Brevet FR2889150A1 — publié le 20070202

Dispositif de restitution d'effort au volant dans un système de direction découplée d'un véhicule automobile. L'invention concerne un dispositif de restitution d'effort au volant 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 positionner les 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 le mieux possible de celle qu'il ressentirait avec un système à direction mécanique. Un tel dispositif de restitution vise donc à fournir au conducteur les informations qui lui sont nécessaires pour sa conduite en roulage ou en parking. Le dispositif de restitution peut être un système mécanique passif ou un système actif, par exemple utilisant un moteur électrique pour fournir le dit 5 couple, ou une combinaison de ceux-ci. Le principe général d'un système passif est de fournir un effort résistant au couple de rotation exercé par le conducteur sur le volant, et visant par ailleurs à rappeler le volant dans une position stable correspondant à un roulage en ligne droite. Les systèmes actuels à came les plus simples ne permettent pas par exemple de fournir au conducteur une sensation différente selon que le véhicule est à l'arrêt ou en roulage. Des systèmes plus évolués le permettent, en utilisant des actionneurs hydrauliques (pompes, vannes, etc.), mais ils sont nettement plus complexes. Un système de ce type est décrit dans FR-A-2827250. Ce système se compose notamment d'un dispositif de retour d'effort qui comporte une came montée sur l'arbre du volant et entraînée en rotation par celui-ci, et coopérant avec un galet appuyé contre la cale par un ressort. Une rotation du volant provoque donc une rotation correspondante de la came et un effort variable, croissant avec l'angle de rotation. Ce dispositif vise aussi à ramener le volant dans une position d'équilibre, par l'effort radial du galet sur la came sous l'action du ressort. De plus, un dispositif complémentaire de frein magnéto-rhéologique monté sur l'arbre du volant permet d'ajouter un couple résistant supplémentaire, qui peut être piloté en fonction de l'angle du volant mais aussi de la vitesse du véhicule. On connaît aussi, notamment par le document EP-1332941, un autre dispositif combinant un système actif et un système passif. Le système actif comporte un moteur électrique piloté par un contrôleur en fonction notamment des efforts détectés au niveau des roues par des capteurs, pour restituer au volant un couple simulant les efforts exercés par la route sur les roues. Le moteur électrique permet aussi d'aider au retour en position de base du volant. Le système passif comporte, comme dans le cas du document précédent, une came entraînée en rotation par le volant et qui agit sur un poussoir à ressort, de sorte que le couple de retenue résultant de l'effort exercé par le poussoir et s'opposant à la rotation de la came, soit croissant en fonction de l'angle de rotation. Ces deux dispositifs, s'ils permettent de prendre en compte certains paramètres des interactions entre le volant, le véhicule et la route, ne permettent cependant pas d'adapter le couple de rappel en fonction de la vitesse du véhicule. La présente invention a pour but de résoudre notamment ce problème et de permettre de fournir au conducteur une sensation très proche de celle qu'il aurait avec un système de direction à liaison mécanique entre le volant et les roues. Elle vise aussi à assurer cette sensation en utilisant un système mécanique simple, pouvant être piloté de manière également simple en fonction de la vitesse du véhicule, ou de toute autre information adéquate souhaitée, et en garantissant une sûreté de fonctionnement optimale du système. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un dispositif de restitution d'effort au volant dans un système de direction découplée pour un véhicule automobile, le dispositif comportant une came entraînée en rotation par le volant selon un axe de came et un poussoir à ressort monté de manière à appuyer sur la came et exercer sur celle-ci un effort variable en fonction de l'angle de rotation de la came, caractérisé en ce que la came s'étend par ailleurs selon sa direction axiale sur une longueur déterminée et présente un profil variant continûment sur la dite longueur, et le poussoir à ressort est monté sur un chariot mobile sensiblement parallèlement à l'axe de rotation de la came et commandé en position sur la dite longueur par un actionneur Ainsi, en fonction de la position du chariot le long de l'axe de la came, le comportement du dispositif de restitution d'effort pourra être adapté, tant dans l'intensité du couple ressenti au volant, que dans la manière dont ce couple varie en fonction de l'angle de rotation du volant, et aussi dans l'effort de rappel du volant. La came selon l'invention agit donc comme s'il y avait une pluralité de cames de type antérieur, empilées selon l'axe de rotation de la came, chaque came ayant son profil propre et définissant donc un mode de restitution d'effort particulier. Il suffit donc de placer le poussoir en correspondance avec le profil de came adapté à la situation particulière du véhicule. Le fait que le profil varie de manière continue permet de déplacer le poussoir sans discontinuité, et ainsi d'assurer une variation continue de l'effort au volant ou du rappel, à position angulaire du volant fixe, l'effort ou le rappel ne variant qu'en fonction des paramètres choisis pour déterminer la position du chariot, en particulier en fonction de la vitesse du véhicule. Les différents profils de la came seront définis de manière à permettre de restituer un effort au volant et un rappel de volant très proches des systèmes de direction conventionnels, c'est à dire pas de rappel à l'arrêt du véhicule, avec un effort quasiment constant sur toute la course de braquage, et ensuite un effort qui évolue en fonction de l'angle de braquage et de la vitesse véhicule, avec un rappel en roulage vers un point milieu stable correspondant à un roulage en ligne droite. Le système est du type passif, dans le sens où il ne peut qu'emmagasiner de l'énergie dans la phase de braquage, en comprimant le ressort du poussoir, et la restituer dans la phase de retour vers le dit point milieu. Il n'y a pas d'apport d'énergie extérieur au système, hormis celui nécessaire au déplacement du poussoir le long de la came. Le système étant passif, il n'y a pas de risque que le volant tourne tout seul, et pas de risque d'emballement possible. L'effort ressenti est connu et associé à un comportement mécanique parfaitement maîtrisé. Un autre avantage du système est qu'il ne nécessite pas de grande précision et qu'il présente une dynamique faible sur l'actionneur de positionnement du poussoir. Selon une disposition particulière, l'actionneur entraîne le chariot par un système d'entraînement réversible, et le dispositif comporte un moyen de rappel élastique agissant sur le chariot pour ramener le chariot dans une position de repos en cas de défaillance de l'actionneur, cette position intermédiaire de repos étant déterminée de manière à garantir un comportement sain au niveau véhicule, en particulier assurant l'autoalignement du véhicule, c'est à dire le retour du volant à son point milieu. Selon une disposition particulière, le dispositif comporte des moyens pour faire varier la position du chariot en fonction de différents paramètres mesurés sur le véhicule et notamment de la vitesse du véhicule, comme on le verra par la suite. Le profil de la came, dans le plan transversal contenant le poussoir lorsque le chariot est dans la position de repos, est ainsi déterminé de façon à garantir une loi de restitution sûre, c'est à dire à fournir un effort qui soit croissant en fonction de l'angle de rotation du volant à partir d'un point milieu stable correspondant à un roulage en ligne droite, et à rappeler le volant vers le dit point milieu si le volant est lâché. Selon une autre disposition, le profil de la came vers une première extrémité, est sensiblement circulaire et centré sur l'axe de rotation de la came, de manière que, lorsque le chariot est commandé pour que le poussoir soit au niveau de cette extrémité, il n'y ait sensiblement pas de rappel du volant. Le chariot sera commandé pour être dans cette position lorsque le véhicule est à l'arrêt, situation dans laquelle il n'y a pas de rappel du volant, et où l'effort à exercer sur le volant est sensiblement constant quelle que soit sa position angulaire. Vers une deuxième extrémité, le profil de la came est fortement excentré par rapport à l'axe de rotation de la came, de manière que, lorsque le chariot est commandé pour que le poussoir soit au niveau de cette deuxième extrémité, il y ait un effort de rappel maximal du volant. Le chariot sera commandé pour être dans cette position lorsque le véhicule roule à grande vitesse, situation dans laquelle un effort de rotation du volant doit être élevé pour éviter un braquage malencontreux à haute vitesse, et le rappel du volant doit être assuré de manière optimale pour maintenir le véhicule en ligne droite. Un système additionnel de butée de fin de course volant peut très facilement être adjoint au dispositif de restitution, sur l'arbre volant. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un dispositif conforme à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique du dispositif, - la figure 2 est une vue de la came seule, montrant les variations de son profil selon la direction axiale, - la figure 3 illustre les variations de couple au volant en fonction de son positionnement angulaire, - les figures 4 à 8 illustrent différentes variantes d'implantation du dispositif dans le mécanisme de direction. Le dispositif, tel qu'illustré figure 1, comporte le volant de direction 1 qui est monté sur un arbre 2a relié en rotation à l'arbre 2b d'une came 4. Les arbres 2a et 2b peuvent être reliés par un lien en élastomère 3 ou un capteur de couple. L'arbre 2b est monté libre en rotation par rapport à un support 20 relié à la caisse du véhicule, par l'intermédiaire de deux roulements lla et lib. La came 4 est montée rigidement liée à l'arbre 2b. Elle s'étend selon la direction axiale de son arbre 2b et comporte une partie de première extrémité 41 de forme sensiblement cylindrique, sur laquelle se relie une partie tronconique 42, en forme de cône oblique dont une génératrice 42a est sensiblement parallèle à la direction axiale AB. Vers sa seconde extrémité 43, opposée à l'extrémité 42, la came présente donc un profil sensiblement circulaire mais fortement décentré par rapport à l'axe AB de rotation de la came, comme on le voit bien figure 2. Un contrepoids d'équilibrage 12 est monté fixe sur l'arbre 2b, pour compenser et équilibrer le balourd global généré par l'excentration globale de la came 4. Un dispositif additionnel 13 peut être adjoint très simplement sur l'extrémité de l'arbre 2a de de la came, afin de gérer des butées de fin de course en rotation du volant. Un poussoir 5, monté sur un chariot 7 mobile parallèlement à l'axe AB de la came 4, est appuyé sur la came par l'intermédiaire du ressort 6. Le déplacement en translation du chariot 7 est assuré par un actionneur, tel qu'un moteur 9 monté sur le support 20 et entraînant en rotation la tige filetée 8 qui constitue la vis d'un système vis-écrou classique dont le chariot constitue l'écrou. Toutefois, tout autre système de transformation d'un mouvement de rotation en translation peut aussi être utilisé, voire même un système de moteur linéaire ou de vérin sur lequel serait directement monté le chariot ou le poussoir. Ainsi, en actionnant le moteur 9 pour déplacer le chariot 7 dans un sens ou dans l'autre, le poussoir 5 se déplace le long de la came 4. En fonction du point de contact entre le poussoir 5 et la came 4, et donc de la position du poussoir par rapport au chariot, dans la direction perpendiculaire à l'axe de la came, le ressort 6 est plus ou moins comprimé, et le poussoir exerce donc un effort plus ou moins important sur la came. C'est la compression du ressort 6 en fonction du profil de la came qui génère un effort au volant, qui varie d'une part en fonction de l'angle de braquage, en conséquence de la forme du profil de la came dans le plan transversal contenant le point de contact entre poussoir et came, et d'autre part en fonction de la position du chariot 7. La position du chariot 7 peut par exemple être 5 fonction de la vitesse du véhicule. La figure 3 montre à titre d'exemple les variations du couple résistant au volant en fonction de l'angle de rotation, en trois positions le long de la came 4: - dans la position 1, le poussoir est situé vers la première extrémité 41 de la came 4, soit sur une zone de profil sensiblement circulaire, prévue pour restituer au volant un effort et un rappel similaires à ce qui est ressenti avec une direction traditionnelle lorsque le véhicule est à l'arrêt. Le couple résistant est alors sensiblement constant quelle que soit la position angulaire du volant, et il n'y a pas de rappel vers la position milieu correspondant à une trajectoire rectiligne du véhicule. - dans la position 3, située vers la deuxième extrémité de la came 4, la forte excentration du profil de came provoque d'une part un couple résistant au volant fortement croissant en fonction de l'angle de rotation, et un rappel du volant vers sa position milieu, correspondant à un contact du poussoir sur la génératrice 42a parallèle à l'axe AB, où la compression du ressort 6 est minimale. Cette position est adaptée lorsque le véhicule roule à vive allure. - dans la position intermédiaire 2, adaptée pour un roulage à vitesse peu élevée, l'effet de rappel subsiste, avec une intensité moindre, de même que le 35 couple résistant est croissant avec l'angle de rotation du volant, mais de manière moins accentuée que dans la position 3. De manière complémentaire, dans l'exemple présenté figure 1, le chariot 7 est également relié au support 20 par l'intermédiaire d'un ressort 10 qui assure le rappel du chariot 7 dans une position intermédiaire de repos en cas de défaillance de l'actionneur. Le rôle du ressort 10 est de garantir que, en cas de défaillance de l'actionneur, le poussoir revienne dans une position longitudinale, définie par le plan transversal T, telle que le profil de la came dans ce plan T assure une loi de restitution de refuge (par exemple un effort variable en fonction du braquage et rappel du volant vers le point milieu). Cependant, une variante sans dispositif de repositionnement du chariot 7 en cas de défaillance de l'actionneur reste possible. Le poussoir 5 peut être constitué par un matériau de type polymère ou de plastique dur, apte à réduire les frottements sur la came. Il peut notamment être conçu de façon à réduire les frottements avec la came essentiellement dans le sens longitudinal, c'est à dire le sens de déplacement du poussoir, afin de réduire les efforts au niveau de l'actionneur. Il peut aussi présenter un frottement calibré dans le sens de rotation de la came afin d'ajouter un couple au volant résistant complémentaire à celui provenant de l'appui du poussoir 5 sous l'effet du ressort 6. Outre la continuité macro- géométrique de la surface de la came 4 assurant un passage continu d'un profil de came à l'autre et cela sur toute la longueur axiale de la came, l'usinage de la surface de la came 4 requiert une rugosité très faible afin que celle-ci ne soit pas perçue au volant par des variations d'effort au passage du poussoir sur une imperfection de surface. Comme indiqué précédemment, l'actionneur de commande du déplacement du chariot 7 est un moteur rotatif, en particulier un moteur électrique à courant continu, pas-à-pas ou sans balais, qui peut entraîner le chariot par l'intermédiaire d'un réducteur à engrenage, à train épicycloïdal, à vis sans fin, etc. L'arbre de sortie de l'actionneur entraîne un réducteur rotation/translation tel que la vis d'un système vis/écrou, avec ou sans bille, comme indiqué précédemment, ou le pignon d'un système à crémaillère, etc., pour provoquer le déplacement en translation du chariot 7. Préférentiellement, le moteur sera un moteur pas à pas, qui permet de déplacer l'organe entraîné de manière discrète selon une séquence connue. Compte tenu de la structure de l'invention, les efforts au niveau du moteur sont connus et ne subissent pas de dépassement non contrôlé. Ce type de moteur peut être utilisé avantageusement car sa position étant déterministe, elle ne nécessite pas de capteur particulier pour être connue. Il n'est pas nécessaire d'avoir une boucle de contrôle fermé, la position du moteur se fait en boucle ouverte, c'est à dire par envoi au moteur du nombre de pas de déplacement souhaité. L'ensemble de réduction ou de transmission du mouvement entre le moteur et le chariot 7 peut être réversible ou non. Toutefois, dans le cas, tel que présenté figure 1, où un ressort 10 est utilisé pour rappeler le chariot vers une position de repos, il est nécessaire d'avoir une transmission de mouvement réversible. L'actionneur 9 pourrait aussi être hydraulique ou pneumatique. Dans ces deux cas, le chariot 7 est directement fixé à l'axe de sortie linéaire de l'actionneur. Afin de pouvoir faire évoluer le couple au volant par une variation de la position du poussoir 5 sur la came selon la direction axiale AB, il est nécessaire de contrôler en position le chariot 7. Pour réaliser cette fonction plusieurs techniques sont possibles: - Mesure précise de la position linéaire absolue du chariot 7, - Mesure de la position linéaire absolue du chariot 7 au démarrage du calculateur, puis recalcul de cette position au cours du fonctionnement par un capteur rotatif de position relative au niveau du moteur 9. - Mesure de la position linéaire absolue du chariot 7 au démarrage du calculateur, puis positionnement d'un moteur pas à pas via un séquencement adéquat. - Etalonnage de la position du moteur 9 par une procédure de déplacement du chariot de butée à butée, puis calcul de la position du chariot 7 via un capteur rotatif de position relative au niveau du moteur 9. - Etalonnage de la position du moteur par une procédure de butée à butée, comme ci-dessus, puis positionnement d'un moteur pas à pas via un séquencement adéquat. Ce dernier cas ne nécessite aucun capteur de position. Il nécessite cependant d'avoir un bon dimensionnement du moteur et une bonne caractérisation des butées permettant l'étalonnage de la position du chariot 7. Les figures 4 à 8 illustrent différentes variantes d'implantation du dispositif dans le mécanisme de direction. Dans le cas de la figure 4, un réducteur 51, à train épicycloïdal par exemple, est monté entre l'arbre 2a du volant et l'arbre 2b de la came 4, de manière à permettre une course du volant sur plus d'un tour, alors que la rotation de la came 4 est nécessairement limitée à un demi-tour maximum de part et d'autre du point milieu. Dans le cas de la figure 5, un réducteur à engrenage 52 est utilisé, entre les arbres 2a et 2b désaxés parallèles. Dans le cas de la figure 6, l'entraînement de la came est assuré par un cardan 53 monté entre l'arbre 2a du volant et l'arbre 2b de la came. Dans le cas de la figure 7, les arbres du volant et de la came sont orthogonaux et reliés par un renvoi d'angle à engrenage 54. Dans le cas de la figure 8 enfin, un renvoi d'angle 25 55 est aussi utilisé , et la came est disposée à l'intérieur de ce renvoi d'angle, ce qui permet un montage plus compact. Ces différents exemples ne sont cependant nullement 30 limitatifs. 14 REVENDICATIONS 1. Dispositif de restitution d'effort au volant dans un système de direction découplée pour un véhicule automobile, le dispositif comportant une came entraînée en rotation par le volant (1) selon un axe de came (AB) et un poussoir (5) à ressort (6) monté de manière à appuyer sur la came et exercer sur celle-ci un effort variable en fonction de l'angle de rotation de la came, caractérisé en ce que la came (4) s'étend par ailleurs selon sa direction axiale (AB) sur une longueur déterminée et présente un profil variant continûment sur la dite longueur, et le poussoir (5) à ressort est monté sur un chariot (7) mobile sensiblement parallèlement à l'axe de rotation (AB) de la came et commandé en position sur la dite longueur par un actionneur (9). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur (9) entraîne le chariot (7) par un système (8) d'entraînement réversible, et le dispositif comporte un moyen de rappel élastique (10) agissant sur le chariot (7) pour ramener le chariot dans une position de repos en cas de défaillance de l'actionneur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le profil de la came (4), dans le plan transversal (T) contenant le poussoir (5) lorsque le chariot (7) est dans la position de repos, est déterminé de façon à fournir un effort qui soit croissant en fonction de l'angle de rotation du volant et à rappeler le volant en un point milieu stable correspondant à un roulage en ligne droite. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profil de la came (4) vers une première extrémité (41), est sensiblement circulaire et centré sur l'axe de rotation (AB) de la came, de manière que, lorsque le chariot (7) est commandé pour que le poussoir (5) soit au niveau de cette extrémité, il n'y ait pas de rappel du volant. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le profil de la came (4) vers une deuxième extrémité (43) est fortement excentré par rapport à l'axe (AB) de rotation de la came, de manière que, lorsque le chariot (7) est commandé pour que le poussoir (5) soit au niveau de cette deuxième extrémité, il y ait un effort de rappel maximal du volant. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour faire varier la position du chariot (7) en fonction de la vitesse du véhicule. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé 20 en ce qu'il comporte un contrepoids d'équilibrage (12) pour la compensation du balourd de la came (4). 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (13) de fin 25 de course de rotation du volant. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poussoir (5) est réalisé en un matériau apte à réduire les frottements sur la came. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le poussoir (5) est réalisé de manière à présenter au contact de la came (4) un frottement calibré dans le sens de rotation de la came. 11. caractérisé à pas. Dispositif selon la revendication 1, en ce que l'actionneur (9) est un moteur pas 12. caractérisé placé entre came. Dispositif selon la revendication 1, en ce qu'il comporte un réducteur (51, 52) l'arbre (2a) du volant et l'arbre (2b) de la