Brevet FR2828161A1 — 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 cet objet, la présente invention prévoit un dispositif de rappel vers une position de référence d'un volant tournant par rapport à un arbre fixe et susceptible de présenter une déviation par rapport à la position de référence, caractérisé en ce qu'il comprend une came solidaire du volant coopérant avec un élément d'appui, ledit élément d'appui étant soumis à l'action d'un moyen élastique lié à l'arbre fixe pour exercer sur le volant un couple de rappel croissant au moins sur une plage initiale de la déviation, et à l'action d'un moyen d'amortissement lié à l'arbre fixe pour exercer sur le volant un couple s'opposant à une variation de la déviation. Selon un autre objet de l'invention, l'élément d'appui est guidé en translation par rapport à l'arbre fixe. Selon un autre objet de l'invention, le moyen de rappel élastique comprend au moins un ressort de compression ayant une première extrémité solidaire de l'arbre fixe, et une seconde extrémité reliée à l'élément d'appui. Selon un autre objet de l'invention, l'élément d'appui est constitué d'un galet monté libre en rotation sur un arbre de support monté sur une chape sur laquelle est fixée la seconde extrémité du ressort, les extrémités de l'arbre de support pouvant coulisser dans des guides d'un moyeu solidaire de l'arbre fixe et supportant la première extrémité du ressort. Selon un autre objet de l'invention, la chape comprend une tige, montée coaxialement avec le ressort, et pouvant coulisser dans une ouverture du moyeu. Selon un autre objet de l'invention, la came comporte une partie ovale et une partie cylindrique centrée sur l'axe de rotation du volant, les couples exercés par le moyen élastique et le moyen d'amortissement étant sensiblement nuls lorsque l'élément d'appui est en contact avec la partie cylindrique de la came. Selon un autre objet de l'invention, la partie ovale de la came comporte une zone centrale cylindrique à rayon plus faible que le rayon de la partie cylindrique, les couples exercés par le moyen élastique et le moyen d'amortissement étant sensiblement nuls lorsque l'élément d'appui est en contact avec la zone centrale cylindrique de la came. Selon un autre objet de l'invention, le moyen d'amortissement comprend au moins un vérin ayant un corps fixé sur le moyeu et une tige mobile par rapport au corps et reliée à la chape. Selon un autre objet de l'invention, les axes du ressort et de la tige mobile du vérin sont parallèles. Cet objet, ces 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 couple de rappel ; la figure 3 représente une vue en perspective des éléments d'amortissement du dispositif de rappel ; la figure 4 représente un détail de la figure 1 ; la figure 5 représente une vue de face des éléments du dispositif selon l'invention lorsque le volant est dans une 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 un exemple de courbe d'évolution du couple de rappel exercé par le dispositif selon l'inven- tion 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 16 fixé sur l'extrémité de l'axe fixe 12. Les figures 2 et 3 représentent plus précisément les éléments du dispositif 15 exerçant un couple de rappel sur le volant 10. Le dispositif 15 comprend un entraîneur 17 qui se compose d'une couronne fixée sur le fourreau 11, par exemple par six vis (dont seuls trois emplacements 18 sont représentés sur la figure 2) par l'intermédiaire d'un anneau intermédiaire 19. L'entraîneur 17 comporte sur le bord extérieur de la couronne des créneaux 20 qui se projettent en saillie de la couronne selon la direction de l'axe fixe 12. Une plaque 21 en forme de disque et comportant le long de sa périphérie des créneaux 22 s'étendant radialement est mise en appui contre l'entraîneur 17 par un jonc (non représenté) qui s'appuie sur le boîtier 16, de sorte que les créneaux 20 de l'entraîneur 17 coopèrent avec les créneaux 22 de la plaque 21. La plaque 21 comporte une ouverture 25 dont la paroi intérieure forme une came 26 qui comprend une première partie sensiblement ovale 27 qui se prolonge par une seconde partie sensiblement cylindrique 28 de même axe que le volant 10. La partie ovale 27 comprend une zone centrale 29 étroite cylindrique à faible rayon. Le dispositif 15 comprend également un moyeu 30 monté de façon solidaire sur l'axe fixe 12, par exemple par vissage, ou au moyen de cannelures, au niveau de l'ouverture 25 de la plaque 21. Le moyeu 30 comprend quatre bras en saillie 31,32, 33,34 qui s'étendent dans une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe du volant 10. Deux bras 31,32 sont disposés d'un côté de la plaque 21 et définissent un premier guide 36. Les deux autres bras 33,34 sont disposés du côté opposé de la plaque 21 et définissent un second guide 37. Un axe 40 peut coulisser par l'intermédiaire de roulements d'extrémités 41, dans les premier et second guides 36,37. L'axe 40 est supporté par une chape 45 qui est reliée au moyeu par deux ressorts hélicoïdaux 46,47. Le moyeu 30 comporte deux trous 48,49 dans chacun desquels coulisse une tige 50,51 fixée à une extrémité au moyeu 30, par exemple par vissage. Chaque tige 50,51 est disposée coaxialement à un ressort hélicoïdal 46,47 de façon à en guider les mouvements. L'axe 40 supporte un galet 53 qui est en appui contre la came 26. La figure 3 représente plus précisément les éléments du dispositif 15 exerçant un amortissement. Le dispositif 15 comprend deux vérins hydrauliques 55,56 comportant chacun un corps cylindrique 57,58 dans lequel vient coulisser une tige 59,60. Le corps cylindrique 57,58 est monté sur un support 61, 62 fixé sur le moyeu 30 au moyen d'une vis 63,64. L'extrémité libre de la tige 59,60 du vérin 55,56 est fixée sur la chape 45, par exemple par vissage. La figure 4 représente plus en détail la forme de l'axe 40. Il comporte un premier épaulement 65 en appui contre la chape 45 et un second épaulement 66 qui bloque le galet 53 contre la chape 45. La figure 5 représente le dispositif de rappel 15 selon l'invention lorsque le volant 10 est dans la position de référence. Les ressorts hélicoïdaux 46,47 exercent une poussée sur la chape 45 forçant ainsi la mise en appui du galet 53 contre la came 26. Dans la position de référence, le galet 53 est en contact avec la came 26 au niveau de la zone centrale 29 de la came 26. Dans cette position, la force résultante exercée sur la plaque 21 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 21 suit le mouvement de l'entraîneur 17, solidaire du volant 10, du fait de la coopération de leurs créneaux respectifs 20,22. Sous l'action de la came 26, l'axe 40 coulisse à l'intérieur des ouvertures 36,37 du moyeu 30, déplaçant ainsi la chape 45 qui comprime les ressorts hélicoïdaux 46,47. Ceux-ci, en retour, exercent une force de poussée sur la chape 45, qui est transmise à la plaque 21. La force résultante appliquée sur la plaque 21 est sensiblement perpendiculaire à la paroi de la came 26 au contact du galet 53 et de la came 26. Selon l'inclinaison de cette paroi, un 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 galet 53 est en appui sur la came 26 dans sa partie ovale 27, à l'exception de la zone centrale 29, 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 28 de la came 26, la direction de la force résultante coupe 1'axe de rotation du volant 10 et le couple produit est sensiblement nul, un couple résiduel dû aux frottements pouvant néanmoins demeurer. Par le choix des caractéristiques des ressorts 46,47 et la définition de la partie ovale 27 de la came 26, on peut précisément contrôler le couple de rappel exercé par les ressorts 46,47 sur la plaque 21. 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. La courbe 70 représentée est obtenue pour des faibles vitesses de variation d'angle de rotation a. L'origine des abscisses correspond à la position de référence du volant 10. De 00 à 150, on remarque une forte augmentation du couple de rappel jusqu'à une valeur d'environ 1 Nm. Au delà de 150, le couple de rappel total augmente de plus en plus doucement pour tendre vers la valeur d'environ 4 Nm. Il y a un équilibre entre la force exercée par les ressorts 46,47 qui augmente avec l'angle de rotation a et l'inclinaison de la came 26, au contact du galet 53, qui tend à être perpendiculaire à la direction de la force des ressorts 46,47 avec l'angle de rotation a. Vers 120 , le couple de rappel total chute pour tendre sensiblement vers 0 Nm. 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. Les vérins 55,56 exercent sur le volant 10 un couple de même sens ou de sens opposé au couple de rappel fourni par les ressorts hélicoïdaux 46,47 et qui dépend de la vitesse de variation de l'angle de rotation a. Par exemple, lorsqu'on augmente l'inclinaison du volant par rapport à la position de référence, le couple de rappel fourni par les vérins 55,56 s'ajoute au couple de rappel fourni par les ressorts 46,47, et lorsqu'on diminue l'inclinaison du volant par rapport à la position de référence, le couple de rappel fourni par les vérins 55,56 s'oppose au couple de rappel fourni par les ressorts 46, 47. 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'angle 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. Ainsi, la présence d'un fort couple de rappel aux angles de rotation faibles prévient les manoeuvres involontaires de faible amplitude du conducteur sur le volant. Les vérins amortissent les mouvements du volant et limitent les oscillations du volant 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. 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 vérins autres que des vérins hydrauliques, par exemple des vérins pneumatiques, des amortisseurs à frottements mécaniques internes (par élastomères), etc. 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. REVENDICATIONS 1. Dispositif de rappel (15) vers une position de réfé- rence'd'un volant (10) tournant par rapport à un arbre fixe (12) et susceptible de présenter une déviation par rapport à la position de référence, caractérisé en ce qu'il comprend une came (26) solidaire du volant coopérant avec un élément d'appui (53), ledit élément d'appui étant soumis à l'action d'un moyen élastique (46,47) lié à l'arbre fixe pour exercer sur le volant un couple de rappel croissant au moins sur une plage initiale de la déviation et à l'action d'un moyen d'amortissement (55,56) lié à l'arbre fixe pour exercer sur le volant un couple s'opposant à une variation de la déviation. 2. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 1, dans lequel l'élément d'appui (53) est guidé en translation par rapport à l'arbre fixe (12). 3. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 1, dans lequel le moyen de rappel élastique comprend au moins un ressort de compression (46,47) ayant une première extrémité solidaire de l'arbre fixe (12) et une seconde extrémité reliée à l'élément d'appui (53). 4. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 3, dans lequel l'élément d'appui (53) est constitué d'un galet monté libre en rotation sur un arbre de support (40) monté sur une chape (45) sur laquelle est fixée la seconde extrémité du ressort (46,47), les extrémités de l'arbre de support pouvant coulisser dans des guides (36,37) d'un moyeu (30) solidaire de l'arbre fixe (12) et supportant la première extrémité du ressort. 5. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 4, dans lequel la chape (45) comprend une tige (50,51) montée coaxialement avec le ressort (46,47), et pouvant coulisser dans une ouverture (48,49) du moyeu (30). 6. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 1, dans lequel la came (26) comporte une partie ovale (27) et une partie cylindrique (28) centrée sur l'axe de rotation du volant (10), les couples exercés par le moyen élastique (46,47) et le moyen d'amortissement (55,56) étant sensiblement nuls lorsque l'élément d'appui (53) est en contact avec la partie cylindrique de la came. 7. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 6, dans lequel la partie ovale (27) de la came (26) comporte une zone centrale cylindrique (29) à rayon plus faible que le rayon de la partie cylindrique (28), les couples exercés par le moyen élastique (46,47) et le moyen d'amortissement (55,56) étant sensiblement nuls lorsque l'élément d'appui (53) est en contact avec la zone centrale cylindrique (29) de la came (26). 8. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 4, dans lequel le moyen d'amortissement (55,56) comprend au moins un vérin ayant un corps (57,58) fixé sur le moyeu (30) et une tige (59,60) mobile par rapport au corps et reliée à la chape (45). 9. Dispositif de rappel (15) selon la revendication 8, dans lequel les axes du ressort (46,47) et de la tige mobile (59,60) du vérin (55,56) sont parallèles. 10. Utilisation du dispositif de rappel (15) selon les revendications précédentes sur un véhicule automobile.