Brevet FR2828160A1 — publié le 20030207

DISPOSITIF DE RAPPEL EN POSITION D'UN VOLANT La présente invention concerne un dispositif de rappel en position d'un volant de direction, par exemple pour un véhicule tel qu'un véhicule automobile, un simulateur de conduite, ou autre. La direction d'un véhicule automobile regroupe l'ensemble des organes qui, commandés par le volant du véhicule, permettent d'orienter les roues directrices. Plus précisément, une direction comprend généralement un volant qui, par l'intermédiaire d'un arbre ou d'une colonne de direction, commande un engrenage dont le rôle est d'assurer la démultiplication du mouvement imprimé par le conducteur. Ce mouvement est ensuite transmis au pivot des roues par des leviers et des barres de timonerie. L'ensemble peut éventuellement être complété par un dispositif de direction assistée qui comporte un appareil auxiliaire capable de réduire l'effort exercé par le conducteur sur le volant de direction pour orienter les roues directrices de son véhicule. L'action de la chaussée sur les roues du véhicule tend à s'opposer au pivotement des roues par rapport à une position d'équilibre correspondant de façon générale à une conduite en ligne droite, et à ramener de façon automatique les roues vers cette position d'équilibre. Du fait de la liaison mécanique entre les roues et le volant, cela se traduit par un couple de rappel exercé sur le volant qui tend à le ramener dans une position de référence associée à la position d'équilibre des roues. Le couple de rappel dépend de nombreux paramètres tels que la vitesse du véhicule, l'état de la chaussée, la présence d'une direction assistée, etc.. Actuellement, les constructeurs automobiles cherchent à supprimer la majorité des pièces mécaniques intermédiaires entre le volant et les roues directrices du véhicule afin, entre autres, de libérer de l'espace au niveau du poste de conduite et du compartiment moteur. En particulier, les constructeurs automobiles cherchent à supprimer la colonne de direction, et à la remplacer par des liaisons électriques. Une telle direction est communément appelée direction électrique, ou direction par fils. Dans une direction électrique, le volant est équipé d'un capteur angulaire qui détermine l'angle de rotation du volant imposé par le conducteur et transmet à un calculateur de commande un signal représentatif de cet angle. A partir de ce signal, le calculateur pilote un ou plusieurs moteurs électriques venant orienter les roues directrices du véhicule. Il est alors nécessaire d'équiper le volant d'un dispositif produisant un couple de rappel artificiel du volant vers une position de référence pour que le conducteur ait une impression de conduite semblable à celle d'un véhicule équipé d'une direction mécanique. Le couple de rappel artificiel peut être obtenu par un moteur électrique qui engrène avec l'axe du volant et qui reçoit une commande de couple de rappel émise par le calculateur de commande. La commande de couple de rappel peut être fonction de l'angle de rotation du volant par rapport à la position de référence, de la vitesse du véhicule, etc.. Un tel dispositif de rappel représente un coût élevé et est relativement complexe à mettre en oeuvre. La présente invention vise à obtenir un dispositif de rappel du volant en position de référence qui soit particulièrement simple à mettre en oeuvre, et donne au conducteur une impression de conduite proche de celle d'un véhicule équipé d'une direction traditionnelle. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un dispositif de rappel vers une position de référence d'un volant susceptible de présenter une déviation par rapport à une position de référence, comprenant un premier système de rappel élastique exerçant sur le volant un premier couple de rappel croissant au moins sur une plage initiale de ladite déviation, et un deuxième système de rappel élastique exerçant sur le volant un second couple de rappel présentant au moins un maximum pour une déviation donnée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le premier système de rappel élastique comprend au moins un ressort dont une extrémité est solidaire du véhicule, et dont l'extrémité opposée est solidaire du volant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le ressort est un ressort spiral. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le deuxième système de rappel élastique comprend une came solidaire du volant coopérant avec un élément d'appui relié à un ressort fixé sur le véhicule. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'élément d'appui est guidé en translation par rapport au véhicule. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'élément d'appui comprend un roulement supporté par un axe monté sur une chape fixée sur le ressort, l'axe coulissant dans au moins une ouverture d'un moyeu fixe par rapport au véhicule. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le ressort comprend une lame refermée sur elle-même, au moins en partie ovale. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la came comporte une partie ovale, et une partie cylindrique centrée sur l'axe de rotation du volant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le second couple de rappel est sensiblement nul lorsque l'élément d'appui est en contact avec la partie cylindrique de la came. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la partie ovale de la came comporte une zone centrale angulaire, le second couple de rappel étant nul lorsque l'élément d'appui est en contact avec la came au niveau de la zone centrale. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente une coupe schématique d'un dispositif de rappel selon la présente invention équipant un volant de véhicule automobile ; la figure 2 représente une vue en perspective des éléments du dispositif de rappel fournissant un premier couple de rappel ; la figure 3 représente une vue en perspective des éléments du dispositif de rappel fournissant un second couple de rappel ; la figure 4 représente un détail de la figure 1 ; la figure 5 représente une vue de face des éléments du dispositif de rappel fournissant le second couple de rappel lorsque le volant est en position de référence ; la figure 6 représente une vue similaire à la figure 5 lorsque le volant est tourné d'un angle de 1200 par rapport à la position de référence ; et la figure 7 représente l'évolution du couple de rappel total exercé par le dispositif selon l'invention sur le volant en fonction de l'angle de rotation du volant. La figure 1 représente une coupe d'un volant 10 de véhicule automobile solidaire d'un fourreau 11 monté libre en rotation autour d'un axe 12 fixé à l'une de ses extrémités à des éléments de structure 13 du poste de conduite du véhicule. Selon le principe de fonctionnement général d'une direction électrique, le fourreau 11 supporte un système de codage, non représenté, qui transmet à un calculateur un signal représentatif de la position angulaire du volant 10 par rapport à une position de référence. Le calculateur, à partir du signal de position angulaire et éventuellement d'autres paramètres, produit une commande d'orientation des roues qu'il transmet à des actionneurs électriques orientant les roues directrices du véhicule. La position de référence du volant 10 correspond généralement à la position des roues directrices pour laquelle le véhicule suit une trajectoire rectiligne. Par souci de clarté, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de la présente invention ont été représentés sur les figures. Ainsi, n'apparaissent pas, par exemple, le carter supportant le système de décodage, et protégeant l'axe fixe 12 et le fourreau 11, ainsi que l'habillage disposé au centre du volant 10. Le dispositif selon l'invention 15 est disposé à l'extrémité libre de l'axe fixe 12, entre le fourreau 11 et un couvercle 17 fixé sur l'extrémité de l'axe fixe 12. La figure 2 représente plus précisément les éléments du dispositif 15 exerçant un premier couple de rappel sur le volant 10. Un moyeu 18 est monté de façon solidaire sur l'axe fixe 12, par exemple par vissage. Le moyeu 18 est lié à un entraîneur 20 par l'intermédiaire d'un ressort spiral 21. L'entraîneur 20 se compose d'une couronne fixée sur le fourreau 11, par exemple par six vis (dont seuls les emplacements 22 sont représentés sur la figure 2). Une extrémité du ressort spiral 21 est pliée à angle droit et bloquée dans une fente 23 réalisée sur l'entraîneur 20 tandis que l'extrémité opposée est fixée de façon similaire dans une fente 24 réalisée sur le moyeu 18. L'entraîneur 20 comporte sur le bord extérieur de la couronne des créneaux 25 qui se projettent en saillie de la couronne selon la direction de l'axe fixe 12. Une plaque 26 en forme de disque et comportant le long de sa périphérie des créneaux 27 s'étendant radialement est mise en appui contre l'entraîneur 20 par un jonc 28 qui s'appuie sur le boîtier 17, de sorte que les créneaux 25 de l'entraîneur 20 coopèrent avec les créneaux 27 de la plaque 26. Lorsque le conducteur du véhicule tourne le volant 10 d'un angle de rotation déterminé par rapport à la position de référence, l'entraîneur 20 pivote du même angle et exerce, selon le sens de rotation, une compression ou une traction sur le ressort spiral 21 retenu par le moyeu 18. Le ressort spiral 21 en réaction exerce un couple de rappel proportionnel à l'angle de rotation du volant 10. Lors de la mise en place du dispositif 15, le ressort spiral 21 est agencé pour que la position d'équilibre du ressort spiral 21, c'est-à-dire la position où le ressort spiral 21 n'exerce aucun couple de rappel, corresponde à la position de référence du volant 10. Comme cela est représenté sur la figure 2, lorsque l'entraîneur 20 pivote dans le sens trigonométrique, le ressort spiral 21 se replie sur lui-même, et inversement, lorsque l'entraîneur 20 pivote dans le sens trigonométrique inverse, les spires du ressort spiral 21 s'élargissent. A titre d'exemple, on peut utiliser un ressort spiral 21 taré pour exercer un couple de rappel d'environ 4 Nm pour un angle de rotation de volant 10 de 120 0 La figure 3 représente les éléments du dispositif 15 exerçant un second couple de rappel sur le volant 10. Un ressort à flexion dit ovoïde 30 est fixé sur le moyeu 18, par exemple par deux vis 31, par l'intermédiaire d'une plaque de renfort 32, et sur une chape mobile 33 par deux autres vis 34. Le ressort ovoïde 30 se compose d'une lame métallique formant une boucle refermée sur elle-même comportant deux régions épousant chacune la forme d'un demi-ovale 35 et reliées à leurs extrémités par deux régions planes 36 où sont réalisées les fixations, respectivement au moyeu 18 et à la chape 33. Chaque région ovale 35 se sépare en deux demilames ovales adjacentes 37 enserrant la plaque 26. Le moyeu 18 comprend deux bras en saillie 38 s'étendant de part et d'autre de la plaque 26 et comportant chacun une ouverture 39. La plaque 26 est percée d'un trou formant une came 45 qui comprend une première partie sensiblement ovale 46, incluant une zone centrale angulaire 47 à angle obtus, qui se prolonge par une seconde partie sensiblement cylindrique 48 de même axe que le volant 10. La figure 4 représente plus en détail la chape 33 qui supporte un axe 40 venant coulisser, par l'intermédiaire de roulements d'extrémités 41, dans les ouvertures 39 des bras 38 du moyeu 18. L'axe 40 supporte un roulement central 42 susceptible de venir en appui contre la came 45. La figure 5 représente les éléments du dispositif 15 exerçant le deuxième couple de rappel, le volant 10 étant à la position de référence. Le roulement central 42 de l'axe 40 est alors en contact avec la came 45, sous l'action de la force de poussée du ressort ovoïde 30, au niveau de la zone centrale angulaire 47 de la came 45. Dans cette position, la force résultante exercée sur la plaque 26 a une direction coupant l'axe de rotation du volant 10 et ne fournit donc pas de couple de rappel du volant 10. La figure 6 représente les éléments de la figure 5, lorsque le conducteur tourne le volant 10 d'un angle a d'environ 1200. Lors de la rotation du volant 10, la plaque 26 suit le mouvement de l'entraîneur 20, solidaire du volant 10, du fait de la coopération de leurs créneaux respectifs 25,27. Sous l'action de la came 45, l'axe 40 coulisse à l'intérieur des ouvertures 39 du moyeu 18, déplaçant ainsi la chape 33 qui fait fléchir le ressort ovoïde 30. Celui-ci, en retour, exerce une force de poussée sur la chape 33, qui est transmise à la plaque 26. La force résultante appliquée sur la plaque 26 est sensiblement perpendiculaire à la paroi de la came 45 au contact du roulement central 42 et de la came 45. Selon l'inclinaison de cette paroi, un second couple de rappel du volant 10 vers la position de référence est produit ou non, selon que la direction de la force résultante coupe ou non l'axe de rotation du volant 10. Ainsi, lorsque le roulement central 42 de l'axe 40 est en appui sur la came 45 dans sa partie ovale 46, à l'exception de la zone centrale angulaire 47, la direction de la force résultante ne coupe pas l'axe de rotation du volant 10, et on obtient un couple de rappel. Au contraire, dans la partie cylindrique 48 de la came 45, la direction de la force résultante coupe l'axe de rotation du volant 10, et le couple produit est sensiblement nul. Le second couple de rappel est maximum pour un angle de rotation du volant 10 qui dépend à la fois de la forme de la came 45 et de la force de poussée exercée par le ressort ovoïde 30. A titre d'exemple, avec la forme de came 45 représentée sur les différentes figures, un second couple de rappel maximum d'environ 3 Nm est obtenu pour un angle de rotation du volant 10 d'environ 500. Le dispositif 15 peut comporter une plaque 49 (représentée uniquement sur la figure 1) disposée entre le ressort spiral 21 et le ressort ovoïde 30, et, éventuellement, intégrée au moyeu 18. La plaque 48 prévient toutes interactions accidentelles entre les deux ressorts 21,30 lors de leurs mouvements respectifs. La figure 7 représente le couple de rappel C exercé sur le volant 10 d'un véhicule équipé du dispositif 15 selon l'invention en fonction de l'angle de rotation a du volant 10. L'origine des abscisses correspond à la position de référence du volant 10. La courbe 71 représente le couple de rappel total exercé sur le volant 10, correspondant à la somme du premier couple de rappel issu du ressort spiral 21 et du second couple de rappel issu du ressort ovoïde 30. A titre de comparaison, la courbe 72 représente le couple de rappel du ressort spiral 21 seul et la courbe 73 représente le couple de rappel du ressort ovoïde 30 seul. De 00 à 100, on remarque une forte augmentation du couple de rappel total jusqu'à une valeur environ de 2 Nm. Au delà de 100, le couple de rappel total augmente doucement pour atteindre un maximum à 6 Nm environ pour un angle de rotation d'environ 750, puis diminue pour atteindre la valeur de 4 Nm pour un angle de 1200. Dans l'exemple décrit ici, l'angle de 1200 est l'angle maximum de rotation du volant 10, un système de butée non représenté empêchant une rotation plus importante. Un premier avantage de la présente invention est de simuler de façon simple le couple de rappel habituellement ressenti par le conducteur d'un véhicule équipé d'une direction mécanique. En effet, avec le présent dispositif, le couple de rappel ressenti par le conducteur augmente continûment avec l'angle de rotation du volant, jusqu'à des valeurs d'angles relativement importantes. Un autre avantage est d'obtenir un taux d'augmentation du couple de rappel élevé aux faibles angles de rotation de volant, et qui diminue pour des angles de rotation supérieurs à 100 environ. Le mouvement de rotation du volant est ainsi fortement amorti au voisinage de la position de référence, limitant les oscillations du volant 10 autour de la position de référence, dans le cas où, par exemple, il serait lâché par le conducteur, et qui pourraient présenter un danger lors de la conduite du véhicule. En outre, la présence d'un fort couple de rappel aux angles de rotation faibles prévient les manoeuvres involontaires de faibles amplitudes du conducteur sur le volant. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, il est possible d'utiliser des ressorts de type différent de ceux utilisés. Ainsi, le ressort ovoïde peut être remplacé par un ou deux ressorts hélicoïdaux placés entre le moyeu et la chape. Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'une direction de véhicule automobile, elle peut s'appliquer à tous types de volants pour lesquels on souhaite obtenir un couple de rappel du volant dans une position de référence. Il peut s'agir par exemple de volants de simulateurs, ou de tous types de véhicules équipés d'une direction électrique, etc.. Les valeurs citées dans la description ne l'ont été qu'à titre d'exemple et pourront être facilement adaptées par l'homme du métier selon les besoins en modifiant par exemple les caractéristiques des ressorts ou la forme de la came. Le premier couple de rappel est, dans le mode de réalisation de l'invention, uniformément croissant. Il est bien-sûr possible de modifier le type de ressorts pour obtenir un premier couple de rappel qui, par exemple, demeurerait constant sur une plage d'angles, tout en étant croissant par ailleurs, ou présenterait une croissance non uniforme. De même, le deuxième couple de rappel présente, dans le mode de réalisation décrit, un maximum unique. Il est possible de modifier la forme de la came pour obtenir un second couple de rappel présentant, par exemple, un ou plusieurs autres maxima. REVENDICATIONS 1. Dispositif de rappel (15) vers une position de référence d'un volant (10) susceptible de présenter une déviation par rapport à une position de référence, caractérisé en ce qu'il comprend un premier système de rappel élastique (21) exerçant sur le volant (10) un premier couple de rappel croissant au moins sur une plage initiale de ladite déviation, et un deuxième système de rappel élastique (30) exerçant sur le volant (10) un second couple de rappel présentant au moins un maximum pour une déviation donnée. 2. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier système de rappel élastique comprend au moins un ressort (21) dont une extrémité est solidaire du véhicule, et dont l'extrémité opposée est solidaire du volant (10). 3. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le ressort (21) est un ressort spiral. 4. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le deuxième système de rappel élastique (30) comprend une came (45) solidaire du volant (10) coopérant avec un élément d'appui (42) relié à un ressort (30) fixé sur le véhicule. 5. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément d'appui (42) est guidé en translation par rapport au véhicule. 6. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément d'appui (42) comprend un roulement (42) supporté par un axe (40) monté sur une chape (33) fixée sur le ressort (30), l'axe (40) coulissant dans au moins une ouverture (39) d'un moyeu (18) fixe par rapport au véhicule. 7. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le ressort (30) comprend une lame refermée sur elle-même, au moins en partie ovale. 8. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la came (45) comporte une partie ovale (46), et une partie cylindrique (48) centrée sur l'axe de rotation du volant (10). 9. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le second couple de rappel est sensiblement nul lorsque l'élément d'appui (42) est en contact avec la partie cylindrique (48) de la came (45). 10. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 7, caractérisé en ce que la partie ovale (46) de la came (45) comporte une zone centrale angulaire (47), et en ce que le second couple de rappel est nul lorsque l'élément d'appui (42) est en contact avec la came (45) au niveau de la zone centrale (47).