Brevet FR2809522A1 — publié le 20011130

Simulateur de conduite de véhicule automobile. L'invention concerne un simulateur de conduite de véhicule automobile interactif qu'un simulateur d'étude ou un simulateur d'apprentissage utilisé dans les auto-écoles, plus particulièrement un dispositif de restitution d'effort au volant. Dans tous ces systèmes de simulation, en particulier ceux utilisés par les constructeurs automobiles comme moyen d'essai évitant certains essais sur véhicules réels, il s'agit d'obtenir une reproductibilité totale d'une situation conduite par la maîtrise de l'environnement, en simulant par exemple des conditions météorologiques, des conditions de trafic routier, de conduite jour ou de nuit, et de permettre une instrumentation aisée pour l'enregistrement de paramètres du vehicule ou d'observation du conducteur. L'objectif de tels simulateurs de conduite est de recréer un contexte quasi réel de conduite automobile, en reproduisant les différentes sensations que percevrait un conducteur dans un véhicule roulant, en particulier à partir d'un habitacle de véhicule réel integrant un écran et pouvant être animé de mouvement rotation et de petits mouvements de translation. Les sensations ressenties au volant par un conducteur sont crées par un dispositif de restitution efforts au volant. Un dispositif de restitution d'efforts au volant comporte en général un moteur électrique dont le stator est fixé sur l'habitacle le rotor entraîne un arbre de volant sur lequel est monté un volant. capteur d'angle de rotation fournit une information de la position en rotation du volant à un calculateur. Eventuellement un capteur de couple mesure le couple appliqué par le conducteur sur le volant et transmet l'information au calculateur. Ce calculateur commande la rotation du volant en fonction de la cinétique simulée du véhicule (vitesse, accélération, virage) et de l'environnement. On connaît par le document FR-Al-2741175 un dispositif de restitution d'effort au volant d'un véhicule automobile à direction découplée. Dans ce dispositif le volant est monté sur une colonne de direction entraînée directement par un moteur électrique. Sur la colonne de direction sont également couplés un capteur d'angle du volant et un coupleur poudre. Les stators du moteur et du coupleur poudre sont fixés sur le châssis du véhicule. Un calculateur et une électronique de puissance permettent de commander le moteur et le coupleur pour restituer des efforts au niveau du volant. Ces simulateurs de conduite posent des problèmes de sécurité des utilisateurs. En particulier, en cas de dysfonctionnement du système de commande, le moteur électrique pourrait s'emballer en tournant très vite, ou fournir un couple important. L'utilisateur pourrait alors être blessé, en particulier au niveau des membres supérieurs, par l'inertie de rotation du volant et du moteur ou par 1e couple transmis par le moteur. C'est donc un objectif de l'invention de proposer un dispositif de restitution d'effort au volant avec une sécurité améliorée, avec lequel les risques de blesser l'utilisateur sont diminués, voire supprimés. L'invention a pour objet un simulateur de conduite comportant un bâti, un volant et un dispositif de restitution d'efforts sur le volant, le dispositif de restitution d'efforts comportant un moteur électrique dont le stator est fixé sur le bâti et qui entraîne un ensemble rotatif, l'ensemble rotatif comportant - un arbre de volant qui supporte le volant, - le rotor du moteur, caractérisé en ce que l'ensemble rotatif comporte en outre un limiteur de couple entre le rotor du moteur et l'arbre de volant pour limiter le couple transmis par le moteur au volant. Le simulateur de conduite selon l'invention a ainsi une sécurité améliorée. En effet, dans le cas un dysfonctionnement du calculateur conduit moteur à fournir un couple très important, et que l'utilisateur du simulateur a ses mains posées sur le volant, le couple exercé sur l'utilisateur sera limité par le limiteur de couple et évitera les risques de blessure de l'utilisateur. De même, en cas d'emballement du moteur, avec une vitesse de rotation importante, si l'utilisateur tente d'arrêter la rotation du volant, il n'aura l'énergie cinétique du volant et de l'arbre de volant à absorber, tandis que le rotor du moteur pourra continuer à tourner. Ceci limite également le couple transmis à l'utilisateur. De manière préférentielle, le simulateur comporte en outre un dispositif de butée pour limiter la course en rotation de l'ensemble rotatif. Ainsi, en cas d'emballement du moteur, l'ensemble rotatif est arrêté après qu'il a dépassé sa course utile de rotation. Ceci limite le temps pendant lequel le moteur est emballé, sans que l'utilisateur n'ait à intervenir. Le dispositif de butée peut ailleurs être installé sans le limiteur de couple. De manière pratique, le dispositif butée comporte au moins deux disques successifs, premier disque étant solidaire de l'ensemble rotatif et comportant un secteur saillant d'entraînement, le dispositif de butée comportant au moins deuxième disque qui comporte un secteur saillant entraîné et un secteur saillant d'entraînement. Chaque secteur saillant d'entraînement coopère avec le secteur saillant entraîné du disque suivant pour entraîner en rotation le disque suivant lorsque les secteurs saillants d'entraînement et entraîné sont en contact l'un avec l'autre, le secteur saillant d'entraînement d'un dernier disque venant en butée dans un sens et dans l'autre contre un butoir solidaire du bâti. Une rotation relative entre deux disques successifs est autorisée sur une portion de tour, par exemple sur trois-quarts de tour. En empilant plusieurs disques, la rotation entre les disques extrêmes est multipliée et peut atteindre plusieurs tours. Quand tous les secteurs saillants sont contacts les uns avec les autres et avec le butoir le butoir bloque l'ensemble des disques et empêche la rotation de l'ensemble rotatif dans le sens qui maintient les contacts établis. Préférentiellement, le butoir actionne en outre deux contacteurs de fin de course avant que le dispositif de butée ne vienne en butée contre le butoir. De cette manière, les informations de position sont fournies par exemple à un calculateur pour commander l'arrêt du moteur. Plus particulièrement, le premier disque du dispositif de butée est solidaire du rotor du moteur. Ainsi, si le volant est bloqué par l'utilisateur et que le moteur continue à tourner, le dispositif de butée arrêtera la rotation du moteur. De manière avantageuse, le simulateur comporte en outre un frein électromagnétique pour bloquer l'ensemble rotatif. Ce frein permet d'obtenir rapidement l'arrêt de l'ensemble rotatif si celui-ci s'est emballé. L'arrêt est commandé par exemple la détection de la vitesse de rotation de l'ensemble rotatif, ou de sa position. Préférentiellement, le frein électromagnétique est libéré quand il est traversé par un courant électrique. De cette façon, la sécurité améliorée. En effet, si le simulateur est mis hors tension pour une raison quelconque, aucun courant ne traverse le frein électromagnétique, et ainsi l'ensemble rotatif est arrêté. Selon une autre caractéristique, le frein électromagnétique agit directement sur le rotor du moteur. Ainsi le moment d'inertie du frein électro magnétique n'est pas ajoutée à celle de l'arbre de volant, mais à celle du rotor du moteur, ce qui garantit l'efficacité du limiteur de couple. L'invention sera mieux comprise et d'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, la description faisant référence aux dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est vue schématique, en perspective, d'un simulateur de conduite ; - la figure 2 est une coupe du dispositif de restitution d'efforts conforme à l'invention ; - la figure 3 est une perspective éclatée d'un limiteur de couple ; - la figure 4 est en coupe d'un poussoir à bille , selon le détail IV de la Figure 2 ; - la figure 5 est vue perspective éclatée d'un dispositif de butée - la figure 6 est bout du dispositif de butée. Un simulateur 1 de conduite, tel que montré schématiquement sur la figure 1, comporte un bâti 2, un siège 3 monté sur le bâti et destiné à recevoir un utilisateur 4. En face du siège 3, le simulateur 1 comporte des pédales 7, un volant 5 qui est supporté par un dispositif de restitution d'efforts 6 fixé sur le bâti 2. Le simulateur comporte également d'autres accessoires non représentés, tels qu'un tableau de bord, un levier de vitesse et des commandes au volant, pour reproduire complètement le poste de conduite d'un véhicule. Le dispositif de restitution d'efforts, montré sur la figure 2, comporte un moteur 10 électrique dont le stator 11 comporte un support de fixation 13. Une face d'appui 14 du support de fixation 13 est destiné à venir en appui contre le bâti 2 pour fixer le moteur et le dispositif de restitution d'efforts sur le bâti 2. Le rotor du moteur est solidaire d'une tête de rotor 12 et d'un arbre auxiliaire 15. Un calculateur, non représenté, permet de commander, entre autre, le moteur électrique. Un limiteur de couple 20, montré également sur la figure 3, est fixé sur la tête du rotor 12. Il comporte un flasque d'entrée 21 centré et fixé par exemple par des vis sur la tête de rotor 12. Le flasque d'entrée comporte par exemple six empreintes sphériques 23 également réparties sur un diamètre d'entraînement. Dans le prolongement du flasque d'entrée 21, un plateau d'accostage 24 supporte six poussoirs à bille 25 qui sont également répartis sur le diamètre d'entraînement. Comme le montre la figure 4, chaque poussoir à bille 25 comporte un corps 25a fileté, dans un logement 25d duquel se loge un ressort 25b destiné appuyer sur une bille 25c. Un sertissage 25e à l'orifice du logement 25d empêche le retrait de la bille 25c. Chaque poussoir est vissé dans le plateau d'accostage 24 et reçoit un contre écrou 26 pour l'immobiliser. Les billes 25c, de même diamètre que les empreintes 23, sont logées dans les empreintes sphériques 23. Le flasque d'entrée 21 et le plateau d'accostage 24 sont maintenus distance constante l'un de l'autre, d'une part par un boîtier 27 dont un talon 27a prend appui sur une face 21a du flasque d'entrée 21, et d'autre part par un flasque de fermeture 28, fixé par exemple par des vis 29 sur le boîtier 27. Le flasque de fermeture est destiné à prendre appui contre la face 24b du plateau d'accostage 24. Il est éventuellement en deux parties 28a, 28b, pour faciliter le montage. En se référant encore à la figure 2, un carter 31 est fixé sur le stator du moteur et supporte un guide de volant 32. Un arbre de volant 30 est fixé sur le plateau d'accostage 24, par exemple par soudure et est prolongé coaxialement dans le guide de volant 32, pour supporter le volant 5, représenté sur la figure 1. Un frein électromagnétique 40 comporte un flasque de frein 41 fixé sur le support de fixation 13, un flasque d'appui 43, un disque 42 monté coulissant sur l'arbre auxiliaire 15, entraîné sur cet arbre par exemple par une clavette 16 et placé entre le flasque de frein et le flasque d'appui. Le frein électromagnétique 40 comporte en outre un support de bobine 44 qui supporte une bobine 48 électromagnétique. L'alimentation électrique de la bobine n'est pas représentée. Le support de bobine 44 est fixé sur le flasque de frein par l'intermédiaire d'entretoises 46 et de vis 49. Les entretoises sont placées au-delà du périmètre du disque 42 et traversent le flasque d'appui 43 par des alésages 430, réalisant ainsi un guidage coulissant du flasque d'appui. Des ressorts 47 hélicoïdaux sont placés autour des entretoises 46 dans un logement 440 du support de bobine 44, chaque extrémité des ressorts 47 étant en appui respectivement sur le flasque d'appui 43 et sur support de bobine 44. Le dispositif de restitution d'efforts comporte également un dispositif de butée 50 monté à l'extrémité de l'arbre auxiliaire 15. Le dispositif de butée comporte un premier disque 51, monté solidaire de l'arbre auxiliaire 15. Le premier disque comporte sur une face 513 un secteur saillant 511 d'entraînement, montré sur la figure 5. Un deuxième disque 52 est monte tournant librement sur l'arbre auxiliaire 15. Il comporte, sur une face 524, un secteur saillant entraîné 522. La face 522c du secteur saillant entraîné du deuxième disque 52 est adjacente à la face 513 du premier disque 51, tandis que la face 511c du secteur saillant d'entraînement 511 du premier disque 51 est adjacente à la face 524 du deuxième disque 52. Le deuxième disque comporte en outre, sur une face 523, un secteur saillant d'entraînement 521. L'angle a des secteurs saillants 511, 522, 521 est par exemple de 45 . Le dispositif de butée comporte deux autres disques identiques au deuxième disque 52, et placés sur l'arbre auxiliaire 15 en juxtaposition avec le deuxième disque. Eventuellement, des bagues collerette 55 améliorent le guidage en rotation des disques et entraînent les disques en rotation avec l'arbre auxiliaire 15 par un frottement contrôlé. Un butoir 57, articulé sur un pivot 58, comporte une extrémité entraînée 57a dans 1a trajectoire du secteur saillant d'entraînement du dernier disque 54. Le pivot 58 est solidaire du flasque de frein. Deux taquets 62 supportés par des vis de réglages 63 portées par des supports de taquets 46 sont placés de par et d'autre du butoir 57 pour limiter sa course. Les supports de taquets 46 sont fixés sur un support de butoir 45 qui est lui même fixé sur le support de bobine 44. Deux ressorts 60 hélicoïdaux sont accrochés d'une part sur des piges solidaires du butoir 57, et d'autre part sur des piges solidaires respectivement de chacun des deux supports de taquets 46, pour maintenir le butoir 57 dans une position d'équilibre. A proximité de la deuxième extrémité 57b du butoir 57, deux contacteurs 61 sont solidaires le support de butoir sont destinés être actionnés par la deuxième extrémité 57b lorsque le butoir oscille autour de sa position d'équilibre. Nous allons décrire maintenant le fonctionnement du simulateur de conduite. L'utilisateur 4 installé sur le siège 3 manipule le volant 5 en le faisant tourner comme s'il conduisait un véhicule. En fonction de la situation simulée du véhicule, le calculateur fait fonctionner le moteur électrique 10 dans un sens ou l'autre, pour contrer ou accompagner le mouvement initié par l'utilisateur. Le rotor du moteur électrique entraîne la rotation du volant 5, en passant par le limiteur de couple 20. Si, pour une raison quelconque, l'utilisateur 4 s'oppose à la rotation imposée par le moteur 10, il crée ainsi un couple sur l'arbre de volant 30 et sur le limiteur de couple 20. Au niveau du limiteur de couple 20, le couple est transmis entre le plateau d'accostage 24 et le flasque d'entrée 21 par l'intermédiaire des billes 25c logées dans les empreintes 23. effet, le couple se traduit par des efforts tangentiels au diamètre d'entraînement exercés par les billes 25c sur les empreintes 23. Cependant, l'effort de réaction des empreintes 23 tend à repousser les billes 25c dans leurs logements 25d. Cette réaction est contrée par les ressorts 25b jusqu'à ce que la force d'appui des ressorts soit atteinte. Les ressorts 25b se compriment alors les billes 25c entrent dans leurs logements 25d et sortent simultanément des empreintes 23, autorisant ainsi la rotation relative du plateau d'accostage 24 et du flasque d'entrée 21. Les billes glissent alors sur la face 21b, jusqu'à ce qu'elles se trouvent à nouveau en face des empreintes 23 où elles reprennent position. Le plateau d'accostage 24 entraîne également le boîtier 27 dont le talon 27a glisse sur la face 21a du flasque d'entrée 21. Eventuellement, lubrifiant améliore le glissement relatif des pièces. La force d'appui des ressorts et la géométrie des empreintes 23 déterminent un couple limite au delà duquel le glissement relatif des pièces se produit. Pour modifier le couple limite, il suffit de changer la force au moins un poussoir 25 avec un poussoir dont le ressort 25b a une force d'appui différente. Le frein électromagnétique 40 permet de bloquer le rotor du moteur électrique 10 à la demande. Lorsque la bobine 48 n'est pas alimentée, les ressorts 47 tendent à rapprocher les flasques de frein 41 et d'appui 43, appliquant ainsi un effort de serrage sur le disque 42. Ceci a pour effet d'immobiliser le disque 42, et donc l'arbre auxiliaire 15. Lorsque la bobine 48 est alimentee, elle crée un champ magnétique qui attire le flasque d'appui 43 contre la bobine. Les ressorts 47 sont comprimés et le flasque 43 coulisse sur une faible course sur les entretoises 46. Le disque 42 n' alors plus serré ni contre le flasque d'appui 43, ni contre le flasque de frein 41. Il peut donc être entraîné librement par l'arbre auxiliaire 15. Pour améliorer encore la sécurité du simulateur de conduite et limiter l'emballement du moteur 10, le dispositif de butée 50 n'autorise la rotation de l'ensemble rotatif que sur un nombre limité de tours. Pour cela, l'arbre auxiliaire 15 entraîne en rotation le premier disque 51. Le secteur saillant d'entraînement 511 vient dans une position en prise avec le secteur saillant entraîné 522 du deuxième disque, soit par le contact des flancs 521a et 522a des secteurs saillants respectivement d'entraînement 511 et entraîné 522, soit des flancs 511b et 522b dans l'autre sens de rotation. Ainsi, la rotation relative du premier et du deuxième disque entre ces deux positions est d'un tour diminué de deux fois l'angle des secteurs saillants, soit trois-quarts de tour si c=45 . De même, les secteurs saillants d'entraînement 521, 531 du deuxième 52 et du troisième disque 53 viennent en prise avec les secteurs saillants entrainé 532, 542 du troisième 53 et du quatrième disque 54. Des rotations relatives de trois-quarts de tour sont autorisées entre chaque paire de disques successifs. Ainsi, une rotation relative de deux tours et un quart est autorisée entre le premier 51 et le quatrième et dernier disque 54. De plus, la rotation du dernier disque 54 par rapport au support de butoir 45 est limitée par le secteur saillant d'entraînement 541 qui vient en contact avec l'extrémité 57a du butoir. Cette rotation est donc possible sur moins d'un tour. Lorsque tous les secteurs saillants d'entraînement sont prise avec les secteurs saillants entraînés ou avec le butoir 57, dans un sens de rotation ou dans l'autre, le couple transmis par l'arbre auxiliaire fait que le secteur saillant d'entraînement 541 du dernier disque appuie sur le butoir 57 et le fait basculer autour du pivot 58 depuis la position d'équilibre jusqu' ce que le butoir 57 soit en butée contre l'un des taquets 46, arrêtant ainsi la rotation de l'arbre auxiliaire et de l'ensemble rotatif. Au passage de la position d'équilibre à la position en butée, la deuxième extrémité 57b du butoir actionne l'un des contacteurs 61 pour donner une information de la position du butoir 57 au calculateur qui commande moteur électrique et le frein électromagnétique. Ainsi, la rotation de l'ensemble rotatif est limitée à environ trois tours. REVENDICATIONS 1. Simulateur de conduite comportant un bâti (2), un volant (5) et un dispositif de restitution d'efforts sur le volant, le dispositif de restitution d'efforts comportant un moteur électrique (10) dont le stator est fixé sur 1e bâti (2) et qui entraîne un ensemble rotatif, l'ensemble rotatif comportant - un arbre de volant qui supporte le volant - le rotor du moteur, caractérisé en ce que l'ensemble rotatif comporte en outre un limiteur de couple (20) entre le rotor du moteur et l'arbre de volant pour limiter couple transmis par le moteur (10) au volant (5). 2. Simulateur selon la revendication 1, caracterisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de butée (50) pour limiter la course en rotation de l'ensemble rotatif. Simulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de butée (50) comporte au moins deux disques successifs (51, 52, 53, 54), un premier disque (51) étant solidaire de l'ensemble rotatif et comportant un secteur saillant d'entraînement (511), le dispositif de butée (50) comportant au moins un deuxième disque (52, 53, 54) qui comporte un secteur saillant entraîné (522, 532, 542) et un secteur saillant d'entraînement (521, 531, 541), chaque secteur saillant d'entraînement coopérant avec le secteur saillant entraîné du disque suivant pour entraîner en rotation le disque suivant lorsque les secteurs saillants d'entraînement et entraîné sont en contact l'un avec l'autre, le secteur saillant d'entrainement (541) d'un dernier disque (54) venant en butée dans un sens et dans l'autre contre un butoir (57) solidaire du bâti (2). 4. Simulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le butoir (57) actionne en outre deux contacteurs (61) de fin de course avant que le dispositif de butée (50) ne vienne en butée contre le butoir (57). 5. Simulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier disque (51) du dispositif de butée (50) est solidaire du rotor du moteur. 6. Simulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un frein électromagnétique (40) pour bloquer l'ensemble rotatif. 7. Simulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le frein électromagnétique (40) est libéré quand il est traversé par un courant électrique. 8. Simulateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le frein électromagnétique (40) agit directement sur le rotor du moteur.