Brevet FR2851742A1 — publié le 20040903

La présente invention concerne une suspension destinée à stabiliser des charges et en particulier des véhicules terrestres, en asservissant leur attitude par la prise en compte des perturbations du terrain et des perturbations subies par le véhicule comme la force centrifuge, les accélérations ou décélérations, les variations de charge, afin de ne plus 5 ressentir de perturbations au niveau du véhicule, tout en minimisant la consommation d'énergie et de puissance au niveau des actionneurs. Les suspensions classiques comprennent en général un amortisseur. Or celui-ci présente l'inconvénient de transmettre les irrégularités du sol aux moyennes fréquences (de 1 à 10 10Hz), dès qu'elles représentent une vitesse verticale importante. Certaines suspensions pilotées compensent les mouvements du véhicule pendant les virages ou les accélérations, mais pas les irrégularités permanentes du sol. Les véhicules sont donc inconfortables pour les longs trajets, en particulier pour certaines personnes qui souffrent du dos. L'invention a donc pour but de fournir une stabilisation motorisée destinée à ne plus sentir de vibrations ou de secousses au niveau du véhicule, ceci malgré les irrégularités du sol et les variations de charge du véhicule. Cette suspension est assez complexe à réaliser, mais elle présente un confort de conduite très appréciable. Elle est conçue pour minimiser 20 la puissance et le travail à fournir, elle peut stabiliser à moins d'un millimètre dans la plupart des cas une charge de 400kg avec deux actionneurs de 1 00W. Les formes, dimensions et dispositions des différents éléments pourront varier dans la limite des équivalents comme d'ailleurs les matières utilisées pour leur fabrication, sans 25 changer pour cela la conception générale de l'invention décrite ici. Cette invention concerne une suspension stabilisatrice asservissant l'attitude d'une charge (1) et en particulier servant à stabiliser un véhicule terrestre roulant en compensant les mouvements de la base de la suspension (2) et les forces subies par la 30 charge (1) et en particulier celles dues aux virages, aux accélérations et décélérations tout en minimisant la consommation d'énergie et la puissance nécessaire. Elle est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un actionneur élastique et en particulier au moins deux actionneurs élastiques en parallèle (A et B), chacun d'eux étant constitué d'au moins un des éléments suivants: actionneur pneumatique, actionneur 35 pneumatique en série avec un élément élastique, actionneur hydraulique en série avec un élément élastique, actionneur électrique en série avec un élément élastique, l'un des actionneurs élastiques (B), dit secondaire, étant destiné à soulager l'autre (A), dit principal, des charges importantes afin que l'actionneur élastique principal (A) puisse fournir plus facilement de l'énergie dans les deux sens pour stabiliser la charge (1). Cette suspension peut être utilisée en un ou plusieurs exemplaires, en particulier un par roue ou un par essieu pour stabiliser des automobiles, poids lourds, véhicules ferroviaires ou tout véhicule terrestre roulant. Une autre caractéristique est qu'elle inclut au moins un élément élastique supplémentaire 5 (C), et en particulier pneumatique, destiné à soulager au moins un des actionneurs (A et B) des charges permanentes, et en particulier à équilibrer les forces maximales et minimales que doit fournir l'actionneur secondaire (B). Une autre caractéristique de la suspension stabilisatrice est qu'elle inclut un amortisseur (D) dont le débit de fluide, utilisé pour s'opposer aux variations de mouvement, est 10 commandé automatiquement. Une autre caractéristique est qu'au moins l'un des actionneurs élastiques est constitué au moins d'une enveloppe élastique séparée en deux volumes, l'un fermé renfermant un fluide compressible, l'autre étant alimenté par un fluide incompressible, et en particulier de deux enveloppes élastiques, l'une destinée à fournir des efforts dans un sens, l'autre dans 1 5 l'autre. Une autre caractéristique de la suspension stabilisatrice est la disposition des différents éléments, les deux actionneurs élastiques (A et B) et l'amortisseur (D) étant regroupés au moins en partie à l'intérieur de l'élément élastique (C) de forme cylindrique creuse. Une autre caractéristique de la suspension stabilisatrice est la présence d'un capteur (M) 20 sur la charge (1) constitué d'une masse asservie fournissant au moins l'information de vitesse verticale absolue de la charge (1) obtenue à partir de la vitesse de commande servant à asservir la masse à zéro. Une autre caractéristique de cette suspension stabilisatrice est d'obtenir les informations d'accélération et de position absolue de la charge (1) par dérivée et intégrale de la vitesse 25 absolue fournie par le capteur (M). Une autre caractéristique de cette suspension stabilisatrice est la loi de commande de l'actionneur principal (A), la grandeur de commande, et en particulier la vitesse ou le débit de commande, assurant au moins une des fonctions suivantes: contrer la vitesse verticale absolue de la charge (1) , contrer l'accélération verticale de la charge (1), contrer 30 les écarts de position verticale absolue de la charge (1), absorber les mouvements de la base de suspension (2), compenser immédiatement les écarts entre la charge (1) et la base de suspension (2) quand la garde de sécurité est dépassée. Une autre caractéristique de cette suspension stabilisatrice est la loi de commande de l'actionneur secondaire (B), la grandeur de commande, et en particulier la vitesse ou le 35 débit de commande, étant fonction de la force moyenne de l'actionneur principal (A) afin de laisser celui-ci travailler à moyenne nulle, sauf en cas de saturation de celui-ci, o l'actionneur secondaire (B) fournit le complément de force à la charge (1) . Une autre caractéristique de cette suspension stabilisatrice est la loi de commande de l'amortisseur (D) dont le débit de fluide, utilisé pour s'opposer aux variations de mouvement, est commandé automatiquement, celui-ci étant normalement libre et étant réduit au moins dans un des cas suivants: aux fréquences importantes qui ne transmettent pas de vibration indésirable à la charge (1) et en particulier seulement pendant les phases de compression pour laisser de l'efficacité aux actionneurs (A et B), 5 dans les cas o la garde minimale de la suspension n'est plus respectée, dans les cas de variation de charge importante en attendant que les actionneurs (A et B) prennent le relais, dans le cas de variation brutale de la géométrie du terrain, dans les cas de panne de la stabilisation, o le débit réduit est la position par défaut pour que l'amortisseur (D) serve en secours. Un mode de réalisation de l'invention est décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 représente une coupe longitudinale de la suspension. La figure 2 représente une coupe transversale de la suspension. 15 La figure 3 représente le schéma du capteur. La figure 4 représente le schéma de principe de la suspension. La figure 5 représente l'efficacité des différents actionneurs aux différentes fréquences. La figure 6 représente le comportement de la suspension à toutes les fréquences. La figure 7 représente le comportement de la suspension en variations brutales du terrain. 20 La figure 8 représente le comportement de la suspension en variations de charge. Pour réaliser cette stabilisation, il est important de pouvoir stabiliser la charge à toutes les fréquences (Fig.4 et 5) . L'élément principal de la suspension est le ressort principal (C) qui va filtrer la plupart des fréquences s'il est de faible raideur. La raideur de tous les 25 éléments élastiques s'ajoutant, la raideur totale doit être de l'ordre de 4000N/m, donc la raideur du ressort principal (C) doit être de l'ordre de 1500 à 2000N/m. Aux hautes fréquences (>10Hz), la base de la suspension (2) qui a une masse non négligeable, possède une énergie non pilotable par un actionneur et qu'il faut contrer avec un amortisseur piloté (D). L'inconvénient d'un amortisseur est qu'il transmet les vibrations du 30 sol vers la charge (1), ceci n'est pas gênant au-dessus de 10Hz, car la charge (1) filtre les vibrations, mais indésirable aux moyennes fréquences (de 1 à 1 OHZ). Cet amortisseur (D) doit être donc rendu inactif aux fréquences inférieures à 10Hz, en rendant le débit libre entre les compartiments de l'amortisseur (D). A partir de 5 à 10Hz, lorsque les vibrations commencent à se propager au véhicule, l'actionneur principal (A) entre en action de 5 Hz 35 jusqu'à des fréquences plus basses (0,3Hz) o l'actionneur secondaire (B) entre en action pour prendre en charge les forces permanentes de telle sorte que l'actionneur principal (A) travaille à moyenne nulle. En cas de saturation de l'actionneur principal (A), l'actionneur secondaire (B) prend instantanément le relais de l'actionneur principal (A) et assure le complément. De plus l'amortisseur (D) dont le débit est laissé libre en temps normal, c'est-à-dire qu'il produit une force nulle, doit être commandé dans les cas critiques o les deux actionneurs sont en saturation pour provoquer une force résistive importante en cas de besoin. lément élastique (C): celui-ci doit avoir une raideur faible de l'ordre de 2000N/m, aussi il 5 est préférable d'utiliser un élément pneumatique. De plus si la charge de la suspension est par exemple de 300kg, pour que l'actionneur secondaire (B) n'ait pas à supporter des variations de charge importantes de 0 à 150kg supplémentaires, il est préférable que l'élément élastique (C) prenne en charge la valeur moyenne soit 375kg et que l'actionneur secondaire (B) ait une charge de plus ou moins 75kg. Par exemple, pour une 10 charge de 375kg, des valeurs cohérentes sont pour le ressort élastique (C): 18,5 bars de pression, 3,5 litres de volume, 20 cm2 de section de pression. Cet élément élastique peut être réalisé avec deux membranes élastiques formant un cylindre ayant des rayons respectifs d'environ 5 et 9 cm, rassemblées entre elles sur un cylindre métallique de 7cm de rayon et de 4mm d'épaisseur pour obtenir la section de 20cm2. 1 5 Actionneur principal (A): ce peut être un actionneur électrique, hydraulique ou pneumatique; dans ce dernier cas, il n'y a pas forcément besoin d'élément élastique supplémentaire. Dans les autres cas, la raideur peut être assez importante (5000N/m), car il est plus facile de transmettre les forces. Des dimensions cohérentes pour un élément pneumatique sont 5bars de pression, 200cm3 de volume, et 15cmr de section de 20 poussée. Un actionneur de 100W peut suffire. Dans le cas d'un actionneur hydraulique, on peut utiliser une membrane élastique à deux compartiments pour contenir le fluide compressible servant de ressort dans l'un et le fluide incompressible alimenté par un tuyau dans l'autre. Deux actionneurs de ce type sont montés tête-bêche pour fournir des forces dans les deux sens. La commande de cet actionneur utilise les informations 25 suivantes: accélération verticale du châssis (g), vitesse verticale absolue du châssis (v), position verticale absolue du châssis (x), écart de position entre roue et châssis xo, vitesse verticale absolue de la roue (vo). Il faut élaborer un écart de position filtré xf qui est la combinaison de l'écart de position entre roue et châssis xo aux basses fréquences ( 1Hz). D'autre part si la distance 30 de garde (par exemple 5cm) n'est plus respectée (Ixol > 0,05), xf devient égal instantanément à xo. Dans le cas de la commande d'un actionneur en vitesse et en particulier en hydraulique, on peut commander le débit de fluide (Qa). Celui-ci sera du type: Qa = -kg. g - kv. v - kx. xf + kvo. vo. Des valeurs cohérentes sont kg = 1, kv = 20, kx = 30, kvo = 1. De plus en cas d'écart important entre roue et châssis, (par exemple 35 supérieur à 5cm), 'actionneur principal doit immédiatement fournir le débit maximal en sens inverse. Cette commande peut être réalisée par des éléments hydrauliques ou par un calculateur. Actionneur secondaire (B): ce peut être un actionneur électrique, hydraulique ou pneumatique; dans ce dernier cas, il n'y a pas forcément besoin d'élément élastique supplémentaire. Dans les autres cas, la raideur doit être assez faible (1000N/m) pour ne pas gêner l'actionneur principal et pour conserver une raideur globale faible. Des dimensions cohérentes pour un élément pneumatique sont 3bars de pression, 200cm3 de volume, et 5cm2 de section de poussée. Un actionneur de 100W peut suffire. Dans le cas 5 d'un actionneur hydraulique, on peut utiliser une membrane élastique à deux compartiments pour contenir le fluide compressible servant de ressort dans l'un et le fluide incompressible alimenté par un tuyau dans l'autre. Deux actionneurs de ce type sont montés tête-bêche pour fournir des forces dans les deux sens. La commande de cet actionneur utilise les informations suivantes: limitation de puissance en débit (Qalim) de 10 l'actionneur principal (A), la force Fa (ou la pression) sur l'actionneur principal (A). Dans le cas de la commande d'un actionneur hydraulique, on peut commander le débit de fluide (Qb). Celui- ci vaut: Qb = (Qa lim - Qa) si l'actionneur principal (A) est en limitation de puissance et sinon kFa. Fa avec KFa de l'ordre de 0,001. L'actionneur secondaire porte donc secours à l'actionneur principal en priorité, et sinon prend à son compte la 15 force moyenne supportée par l'actionneur principal (A) afin que celui-ci travaille au maximum à moyenne nulle. Amortisseur piloté (D) : le débit de fluide circulant dans cet amortisseur (D) est commandé automatiquement. Celui-ci est laissé normalement libre, c'est-à-dire hors fonctionnement. Il doit entrer en fonctionnement que pour les fréquences élevées (>10Hz) o l'énergie 20 verticale de la roue doit être absorbée, car en dessous de ces fréquences, les vibrations sont transmises à la charge (1). Le coefficient d'amortissement j. est donc proportionnel à la composante haute fréquence de la vitesse relative charge/roue (112) obtenue par un filtre passe-haut à 10Hz sur cette vitesse. Pour que les actionneurs (A et B) puissent assurer l'asservissement, il est préférable que l'amortisseur (D) ne travaille qu'à la 25 compression pour absorber les énergies verticales montantes, ce qui laisse les temps de descente de la roue (1g max) pour piloter la suspension. L'amortisseur (D) doit être également être rendu actif dans les cas o la garde minimale de la suspension n'est plus respectée, dans les cas de variation de charge importante en attendant que les actionneurs (A et B) prennent le relais, dans le cas de variation brutale de la géométrie du 30 terrain, dans les cas de panne de la stabilisation, o le débit réduit est la position par défaut pour que l'amortisseur (D) serve en secours. Capteur châssis (M) : celui-ci doit fournir au moins l'information de vitesse verticale absolue qui est l'information de base. Il peut fournir également les informations d'accélération verticale et de position verticale absolue. Celui-ci peut être réalisé à l'aide 35 d'un ressort supportant une petite masse. La raideur doit être très faible de l'ordre de 5ON/m pour une masse de 500g. L'asservissement à zéro se fait en commandant un débit (Qm) proportionnel au déplacement de la masse, la force (Fm) ou la pression. Ce débit Qm représente la vitesse verticale absolue (v). Un circuit dérivateur permet d'obtenir l'accélération (g). Un intégrateur permet d'obtenir la position absolue (x). On peut obtenir la vitesse absolue de la roue en utilisant un deuxième capteur de ce type, ou bien en utilisant de préférence la différence entre la vitesse absolue du châssis (v) et la vitesse relative châssis-roue facile à obtenir puisque c'est la vitesse relative des deux éléments (1) et (2) de la suspension. La figure 6 représente le comportement de la suspension en fréquence. L'amplitude est limitée de manière à rester en dessous d'une accélération de 20g. Il y a une légère résonance à la fréquence propre de l'ensemble pneu - triangle de suspension. Cette résonance supérieure en général à 10Hz est contrée par l'amortisseur (D) et cette fréquence élevée est filtrée par la charge (1). La performance de stabilisation est toujours 10 inférieure au millimètre. Vers les fréquences basses (1 Hz), on laisse passer le signal pour suivre les évolutions du sol. La puissance maximale se situe vers 3Hz, période o l'on interdit à l'amortisseur (D) de jouer son rôle, et o c'est l'actionneur (A) qui doit tout prendre en charge. La figure 7 représente le comportement sur des accidents de terrain. En dessous du seuil 15 critique de garde de 5cm, les obstacles sont filtrés, et la suspension rejoint progressivement le sol si la bosse se prolonge, bien que le pneu puisse quitter le sol si la pente est trop raide, il est dans ce cas amorti au-delà de 5cm par l'amortisseur (D). Quand la garde de 5cm est dépassée, l'amortisseur (D) entre en fonction pour un rattrapage rapide de la garde, on se retrouve ensuite dans le cas précédent. La figure 8 représente le comportement de la suspension en fonction de variation de charges. L'actionneur secondaire (B) prend en charge la différence pour soulager l'actionneur principal (A) afin que celui-ci conserve son efficacité à moyenne nulle. Pour des variations de 50kg, la puissance de 2xlOOW suffit, pour des variations plus importantes, l'amortisseur (D) entre en action pour laisser le temps aux actionneurs de 25 prendre le relais. Dans ces cas-là, la puissance limite un peu les performances mais les dépassements de 3cm restent très raisonnables. Ceuxci devraient pouvoir être réduits par un meilleur pilotage de l'amortisseur (D). Cette invention constitue le troisième des brevets offrant des solutions à la trilogie des 30 trois plus beaux problèmes de l'automobile encore ouverts à ce jour: le moteur, la transmission et la suspension. Il a l'inconvénient d'une mécanique complexe et un peu onéreuse, mais d'une puissance raisonnable de 2xlOOW par suspension soit environ 1ch au total, et de pressions inférieures à 10 bars pour les actionneurs. Mais avec la maîtrise des actionneurs élastiques en caoutchouc et l'inventivité des constructeurs pour diminuer 35 les cots, cette invention devrait être d'un prix abordable, et assurer une stabilisation parfaite des véhicules pour le plus grand confort des passagers. REVENDICATIONS 1) Suspension stabilisatrice asservissant l'attitude d'une charge (1) et en particulier servant à stabiliser un véhicule terrestre roulant en compensant les mouvements de la 5 base de la suspension (2) et les forces subies par la charge (1) et en particulier celles dues aux virages, aux accélérations et décélérations tout en minimisant la consommation d'énergie et la puissance nécessaire, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux actionneurs élastiques en parallèle (A et B), chacun d'eux étant constitué d'au moins un des éléments suivants: actionneur 10 pneumatique, actionneur pneumatique en série avec un élément élastique, actionneur hydraulique en série avec un élément élastique, actionneur électrique en série avec un élément élastique, l'un des actionneurs élastiques (B), dit secondaire, étant destiné à soulager l'autre (A), dit principal, des charges importantes afin que l'actionneur élastique principal (A) puisse fournir plus facilement de l'énergie dans les deux sens pour stabiliser 15 la charge(1). 2) Suspension stabilisatrice selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'elle inclut au moins un élément élastique supplémentaire (C), et en particulier pneumatique, destiné à soulager au moins un des actionneurs (A et B) des charges permanentes, et en particulier à équilibrer les forces maximales et minimales que doit fournir l'actionneur secondaire (B) . 20 3) Suspension stabilisatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisée en ce qu'elle inclut un amortisseur (D) dont le débit de fluide, utilisé pour s'opposer aux variations de mouvement, est commandé automatiquement. 4) Suspension stabilisatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce qu'au moins un des actionneurs élastiques est constitué au moins 25 d'une enveloppe élastique séparée en deux volumes, l'un fermé renfermant un fluide compressible, l'autre étant alimenté par un fluide incompressible, et en particulier de deux enveloppes élastiques, l'une destinée à fournir des efforts dans un sens, l'autre dans l'autre. 5) Suspension stabilisatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 30 caractérisée par la disposition des différents éléments, les deux actionneurs élastiques (A et B) et l'amortisseur (D) étant regroupés au moins en partie à l'intérieur et près de l'axe de l'élément élastique (C) de forme cylindrique creuse, afin de minimiser le couple parasite. 6) Suspension stabilisatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 35 caractérisée par la présence d'un capteur (M) sur la charge (1) constitué d'une masse asservie fournissant au moins l'information de vitesse verticale absolue de la charge (1) obtenue à partir de la vitesse de commande servant à asservir la masse à zéro. 7) Suspension stabilisatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée par la loi de commande de l'actionneur principal (A), la grandeur de commande, et en particulier la vitesse de commande, assurant au moins une des fonctions suivantes: contrer la vitesse verticale absolue de la charge (1), contrer l'accélération verticale de la charge (1), contrer les écarts de position verticale absolue de la charge (1), absorber les mouvements de la base de suspension (2), compenser 5 immédiatement les écarts entre la charge (1) et la base de suspension (2) quand la garde de sécurité est dépassée. 8) Suspension stabilisatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée par la loi de commande de l'actionneur secondaire (B), la grandeur de commande, et en particulier la vitesse de commande, étant fonction de la force moyenne 10 de l'actionneur principal (A) afin de laisser celui-ci travailler à moyenne nulle, sauf en cas de saturation de celui-ci, o l'actionneur secondaire (B) fournit le complément de force à la charge (1). 9) Suspension stabilisatrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par la loi de commande de l'amortisseur (D) dont le débit de fluide, utilisé 15 pour s'opposer aux variations de mouvement, est commandé automatiquement, celui-ci étant laissé normalement libre et étant réduit au moins dans un des cas suivants: aux fréquences importantes qui ne transmettent pas de vibration indésirable à la charge (1) et en particulier seulement pendant les phases de compression pour laisser de l'efficacité aux actionneurs (A et B), dans les cas o la garde minimale de la suspension n'est plus 20 respectée, dans les cas de variation de charge importante en attendant que les actionneurs (A et B) prennent le relais, dans le cas de variation brutale de la géométrie du terrain, dans les cas de panne de la stabilisation, o le débit réduit est la position par défaut pour que l'amortisseur (D) serve en secours.