Brevet FR2595646A1 — publié le 19870918

DIRECTION ASSISTEE ENTRAINEE PAR MOTEUR, COMPORTANT UN ARBRE A VIS SEPARE DE LA CREMAILLERE La présente invention se rapporte à une direction assistée entraînée par moteur, destinée à appliquer un couple d'assistance produit par un moteur électrique à un mécanisme de direction de manière à réduire les forces manuelles de braquage nécessitées pour diriger un véhicule à moteur. Des directions assistées entraînées par moteur de type conventionnel utilisant des moteurs électriques pour engendrer un couple d'assistance sont décrites dans les demandes japonaises mises à l'inspection du public n 60(1985)-25853 et 59(1984)- 50864 (correspondant au brevet américain n 4 415 054 délivré le 15 novembre 1983), par exemple. Les directions assistées entraînées par moteur sont munies d'un mécanisme à vis à billes comportant un arbre à vis comprenant une crémaillère faisant partie d'un mécanisme de direction par pignon et crémaillère, une gorge hélicoidale étant définie sur une surface périphérique extérieure de l'arbre à vis, et un écrou disposé sur l'arbre à vis et présentant une gorge hélicoidale définie dans une surface périphé- rique intérieure, des billes étant logées dans les gorges hélicoidales de l'arbre à vis et de l'écrou. Dans la première publication, un engrenage de réduction de vitesse est formé d'une seule pièce avec la périphérie extérieure de l'écrou du mécanisme à vis à billes, et un pignon engrenant avec l'engrenage de réduction de vitesse est couplé à un moteur par l'intermédiaire d'un embrayage, le moteur produisant un couple d'assistance. Pour cette raison, le couple du moteur est transmis par L'embrayage, le pignon et l'engrenage de réduction de vitesse à l'écrou et, ensuite, est converti par le mécanisme à vis à billes en un mouvement linéaire axial appliqué à la crémaillère. Conformément à la seconde publication, le rotor d'un moteur est fixé à la périphérie exté- rieure de l'écrou du mécanisme à vis à bittlles. Par conséquent, le moteur est directement couplé au méca- nisme à vis à billes. Les dispositifs de direction assistée entraî- née par moteur utilisant les mécanismes à vis à billes décrits ci-dessus présentent peu de pertes par frotte- ment et par conséquent ont un rendement de transmission de puissance élevé qui permet un fonctionnement en douceur de l'assistance. Cependant, les directions assistées entrai- nées par moteur décrites ci-dessus ont tendance à ne pas avoir un fonctionnement sans à-coups et également ont tendance à présenter des problèmes de durée de vie étant donné que la crémaillère comporte une gorge hélicoidale et constitue l'arbre à vis du mécanisme à vis à billes. Plus précisément, une charge axiale ou charge de cisaillement est appliquée sur la crémaillère par les roues par l'intermédiaire des bras de pivot et des biellettes de liaison. Lorsque le véhicule est dirigé, la force de direc- tion est appliquée sur la crémaillère par l'arbre à pignon, et un couple d'assistance est également appli- qué à la crémaillère par le moteur à travers le méca- nisme de vis à billes. Par conséquent, la crémaillère a tendance à fléchir sous l'effet d'un moment de flexion, et à vibrer légèrement dans une direction radiale en raison du mouvement d'engrènement de la crémaillère et du pignon. De manière générale, les mécanismes à vis à billes ont une tolérance extrêmement basse en ce qui concerne les charges ou contraintes de cisaillement. Lorsque L'arbre à vis fléchit ou vibre, La gorge hélicoidaLe de l'écrou est susceptible d'être endom- magée, et/ou des contraintes inadmissibles agissent sur les billes circulant dans Les gorges hélicoldaLes. Sous une telle contrainte inadmissible, Les billes ne peuvent pas tourner Librement. Il en résuLte que le couple moteur ne sera pas transmis de manière effi- cace, et que la sensation de direction du conducteur sera dégradée, et/ou la durée de vie de la direction assistée entrainée par moteur sera diminuée. Lorsque la crémaillère comporte une gorge hélicoidale sur sa périphérie extérieure, le méca- nisme de transmission d'un couple d'assistance ne peut pas être entretenu ou réparé facilement étant donné qu'iL est difficile de le retirer. Le manque d'interchangeabilité d'une crémaillère comportant une rainure hélicoidale et d'une crémaillère d'un mécanisme de direction manuelle a pour conséquence une augmentation du coût des dispositifs de direction assistée et rend difficile la conversion des directions manuelles existantes en dispositifs de direction assis- tée entraînée par moteur. Lorsqu'un mécanisme à vis à billes est uti- - lisé dans une direction assistée entraînée par moteur, l'efficacité de la transmission de puissance est plus éLevée étant donné que l'angle de guidage de la gorge hélicoldale sur l'arbre à billes est plus important. Dans la mesure o l'angle de guidage est déterminé par la grandeur du couple de sortie du moteur, si le moteur utilisé présente une capacité de couple supérieure à un niveau de couple défini, il est plus facile de réduire le diamètre de l'arbre à vis en proportion de la capacité de couple du moteur de manière à obtenir un rendement de transmission de puissance plus élevé. Dans le cas des directions assistées entra;- nées par moteur de type conventionnel mentionnées ci- dessus, toutefois, le diamètre de L'arbre à vis ne peut pas être réduit au-delà de la limite permettant d'obtenir une résistance mécanique suffisante étant donné que la crémaillère utilisée comme arbre à vis comporte une gorge héLicoidale et est soumise à des forces axiales et de cisaillement importantes. Par conséquent, le rendement de transmission de puissance des directions assistées entraînées par moteur de type conventionnel est relativement bas. Il est éga- lement difficile d'améliorer les caractéristiques des directions assistées au moment du retour à la position neutre. En outre, les gorges héLicoidales prévues sur la crémaillère mobile axialement sur une certaine longueur ne comportent pas d'étanchéité entre la crémaillère et son boîtier, ce qui permet à la poussière d'entrer et peut entrainer L'oxyda- tion du mécanisme à vis à billes. Un objet de la présente invention est de créer une direction assistée entraînée par moteur qui permet un fonctionnement en douceur et une durée de vie augmentée du mécanisme à vis à billes, qui convertit un couple d'assistance provenant d'un moteur en un mouvement axial de la crémaillère, avec un rendement de transmission de puissance plus élevé du mécanisme à vis à billes, qui comporte des caractéristiques améliorées au moment du retour à la position neutre et qui permet une étanchéité facile et fiable de la crémaillère. Conformément à la présente invention, il est fourni une direction assistée entraînée par moteur, comportant un mécanisme de direction par pignon et crémaillère constitué d'un boîtier, d'un arbre à pignon et d'une crémaillère reçus de manière déplaçable dans le boîtier, ladite direction par pignon et crémaillère pouvant être actionnée de manière à convertir la rotation de l'arbre à pignon en un mouvement axial de la crémaillère, et un moteur électrique monté dans ledit boîtier pour engendrer un couple d'assistance appliqué au mécanisme de direction par pignon et crémaillère, caractérisée par un arbre à vis présentant une gorge hélicoidale définie sur une surface périphérique extérieure et s'étendant sensible- ment parallèlement à la crémaillère, ledit arbre à vis recevant le couple d'assistance engendré par le moteur, un bloc écrou comportant une gorge hélicoldale définie dans une surface périphérique intérieure de celui-ci et disposée autour de l'arbre à vis, ledit bloc écrou étant bloqué en rotation et fixé à la crémaillère, et une pluralité de billes disposées dans et entre les gorges hélicoidales de l'arbre à vis et du bloc écrou. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation détaillés, donnée à titre illustratif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées: - La figure 1 est une vue longitudinale en section transversale d'une direction assistée entraî- née par moteur conforme à un premier mode de réalisa- tion de l'invention; - La figure 2 est une vue longitudinale en coupe d'une direction assistée entraînée par moteur conforme à un autre mode de réalisation de l'invention; et - La figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2. Comme représenté sur la figure 1, un pignon la est disposé à l'extrémité inférieure d'un arbre à pignon 1 couplé à une colonne de direction (non repré- sentée) d'un véhicule à moteur tel qu'une automobile. Une crémaillère 2 s'étendant sensiblement perpendi- cuLairement à L'arbre à pignon I comporte une denture qui engrène avec le pignon la. Par conséquent, la rotation de l'arbre à pignon I autour de son axe fait déplacer la crémaillère dans sa direction axiale. La denture de la crémaillère 2 n'est pas représentée sur la figure I étant donné qu'elle est prévue à l'arrière de la crémaillère 2. Un élément élastique 3 est dis- posé autour d'une extrémité de la crémaillère 2 à distance du pignon la. La crémaillère 2 est fixée dans un boîtier 4 à l'intérieur duquel elle peut se déplacer axialement. Le boîtier 4 comporte un bras de support 5 faisant saillie radialement vers l'ex- térieur à partir d'une partie intermédiaire de ce boîtier. Un moteur électrique 6 destiné à engendrer un couple d'assistance est monté de façon pivotante à son extrémité arrière au bout du bras de support 5, le moteur 6 comportant un arbre de sortie 7 s'éten- dant dans le sens opposé au bras de support 5. Lorsque le véhicule à moteur n'est pas dirigé, la crémaillère 2 et l'arbre de sortie 7 sont sensiblement parallèles l'un à l'autre. L'arbre de sortie 7 comporte une gorge héli- coîdale 7a définie sur sa surface périphérique exté- rieure. Un écrou 8 bloqué en rotation comportant une gorge héLicoidale 8a définie dans sa surface périphé- rique intérieure est disposé autour de l'arbre de sortie 7, une pluralité de billes 9 circulant dans et entre les gorges hélicoidales 7a, 8a. L'arbre de sortie 7, l'écrou 8 et les billes 9 constituent ensemble un mécanisme de vis à billes 10. Un élément de liaison 11 comporte une extrémité reliée de manière pivotante à l'écrou 8 et son autre extrémité 11a pré- sente la forme d'un anneau qui est monté sur l'élément élastique 3 de la crémaillère 2. L'élément de liaison 11 est couplé à la crémaillère 2 dans une position sen- siblement perpendicuLaire à celle-ci en fonctionnement normal. Le mouvement de l'écrou 8 sur l'arbre de sor- tie 7, lorsque ce dernier est entrainé axialement par le moteur 6, est transmis par l'élément de liaison 11 à la crémaillère 2. Un soufflet 12 relie les extrémités se fai- sant face du bottier 4 et de l'élément élastique 3. Il est fixé à ces extrémités. De manière similaire, un autre soufflet 13 s'étend entre et relie les extrémités se faisant face du moteur 6 et de l'écrou 8. Un couvercle ou bouchon 14 est fixé à l'autre extrémité de l'écrou 8 en couvrant l'extrémité de l'arbre de sortie 7 qui fait saillie de l'écrou 8. Le soufflet 12 empêche la poussière de pénétrer dans le bottier 4. Le soufflet 13 et le couvercle 14 ont pour fonction d'empêcher la poussière de pénétrer dans le mécanisme de vis à billes 10. Le moteur 6 et l'écrou 8 sont montés pivo- tants sur le bras de support 5 et l'élément de liai- son 11 respectivement, mais en fait ils sont prati- quement fixés à ces derniers. Précisément, le moteur 6 et l'élément de liaison 11 sont couplés au bras de support 5 et à l'écrou 8 respectivement, de telle manière que le moteur 6 et l'élément de liaison 11 peuvent se déplacer légèrement angulairement par rapport au bras de support 5 et à l'écrou 8 respec- tivement. L'élément élastique 3 est relativement rigide et présente une faible flexibilité. La direction assistée entraînée par moteur ainsi réalisée fonctionne de la manière suivante: Lorsqu'un volant de direction (non repré- senté) couplé à la colonne de direction est tourné, l'arbre à pignon tourne autour de son axe longitudinal de manière à déplacer la crémaillère 2, vers la gauche par exemple, par engrènement entre la crémaillère et le pignon la. Une information représentative de la vitesse de rotation et du couple de la colonne de direction couplée au volant de direction est fournie à une unité de commande (non représentée) et analysée par cette dernière. L'unité de commande commande ensuite le moteur 6 de manière qu'il fasse tourner l'arbre de sortie 7 dans le sens des aiguilles d'une montre lorsque l'on regarde dans le sens de la fLèche X. L'écrou 8 du mécanisme 10 à vis à billes est axialement déplacé vers la gauche. Le mouvement de l'écrou 8 est transmis par l'élément de liaison 11 sous forme de couple d'assistance à la crémaillère 2. Lorsque la crémaillère 2 est déplacée axia- lement par la rotation de l'arbre à pignon 1, une charge axiale (dirigée vers la gauche) est appliquée sur la crémaillère, ce qui produit un moment de flexion sur cette crémaillère. Ce moment de flexion détruit le parallélisme de la crémaillère 2 et de l'arbre de sor- tie 7 et ces derniers prennent une légère orientation angulaire l'un par rapport à l'autre. Ce décalage angulaire est toutefois absorbé par les liaisons pivotantes entre le moteur 6 et le bras de support 5 et entre l'écrou 8 et l'élément de liaison 11, ou par la flexibilité de l'élément élas- tique 3 sur lequel l'extrémité en forme d'anneau 11a de l'élément de liaison 11 est montée. Par conséquent, aucune charge ou contrainte inadmissible n'est appli- quée sur les billes 9 du mécanisme de vis à billes 10. En conséquence, la direction assistée comporte un rendement de transmission élevé du couple du moteur 6 à la crémaillère 2 par le mécanisme de vis à billes 10. Etant donné que l'écrou 8 ne tourne pas mais que c'est l'arbre de sortie 7 qui tourne à la place, le moment d'inertie du mécanisme de vis à billes est faible, ce qui donne une bonne sensation de direction au conducteur qui tourne Le volant. Le mécanisme de vis à billes 10 et le moteur 6 peuvent être aisément séparés de la crémaillère 4 et du boîtier 2 pour permettre un entre- tien efficace. La direction assistée de L'invention peut être fixée sur un dispositif de direction existant actionné manuellement, de telle sorte que les véhicules à moteur comportant des directions manuelles peuvent être aisément convertis en véhicules à moteur à direc- tion assistée. Les figures 2 et 3 illustrent une direc- tion assistée entraînée par moteur conforme à un autre mode de réaLisation de l'invention. Comme représenté sur la figure 2, un arbre à pignon 101 est couplé à un volant de direction par une colonne de direction (non représentés) et supporté en rotation par un porte- pignon 102. Le porte pignon 102 supporte un détecteur de couple de braquage 103, un détecteur de rotation de braquage 104 et une unité de commande 105 qui commande un moteur électrique 110 en se basant sur les signaux détectés par les détecteurs 103, 104. Une crémaillère 107 comporte une denture 107a engrenant avec un pignon (non représenté) et formée sur l'arbre à pignon 101. La crémaillère 107 est supportée dans un boîtier de crémaillère 108 et se déplace axialement sous l'ef- fet de la rotation de l'arbre à pignon 101. Le moteur 110 est disposé autour de la cré- maillère 107. Ce moteur comporte un stator cylindrique 111 fixé au boîtier de crémaillère 108, au moins une paire d'aimants 112 fixes à la surface intérieure du stator 111 et un rotor 113 monté tournant autour de la crémaillère 107. Le rotor 113 comporte un arbre cylin- drique 113 supporté en rotation dans le boîtier 108 au moyen de patiers 114, 115 autour de la crémaillère 107. Sur et autour de l'arbre cylindrique 116 sont succes- sivement disposés un noyau de fer 117 présentant une rainure oblique et un enroulement multiple 118. Un commutateur 119 relié électriquement à l'enroulement multiple 118 est également monté sur l'arbre cylin- drique 116. Un balai 120 appliqué contre le commuta- teur 119 est logé dans un porte-balai 121 fixé au boîtier 108. Le balai 120 et l'unité de commande 105 sont électriquement reliés par des conducteurs élec- triques. Un engrenage 124 est formé sur l'arbre cylindrique 116 à sa périphérie extérieure, du côté gauche. L'engrenage 124 engrène avec un engrenage solidaire de l'extrémité droite d'un arbre à vis 126 présentant une gorge hélicoldale 126a définie dans une surface périphérique extérieure sur une certaine longueur. L'arbre à vis 126 se trouve dans le boîtier de crémaillère 108 parallèlement à la crémaillère 107 et comporte des extrémités opposées montées tournantes dans le boîtier 108 au moyen de paliers respectifs 127, 128. Par conséquent, l'arbre à vis 126 est couplé de façon opérationnelle par les engrenages 124, 125 au moteur 110 et peut par consé- quent tourner autour de son axe sous l'action du moteur 110. Comme illustré sur la figure 3, un écrou bloqué en rotation comportant une gorge hélicoi- dale 130a définie dans sa surface périphérique inté- rieure est disposé autour de l'arbre à vis 126, une pluralité de billes 131 étant logées dans les gorges hélicoidales 126a, 130a de l'arbre à vis 126 et de l'écrou 130. L'arbre à vis 126, les billes 131 et l'écrou 130 constituent ensemble un mécanisme de vis à billes 132. L'écrou 130 possède des brides opposées b, 130c fixées à un éLément de liaison 137 au moyen de vis 135, 136 respectivement, des bagues 133, 134 étant disposées autour des vis 135, 136 respecti- vement. L'élément de liaison 137 est fixé à la cré- maillère 107 au moyen d'une vis 138. Par conséquent, 1 1 le mouvement axial de l'écrou 130 Le long de l'arbre à vis 126 est transmis à la crémaillère 107 pour dépla- cer cette dernière dans sa direction axiale. Les bagues 133, 134 comportent des chemises intérieures respec- tives 133a, 134a, des chemises extérieures respectives 133b, 134b et des éléments élastiques respectifs 133c, 134c interposes entre les chemises intérieures et extérieures 133a et 133b et 134a et 134b, respective- ment. Les éléments élastiques 133c, 134c sont relati- vement rigides, mais présentent un degré de flexibilité tel qu'ils permettent à l'arbre à vis 126 et à la cré- maillère 107 d'être légèrement décalés angulairement l'un par rapport à l'autre sous une contrainte ou une charge. Par conséquent, même lorsqu'un moment de flexion est appliqué sur la crémaillère 107 en raison des forces de réaction de direction, ce moment de flexion est absorbé par les éléments élastiques 133c, 134c de manière à empêcher que des charges ou des contraintes inadmissibles soient appliquées sur l'arbre à vis 126. L'arbre à vis 126 du mécanisme de vis à billes 132 est séparé de la crémaillère 107. Par conséquent, L'arbre à vis 126 peut présenter un dia- mètre réduit et par conséquent l'angle de guidage de la gorge héLicoidale 126a peut être grand afin d'amé- liorer le rendement de transmission de puissance du mécanisme de vis à billes 132. Lorsque le volant de direction revient à sa position neutre, le mouvement axial de l'écrou 130 est converti en une rotation de l'arbre à vis 126. Ainsi, la réponse du dispositif de direction assistée est élevée et la sensation de direction du conducteur lors d'une action de braquage est améliorée. Etant donné que le rendement de trans- mission de puissance de la transmission assistée est élevé, les pertes et la consommation du moteur éLec- trique 110 sont relativement faibles lorsqu'il est alimenté. Etant donné que la crémaillère 107 ne comporte pas de gorge hélicoidale, elle peut être interchangée avec la crémaillère d'une direction actionnée manuellement et peut aisément être rendue étanche contre l'entrée de poussières ou la formation d'oxydation. La crémaillère 107 est ainsi très fiable en fonctionnement. Le moteur 110 est disposé concentriquement autour de la crémaillère 107, sans interposition de mécanisme de vis à billes. Ceci constitue un avantage dans le sens o le rotor 113 du moteur 110 peut être de grand diamètre, de manière à produire un couple de sortie augmenté tout en permettant que le moteur 110 présente un encombrement extérieur réduit, ce qui per- met à la direction assistée d'être compacte dans son ensemble. Etant donné que le couple de sortie du moteur peut être augmenté, l'angle de guidage du mécanisme de vis à billes 132 peut être augmenté afin d'obtenir un rendement de transmission de puissance beaucoup plus élevé, et la vitesse de rotation maximale du moteur 110 peut être abaissée, ce qui réduit le bruit engendré par la direction assistée. REVENDICATIONS 1. Direction assistée entrainée par moteur, comportant un mécanisme de direction par pignon et crémaillère constitué d'un boîtier (4, 108), d'un arbre à pignon (1, 101) et d'une crémaillère (2, 107) reçus de manière déplaçable dans le boîtier (4, 108), ladite direction par pignon et crémaillère pouvant être actionnée de manière à convertir la rotation de l'arbre à pignon (1, 101) en un mouve- ment axial de la crémaillère (2, 107), et un moteur électrique (6, 110) monté sur ledit boîtier (4, 108) pour engendrer un couple d'assistance appliqué au mécanisme de direction par pignon et crémaillère, caractérisée par un arbre à vis (7, 126) présentant une gorge hélicoidale (7a, 126a) définie sur une sur- face périphérique extérieure et s'étendant sensible- ment parallèlement à la crémaillère (2, 107), ledit arbre à vis (7, 126) recevant le couple d'assistance engendré par le moteur (6, 110), un bloc écrou (8, 130) comportant une gorge héLicoidale définie dans une sur- face périphérique intérieure de celui-ci et disposée autour de l'arbre à vis (7, 126), ledit bloc écrou étant bloqué en rotation et fixé à la crémaillère (2, 107), et une pluralité de billes (9, 131) disposées dans et entre les gorges hélicoidales de l'arbre à vis et du bloc écrou. 2. Direction assistée entraînée par moteur selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit arbre à vis (7) comprend un arbre de sortie du moteur (6) par lequel la rotation du moteur (6) peut être transmise directement à l'arbre à vis (7). 3. Direction assistée entraînée par moteur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le moteur (6) est couplé au boîtier (4) et en ce qu'un mouvement angulaire est possible dans un domaine relativement restreint. 4. Direction assistée entraînée par moteur selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit bloc écrou comporte un élément de joint (11) et est couplé par cet élément de joint (11) à ladite crémaillère (2) pour permettre un mouvement angulaire dans un domaine relativement restreint. 5. Direction assistée entraînée par moteur conformément à la revendication 4, caracté- risée en ce que ledit élément de liaison (11) est monté sur la crémaillère (2) par l'intermédiaire d'un élément élastique (3). 6. Direction assistée entraînée par moteur conformément à la revendication 1, caracté- risée en ce que ledit moteur (110) est disposé concentriquement à la crémaillère (107) et comporte un arbre de sortie présentant un pre- mier engrenage (124), ledit arbre à vis (126) compor- tant un second engrenage (125) qui engrène avec le premier engrenage (124) , la rotation du moteur (110) étant transmise à l'arbre à vis (126) par l'inter- médiaire du premier et du second engrenage (124, 126). 7. Direction assistée entraînée par moteur conformément à la revendication 6, caractéri- sée en ce que ledit bloc écrou comporte un élément de liaison (137) et est couplé par cet élément de liaison (137) à ladite crémaillère (107) pour per- mettre un mouvement angulaire dans un domaine rela- tivement restreint.