Brevet FR2740091A1 — publié le 19970425

L'invention concerne un simulateur de réaction pour un système de commande, en particulier pour une direction de véhicule, comprenant un générateur de valeur de consigne actionnable par un élément d'actionnement manuel, en particulier par un volant de direction, ainsi qu'un dispositif de commande pouvant être positionné par un entraînement réglé en conformité avec la valeur de consigne momentanée, notamment pour les roues directrices d'un véhicule, le simulateur de réaction appliquant à l'élément d'actionnement manuel une force simulant un couplage forcé entre cet élément et le dispositif de commande. On connaît tous leur principe les systèmes de commande et notamment les systèmes de direction dans lesquels, au moins en fonctionnement normal, un élément d'actionnement manuel, actionnable à volonté, est relié fonctionnellement, sans aucun couplage mécanique ou hydraulique forcé, mais uniquement par des échanges de signaux, à un dispositif de commande. Un tel concept de direction ou de pilotage est désigné aussi par "direction par fil" ("Steer by Wire"). Par exemple, les gouvernes ainsi que les volets d'ailes d'avions, aussi bien civils que militaires, sont commandés de cette manière. La technique actuelle permet de garantir une transmission de signaux d'une si grande sûreté que de tels systèmes sont utilisés aussi dans les avions à passagers. Il est donc par principe possible aussi de réaliser la direction d'un véhicule non guidé par des moyens semblables, en ce sens que le 23 volant ne possède, tout au moins sous des conditions de fonctionnement normales, aucun couplage forcé, mécanique ou autre, avec les roues directrices du véhicule. Afin de donner néanmoins des sensations de pilotage semblables à celle de directions classiques au conducteur, le volant doit être relié à un simulateur de réaction qui, suivant les situations de conduite concernées, exerce sur le volant des forces au moins semblables aux forces perçues par les mains sur le volant et qui sont produites lorsqu'un couplage forcé existe entre le volant et les roues directrices du véhicule. Par le document US 47 71 846, il est connu à cet égard de coordonner au volant un frein à commande électromagnétique, de sorte que le conducteur peut sentir chaque fois, au volant, une résistance au braquage qui dépend des conditions de circulation du moment. Selon le document EP 04 47 626 A2, le volant est relié, en vue de l'entraînement mutuel, à un moteur électrique offrant en principe la possibilité, outre la création d'une résistance au braquage, de simuler aussi des mouvements du volant comme ceux pouvant être engendrés, dans le cas de directions classiques pour véhicules, par des secousses dues à l'état de la chaussée ou des phénomènes semblables. Les documents WO 90/12724 et EP 05 56 082 A1 montrent qu'on peut utiliser aussi des moteurs fluidiques à la place d'un moteur électrique pour simuler la réaction. Pour tous ces dispositifs connus, la sûreté de fonctionnement des simulateurs de réaction apparaît demander encore des perfectionnements. L'invention a donc pour but d'indiquer un concept nouveau pour un simulateur de réaction. Conformément à l'invention, on obtient ce résultat par le fait que le simulateur de réaction possède un dispositif élastique de rappel par lequel l'élément d'actionnement manuel peut être sollicité en direction d'une position initiale, ainsi qu'un dispositif générateur de force qui agit directement sur l'élément d'actionnement manuel et/ou sur des appuis réglables du dispositif élastique de rappel. L'invention est basée sur le principe général consistant à préfixer une caractéristique de base du simulateur de réaction par un dispositif élastique de rappel qui est d'une sûreté pratiquement absolue contre la défaillance. Dans le cas d'une direction de véhicule, cela veut dire que le dispositif élastique de rappel doit être conçu de manière que les forces exercées par lui sur le volant correspondent dans une large mesure aux forces qui apparaissent à des vitesses relativement élevées avec les directions classiques pour véhicules. Dans de telles conditions de conduite, les effets d'hystérésis dus au frottement sont relativement faibles avec les directions normales pour véhicules, en ce sens que le moment de rappel perceptible au volant n'est que de peu inférieur à la résistance au braquage, c'est-à-dire à la résistance s'opposant à un changement de position de la direction vers la droite ou à la gauche à partir de la position d'alignement droit, c'est-à-dire de marche de ligne droite. Afin de pouvoir imiter (simuler) les effets d'hystérésis qui apparaissent, avec des directions normales pour véhicules, à faible vitesse de marche et surtout lorsque la vitesse de marche est presque nulle, le dispositif générateur de force permet d'exercer directement des forces sur l'élément d'actionnement manuel et sur les appuis - rendus réglables selon un mode de réalisation particulièrement préféré - du dispositif élastique de rappel. L'action du dispositif générateur de force se superpose donc à l'action du dispositif élastique de rappel si bien que, en cas de défaillance du dispositif générateur de force sur le volant, une force de réaction continue à être simulée, force qui correspond aux conditions d'une direction de véhicule classique à haute vitesse de marche, de sorte que le conducteur ne peut pas être surpris dangereusement en cas de perturbations éventuelles du dispositif générateur de force. Selon un mode de réalisation particulièrement préféré de l'invention, le dispositif élastique de rappel sollicite d'une part l'élément d'actionnement manuel et d'autre part un appareil hydraulique qui tente, lorsqu'une pression lui est appliquée, de diminuer la force par laquelle le dispositif élastique de rappel sollicite l'élément d'actionnement. De plus, ce dernier est relié directement à un moteur électrique qui permet de produire des mouvements de l'élément d'actionnement Un mode de mise en oeuvre de l'invention est caractérisé en ce que l'élément d'actionnement manuel, constitué notamment par un volant de direction, est relié, dans une relation d'entraînement, à un arbre dont la rotation produit le déplacement d'un entraîneur qui est sollicité en direction d'une position médiane par des ressorts pouvant être bandés pour agir l'un contre l'autre, et que des appuis réglables sont coordonnés aux extrémités de ces ressorts éloignées de l'entraîneur. Alors, de préférence, à la position médiane de l'entraîneur, les ressorts s'appliquent directement ou indirectement contre une butée fixe, l'agencement étant tel que l'entraîneur puisse être sollicité par seulement l'un des ressorts lorsqu'il quitte sa position médiane. Un autre mode de réalisation de l'invention prévoit que l'élément d'actionnement manuel, constitué notamment par un volant de direction, soit relié, dans un relation d'entraînement, à un arbre portant une came contre laquelle un ressort peut presser un poussoir déplaçable dans le sens de l'axe de l'arbre, la force de pressage du ressort étant variable par action d'un organe de refoulement de fluide accouplé au poussoir et capable de produire une force s'opposant à celle du ressort. Selon un perfectionnement de l'invention, l'élément d'actionnement manuel, constitué notamment par un volant de direction, est relié élastiquement par exemple par un moyeu élastique - dans une relation d'entraînement, à des organes, comprenant par exemple un arbre, auxquels sont applicables des forces servant à la simulation d'une réaction. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - les Figures 1A et lB montrent des diagrammes représentant les efforts manuels nécessaires au braquage dans des conditions typiques de fonctionnement des directions classiques; - la Figure 2 montre un premier mode de réalisation du simulateur de réaction selon l'invention; et - la Figure 3 représente un mode de réalisation particulièrement préféré. La Figure 1A montre quels moments M doivent être vaincus ou sont appliqués manuellement au volant lorsque celui-ci doit être braqué d'un angle a à partir de la position d'alignement droit (de marche en ligne droite); pour les besoins de cette représentation gra- phique, il est supposé que le braquage s'effectue d'abord dans un sens jusqu'à la butée de fin de course puis dans l'autre sens, de nouveau jusqu'à la butée de fin de course, et ainsi de suite. Selon le segment de courbe a, pour quitter la position d'alignement droit, il suffit d'appliquer un faible effort minimal pour pouvoir tourner le volant. En tournant le volant davantage, il faut d'abord, selon le segment de courbe b, vaincre un moment qui croit de façon continue. Dès qu'un moment limite est atteint ensuite, le moment résistant n'augmente pratiquement plus; en d'autres termes, le volant se laisse ensuite tourner jusqu'en butée à l'encontre d'un moment résistant essentiellement constant. Le moment de rappel agissant chaque fois est légèrement inférieur, selon la courbe c, par suite de frottements internes dans le système de direction, au moment résistant s'opposant à la manoeuvre précédemment décrite du volant. La différence est cependant relativement faible puisque, à une vitesse de marche relativement élevée, la chaussée oppose seulement une résistance comparativement petite aux mouvements de braquage des roues directrices. De ce fait, le moment de rappel est en mesure de ramener la direction pratiquement à la position d'alignement droit lorsque le conducteur lâche le volant. Quand le volant est ensuite braqué en sens contraire, il se produit de nouveau, selon la courbe d, un moment résistant correspondant, tandis que le moment de rappel est de nouveau légèrement inférieur, quant à sa valeur et conformément à la courbe e, au moment résistant. L'hystérésis apparaissant par suite de frottements entre le moment résistant et le moment de rappel reste globalement très faible. Les conditions sont entièrement différentes lorsque la direction est manceuvrée à l'arrêt ou à très faible vitesse du véhicule, ainsi que le montre la Figure lB. Alors que les conditions selon les segments de courbe a' et b' sont essentiellement analogues, pendant la manoeuvre du volant, à celles s'établissant selon les segments de courbe a et b dans le cas de la Figure 1A, la valeur du moment de rappel s'écarte considérablement de celle du moment résistant. Selon la courbe c', si le volant est lâché, il se produit seulement un faible rappel des roues directrices. Ensuite, le volant doit être manceuvré par des efforts adéquats du conducteur, conformément à la courbe e'. Des conditions correspondantes s'établissent pour une rotation du volant en sens inverse. Le simulateur de réaction selon l'invention doit permettre l'obtention d'un comportement analogue. Dans un premier mode de réalisation du simulateur de réaction selon l'invention, un volant de direction 1 est relié, dans une relation d'entraînement, par l'intermédiaire d'un moyeu 2 ayant une élasticité torsionnelle limitée, à un arbre 3 qui est accouplé, en vue de l'entraînement, d'une part à un moteur électrique 4 exempt de blocage automatique et d'autre part, par l'intermédiaire d'un engrenage (non représenté) exempt de blocage automatique, à un entraîneur 5 déplaçable transversalement à l'arbre 3. Au braquage du volant 1 peut donc être opposé un moment résistant plus ou moins grand suivant l'alimentation électrique du moteur 4. Il est possible aussi, en plus, en faisant circuler un courant approprié dans le moteur électrique 4 par l'alimentation de celui-ci, de provoquer des mouvements du volant 1, correspondant par exemple à des réactions au volant 1 produites par des irrégularités de la chaussée et transmises par l'intermédiaire des roues directrices, non représentées, du véhicule. Suivant le sens de rotation du volant 1, l'entraîneur 5 est déplacé vers la droite ou la gauche. Si l'entraîneur 5 est sollicité par une autre force dans l'un ou l'autre sens de déplacement, il tend à tourner le volant 1 en conséquence. À la position médiane représentée, l'entraîneur 5 est sollicité par deux ressorts hélicoïdaux de compression 6 et 7 qui peuvent être bandés pour agir l'un contre l'autre. A la position médiane représentée de l'entraîneur 5, les extrémités ou appuis côté entraîneur des ressorts 6 et 7 agissent simultanément, directement ou indirectement, notamment en s'appliquant contre elle, sur une butée fixe 8. L'agencement peut être tel que l'entraîneur 5, lorsqu'il quitte la position médiane, soit seulement sollicité par l'un des ressorts 6, 7. Aux autres extrémités des ressorts hélicoïdaux de compression 6 et 7, sont coordonnés des appuis 9 et 10 réglables (dont la position peut être changée) hydrauliquement. Lorsque le volant est tourné dans un sens à partir de la position médiane, l'entraîneur 5 déplace avec lui l'extrémité dirigée vers lui d'un des ressorts, du ressort 6 par exemple, ce qui signifie que l'extrémité côté entraîneur de ce ressort est éloignée de plus en plus de la butée 8 et que le ressort en question est bandé de plus en plus suivant que l'angle de braquage du volant 1 augmente. L'autre ressort 7 reste appliqué contre la butée 8. Le ressort 6 oppose donc, à la rotation précitée du volant 1, une résistance qui croît avec la tension du ressort et peut éventuellement être modifiée par le déplacement de l'appui 10. Ce déplacement ou réglage de l'appui 10 peut s'effectuer en particulier de manière que le moment de rappel agissant sur le volant 1 soit inférieur - dans une mesure variable - au moment résistant qui s'opposait précédemment à la rotation du volant. Il en va de même lorsque le volant est tourné dans l'autre sens. Dans ce cas, c'est l'appui 9 qui est éventuellement déplacé. Le déplacement des appuis 9 et 10 permet donc d'imiter ou de simuler l'hystérésis - visible sur la Figure 1 et dépendante de la vitesse de marche - entre le moment résistant et la force de rappel. Le moteur électrique 4 sert principalement à simuler des forces pouvant être percues au volant, dans le cas de directions classiques pour véhicules, et qui sont dues à des irrégularités de la chaussée. Cependant, fondamentalement, le moteur électrique 4 peut servir aussi à reproduire l'hystérésis selon la Figure 1, du fait qu'il est alimenté de manière qu'il tend à s'opposer aux effets de rappel des ressorts 6 et 7. Le moyeu 2 à élasticité torsionnelle simule, dans tous les cas, l'élasticité, existant dans les directions classiques pour véhicules, du système de transmission des efforts entre le volant et les roues directrices. Les mouvements rotatifs de l'arbre 3 commandent par ailleurs un générateur de valeur de consigne (non représenté), de sorte que, par l'intermédiaire d'un circuit de réglage non représenté, les roues directrices non représentées du véhicule sont asservies (pratiquement sans retard) au braquage du volant 1. Dans le mode de réalisation montré par la Figure 3, le volant 1 est relié de nouveau par l'intermédiaire d'un moyeu 2 à élasticité torsionnelle à 1' arbre 3 pour l'entraînement de celui-ci, arbre qui est monté rotatif dans un carter 12 au moyen d'un palier fixe 13, d'un palier radial 14 ainsi que d'un palier axial 15. L'arbre 3 porte un pignon 16 qui est en prise, sans blocage automatique, avec une vis sans fin 17 qui peut être reliée à son tour par un accouplement électrique au moteur électrique 4 pour l'établissement d'une liaison d'entraînement entre l'arbre 3 et ce moteur. L'arbre 3 porte en outre une came 18 présentant, symétriquement de part et d'autre d'un plan longitudinal médian passant par l'axe de l'arbre 3, deux portions de profil de came formant deux rampes 18' ayant des pentes mutuellement opposées, mais de même valeur. Un ressort hélicoïdal de compression 19 est disposé coaxialement à l'arbre 3 à l'intérieur du carter 12. L'extrémité représentée à gauche, sur la Figure 3, de ce ressort, est appuyée sur une paroi radiale du carter et son autre extrémité tend à presser un poussoir contre la came 18. Le poussoir 20 est maintenu sans rotation possible dans le carter 12, mais mobile en translation dans la direction de l'axe de l'arbre 3, ce qui est obtenu par une clavette 21. Sur son côté tourné vers la came 18, le poussoir 20 porte un roulement à aiguilles 23 - supporté sur un tourillon 22 orienté transversalement à l'arbre 3 - qui peut rouler à la façon d'un galet sur la came 18. Donc, lorsque la came 18 est tournée par suite de la rotation de l'arbre 3, le roulement à aiguilles 23 est poussé en arrière à partir de la position de fin de course représentée à droite, contre la force du ressort hélicoïdal de compression 19, de sorte qu'un moment résistant s'oppose à la rotation de la came 18. Le poussoir 20 est d'un seul tenant avec un cylindre 24 dont l'extrémité éloignée du poussoir est réalisée à la façon d'un piston annulaire 25. Axialement entre deux joints d'étanchéité annulaires 26 et 27, placés respectivement entre le carter 12 et le piston annulaire 25 et entre le carter 12 et le cylindre 24, est formée une chambre annulaire 29 à laquelle un fluide de pression hydraulique est applicable à travers un orifice 30 du carter. Dans la chambre annulaire 29, la pression hydraulique agit à l'encontre de la force du ressort 19, ce qui veut dire que si la pression hydraulique est suffisante, la pression sous laquelle le roulement à aiguilles 23 est appliqué contre la came 18 peut être diminuée; le cas échéant, le poussoir 20, ensemble avec le roulement à aiguilles 23, peut être éloigné ainsi de la came 18. La force sous laquelle le roulement à aiguilles 23 est pressé contre la came 18, ainsi que la forme de cette dernière, déterminent le moment résistant qui s'oppose à un braquage du volant 1 et par suite à une rotation de l'arbre 3 et de la came 18. En même temps est déterminé ainsi également le moment de rappel tendant à tourner le volant 1 en arrière ou en sens inverse lorsqu'il est dévié de la position illustrée. L'application d'une pression adéquate à la chambre annulaire 29 permet de reproduire l'hystérésis selon la Figure 1. Par le moteur électrique 4 peuvent être produits de nouveau, fondamentalement, les mêmes effets. De plus, le moteur électrique 4 permet d'engendrer aussi des mouvements de rotation de l'arbre 3 et du volant 1. Dans le but de rendre possible une régulation très sensible des moments perceptibles au volant 1, des capteurs de position angulaire 31 et 32 sont installés axialement devant et derrière le moyeu 2 à élasticité torsionnelle, capteurs par lesquels peut être déterminée la rotation relative entre l'arbre 3 et le volant 1 et, partant, la contrainte élastique du moyeu 2 de même que le moment perceptible au volant 1. Il est par conséquent possible de régler très exactement les moments perceptibles au volant 1 par l'application d'une pression dans la chambre annulaire 29 et/ou par une alimentation adéquate du moteur électrique 4. REVENDICATIONS 1. Simulateur de réaction pour un système de commande, en particulier pour une direction de véhicule, comprenant un générateur de valeur de consigne actionnable par un élément d'actionnement manuel, en particulier par un volant de direction, ainsi qu'un dispositif de commande pouvant être positionné par un entraînement réglé en conformité avec la valeur de consigne momentanée, notamment pour les roues directrices d'un véhicule, le simulateur de réaction appliquant à l'élément d'actionnement manuel une force simulant un couplage forcé entre cet élément et le dispositif de commande, caractérisé en ce qu'il possède un dispositif élastique de rappel (6, 7; 19) par lequel l'élément d'actionnement manuel (1) peut être sollicité en direction d'une position initiale, ainsi qu'un dispositif générateur de force (4) qui agit directement sur l'élément d'actionnement manuel (1) et/ou sur des appuis réglables (9, 10; 20) du dispositif élastique de rappel. 2. Simulateur de réaction selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'actionnement manuel, constitué notamment par un volant de direction (1), est relié, dans une relation d'entraînement, à un arbre (3) dont la rotation produit le déplacement d'un entraîneur (5) qui est sollicité en direction d'une position médiane par des ressorts (6, 7) pouvant être bandés pour agir l'un contre l'autre, et que des appuis réglables sont coordonnés aux extrémités de ces ressorts éloignées de l'entraîneur. 3. Simulateur de réaction selon la revendication 2, caractérisé en ce que, à la position médiane de l'entraîneur (5), les ressorts (6, 7) s'appliquent directement ou indirectement contre une butée fixe (8), l'agencement étant tel que l'entraîneur (5) puisse être sollicité par seulement l'un des ressorts lorsqu'il quitte sa position médiane. 4. Simulateur de réaction selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément d'actionnement manuel, constitué notamment par un volant de direction (1), est relié, dans une relation d'entraînement à un arbre (3) portant une came (18) contre laquelle un ressort (19) peut presser un poussoir (20) déplaçable dans la direction de il l'axe de l'arbre, la force de pressage du ressort étant variable par action d'un organe de refoulement de fluide (25, 29) accouplé au poussoir et capable de produire une force s'opposant à celle du ressort (19). 5. Simulateur de réaction selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément d'actionnement manuel, constitué notamment par un volant de direction (1), est relié élastiquement (moyeu 2), dans une relation d'entraînement, à des organes (arbre 3) auxquels sont applicables des forces servant à la simulation d'une réaction.