Brevet FR2838864A1 — publié le 20031024

en contact avec une bague (6) en materiau magnetique. t "Actionneur lineaire electromagnetique de soupape comportant un dispositif de rappel a raideur variable" La presente invention concerne un actionneur lineaire electromagnetique. La presente invention concerne plus particulierement un actionneur lineaire electromagnetique, notamment pour l'actionne ment d'une soupape de moteur a combustion interne, comportant au moins un circuit magnetique formant un entrefer inferieur et un entrefer superieur, du type comportant un organe mobile qui est o equipe d'une piece de commutation et qui est susceptible de se deplacer, sous l'effet de la force d'attraction magnetique exercee sur la piece de commutation par le flux magnetique regnant dans l'un des entrefers, suivant un axe, entre une position extreme haute et une position extreme basse, et du type dans lequel I'organe mobile est rappele elastiquement vers une position intermediaire, ou position de repos, situee entre la position haute et la position basse, par une lame deformable elastiquement comportant une premiere portion qui est encastree dans un element de fixation porte par l'organe mobile et une deuxieme o portion qui est encastree dans un support fixe. Pour satisfaire les normes de depollution et pour reduire la consommation des moteurs a combustion interne, les constructeurs automobiles ont developpe des moteurs dans lesquels les soupapes vent commandees individuellement par des s actionneurs linenires electromagnetiques, par exemple du type decrit dans le document WO-A-96/19643. Le corps de l'actionneur renferme deux electro-aimants superieur et inferieur qui vent susceptibles d'agir sur une piece de commutation mobile telle qu'une palette de commande qui est o montee sur l'extremite superieure de la tige d'actionnement de la soupape. La piece de commutation vient se coller alternativement sur les electro-aimants superieur ou inferieur lorsque l'on commande respectivement la fermeture ou l'ouverture de la soupape. Generalement, I'actionneur electromagnetique de soupape comporte deux ressorts helicoTdaux de rappel: un ressort de soupape et un ressort d'actionneur. Du fait de la presence de ces ressorts helicoTdaux de s rappel, I'encombrement de l'actionneur en hauteur est important, ce qui complique ['integration de ce type d'actionneur dans un moteur d'architecture moderne. Pour resoudre ce probleme, il a deja ete propose, notamment dans le document FR-A-2.812.121, de remplacer les o ressorts helicoTdaux par au moins un ressort a lame transversale qui est fixe a la piece de commutation et qui est monte dans un support fixe de l'actionneur. L'actionneur propose dans ce document n'est pas completement satisfaisant. s En effet, on constate que la raideur du ressort a lame, lorsque la piece de commutation occupe sa position axiale intermediaire, est importante, de sorte qu'il est necessaire de fournir une energie electromagnetique importante dans les entrefers pour initier la mise en mouvement de la piece de commutation. Du fait de l'energie electromagnetique necessaire, la consommation electrique de l'actionneur est importante. L'invention vise a remedier a cet inconvenient. L' invention vise aussi a proposer un actionneur qui presente un faible coOt et qui possede un temps de reponse plus court que celui des actionneurs connus. Dans ce but, I' invention propose u n action neu r lineaire electromagnetique, notamment pour l'actionnement d'une soupape de moteur a combustion interne, comportant au moins un so circuit magnetique formant un entrefer inferieur et un entrefer superieur, du type comportant un organe mobile qui est equipe d'une piece de commutation et qui est susceptible de se deplacer, sous l'effet de la force d'attraction magnetique exercee sur la piece de commutation par le flux magnetique regnant dans l'un des entrefers, suivant un axe, entre une position extreme haute et une position extreme basso, et du type dans lequel l'organe mobile est rappele elastiquement vers une position intermediaire, ou position de repos, situee entre la position haute et la position s basso, par une lame deformable elastiquement comportant une premiere portion qui est encastree dans un element de fixation porte par l'organe mobile et une deuxieme portion qui est encastree dans un support fixe, caracterise en ce que le support comporte des moyens pour provoquer une diminution de la o distance entre la premiere portion de lame et le point d'appui axial proximal de la lame sur le support, au cours du deplacement de l'organe mobile vers une position extreme, de maniere que la raideur elastique effective de la lame augmente en fonction du deplacement axial de l'organe mobile vers la position extreme. Selon d'autres caracteristiques de ['invention: - le support comporte au moins une surface de came qui est agencee en vis-a-vis d'une face de la lame et qui a un profil, en section axiale, de forme globalement parabolique, dirige vers l'organe mobile et vers la position extreme associee, de maniere o que le point d'appui axial proximal de la lame sur le support soit situe sur la surface de came et qu'il se deplace progressivement sur son profil, vers ltorgane mobile, lorsque l'organe mobile se deplace axialement vers la position extreme associe; - le support comporte une plaque superieure d'appui axial et une plaque inferieure d'appui axial, et la surface d'appui d'au moins une plaque comporte une portion qui est agencee du cOte de l'organe mobile et qui est conformee en surface de came; - la surface de came de la plaque superieure d'appui est symetrique de la surface de came de la plaque inferieure d'appui, o par rapport au plan general de la deuxieme portion de la lame. D'autres caracteristiques et avantages de ['invention apparatront a la lecture de la description detaillee qui suit pour la comprehension de laquelle on se reportera aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 est une vue eclatee en perspective qui represente schematiquement un actionneur lineaire electromagnetique commandant le deplacement d'une soupape conformement aux enseignements de ['invention; la figure 2 est une vue en coupe axiale selon le plan de coupe P1 qui represente schematiquement l'actionneur lineaire de la figure 1 et un autre actionneur similaire, lorsqu'ils occupent leur position de repos; la figure 3 est une vue partielle en coupe axiale selon le o plan de coupe P1 qui represente schematiquement la piece de commutation et la lame de ressort de l'actionneur de la figure 1 en position de repos; - la figure 4 est une vue similaire a celle de la figure 3 qui represente la piece de commutation et la lame de ressort de I'actionneur de la figure 1 en position de fermeture; - la figure 5 est une vue partielle en coupe axiale selon le plan de coupe P1 qui represente schematiquement la lame de ressort dans une premiere position intermediaire de flexion pendant le deplacement de la soupape vers sa position de fermeture; - la figure 6 est une vue similaire a celle de la figure 5 qui represente la lame de ressort dans une deuxieme position intermediaire de flexion pendant le deplacement de la soupape vers sa position de fermeture. Dans la suite de la description, des elements identiques ou similaires seront designee par des references identiques. On a represente schematiquement sur la figure 1 un actionneur lineaire electromagnetique 10 qui est realise conformement aux enseignements de ['invention. so Sur la figure 2, on a represente deux actionneurs 10 identiques montes tete-beche. Par la suite, I' invention sera decrite principalement en reference a l'actionneur 10 represente a droite sur la figure 2. s La structure electromagnetique de l'actionneur lineaire 10 est globalement similaire a celle qui est decrite dans le document FR-A-2.812. 121, auquel on pourra se reporter pour plus de precisions. On definit arbitrairement, et a titre non limitatif, une direction axiale suivant l'axe de deplacement A-A de l'actionneur qui est ici vertical. On note que ['orientation verticale de l'axe de deplacement A-A n'est pas necessaire au fonctionnement de l'actionneur o lineaire 10 selon ['invention. L'axe de deplacement A-A pourrait par exemple etre horizontal, done perpendiculaire a ['orientation de la gravite terrestre. Un element sera qualifie de transversal lorsqu'il est orthogonal a l'axe de deplacement A-A. L'actionneur 10 est prevu ici pour commander les deplacements axiaux d'une soupape 12 de moteur a combustion interne entre une position extreme haute, ou position de fermeture Pf, et une position extreme basse, ou position d'ouverture Po, et autour d'une position intermediaire, ou position de repos Pr, par o rapport a un support fixe 14, par exemple un element de culasse du moteur. L'actionneur 10 est fixe par tout moyen connu sur le support 14, par exemple au moyen de tirants 15 et d'une plaque d'appui 17. Selon le mode de realisation represente ici, I'actionneur 10 comporte un circuit magnetique superieur 16 et un circuit magnetique inferieur 18. Le circuit magnetique superieur 16 comporte une armature formee par deux plaques 22, 24 qui vent globalement o paralleles a l'axe de deplacement AA et qui vent agencees symetriquement de chaque cote d'un plan axial P1 passant par l'axe de deplacement A-A. Le plan axial de symetrie P1 correspond au plan de coupe de la figure 2. L'armature 20 est delimitee vers le haut par une surface transversale superieure 26 et vers le teas par une surface transversale inferieure 28. Chaque plaque 22, 24 de ['armature 20 comporte un premier tron,con 30 en vis-a-vis de l'axe A-A, et un deuxieme troncon 32 qui s'ecarte transversalement du plan axial de symetrie P1, par rapport au premier tron,con 30. Les plaques 22, 24 de ['armature 20 forment entre elles, au niveau de leurs premiers tron,cons 30, un entrefer superieur Es. o Une barre transversale 34 s'etend perpendiculairement entre les deuxiemes tron,cons 32 de chaque plaque 22, 24 de ['armature 20. Une bobine electromagnetique 36 est agencee autour de la barre transversale 34 en vue de creer un flux magnetique dans le circuit magnetique superieur 16. La bobine electromagnetique 36 definit une direction longitudinale B-B. De maniere classique, la bobine 36 est alimentee en courant electrique par des fils qui vent relies a un circuit de commande (non represente). Lorsque la bobine 36 est alimentee en courant electrique, il regne dans l'entrefer superieur Es un champ magnetique Bs. Au niveau de l'entrefer superieur Es, le bord inferieur 38 de chaque premier tron,con 30 est biseaute de maniere a former une surface d'entrefer 40 inclinee de haut en teas vers l'exterieur de l'entrefer Es. Le circuit magnetique inferieur 18 est ici symetrique au circuit magnetique superieur 16 par rapport a un plan transversal de symetrie P2. o Par consequent, le circuit magnetique inferieur 18 comprend une armature 42 similaire a celle 20 du circuit magnetique superieur 16, ainsi qu'une barre transversale autour de laquelle est agencee une bobine electromagnetique 44. L'armature 42 du circuit magnetique inferieur 18 forme un entrefer magnetique inferieur Ei dans lequel regne un champ magnetique Bi, et elle comporte deux surfaces d'entrefer 46 en vis-a-vis, qui vent respectivement symetriques des surfaces d'entrefer 40 de ['armature superieure 20, par rapport au plan transversal de symetrie P2. La soupape 12 comporte une tige de commande axiale 48 dont l'extremite superieure porte une piece de commutation 50, qui est prevue pour etre attiree magnetiquement, vers le haut ou o vers le teas, sous l'effet du champ magnetique Bs, Bi regnant dans les entrefers Es, Ei. La tige de commande 48 comporte des moyens de guidage (non representes) suivant l'axe de deplacement A-A. La tete 52 de la soupape 12 est ici agencee a l'extremite axiale inferieure de la tige de commande 48. On note que, dans sa position de fermeture Pr, la soupape 12 est en appui axial vers le haut par sa tete 52 contre un siege de soupape (non represente). Selon le mode de realisation represente ici, la piece de o commutation 50 est constituee de deux prismes 54, 56 a section trapezoTdale isocele qui comportent chacun un trou axial 58 et qui vent empires axialement autour de la tige 48. Chaque prisme 54, 56 a deux faces isoceles 60, 62 de formes sensiblement complementaires aux surfaces d'entrefer 40, 46 en vis-a-vis. Chacune des faces isoceles 60 du prisme superieur 54, ou surfaces superieures de commutation, est ici sensiblement parallele a la surface d'entrefer superieur 40 en vis- a-vis, et chacune des faces isoceles 62 du prisme inferieur 56, ou surface inferieure de commutation, est sensiblement parallele a la surface d'entrefer inferieur 46 en vis-a-vis. Avantageusement, une rondelle elastique superieure 63 est interposee axialement entre la face transversale d'extremite superieure 65 de la piece de commutation 50 et la tige de commande 48. La soupape 12 est rappelee elastiquement dans sa position intermediaire, ou position de repos Pr, qui est representee sur les figures 2 et 3, par l'intermediaire d'une lame de ressort 64. En se deformant elastiquement, la lame 64 assure le s rappel de la soupape 12 depots sa position de fermeture Pf, ou sa position d'ouverture Po, vers sa position de repos Pr. On decrit la lame de ressort 64 lorsqu'elle occupe sa position de repos Pr. La lame de ressort 64 a globalement la forme d'une plaque o rectangulaire, contenue dans le plan transversal de symetrie P2. La lame de ressort 64 comporte une premiere portion 66 qui est encastree dans l'organe de commutation 50. Plus precisement, la premiere portion 66 de la lame 64 est ici pincee axialement entre le prisme superieur 54 et le prisme inferieur 56 s de l'organe de commutation 50. La premiere portion 66 de la lame 64 comporte a son extremite libre une echancrure 68 en forme de demi cercle qui permet le passage de la tige de commande 48. La lame de ressort 64 comporte une deuxieme portion 70 qui est encastree dans un support fixe 72. Le support fixe 72 est ici realise sous la forme d'une plaque transversale superieure d'appui axial, ou cafe superieure 74, et d'une plaque transversale inferieure d'appui axial, ou cafe inferieure 76, qui vent intercalees axialement entre la surface transversale inferieure 28 de ['armature superieure 20 et la surface transversale superieure 26 de ['armature inferieure 42. Les cales 74, 76 vent realisees en materieu amagnetique. La deuxieme portion 70 de la lame 64 et les deux cales 74, 76 comportent chacune deux extensions longitudinales 78, 80 so opposees, qui vent pourvues chacune d'un trou axial 82, de maniere a permettre > dans les armatures superieures 20 et inferieures 42, au moyen de goupilles 84 correspondantes. Les surfaces transversales 26, 28 des armatures 20, 42 agencees en vis-a-vis des trous 82 vent munies de trous associes 86 qui re,colvent et immobilisent transversalement les goupilles 84. Conformement aux enseignements de ['invention, chaque cafe 74, 76 comporte des moyens pour provoquer une diminution de la distance L entre la premiere portion 66 de lame 64 et le point d'appui axial proximal Ap de la lame 64 sur le support 72, au cours du deplacement de la piece de commutation 50 vers une o position extreme Pf, Po associee. A cet effet, comme on peut le voir plus particulierement sur les figures 3 et 4, chaque cafe 74, 76 comporte portion conformee en surface de came 88, 90. Chaque surface de came 88, 90 est agencee, du cote de la tige de commande 48, en vis-a-vis d'une face 92, 94 de la lame 64, et elle a un profil, en section par le plan axial de symetrie P1, de forme globalement parabolique, dirige vers la tige de commande 48 et vers la position extreme Pf, Po associee. Suivant un axe transversal C-C qui est ici situe a o ['intersection du plan axial de symetrie P1 et du plan transversal de symetrie P2, un element sera qualifie de proximal, lorsqu'il est situe du cote de la tige de commande 48, a gauche en considerant la figure 3, et un element sera qualifie de distal, lorsqu'il est situe du cote des cales 74, 76, a droite en considerant la figure 3. La surface de came superieure 88 s'etend ici depuis le bord proximal 96 des extensions longitudinales 78, 80, jusqu'au bord proximal 98 de la cafe superieure 74. La surface de came superieure 88 est ici symetrique de la o surface de came inferieure 90, par rapport au plan axial de symetrie P1. Le fonctionnement de l'actionneur 10 selon ['invention est le suivant. Au repos, c'est a dire en ['absence de champ magnetique dans les entrefers Es, Ei, la tige de commande 48 et sa piece de commutation 50 occupent la position de repos Pr, qui est representee sur la figure 3. s Lorsque l'on alimente la bobine 36 du circuit magnetique superieur 16 en courant electrique, elle cree, dans la barre transversale 34, un champ magnetique Bs perpendiculaire au plan axial de symetrie P1, et done un flux magnetique circule dans ['ensemble du circuit magnetique 16, en particulier dans l'entrefer o superieur Es. Le flux magnetique qui circule dans l'entrefer superieur Es produit une force d'attraction magnetique sur la piece de commutation 50 qui tend a placer la piece de commutation 50 dans l'entrefer superieur Es. Chaque surface superieure de s commutation 60 vient alors en contact avec la surface d'entrefer associee 40, pour fermer le circuit magnetique superieur 16, ce qui provoque le deplacement axial de la soupape 12 vers le haut, jusqu'a sa position de fermeture Pf, qui est represente sur la figure 4. o On note que la rondelle elastique superieure 63 permet de rattraper le jeu qui est necessaire entre les surfaces d'entrefer superieur 40 et les surfaces de commutation associees 60 de la piece de commutation 50, en vue d'assurer une fermeture etanche de la soupape 12 sur son siege (non represente), tout en s necessitant peu de courant electrique pour maintenir la soupape 12 dans sa position de fermeture Pf. Dans la position de fermeture Pf, la piece de commutation comprime la rondelle elastique superieure 63 jusqu'a ce que les surfaces de commutations associees 60 viennent en contact o avec les surfaces d'entrefer superieur 40. Dans la position de fermeture Pf, la lame de ressort 64 est deformee vers le haut et elle sollicite la soupape 12 vers le teas en vue de la rappeler vers sa position de repos Pr. Les figures 6 et 7 illustrent des positions intermediaires de la lame 64 lorsqu'elle se deplace vers le haut. Lorsque la soupape 12 se deplace vers le haut, la lame de ressort 64 > sur la surface de came superieure 88, de sorte que le point d'appui axial proximal Ap de la lame 64 sur le support 72 est situe sur la surface de came superieure 88. De plus, le displacement axial de la soupape 12 vers le haut provoque le deplacement progressif du point d'appui axial proximal Ap sur le profil de la surface de came superieure 88, o vers la piece de commutation 50. La raideur elastique de la lame de ressort 64 a un instant donne t, qui sera designee par raideur effective K, peut s'exprimer par ['equation: K= 1 /L3 s Dans cette equation, L represente la distance entre la premiere portion 66 encastree dans la piece de commutation 50 et le point d'appui axial proximal Ap de la lame 64 sur le support 72, a ['instant t. Comme le point d'appui axial proximal Ap de la lame 64 se o deplace vers la piece de commutation 50, lorsque la soupape 12 se deplace vers le haut, alors la distance L diminue simultanement, ce qui provoque une augmentation de la valeur de la raideur effective K de la lame 64, dans une proportion exponentielle. s La force de rappel R exercee par la lame 64 sur la soupape 12 etant proportionnelle a la raideur effective K, alors ['augmentation exponentielle de la raideur effective K, en fonction du deplacement de la soupape 12, provoque une augmentation exponentielle de la force de rappel R. o Dans la position de fermeture Pf, le point d'appui axial proximal Ap est situe ici a l'extremite proximale de la surface de came superieure 88. Le fonctionnement est similaire et symetrique, par rapport au plan transversal P2, lorsque la soupape 12 se deplace depuis sa position de repos Pr vers sa position d'ouverture Po. Ainsi, on peut utiliser une lame de ressort 64 dont la raideur elastique est falble, dans la position de repos Pr de la soupape 12, ce qui permet de mettre facilement la soupape 12 en mouvement, sans reclamer une energie electrique importante pour p rod ui re le champ magnetique d 'attraction dans l'entrefer Es, Ei correspondent. o L' utilisation d' une lame de ressort 64 de faible raideur elastique Ko au repos n'est pas penalisante pour le temps de reaction de l'actionneur 10, lorsque la soupape 12 occupe sa position de fermeture Pf ou d'ouverture Po, puisque la raideur effective K de la lame de ressort 64 dans ces positions est beaucoup plus elevee que la raideur elastique au repos Ko. Selon une variante de realisation (non representee) de ['invention, on peut prevoir une surface de came superieure 88 de profil different de la surface de came inferieure 90, ce qui permet d'obtenir une force de rappel de la soupape 12 depuis sa position o d'ouverture Po qui est differente de sa force de rappel depuis sa position de fermeture Pf. Selon une autre variante de realisation (non representee) de ['invention, on peut prevoir une lame de ressort qui est encastree a ses deux extremites libres dans un support fixe. II est alors necessaire de prevoir des surfaces de came correspondantes dans le support fixe, au voisinage des deux extremites libres de la lame de ressort. REVENDICATIONS 1. Actionneur lineaire electromagnetique (10), notamment pour l'actionnement d'une soupape (12) de moteur a combustion interne, comportant au moins un circuit magnetique (16, 18) formant un entrefer inferieur (Ei) et un entrefer superieur (Es), du type comportant un organe mobile (48) qui est equipe d'une piece de commutation (50) et qui est susceptible de se deplacer, sous l'effet de la force d'attraction magnetique exercee sur la piece de commutation (50) par le flux magnetique () regnant dans l'un des o entrefers (Ei, Es), suivant un axe (A-A), entre une position extreme haute (Pf) et une position extreme basse (Po), et du type dans lequel l'organe mobile (48) est rappele elastiquement vers une position intermediaire, ou position de repos (Pr), situee entre la position haute (Pf) et la position basse (Po), par une lame (64) deformable elastiquement comportant une premiere portion (66) qui est encastree dans un element de fixation (54, 56) porte par l'organe mobile (48) et une deuxieme portion (70) qui est encastree dans un support fixe (72), caracterise en ce que le support (72) comporte des moyens o (88,90) pour provoquer une diminution de la distance (L) entre la premiere portion de lame (66) et le point d'appui axial proximal (Ap) de la lame (64) sur le support (72), au cours du deplacement de l'organe mobile (48) vers une position extreme (Pf, Po), de maniere que la raideur elastique effective (K) de la lame (64) augmente en fonction du deplacement axial de l'organe mobile (48) vers la position extreme (Pf, Po). 2. Actionneur (10) selon la revendication precedente, caracterise en ce que le support (72) comporte au moins une surface de came (88,90) qui est agencee en vis-a-vis d'une face (92, 94) de la lame (64) et qui a un profil, en section axiale, de forme globalement parabolique, dirige vers l'organe mobile (48) et vers la position extreme associee (Pf, Po), de maniere que le point d'appui axial proximal (Ap) de la lame (64) sur le support (72) soit situe sur la surface de came (88,90) et qu'il se deplace progressivement sur son profil, vers l'organe mobile (48), lorsque l'organe mobile (48) se deplace axialement vers la position extreme associe (Pf, Po). 3. Actionneur (10) selon la revendication precedente, caracterise en ce que le support (72) comporte une plaque superieure d'appui axial (74) et une plaque inferieure d'appui axial (76), et en ce que la surface d'appui d'au moins une plaque (74, 76) comporte une portion qui est agencee du cote de l'organe mobile (48) et qui est conformee en surface de came (88, 90). o 4. Actionneur (10) selon la revendication precedente, caracterise en ce que la surface de came (88) de la plaque superieure d'appui (74) est symetrique de la surface de came (90) de la plaque inferieure d'appui (76) , par rapport au plan general