Brevet FR2867437A1 — publié le 20050916

La présente invention se rapporte à un dispositif d'assistance électrique de direction de véhicule automobile. Elle concerne plus précisément un dispositif comprenant. - un moteur électrique dont l'arbre de sortie est destiné à être relié à l'arbre de direction du véhicule, de façon à fournir une assistance au braquage du volant en exerçant sur l'arbre de direction un couple d'assistance, un effort de braquage résultant étant transmis à des roues directrices par l'intermédiaire d'un mécanisme d'orientation, - un premier capteur mesurant un premier paramètre de fonctionnement du véhicule, significatif du couple-volant appliqué sur l'arbre de direction, - un deuxième capteur mesurant un deuxième paramètre de fonctionnement et/ou d'état du véhicule, et - un organe de calcul ayant au moins une première et une deuxième entrées, reliées respectivement au premier et au deuxième capteurs, et ayant une sortie reliée au moteur électrique et délivrant à ce dernier un signal de consigne de couple d'assistance représentatif d'une valeur calculée en appliquant aux valeurs d'entrée des lois de commande préenresgistrées. On connaît dans l'état de la technique de tels dispositifs d'assistance, comprenant une boucle de régulation dont la variable de contrôle est constituée par le couple-volant. Les lois de commande pré-enregistrées dans l'organe de calcul sont prévues pour calculer la valeur de consigne de couple en fonction des valeurs des paramètres d'entrée, dont la valeur de couple-volant, filtrée ou non. On a constaté que dans les dispositifs d'assistance connus, quel que soit le soin apporté à l'élaboration des lois de commande, les retours d'information de la chaussée et les remontées de direction n'étaient pas maîtrisés. Par retours d'information , on entend les sollicitations fréquentielles provenant de la route, transmises au conducteur par l'intermédiaire des roues et de la colonne de direction, qui permettent au conducteur de ressentir une perte d'adhérence ou une dégradation de la chaussée, et ainsi d'adapter son mode de conduite. Ces sollicitations, qu'il est souhaitable de transmettre au conducteur avec un niveau d'amplitude suffisant, ont des fréquences principalement estimées entre 0 et 10 Hz. Par remontées de direction , on entend les sollicitations séquentielles constituant des perturbations inutiles pour le conducteur. Ces sollicitations, qui ont des fréquences principalement estimées entre 10 et 20 Hz, doivent être filtrées par l'ensemble de direction pour un agrément de conduit amélioré. Certaines études ont montré que les sollicitations fréquentielles cheminant par la colonne de direction, depuis les roues directrices jusqu'au conducteur, ne constituent pas des signaux d'amplitude significative lorsque leur fréquence est supérieure à 20 Hz, de sorte qu'elles ne sont pas perçues par le conducteur, et ne nécessitent pas de traitement particulier. L'invention a pour but de remédier à l'inconvénient ci-dessus, c'est-àdire de proposer un dispositif d'assistance tel qu'exposé précédemment, qui permette, à faible coût, un retour d'information par la colonne de direction, tout en éliminant ou en atténuant de façon drastique les remontées de direction. Cet objectif est atteint par le dispositif d'assistance conforme à l'invention, du fait qu'il comprend en outre des moyens pour atténuer, respectivement amplifier, de façon sélective, dans des plages de fréauence prédéterminées, les phénomènes vibratoires sur le couple-volant, lesdits moyens fonctionnant par traitement du signal transmis à la première entrée de l'organe de calcul. Suivant d'autres caractéristiques du dispositif conforme à l'invention: lesdits moyens sont adaptés pour atténuer les phénomènes vibratoires sur le couple-volant dans des fréquences supérieures à une valeur de seuil prédéterminée; - ladite valeur de seuil est comprise entre 8 et 14 Hz, de préférence égale à 10 Hz; - lesdits moyens comprennent un circuit de traitement de signal dont l'entrée est reliée au premier capteur et la sortie est reliée à la première entrée de l'organe de calcul, ledit circuit appliquant au signal d'entrée mesurée, représentatif de la valeur de couple-volant une fonction de transfert de la forme H (f) = i=n Ebif i=n i=n E aif i i=n où f est la fréquence, n est un entier supérieur ou égal à et dans laquelle les coefficients ai, bi sont choisis de telle façon que la fonction de transfert, ayant pour entrée l'effort résultant appliqué au mécanisme d'orientation et pour sortie le couple-volant, présente une courbe de Bode représentative suivant laquelle: 25. dans une plage de fréquence comprise entre 0 et ladite valeur de seuil, le gain varie avec la fréquence entre une valeur basse et une valeur haute de gain constantes, pour des fréquences supérieures à ladite valeur de seuil, le gain varie avec la fréquence, en restant inférieur à une valeur maximale variant elle-même linéairement avec la fréquence de façon décroissante, sel= une pente prédéterminée, non nulle, à partir de ladite valeur haute; et - les coefficients ai, bi sont choisis de telle façon que la fonction de transfert, ayant pour entrée l'effort résultant appliqué au mécanisme d'orientation et pour sortie le couple-volant, présente une courbe de Bode représentative de phase suivant laquelle: dans la plage de fréquence comprise entre 0 et ladite valeur de seuil, la phase varie avec la fréquence entre une valeur basse de phase strictement inférieure à 0 et une valeur haute de phase, inférieure ou égale 0, de préférence nulle, pour des fréquences supérieures à ladite valeur de seuil, la phase reste inférieure à ladite valeur 15 haute de phase. L'invention vise en outre un ensemble de direction de véhicule automobile, comprenant un arbre de direction, un dispositif d'assistance électrique tel que décrit précédemment, relié à l'arbre de direction de façon à fournir une assistance au braquage du volant en exerçant sur l'arbre de direction un couple d'assistance, un mécanisme d'orientation relié à l'arbre de direction et au dispositif d'assistance, et par l'intermédiaire duquel est transmis un effort résultant de braquage à des roues directrices. L'invention vise enfin un véhicule automobile comportant un ensemble de direction tel que décrit précédemment. Un mode particulier de réalisation de l'invention va maintenant être décrit plus en détail, en référence aux 30 dessins annexés, sur lesquels: - la Figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de direction de véhicule, comportant un dispositif d'assistance suivant l'invention; - la Figure 2 est un diagramme de Bode représentant le gain, de la fonction de transfert couple-volant/effort crémaillère, qui montre le. domaine de fonctionnement-cible du dispositif conforme à l'invention, et un exemple de courbe caractéristique-cible située à l'intérieur de ce domaine; et la Figure 3 est un diagramme analogue à celui de la Figure 2, représentant la phase de la même fonction de transfert. Sur la Figure 1, on a représenté un ensemble de direction 1 de véhicule automobile assisté électriquement, qui comporte un volant 2 solidaire d'un premier tronçon 3 d'un arbre de direction 4, par l'intermédiaire d'une liaison à cardan 6. L'arbre de direction 4 transmet le couple appliqué sur le volant 2 par le conducteur du véhicule à un pignon de transmission 7, qui engrène avec une crémaillère 8 disposée transversalement par rapport à l'axe du véhicule entre deux roues directrices 9. Le pignon de transmission 7 pourrait être remplacé par tout autre organe de transmission, comme par exemple une vis sans fin. Chaque roue directrice 9 est susceptible de pivoter autour d'un axe de pivotement vertical Z-Z sous l'effet d'un déplacement linéaire de la crémaillère 8, ladite roue directrice 9 étant actionnée par un mécanisme d'orientation comportant la crémaillère et une biellette 10 reliée à une extrémité 11 de la crémaillère 8. L'ensemble de direction 1 comprend également un dispositif d'assistance 12 destiné à exercer sur la crémaillère 8 un effort de même sens que l'effort exercé par le pignon de transmission 7, de façon à faciliter l'actionnement du volant 2 par le conducteur du véhicule, en fonction d'au moins deux paramètres P1, P2 de fonctionnement de la direction, ou plus généralement de fonctionnement et/ou d'état du véhicule. Le dispositif d'assistance 12 comprend un moteur électrique 15 dont le couple de sortie Cs est commandé par un dispositif électronique de commande 16 qui délivre au moteur une consigne de couple d'assistance C. Le couple de sortie Cs du moteur électrique 15 est transmis à un réducteur 19 par l'intermédiaire de l'arbre de sortie 18 du moteur 15, et à un pignon crémaillère 8. Ainsi, l'arbre de est relié mécaniquement à l'intermédiaire du réducteur de la crémaillère 8 et du liaison mécanique de l'arbre la l'arbre de direction 4, par 19, du pignon d'assistance 20, pignon de transmission 7. La de sortie 18 et de l'arbre de d'assistance 20 engrenant avec sortie 18 du moteur électrique direction 4 pourrait être différente, notamment plus directe 15 en n'impliquant pas la crémaillère 8. L'arbre de sortie 18 du moteur électrique fournit une assistance au braquage du volant 2 en exerçant sur l'arbre de direction 4, par l'intermédiaire des éléments mécaniques cités précédemment, un couple d'assistance dépendant directement du couple de sortie Cs, et par conséquent de la consigne de couple d'assistance C. Le premier paramètre P1 est significatif du couple-volant, c'est-à-dire du couple appliqué sur le volant 2 par le conducteur et/ou subi par ce dernier. Le couple-volant est par exemple estimé au moyen d'un capteur de couple 21, monté sur le deuxième tronçon 5 de l'arbre de direction 4, dans une région proche du pignon 7. Ce paramètre est significatif de conditions de maintien du volant, mais également des phénomènes vibratoires prenant naissance au niveau de la liaison au sol, et transmis au conducteur via les roues, les biellettes, la crémaillère et la colonne de direction. Le deuxième paramètre P2 est par exemple significatif de la valeur de vitesse du véhicule. Celle-ci est déterminée par des moyens classiques de mesure de la vitesse d'avance, présents usuellement sur les véhicules, que l'on désignera par un capteur de vitesse d'avance 22. Le dispositif électronique de commande 16 comprend essentiellement un calculateur 30 à deux entrées et une sortie, et un circuit de traitement de signal 31. Le circuit 31 est relié à la sortie du capteur de couple-volant 21, de façon à recevoir en entrée un signal représentatif du paramètre P1 de couple-volant, et sa sortie est connectée à la première entrée du calculateur 30. Le circuit 31 est représenté par sa fonction de transfert H (f), où f est la fréquence du signal d'entrée représentatif de P1. Cette fonction de transfert sera précisée ultérieurement. Ainsi, le calculateur 30 reçoit sur sa première entrée un signal représentatif du paramètre P1 de couple-volant, transformé conformément à la fonction de transfert H(f) du circuit 31. Le calculateur 30 est d'autre part relié en entrée 20 au capteur de vitesse 22, de sorte que la deuxième entrée du calculateur 30 est alimentée par le signal représentatif du paramètre P2 de vitesse du véhicule. Le calculateur 30 est programmé pour exécuter des lois de commande préenregistrées, par exemple sous la forme de cartographies, et pour délivrer en sortie un signal représentatif de la valeur de couple de consigne d'assistance C, en fonction des deux valeurs d'entrée. La sortie du calculateur 30 est reliée au moteur 15 afin de lui délivrer ce signal de commande, représentatif de la valeur de couple de consigne ainsi calculé. Naturellement, le calculateur 30 et les lois de commande qui lui sont associées peuvent être prévus pour fonctionner avec un nombre de paramètres d'entrée supérieurs à deux, notamment trois valeurs d'entrée. Le calcul du couple de consigne peut alors prendre en compte un autre paramètre de fonctionnement et/ou d'état du véhicule, tel qu'un paramètre significatif de la vitesse de rotation du volant. On va à présent expliciter davantage la fonction de transfert H(f) et, en référence aux Figures 2 et 3, on illustrera les effets physiques du traitement du signal ainsi opéré sur le paramètre de couple-volant P1 à l'entrée du calculateur 30. Sur les Figures 2 et 3, on a en effet traduit graphiquement les objectifs de l'invention consistant à atténuer, respectivement amplifier, de façon analogue, dans des plages de fréquence prédéterminées, les phénomènes vibratoires sur le couple-volant. Comme indiqué précédemment, ces phénomènes vibratoires remontent de la route vers le conducteur par les biellettes 10, la crémaillère 8, la colonne de direction 4 et le volant 2. L'effet vibratoire ressenti par le conducteur peut être traduit, comme cela a été fait dans le cadre de l'invention, par la fonction de transfert T(f) égale au rapport des valeurs algébriques du couple-volant et de l'effort appliqué par les roues directrices 9 sur la crémaillère 8, via les biellettes 10. Cette fonction de transfert est associée à un système mécanique transmettant des vibrations entre une entrée -les roues- et une sortie - le volant-. Les objectifs de l'invention ont été traduits par un domaine de fonctionnement-cible dans lequel doit se situer la courbe caractéristique de la fonction de transfert T(f). La fonction de transfert ainsi définie modifie le gain et la phase du transfert Efforts biellettes (entrée) vers le couple-volant (sortie). Sur les Figures 2 et 3, ces domaines ont été délimités pour le gain et pour la phase de la fonction de transfert, respectivement. Pour l'un et l'autre des domaines de fonctionnement, en gain et en phase, on distingue deux plages de fréquence: - la première comprise entre 0 et une valeur de seuil S prédéterminée, comprise entre 8 et 14 Hz, de préférence égale à 10 Hz (comme indiqué sur les Figures) ; - la deuxième correspondant à des fréquences supérieures à cette valeur de seuil S. Sur les Figures, la première plage de fréquence a été limitée à l'intervalle [1 Hz, 10 Hz], et la deuxième a été limitée à l'intervalle [10 Hz, 20 Hz], ces intervalles étant estimés comme les plus importants dans le cadre de l'invention. Le domaine de fonctionnement en gain se situe: - pour la première plage de fréquence [0,S], qui correspond principalement à une plage d'amplification: entre la ligne droite horizontale à gain constant G1, et la ligne droite horizontale à gain constant G2, où G1 est inférieur à G2, G1 étant la valeur basse de gain et G2 étant la valeur haute de gain; pour la deuxième plage de fonctionnement, correspondant aux valeurs de fréquence supérieures à s et principalement à une plage d'atténuation: audessous d'une droite de pente (P) non nulle, négative, passant par le point de coordonnées (S, G2). Concernant la phase 0 de la fonction de transfert T (f), le domaine de fonctionnement est défini de la façon suivante: - pour la première plage de fonctionnement [0,S] . le domaine de fonctionnement est compris entre les deux 30 lignes horizontales à phase constante, correspondant respectivement à une valeur basse 01 et à une valeur haute 02, avec 01 Pour obtenir les caractéristiques désirées de la fonction de transfert T (f), c'est-à-dire pour que les courbes de Bode caractéristiques de cette fonction de transfert se situent à l'intérieur des domaines de fonctionnement définis ci-dessus, il s'est avéré que la fonction de transfert H(f) associée au circuit 31 pouvait être avantageusement de la forme suivante: i=n EbiJ 10 H (f) = =n i=n Eaif i i=n où n est un entier > _ 3, et où les coefficients ai et bi sont choisis pour chaque type de véhicule, et pour chaque ensemble de valeurs définissant les domaines de fonctionnement recherchés, à savoir S, G1, G2, P, 01, et 02. Ces domaines de fonctionnement peuvent être définis pour plusieurs conditions-types. Les domaines de fonctionnement qui ont été représentés sur les Figures ont par exemple été définis pour un véhicule particulier, et pour une intensité d'efforts appliqués sur la crémaillère variant entre -50 daN et +50 daN, en condition de volant bloqué. Il est important de noter que la fonction d'atténuation-amplification des filtrage des vibrations transitant par la colonne de direction est réalisée par des moyens électroniques de traitement de signal agissant sur une variable de régulation, qui est ici le couple-volant. L'apport de ces moyens électroniques de traitement dans les dispositifs d'assistance électrique, et plus généralement dans les ensembles de direction existant actuellement, ne représente aucun surcoût significatif. En particulier, la fonction d'atténuation/amplification des vibrations par les moyens définis dans l'invention n'implique aucun moyen mécanique ou électromécanique additionnel. En outre, l'invention peut être adaptée à un grand nombre de directions assistées électriques existantes. La fonction d'atténuation/amplification des vibrations transitant par la colonne de direction, dans les conditions exposées dans la description qui précède, permet d'atteindre un haut niveau de sécurité ainsi qu'un haut niveau d'agrément de conduite. 2867437 12 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'assistance électrique de direction de véhicule automobile, comprenant: - un moteur électrique (15) dont l'arbre de sortie (18) est destiné à être relié à l'arbre de direction (4) du véhicule, de façon à fournir une assistance au braquage du volant (2) en exerçant sur l'arbre de direction (4) un couple d'assistance, un effort de braquage résultant étant transmis à des roues directrices par l'intermédiaire d'un mécanisme d'orientation (10, 11), - un premier capteur (21) mesurant un premier paramètre (P1) de fonctionnement du véhicule, significatif du couple-volant appliqué sur l'arbre de direction (4), - un deuxième capteur (22) mesurant un deuxième paramètre (P2) de fonctionnement et/ou d'état du véhicule, et - un organe de calcul (30) ayant au moins une première et une deuxième entrées, reliées respectivement au premier (21) et au deuxième (22) capteurs, et ayant une sortie reliée au moteur électrique (15) et délivrant à ce dernier un signal de consigne de couple d'assistance (C) représentatif d'une valeur calculée en appliquant aux valeurs d'entrée des lois de commande pré-enresgistrées, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (31) pour atténuer, respectivement amplifier, de façon sélective, dans des plages de fréquence prédéterminées, les phénomènes vibratoires sur le couple-volant, lesdits moyens (31) fonctionnant par traitement du signal transmis à la première entrée de l'organe de calcul (30). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (31) sont adaptés pour atténuer les phénomènes vibratoires sur le couple-volant dans des fréquences supérieures à une valeur de seuil (S) prédéterminée. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite valeur de seuil (S) est comprise entre 8 et 14 Hz, de préférence égale à 10 Hz. 4. Dispositif suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits moyens (31) comprennent un circuit (31) de traitement de signal dont l'entrée est reliée au premier capteur (21) et la sortie est reliée à la première entrée de l'organe de calcul (16), ledit circuit appliquant au signal d'entrée représentatif de la valeur de couple-volant mesurée, une fonction de transfert de la forme i=n i=n i=n aiJ où f est la fréquence, n est un entier supérieur ou égal à 3, et dans laquelle les coefficients ai, bi sont choisis de telle façon que la fonction de transfert (T(f)), ayant pour entrée l'effort résultant appliqué au mécanisme d'orientation (10, 11) et pour sortie le couple-volant, présente une courbe de Bode représentative suivant laquelle: - dans une plage de fréquence (f) comprise entre 0 et ladite valeur de seuil (S), le gain (G) varie avec la fréquence entre une valeur basse (G1) et une valeur haute de gain (G2) constantes, - pour des fréquences (f) supérieures à ladite valeur de seuil (S), le gain (G) varie avec la fréquence (f), en restant inférieur à une valeur maximale variant elle-même linéairement avec la fréquence de façon décroissante, selon une pente (P) prédéterminée, non nulle, à partir de ladite valeur haute (G2). 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les coefficients ai, bi sont choisis de telle façon que la fonction de transfert (T(f)), ayant H (f) = pour entrée l'effort résultant appliqué au mécanisme d'orientation (10, 11) et pour sortie le couple-volant, présente une courbe de Bode représentative de phase suivant laquelle: - dans la plage de fréquence (f) comprise entre 0 et ladite valeur de seuil (S), la phase (0) varie avec la fréquence (f) entre une valeur basse de phase (01) strictement inférieure à 0 et une valeur haute de phase (02), inférieure ou égale 0, de préférence nulle, - pour des fréquences (f) supérieures à ladite valeur de seuil (S), la phase (0) reste inférieure à ladite valeur haute de phase (02). 6. Ensemble de direction de véhicule automobile, comprenant un arbre de direction (4), un dispositif (12) d'assistance électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, relié à l'arbre de direction (4) de façon à fournir une assistance au braquage du volant (2) en exerçant sur l'arbre de direction (4) un couple d'assistance, un mécanisme d'orientation (10, 11) relié à l'arbre de direction (4) et au dispositif d'assistance (2), et par l'intermédiaire duquel est transmis un effort résultant de braquage à des roues directrices (9). 7. Véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de direction suivant la revendication 25 6. 10