Brevet FR2796752A1 — publié le 20010126

La présente invention est relative à un dispositif de contrôle de vitesse et de limitation d'impact d'un actionneur électromécanique contre des butées d 1 arrêt de l'organe commandé par celui-ci, et s'applique plus particulièrement, quoique non exclusivement, à la commande des soupapes d'un moteur à combustion interne. De manière bien connue dans la technique, on sait actionner les soupapes d'un moteur de véhicule au moyen d'un ensemble mécanique du type usuellement désigné sous le terme d'arbre à cames, dont la rotation commande le mouvement de ces soupapes pour provoquer un déplacement relatif vis-à-vis de leur siège, à l'ouverture ou à la fermeture, pour l'admission et/ou l'échappement des produits de combustion dans les cylindres de ce moteur. Pour obtenir un ajustement variable des angles, c'est- à-dire des instants d'ouverture et de fermeture de chaque soupape en fonction des conditions d'utilisation du moteur, en particulier pour optimiser le rendement énergétique de celui-ci, il est également connu d'utiliser, de façon plus perfectionnée, un ensemble électromagnétique associé à chaque tige de soupape. De manière résumée à ses éléments essentiels, cet ensemble comporte, associés à la tige de soupape, deux enroulements électromagnétiques voisins mais separés par un entrefer dont la distance est sensiblement égale à la course de la tête de la soupape, la tige étant solidaire d'un plateau transversal en matériau magnétique, logé dans l'entrefer entre les deux enroulements, de sorte que, selon le sens du courant qui traverse alternativement ces derniers, ce plateau soit attiré par l'un ou l'autre, de sorte que la soupape passe de sa position d'ouverture à celle de sa fermeture, le plateau oscillant de part et d'autre d'une position d'équilibre intermédiaire. La tige de soupape est associée à des ressorts travaillant respectivement et simultanément en compression et en extension ou vice versa selon le cas, en particulier selon le sens de déplacement de la tige de soupape en direction de l'un ou de l'autre des deux enroulements, à l'ouverture ou à la fermeture, l'effet de ces ressorts s'ajoutant à celui de la force d'attraction électromagnétique exercée sur le plateau transversal, créée alternativement par les enroulements. En jouant sur l'intensité du courant dans les deux enroulements, on peut ainsi, de manière simple, ajuster la vitesse de la course de la tige de soupape et la f aire varier en fonction des besoins. Les Figures la, lb et ic illustrent schématiquement un dispositif connu de ce genre. sur ces figures qui représentent en élévation le dispositif de commande précité, la référence 1 désigne une tige illustrée en position verticale qui comporte à son extrémité inférieure une tête de soupape 2 et à son extrémité opposée une portée dl appui 3 pour un ressort 4, monté entre cette portée et une butée fixe 5. La tige 1 comporte du côté de la tête de soupape 2 une autre portée dl appui 6 pour un second ressort 7, monté entre cette portée et un guide fixe 8 présentant un alésage traversant 9 dans lequel coulisse selon un mouvement de va- et-vient l'extrémité correspondante de la tige 1. Cette tige est par ailleurs équipée, entre les portées d'appui 3 et 6 des ressorts 4 et 7, d'un plateau transversal 10 qui, si la tige est verticale, s'étend horizontalement, ce plateau étant monté dans un entrefer 11 ménagé entre deux électroaimants, respectivement 12 et 13, chacun de ces électroaimants comportant une culasse 14 en matériau magnétique et un enroulement électrique 15, de sorte que le passage d'un courant dans les enroulements des deux électroaimants provoque sur le plateau 10 un ef f et d'attraction par l'un de ces électroaimants et de répulsion par l'autre, la tête de soupape 2 oscillant ainsi entre deux positions oÙ le plateau est au contact de l'un ou de l'autre des électroaimants. La Figure la illustre la position d'équilibre de l'ensemble ainsi envisagé, dans laquelle le plateau 10 est sensiblement au milieu de llentrefer 11 entre les deux électroaimants 12 et 13, la Figure lb représentant la position où ce plateau s'est déplacé pour être au contact de l'électroaimant 12 et la Figure lc est celle où, à l'inverse, le plateau est appliqué contre l'électroaimant 13. Au cours des déplacements du plateau 10, de part et d'autre de sa position d'équilibre intermédiaire, les ressorts 4 et 7 se sont respectivement contractés ou étirés, ou inversement, les deux positions atteintes par la tête de soupape, représentées sur les figures ib et ic, correspondant pour la première à celle où la soupape est supposée fermée en s'appliquant sur un siège (non représenté) et pour la seconde à celle où la soupape est ouverte. Le fonctionnement d'un tel ensemble actionneur est relativement simple, les moyens nécessaires pour faire osciller le plateau 10 porté par la tige 1 de part et d'autre de sa position d'équilibre ne présentant pas de difficultés majeures pour être réalisés industriellement. Toutefois, cet ensemble présente des inconvénients. En effet, lorsqu'on libère le plateau 10 depuis la position illustrée sur la Figure ib, c'est-à-dire en position de fermeture de la soupape 2, les ressorts 4 et 7 doivent assurer le déplacement de la tige jusqu'à la position opposée du plateau, représentée sur la Figure lc, ceci aux frottements près de la tige dans l'alésage 9 du guide 8. L'électroaimant 13 est alors alimenté en courant afin de générer un effort permettant de compenser ces frottements et d'amener le plateau 10 dans sa position finale, soupape 2 ouverte. Lorsque le plateau 10 est en butée, un courant plus faible traverse encore l'enroulement de l'électroaimant afin d'assurer un effort suffisant pour maintenir les pièces dans cette position, ce courant étant ensuite coupé pour permettre à la tige de soupape d'inverser son mouvement, selon un déplacement symétrique du précédent. or, la non reproductibilité des frottements en cours d'utilisation d'un tel actionneur électromécanique, dans un moteur à combustion interne notamment, liée à la température variable de l'ensemble et en particulier de l'huile dans laquelle baignent les pièces correspondantes, huile dont la quantité peut varier, ainsi qu'aux tolérances de fabrication, oblige à surdimensionner l'effort produit par chacun des deux électroaimants à tour de rôle pour assurer le déplacement sûr du plateau jusqu'à l'une ou l'autre de ces deux positions, la tête de soupape étant convenablement amenée en position d'ouverture ou de fermeture. De ce f ait, le plateau est accéléré en f in de course, sa vitesse au moment de l'impact final sur l'électroaimant lorsque la soupape s'ouvre ou se ferme étant relativement élevée, de l'ordre de 1 m/sec. Il en résulte un bruit non négligeable lors du fonctionnement du moteur. Pour pallier cet inconvénient et réduire le bruit ainsi créé sans modifier la vitesse d'impact, diverses solutions ont déjà été proposées. Une première possibilité consiste à insonoriser l'environnement mécanique de l'actionneur pour réduire la transmission du bruit vers l'extérieur du capot du moteur, cette solution n'agissant pas sur la cause du problème, tout en alourdissant le véhicule. Une solution différente dans son principe consiste à diminuer l'effort créé par chacun des électroaimants, en particulier pour ajuster cet effort à la valeur juste nécessaire pour produire une réduction de l'accélération du plateau en fin de course. Cette solution est illustrée notamment dans les documents de brevet DE-A-19623698, DE-A-19736647, DE-C-19735375, US-A-5769043 et EP-B-0662697. Cette solution est efficace mais difficile à mettre en oeuvre et surtout très coûteuse. Elle nécessite un capteur permettant de connaître de façon précise la position du plateau à chaque instant et un microprocesseur qui calcule et ajuste en permanence le courant dans l'enroulement de l'électroaimant. L'environnement du capteur, du fait de la température et des vibrations, pose des problèmes pour obtenir une mesure fiable et suffisamment rapide, ce qui complique la réalisation de l'asservissement en accroissant de façon rédhibitoire la puissance de calcul nécessaire. Une dernière solution consiste à accroître l'effort résistant aux déplacements du plateau à la fin de ses mouvements vers l'un ou l'autre des deux électroaimants, afin de diminuer son accélération et de réduire la vitesse d'impact de ce plateau. Dans ce but, on peut utiliser des bobines électromagnétiques complémentaires pour créer un effort résistant s'exerçant en sens inverse de celui qui provoque l'attraction du plateau. Cette solution est complexe et coûteuse car elle nécessite des enroulements additionnels, en créant des problèmes d'encombrement pour l'actionneur et un accroissement de la consommation électrique pour le véhicule (voir par exemple DE-U-29615396, US-A-5730091 ou WO-A-9810175). On peut également utiliser un amortisseur du genre butée hydraulique, ce qui nécessite des pièces complémentaires en mouvement et une alimentation spéciale en huile, la butée augmentant les efforts magnétiques à produire pendant la phase où la tête de soupape reste en position d'ouverture ou de fermeture avant d'inverser son déplacement (voir par exemple DE-A-19646938). De même, l'utilisation d'un ressort supplémentaire, apte à ne produire un effort que pendant la dernière partie du déplacement, si elle est plus simple sur le plan mécanique, présente l'inconvénient d'accroître les efforts proportionnellement à la position du plateau, de sorte que ceux-ci sont les plus élevés lorsque ce plateau est en position finale, la consommation électrique étant augmentée de façon très importante. La présente invention est relative à un dispositif de contrôle et de limitation pour un actionneur du genre précité, qui s'apparente aux dernières solutions évoquées ci-dessus, en permettant un accroissement de l'effort résistant exercé sur le plateau pendant une partie seulement de son déplacement, dans le but notamment de diminuer sa vitesse préalablement à l'instant où il atteint l'une ou l'autre de ses positions finales, à l'ouverture ou à la fermeture de la tête de soupape. En outre, l'invention permet de faire en sorte que l'effort résistant supplémentaire créé soit supprimé juste avant que le plateau n'atteigne ces positions, de manière à ne pas accroître la consommation électrique nécessaire pendant la période où le plateau est maintenu dans l'une ou l'autre de ces positions. A cet effet, le dispositif de contrôle et de limitation considéré, pour un actionneur comprenant une tige de commande portant un plateau transversal se déplaçant dans un entrefer délimité par deux électroaimants attirant alternativement le plateau en combinaison avec un effort créé par des ressorts antagonistes agissant sur la tige, le plateau se déplaçant de façon oscillante à partir d'une position d'équilibre intermédiaire entre deux positions finales dans lesquelles il entre en contact avec l'un ou l'autre des deux électroaimants, se caractérise en ce que la tige est solidaire d'un mécanisme bi-stable, propre à occuper deux positions distinctes symétriques l'une de l'autre, ce mécanisme étant apte à basculer de l'une vers l'autre de ces positions sous l'action d'un effort de valeur donnée, exercé sur la tige. L'invention consiste ainsi à utiliser l'effort nécessaire au basculement du mécanisme bi-stable lié à la tige de commande pour freiner le plateau, le changement d'état de ce mécanisme se produisant avant la fin du déplacement de ce plateau, de manière à ne pas augmenter les efforts mécaniques à exercer sur ce dernier pendant la phase de maintien en position finale, lorsque la tête de soupape portée par la tige reste, selon le cas, en position d'ouverture ou de fermeture. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le mécanisme bi-stable est constitué par une lame métallique souple et incurvée, dont la partie centrale est liée à la tige et dont les deux parties d'extrémité, de même longueur et qui s'étendent de chaque côté de cette tige, sont solidaires d'un support fixe. Avantageusement, la lame incurvée coopère avec deux poussoirs portés par la tige de part et d'autre de la lame, de manière à venir en contact avec celle-ci lorsque le plateau est au voisinage de sa position finale contre l'un ou l'autre des deux électroaimants. Dans un autre mode de réalisation, le mécanisme bi- stable est constitué par deux aimants permanents distincts, propres à créer respectivement un effort d'attraction sur un élément métallique porté par la tige. D'autres caractéristiques d'un dispositif établi conformément à l'invention apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - La Figure 2 illustre succinctement le dispositif considéré. - Les Figures 3a à 3j sont des schémas permettant d'expliciter la mise en oeuvre du dispositif de la Figure 2. - Les Figures 4a et 4b sont des diagrammes qui représentent l'effort mécanique! respectivement à l'ouverture et à la fermeture d'une soupape portée par la tige du dispositif. Sur ces figures, on a repris des chiffres de référence identiques pour désigner les mêmes éléments mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention (Figure 2) et dans celui faisant partie de l'état de la technique décrit plus haut (Figure 1). Sur la Figure 2, on retrouve ainsi la tige 1, la tête de soupape 2, les ressorts 4 et 7, le plateau transversal 10 logé dans l'entrefer 11 entre les deux électroaimants 12 et 13, ce plateau étant prévu pour osciller dans cet entrefer à partir de la position d'équilibre intermédiaire illustrée sur cette figure, de manière à faire passer la tête de soupape d'une position finale à une autre où le plateau rentre en contact avec un impact non négligeable avec l'un ou l'autre des électroaimants 12 et 13, pour réaliser l'ouverture ou la fermeture de la soupape. Conformément à 11 invention, la tige 1 est associée à un mécanisme bi-stable désigné dans son ensemble sous la référence 16 et destiné à créer un effort résistant supplémentaire sur la tige en déplacement avec le plateau 10, pour diminuer sa vitesse au voisinage de l'une ou l'autre de ses positions finales, juste avant que ce plateau ne vienne au contact des électroaimants 12 et 13. Selon l'invention, ce mécanisme est constitué au moyen d'une lame métallique 17, souple et incurvée, solidarisée en son centre 18 avec la tige 1, les côtés latéraux de cette lame étant immobilisés à leurs extrémités opposées 19 et 20 sur un support fixe 21. De part et d 1 autre du point de f ixation de la tige 1 avec le centre 18 de la lame 17, cette tige comporte deux poussoirs plans, respectivement 22 et 23, propres à venir en contact avec la partie convexe de la lame lors de la course de la tige, pour exercer sur cette lame un effort croissant progressivement jusqu'au moment où la lame inverse brutalement sa concavité pour passer de la position illustrée en traits pleins sur la Figure 2 à celle, exactement symétrique de la précédente, représentée en traits pointillés sur cette même figure. Les Figures 3a à 3j permettent de comprendre aisément le fonctionnement du mécanisme bi-stable ainsi réalisé. Sur la Figure 3a, le plateau 10 est au contact de l'électroaimant 12, la soupape 2 étant fermée, la lame souple 17 présentant sa concavité dirigée vers le poussoir inférieur 23 porté par la tige 1. Sur la Figure 3b, la tige 1 se déplace vers le bas pour partir de la position initiale avec la soupape fermée et se diriger vers sa position finale où cette soupape sera maintenue ouverte. Le poussoir 22 se rapproche de la lame 17. Sur la Figure 3c, le poussoir 22 est au contact de la lame 17 et commence à exercer sur celle-ci un effort résistant qui croît au fur et à mesure que la tige 1 poursuit son mouvement vers sa position finale, le plateau transversal 10 se rapprochant de l'électroaimant 13 (Fig. 3d). A un instant donné, fonction de la structure et de la résistance de la lame 17, cette dernière change brutalement d'état, sa concavité, jusqu'ici dirigée vers le poussoir 23, s'inversant pour se tourner vers le poussoir supérieur 22, comme illustré sur la Figure 3e. L'effort résistant créé jusqu'à présent par la lame 17 s'élimine totalement, la tige 1 pouvant achever son -mouvement jusqu'à sa position finale avec le plateau 10 au contact de l'électroaimant 13, cette position étant mainttenue grâce au courant qui passe dans l'enroulement 15 de cet électroaimant. Lorsque la soupape 2, ainsi en position d'ouverture, doit être fermée, la tige 1 effectuant un mouvement en sens inverse du précédent pour amener le plateau 10 au contact cette fois de l'électroaimant 12, le processus se répète -mais comme illustré désormais sur les figures suivantes. Sur la Figure 3f, le mouvement de la tige 1 vers le haut commence dans les mêmes conditions que précédemment, les pièces étant représentées dans une situation exactement symétrique de celle illustrée sur la Figure 3a. Le mouvement de la tige se poursuit ensuite selon les Figures 3g à 3j, elles-mêmes symétriques des Figures 3b à 3ef la lame incurvée 17 ayant dans ce cas sa concavité dirigée à l'opposé de ce qu'elle était à l'origine et notamment tournée vers le poussoir 22. Le poussoir inférieur 23 vient ainsi au contact de la lame, lorsque la tige atteint pratiquement sa position finale et exerce un effort résistant qui croît jusqu'au moment où la lame s'efface brutalement, sa concavité s'inversant à nouveau pour revenir telle qu'elle était à l'origine, la Figure 3j correspondant dans ce cas à la Figure 3a. on réalise ainsi un dispositif de contrôle et de limitation d'impact d'un actionneur électromécanique dans lequel l'immobilisation finale du plateau transversal porté par la tige contre l'un ou l'autre des deux électroaimants peut être réalisée sans effort supplémentaire, en particulier sans modifier les conditions d'emploi du courant électrique parcourant les enroulements de ces électroaimants. Ce dispositif permet de générer par lui-même un effort résistant, où la poussée résultante due aux ressorts et à l'effet de l'attraction du plateau varie automatiquement en fonction du déplacement, jusqu'au moment où le mécanisme bi-stable change d'état. Les Figures 4a et 4b sont deux diagrammes, portant en ordonnées l'effort exercé et en abscisses le déplacement de la tige entre les deux positions finales, correspondant pour l'une à la soupape fermée, pour l'autre à la soupape ouverte. Plus précisément, la Figure 4a correspond à la course d'ouverture lorsqu'on se déplace de gauche à droite sur 1 ' axe des abcisses et la Figure 4b à la course de fermeture lorsqu'on se déplace de droite à gauche sur l'axe des abcisses. On voit clairement que de part et d'autre de la position déquilibre intermédiaire, la mise en oeuvre du mécanisme bi-stable permet de modifier sensiblement la valeur de l'effort dans une position de la tige voisine des positions finales, le mécanisme, du fait de la résistance qu'il introduit, augmentant sensiblement et temporairement l'effort nécessaire pour poursuivre le mouvement de la tige, jusqu'au moment où il s'efface brutalementi permettant d'atteindre l'une ou l'autre selon le cas de ces positions finales. Le dispositif selon l'invention présente l'intérêt majeur de ne pas augmenter les efforts magnétiques nécessaires pour maintenir le plateau dans les positions finales de l'actionneur. Il est simple à réaliser, sans exiger en particulier de modifier de façon notable la partie mobile de ce dernier. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de réalisation plus spécialement décrit ci-dessus en référence aux dessins annexés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier, le mécanisme bi-stable représenté sous la forme d'une lame souple et incurvée pourrait être remplacé par des moyens équivalents, notamment par des aimants permanents venant chacun superposer son effort d'attraction à celui de l'électroaimant concerné, mais en sens inverse de celui-ci. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de contrôle et de limitation d'impact pour un actionneur électromécanique, comprenant une tige de commande (1) portant un plateau transversal (10) se déplaçant dans un entrefer (11) délimité par deux électroaimants (12, 13) attirant alternativement le plateau en combinaison avec un effort créé par des ressorts antagonistes (4, 7) agissant sur la tige, le plateau se déplaçant de façon oscillante à partir d'une position d'équilibre intermédiaire entre deux positions finales dans lesquelles il entre en contact avec l'un ou l'autre des deux électroaimants, caractérisé en ce que la tige est solidaire d'un mécanisme bi-stable (16), propre à occuper deux positions distinctes symétriques l'une de l'autre, ce mécanisme étant apte à basculer de l'une vers l'autre de ces positions sous l'action d'un effort de valeur donnée, exercé sur la tige (1). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme bi-stable (16) est constitué par une lame métallique (17), souple et incurvée, dont la partie centrale (18) est liée à la tige (1) et dont les deux parties d'extrémité (19, 20), de même longueur et qui s'étendent de chaque côté de cette tige, sont solidaires d'un support fixe (21). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lame incurvée (17) coopère avec deux poussoirs (22, 23) portés par la tige (1) de part et d'autre de la lame, de manière à venir en contact avec celle-ci lorsque le plateau (10) est au voisinage de sa position finale contre l'un ou l'autre des deux électroaimants (12, 13). 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme bi-stable (16) est constitué par deux aÎmants permanents distincts, propres à créer respectivement un effort d'attraction sur un élément métallique porté par la tige.