistance utilisant le moteur sont réalisés sous forme d'unités et par conséquent, il est possible de 25 réaliser un dispositif de direction assistée du type électrique facile à assembler. En outre, l'invention concerne un dispositif de direction assistée du type électrique dans lequel l'influence du magnétisme et de l'échauffement de la 30 partie de moteur électrique d'assistance ne s'exerce pas sur le dispositif à vis et écrou à billes. Selon l'invention également, il est possible de réaliser un dispositif de direction assistée de type électrique dans lequel la force d'assistance du moteur est interceptée, l'accouplement entre le moteur et le mécanisme de conversion est complètement interrompu pour réduire au minimum le couple sur le volant et en assurer un bon retour. REVENDICATIONS 1 Ensemble de direction assistée de véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte un arbre tournant ( 5) accouplé avec un volant de direction ( 1) pour tourner avec lui, une pièce allongée ( 7) mobile linéairement dans des directions opposées pour faire pivoter des roues directrices, un dispositif à pignon et crémaillère ( 16,17) pour accoupler l'arbre tournant et la pièce allongée, ce dispositif comprenant un pignon ( 16) tournant avec l'arbre tournant ( 5) et une crémaillère 10 ( 17) prévue dans une première position axiale de la pièce allongée et disposée pour engrener avec le pignon, un dispositif à vis et écrou à billes ( 25,29,33) comprenant un filetage ( 29) formé sur une seconde position axiale de la pièce allongée, un écrou tournant ( 25) entourant au moins une partie dudit filetage et des billes ( 33) pour transmettre une force entre ledit écrou et ledit filetage, un moteur électrique ( 8) comprenant un stator du couple par le dispositif de détection de couple. 2 Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moteur ( 8) est disposé entre ledit dispositif à pignon et crémaillère et ledit dispositif à vis et écrou à billes. 3 Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de transmission de couple est disposé entre ledit dispositif à vis et écrou à billes et ledit moteur, dans la direction axiale de la pièce allongée. 4 Ensemble de direction assistée de véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte un arbre tournant ( 5) entratné directement par le volant de direction ( 1), une première unité comprenant un carter ( 22) dans lequel sont enfermés une pièce allongée ( 7) mobile linéairement 15 dans des directions opposées pour faire pivoter des roues directrices, une crémaillère ( 17) formée sur une première position axiale de la pièce allongée, et un pignon ( 16) engrenant avec la crémaillère et accouplé avec l'arbre tournant, une seconde unité comprenant un second carter ( 30) et un dispositif à vis et écrou à billes qui y est enfermé, le dispositif à vis et écrou à billes comprenant un filetage ( 29) formé sur une seconde position axiale de la pièce allongée, un écrou ( 25) entourant au moins une partie d filetage et 25 des dispositifs ( 33) de transmission de force antifriction disposés entre le filetage et l'écrou, une troisième unité comprenant un moteur électrique ( 8) qui comporte, coaxialement avec la pièce allongée, un stator ( 107), un rotor ( 108), un arbre de sortie tournant 30 ( 104) et un troisième carter ( 100,101, 102), le moteur électrique étant disposé dans une troisième position axiale de la pièce allongée, un dispositif ( 9) de transmission de couple destiné à transmettre le couple de l'arbre de sortie tournant du moteur à l'écrou de ladite seconde unité, le dispositif de transmission de couple comprenant l'embrayage électromagnétique ( 111,116, 124) pour l'accouplement entre l'arbre de sortie du À 2549432 moteur et ledit écrou du dispositif à vis et écrou à billes pour transmettre le couple du moteur à l'écrou, un dispositif ( 4) de détection du couple appliqué à l'arbre tournant et un dispositif de commande ( 11) qui commande le moteur en réponse au dispositif de détection de couple.