Brevet FR2886266A1 — publié le 20061201

Dispositif de restitution d'un effort de butée dans un système de direction découplée d'un véhicule automobile. L'invention concerne un dispositif de restitution de l'effort de butée dans un système de direction découplée pour un véhicule automobile. Dans les systèmes de direction classiques avec une colonne de direction reliant mécaniquement les roues avec le volant, la restitution au conducteur des sensations de conduite se fait, entre autre, via les roues, la colonne et le volant relié à cette dernière. Dans les véhicules à direction découplée, appelée également Steer by wire , le volant de direction n'est plus relié mécaniquement aux roues directrices. Un arbre de volant, sur lequel le volant est fixé, est monté rotatif sur un support fixe. Un capteur d'angle de volant est monté sur le support et donne une information de position angulaire du volant, et des actionneurs, qui peuvent être hydrauliques ou électriques, agissent pour déterminer la position des roues directrices en fonction de l'information de position du volant. Le lien mécanique entre le volant et les roues étant supprimé, on utilise un dispositif de restitution d'efforts lié à l'arbre de volant pour appliquer un couple de restitution adapté pour que le conducteur ressente une résistance qui se rapproche de celle qu'il ressentirait avec un système à direction mécanique. Un tel dispositif de restitution est généralement composé d'un système actif de type moteur électrique pour fournir le dit couple, et donc fournir au conducteur les informations qui lui sont nécessaires pour sa conduite en roulage ou en parking. Pour compléter cette information, il est aussi nécessaire que le dispositif de restitution puisse signaler au conducteur lorsque les roues directrices du véhicule sont en butées. Le couple nécessaire pour restituer ces butées étant très supérieur à celui nécessaire dans les autres situations de conduite, la mise en place de butées mécaniques sur l'arbre de volant permet d'éviter un surdimensionnement du moteur électrique de restitution, qui serait sinon nécessaire pour fournir le couple élevé représentatif d'un blocage par arrivée en butée. D'autre part, on sait que les systèmes à direction découplée permettent une variation du rapport entre l'angle de rotation du volant et l'angle de pivotement des roues, par exemple pour adapter ce rapport en fonction des conditions de conduite. Il en résulte que les butées du volant doivent pouvoir être variables, de manière à accommoder le fait que, alors que l'angle maximum de pivotement des roues est fixe, l'angle maximum de rotation du volant peut varier en fonction du dit rapport entre l'angle du volant et l'angle de pivotement des roues. Le document EP-1205372 décrit un système qui vise à répondre à ce besoin, par l'utilisation d'un train épicycloïdal raccordé sur l'arbre de volant et qui agit comme un réducteur variable entre l'arbre de volant et des moyens de butée mécanique comportant un doigt de butée rotatif coopérant avec une butée fixe, pour modifier la position relative entre le volant et les dits moyens de butée en fonction du rapport entre l'angle du volant et l'angle de pivotement des roues. Pour cela, le calculateur électronique qui commande le pivotement des roues en fonction de la position du volant, et qui détermine donc le rapport entre l'angle du volant et l'angle de pivotement des roues, pilote également un moteur électrique qui agit sur un des éléments du train épicycloïdal pour faire varier l'angle de rotation entre l'arbre de volant et le doigt de butée rotatif. Ce système présente cependant l'inconvénient d'utiliser un réducteur coûteux, qui peut être source de bruits. De plus, il peut être difficile de piloter correctement l'angle de butée. La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes et vise en particulier à s'affranchir de l'utilisation d'un moteur électrique supplémentaire, s'ajoutant au moteur de restitution de couple et étant spécifiquement dédié uniquement à la gestion des butées, en remplaçant ce moteur par un autre actionneur moins coûteux et de mise en oeuvre moins compliquée. Elle vise aussi à éviter les bruits parasites pouvant survenir, notamment lors de l'arrivée en butée. Elle vise encore à réduire le coût par suppression d'un réducteur complexe. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif de restitution de l'effort de 2886266 4 butée dans un système de direction découplée pour un véhicule automobile, comportant un arbre de volant sur lequel un volant de direction est fixé et qui est monté rotatif par rapport à un bâti fixe, et un système de butée de rotation agencé pour fournir une ou des butées aptes à s'opposer à une rotation volant, les positions du volant dans lesquels les dites butées limitent la rotation du volant étant ajustables. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce que système de butée comporte un premier élément lié en rotation à l'arbre du volant et un deuxième élément lié en rotation au bâti fixe, et des moyens de liaison en rotation agencés pour lier mécaniquement temporairement les dits premier et deuxième éléments en rotation, et des moyens d'actionnement pour commander un engagement ou un dégagement des dits moyens de liaison en fonction d'un signal de commande élaboré par un calculateur à partir d'un signal d'indication de butée de pivotement des roues du véhicule. Ainsi, il suffit de commander les moyens d'actionnement, lorsque les roues du véhicule arrivent en butée de pivotement, pour engager les premier et deuxième éléments ensemble, et procurer ainsi l'effet de butée recherché, indépendamment de la position en rotation du volant. La butée de pivotement est en fait définie par un angle de pivotement maximum prédéfini. Le dégagement de la butée se fait à partir de la mesure d'un effort appliqué sur le volant par le conducteur, et à partir duquel on détermine sa volonté de sortir de la position de butée. L'invention permet de remplacer les systèmes compliqués et coûteux de réducteurs et moteurs complémentaires selon l'art antérieur, par un système simple et économique, facilement adaptable sur l'arbre de volant ou sur un arbre quelconque lié en rotation au volant, tel que l'arbre d'un moteur de restitution d'effort. Selon une disposition préférentielle, les dits premier et deuxième éléments ont des parties frontales respectives qui sont situées en face l'une de l'autre et les moyens de liaison en rotation comportent des organes de liaison agencés sur les dites faces frontales pour coopérer entre eux pour lier les dits premier et deuxième éléments en rotation lorsque les dites parties frontales sont approchées l'une contre l'autre par les moyens d'actionnement. Cette disposition permet de placer le dispositif en extrémité d'arbre, dans l'alignement axial de celui-ci, et en limitant l'encombrement supplémentaire requis. Selon un premier mode de réalisation, le premier élément est fixe sur l'arbre du volant ou sur un arbre secondaire lié en rotation à l'arbre du volant, et le deuxième élément est coulissant axialement par rapport au bâti, les moyens d'actionnement agissant sur le dit deuxième élément pour le déplacer axialement. Alternativement, le premier élément peut être monté coulissant axialement sur l'arbre du volant ou sur un arbre secondaire lié en rotation à l'arbre du volant, et le deuxième élément est alors fixe par rapport au bâti, les moyens d'actionnement agissant sur le dit premier élément pour le déplacer axialement. Quel que soit le cas, les moyens d'actionnement seront préférentiellement fixés sur le bâti fixe, pour éviter l'ajout d'inertie en rotation et le passage de l'énergie de commande des dits moyens d'actionnement sur un système tournant. Selon une autre disposition préférentielle, les organes de liaison comportent des dents, au moins un des éléments comportant une pluralité de dents réparties angulairement sur sa surface frontale, ceci afin de permettre d'assurer la butée du volant dans le maximum de positions possibles en rotation. Pour faciliter l'engagement et le dégagement des dents leur section sera préférentiellement de forme triangulaire, cette forme n'étant nullement limitative, de même que la matière de ces dents qui peuvent être réalisées en métal ou plastique dur, composite, kevlar , nylon , etc. Préférentiellement encore, la liaison en rotation d'au moins un des premier et deuxième éléments avec l'arbre ou le bâti est assurée par un moyen d'amortissement, qui permet de restituer la sensation de "ressort" d'une butée d'un système de direction classique, ainsi que d'amortir les chocs de mise en butée et de réduire les bruits en résultant. Un tel moyen amortissant, par sa capacité de déformation, permet aussi d'éviter d'avoir un système hyperstatique qui pourrait rester bloqué sous effort malgré une demande de désolidarisation des moyens d'actionnement. Selon une disposition particulière, le moyen d'amortissement comprend un premier jeu d'ailettes rigides solidaires d'un des éléments et imbriquées avec les ailettes d'un deuxième jeu d'ailettes rigides solidaires de l'arbre, ou du bâti, l'ensemble des ailettes étant noyé dans une pièce d'amortissement en caoutchouc ou matériau déformable similaire. Cette disposition permet d'avoir à la fois un amortissement au moment de la mise en butée du volant, et une butée mécanique positive au final, lorsque le matériau déformable arrive au maximum de ses capacités de déformation en compression. Selon un premier mode de fonctionnement des moyens d'actionnement, le dispositif comporte des moyens de rappel élastique agencés pour maintenir les moyens de liaison en engagement, et les moyens d'actionnement sont agencés pour provoquer sur commande un dégagement des moyens de liaison, en agissant à l'encontre de l'effort exercé par les dits moyens de rappel. Avec ce mode de fonctionnement, le dispositif peut aussi être utilisé comme verrou électrique de la direction, et également sur un véhicule comportant une direction assistée électrique. Selon un deuxième mode de fonctionnement, des moyens de rappel élastique sont agencés pour maintenir les moyens de liaison en dégagement, et les moyens d'actionnement sont agencés pour provoquer sur commande un engagement des moyens de liaison, en agissant à l'encontre de l'effort exercé par les dits moyens de rappel. Selon d'autres dispositions particulières: - les moyens d'actionnement comportent un électro-aimant. - l'élément coulissant est lié en rotation par des rainures ou cannelures. - le premier élément et le deuxième élément sont guidés axialement l'un par rapport à l'autre par une tige axiale de guidage d'un élément inséré à coulissement dans un alésage axial de l'autre élément. Selon une variante de réalisation, les moyens de liaison en rotation comportent un verrou mobile radialement et lié en rotation à un des premier et deuxième éléments, et agencé pour coopérer, sous l'effet des moyens d'actionnement, avec des dentures réparties circonférentiellement à la périphérie de l'autre élément. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un dispositif de restitution de l'effort de butée conforme à l'invention, et de diverses variantes de réalisation. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale du dispositif, - la figure 2 est une représentation schématique d'un premier mode d'implantation du dispositif sur l'arbre du volant de direction, - les figures 3 et 4 représentent deux variantes d'implantation possibles, - les figures 5 à 7 illustrent les formes et disposition des moyens de liaison du dispositif, la figure 8 est une représentation en coupe transversale des moyens d'amortissement, - la figure 9 est un graphique représentant les variations du couple ressenti sur le volant en fonction de sa position par rapport à la butée, - la figure 10 illustre une variante de réalisation des moyens d'actionnement, - la figure 11 illustre une variante de fonctionnement des moyens d'actionnement, - la figure 12 illustre schématiquement une variante selon laquelle l'élément mobile axialement est mobile sur l'arbre du volant, la figure 13 illustre une variante dans laquelle la butée est fournie par un verrou se déplaçant radialement. Le dispositif 1 de restitution de l'effort de butée, représenté figure 1 est monté entre l'extrémité d'un arbre, qui peut être directement l'arbre 2 du volant 3 ou l'arbre 4 du moteur 5 de restitution d'effort, comme on va le voir par la suite, et un bâti fixe 6. La figure 2 illustre le cas d'un montage du dispositif 1 directement sur l'extrémité de l'arbre 2 du volant 3, le moteur 5 de restitution de l'effort au volant restant disposé de manière classique et lié en rotation à l'arbre 2 du volant par un réducteur 7. Un avantage de cette disposition est que l'utilisation du dispositif n'est pas alors limitée à une architecture mécanique où un moteur entraîne le volant, et peut donc en particulier être envisagée dans des solutions de restitution de l'effort au volant semi-passives (actionneur n'agissant pas directement sur le volant) ou passive (sans actionneur).Un autre avantage est que les efforts liés à la restitution des butées ne passent pas par le réducteur qui n'a donc pas besoin d'être dimensionné pour ceux-ci mais seulement pour ceux nécessaire à la restitution en roulage et en parking. Par contre, le dispositif ne bénéficiant pas alors de la réduction de couple offerte par le réducteur 7, le couple de dimensionnement du système est important (typiquement supérieur à 3ONm), et en conséquence l'encombrement du dispositif peut être important. Les figures 3 et 4 illustrent le cas d'un montage du dispositif 1 sur l'une et l'autre extrémité de l'arbre 4 du moteur de restitution 5. Les avantages de cette disposition sont que le dispositif bénéficie alors du système de réducteur, et les efforts de butée nécessaires sont divisés par le rapport de réduction du réducteur 7 au rendement prés, et donc le volume du dispositif est plus petit. Par ailleurs, le dispositif peut être inclus dans la conception et la réalisation du dispositif de restitution d'effort au volant, permettant ainsi d'avoir un ensemble "prêt à monter". Par contre, cette configuration nécessite un système de restitution actif avec un moteur 5 électrique lié au volant, via un réducteur ou non. Le dispositif 1 dans son mode de réalisation représenté figure 1 comprend: - un premier élément 10 lié en rotation et en translation à l'arbre du volant 2, par l'intermédiaire d'un moyen d'amortissement 14, - un deuxième élément 20 lié en rotation au bâti fixe 6, et coulissant axialement par rapport au bâti, - des moyens 30 de liaison en rotation agencés pour pouvoir lier temporairement les dits premier 10 et deuxième 20 éléments en rotation, - des moyens d'actionnement 40 agissant sur le deuxième élément 20 pour le déplacer axialement pour commander un engagement des moyens de liaison en fonction d'un signal de commande élaboré par un calculateur, non représenté, à partir d'un signal d'indication de butée de pivotement des roues du véhicule. Les moyens 30 de liaison en rotation comportent des organes de liaison, constitués de jeux de dents 31 agencées respectivement sur des parties frontales 11 et 21, situées l'une en face de l'autre, des deux éléments 10 et 20, pour coopérer entre elles pour lier ces deux éléments en rotation lorsque les parties frontales 11, 21 sont amenées l'une contre l'autre par les moyens d'actionnement 40. Les figures 5 à 6 illustrent un mode de réalisation par exemple de la partie frontale 11, dont les dents 31 de section triangulaire, sont réparties angulairement, comme on le voit figure 5, la figure 6 montrant la dite partie frontale vue de côté. De plus les deux éléments 10 et 20 sont aussi guidés axialement l'un par rapport à l'autre par une tige axiale 22 du deuxième élément insérée à coulissement dans un alésage axial 12 du premier élément. La partie frontale 11 du premier élément 10 est liée par les moyens d'amortissement 14 à un flasque 13 qui est lui-même maintenu sur l'extrémité l'arbre 2 par exemple par une goupille 21. Les moyens d'amortissement 14, représentés schématiquement en coupe transversale figure 8, comportent un premier jeu d'ailettes rigides 141 solidaires de la partie frontale 11 et imbriquées entre les ailettes d'un deuxième jeu d'ailettes rigides 142 solidaires du flasque 13 lié à l'arbre 2. L'ensemble des ailettes 141, 142 est noyé dans une pièce d'amortissement 143 en caoutchouc. Comme on le comprendra aisément, cet agencement permet d'obtenir une certaine souplesse autorisant un pivotement relatif de la partie frontale 11 et du flasque 13 sous l'effet du couple exercé lors de l'engagement des dents des deux éléments 10 et 20 lors de l'arrivée en butée de rotation, ce qui permet d'amortir cette arrivée en butée, tout en offrant une grande rigidité ensuite après la torsion, et la compression entre les ailettes, de la pièce d'amortissement sous l'effet du dit pivotement relatif. L'intérêt de ces moyens d'amortissement est illustré par le graphique de la figure 9, qui montre à titre d'exemple les variations du couple au volant en fonction de son angle de rotation, à l'approche de la butée. Le tracé 91 correspond à l'évolution du couple pour une vitesse angulaire du volant de 200 /seconde, et le tracé 92 correspond à une vitesse angulaire sensiblement plus élevée, de 700 /seconde. Le guidage en translation et l'immobilisation en rotation du deuxième élément 20 par rapport au guide est assurée par des rainures ou cannelures 23 réalisées respectivement sur un fut 24 du deuxième élément et dans un alésage d'un guide 61 fixé sur le bâti par exemple par des vis 62. Un ressort de rappel 25 travaillant en compression est placé autour du fut 24 du deuxième élément 20, entre une rondelle 26 fixée sur l'extrémité du fut et la plaque de fixation 63 du guide, pour rappeler le deuxième élément 20 dans sa position, représentée figure 1, dégagée par rapport au premier élément 10. Le guide rainuré 61 est préférentiellement réalisé au moins en partie dans un matériau favorable au coulissement, par exemple en téflon , et les rainures pourront être de forme triangulaire pour éviter les jeux et les bruits. Les moyens d'actionnement 40 comportent typiquement un actionneur électromagnétique, réalisé sous la forme d'une bobine 41 d'électroaimant placée autour du guide 61 et fixée sur celui-ci. La bobine 141 est donc fixe par rapport au bâti 6 et agit sur l'élément 20, réalisé au moins partiellement à cet effet en métal magnétique, pour le faire coulisser axialement dans le guide 61, à l'encontre de l'action du ressort 25. Dans le cas de l'exemple présenté figure 1, l'enclenchement de la butée nécessite l'alimentation de la bobine 41, et c'est le ressort qui assure le dégagement des moyens de liaison 30 lorsque l'alimentation de la bobine est supprimée. La rondelle 26 sera alors en matériau magnétique et la partie frontale 21 sera dans un matériau non magnétique. Dans la variante présentée figure 11, les moyens de liaison 30 sont en prise au repos, sans alimentation de la bobine, du fait de l'effort exercé par le ressort 25 placé à cet effet, dans ce cas, de l'autre côté du guide 61, c'est à dire entre le dit guide 61 et la partie frontale 21 du deuxième élément. Dans ce cas, le déverrouillage de la butée nécessite l'alimentation de la bobine 41, la partie frontale 21 étant alors en un matériau magnétique. Afin d'avoir un système plus robuste aux défaillances, une variante mettant en uvre une redondance de la partie active de l'actionneur peut être envisagée. Un premier mode de réalisation de cette redondance consiste à procéder à un bobinage croisé de la bobine 41 permettant d'avoir, dans le même emplacement deux bobinages pour le même circuit magnétique et ainsi une redondance intrinsèque. Cette disposition présente l'avantage d'un bobinage deux fils en main, facile à mettre en uvre, sans modification du circuit magnétique, mais dans le cas par exemple d'un échauffement conduisant à la destruction d'un des bobinages, l'autre bobinage risque d'être aussi impacté. Un deuxième mode de réalisation de cette redondance consiste à superposer deux bobines identiques 41a, 41b, comme illustré figure 10, ce qui présente l'avantage d'une grande robustesse aux défaillances, du fait qu'il n'y a pas de mode commun entres les deux bobines. La figure 12 illustre encore une autre variante, dans laquelle le deuxième élément 20 et sa partie frontale 21 sont fixes par rapport au bâti, liés à celui ci par des moyens d'amortissement 28, et le premier élément 10 est monté coulissant sur l'arbre 2 du volant ou l'arbre du moteur de restitution d'effort. Le système d'actionnement 40 est fixé sur le bâti 5, et agit sur le dit premier élément 10, pour l'engager ou le dégager du deuxième élément 20. La figure 13 illustre encore une autre variante selon laquelle les moyens de liaison en rotation comportent un verrou 35 mobile radialement et lié en rotation à un des premier et deuxième éléments, et agencé pour coopérer, sous l'effet des moyens d'actionnement, avec des dentures 36 réparties circonférentiellement à la périphérie d'une bague 37 liée en rotation à l'autre élément. L'invention n'est pas limitée aux différents exemples et variantes de réalisation décrits ci-dessus. En particulier, la liaison de l'élément fixe en translation axiale sur l'arbre ou le bâti pourrait aussi être rigide, c'est à dire sans organe d'amortissement. D'autres moyens d'actionnement que les bobines d'électroaimant pourraient aussi être utilisés. REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) de restitution de l'effort de butée dans un système de direction découplée pour un véhicule automobile, comportant un arbre de volant (2) sur lequel un volant de direction (3) est fixé et qui est monté rotatif par rapport à un bâti fixe (6), et un système de butée de rotation agencé pour fournir une ou des butées aptes à s'opposer à une rotation volant, les positions du volant dans lesquels les dites butées limitent la rotation du volant étant ajustables, caractérisé en ce que le système de butée comporte un premier élément (10) lié en rotation à l'arbre du volant et un deuxième élément (20) lié en rotation au bâti fixe (6), et des moyens de liaison en rotation (30) agencés pour pouvoir lier temporairement les dits premier et deuxième éléments en rotation, et des moyens d'actionnement (40) pour commander un engagement ou un dégagement des dits moyens de liaison en fonction d'un signal de commande élaboré par un calculateur à partir d'un signal d'indication de butée de pivotement des roues du véhicule. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits premier et deuxième éléments ont des parties frontales (11, 21) respectives qui sont situées en face l'une de l'autre et les moyens de liaison en rotation (30) comportent des organes de liaison (31) agencés sur les dites parties frontales pour coopérer entre eux pour lier les dits premier et deuxième éléments en rotation lorsque les dites parties frontales sont approchées l'une contre l'autre par les moyens d'actionnement (40). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément (10) est fixe sur l'arbre (2) du volant ou sur un arbre secondaire (4) lié en rotation à l'arbre du volant, et le deuxième élément (20) est coulissant axialement par rapport au bâti (6), les moyens d'actionnement (40) agissant sur le dit deuxième élément (20) pour le déplacer axialement. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément (10) est coulissant axialement sur l'arbre du volant (2) ou sur un arbre secondaire (4) lié en rotation à l'arbre du volant, et le deuxième élément (20) est fixe par rapport au bâti (6), les moyens d'actionnement (40) agissant sur le dit premier élément (10) pour le déplacer axialement. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les organes de liaison comportent des dents (31), au moins un des éléments comportant une pluralité de dents réparties angulairement sur la surface de sa partie frontale. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la section des dents (31) est de forme triangulaire. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison en rotation d'au moins un des premier et deuxième éléments (10, 20) avec l'arbre (2) ou le bâti (6) est assurée par un moyen d'amortissement (14, 28). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen d'amortissement (14) comprend un premier jeu d'ailettes rigides (141) solidaires d'un des éléments et imbriquées avec les ailettes (142) d'un deuxième jeu d'ailettes rigides solidaires de l'arbre (2), ou du bâti, l'ensemble des ailettes étant noyé dans une pièce d'amortissement (143) en caoutchouc. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de rappel élastique (25) agencés pour maintenir les moyens de liaison (30) en engagement, et les moyens d'actionnement (40) sont agencés pour provoquer sur commande un dégagement des moyens de liaison, en agissant à l'encontre de l'effort exercé par les dits moyens de rappel. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de rappel élastique (25) agencés pour maintenir les moyens de liaison (30) en dégagement, et les moyens d'actionnement (40) sont agencés pour provoquer sur commande un engagement des moyens de liaison, en agissant à l'encontre de l'effort exercé par les dits moyens de rappel. 11. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement comportent un électro-aimant (41). 12. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément coulissant (20) est lié en rotation par des rainures ou cannelures (23). 13. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément (10) et le deuxième élément (20) sont guidés axialement l'un par rapport à l'autre par une tige axiale (22) de guidage d'un élément inséré à coulissement dans un alésage axial (12) de l'autre élément. 14. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de liaison en rotation comportent un verrou (35) mobile radialement et lié en rotation à un des premier et deuxième éléments, et agencé pour coopérer, sous l'effet des moyens d'actionnement, avec des dentures (36) réparties circonférentiellement à la périphérie de l'autre élément. 15. Utilisation d'un dispositif tel que défini dans la revendication 9 comme verrou électrique de la direction sur un véhicule comportant une direction assistée électrique.