Brevet FR2896025A1 — publié le 20070713

SERVO-VANNE L'invention concerne une servo-vanne formée d'un servoactionneur comportant un moteur couple, un capteur de position angulaire et un dispositif de rappel élastique, associé à une tubulure de vanne obturable. La présente invention concerne le domaine des vannes de gaz motorisées. Elle trouve une application toute particulière dans la régulation des débits de gaz des moteurs à combustion interne. En l'état actuel, de par la nécessité de réduction des consommations et émissions polluantes des véhicules, le besoin de contrôle des débits circulants dans un moteur à combustion interne est croissant. Ce contrôle est réalisé grâce à des vannes motorisées commandées par le calculateur central. Grâce à l'amélioration des caractéristiques mécaniques à chaud des matières plastiques, ces vannes peuvent être réalisées en injection plastique. Généralement, ces vannes présentent une tubulure de passage du gaz, qui peut être obturée par un volet dit papillon , présentant un axe de rotation perpendiculaire à la tubulure. À l'heure actuelle, les vannes sont réalisées d'une part, les moteurs couples d'autre part et les deux sont assemblés par la suite. Cela requiert des formes particulières sur la vanne et sur le moteur couple de manière à positionner l'un par rapport à l'autre ainsi que des éléments de fixation. Ces formes impliquent un déport du moteur couple par rapport à la section de la vanne. La masse de l'ensemble étant concentrée principalement dans le moteur couple, il en résulte un grand porte-à-faux des masses ainsi que la nécessité d'avoir un axe long en sortie du moteur couple. Ce porte-à- faux est préjudiciable à la résistance aux vibrations de la vanne motorisée. La séparation du moteur couple et du corps de vanne induit la nécessité de caler la course du moteur couple à celle de la vanne. Dans de nombreux cas, des éléments de rappel élastiques (ressort de torsion) sont liés à l'axe du moteur couple de façon à assurer un retour en position en cas de défaillance (ouverture ou fermeture de la vanne). Généralement, ces dispositifs sont placés, ou bien entre le moteur couple et la vanne (ce qui augmente encore le porte-à-faux), ou bien à l'opposé de la tubulure de la vanne (ce qui implique un montage sur la vanne toute assemblée). Dans les deux types de montage, des pièces supplémentaires sont nécessaires, ainsi que des usinages ou opérations supplémentaires sur l'axe du moteur couple. De plus, il est souvent rajouté à l'ensemble formé par le moteur couple, la vanne et les éléments élastiques, un capteur de position placé en bout d'axe, de l'autre côté de la vanne. Ceci a pour conséquence de rallonger encore l'axe, ce qui augmente le porte-à-faux et nécessite de rajouter un palier. Le découplage du moteur couple et du corps de vanne impose l'ajout de joints d'étanchéité afin principalement d'éviter une infiltration liquide vers le conduit des gaz. Dans le cas où le ressort de rappel et/ou le capteur de position se situe(nt) à l'opposé de la vanne, il y a même nécessité de deux joints d'étanchéité. Le découplage de la partie vanne et du moteur couple génère donc de nombreux inconvénients. Certains moteurs couples voient leurs éléments magnétiques montés dans le corps d'une vanne comme dans les brevets Eaton : EP 1 134 383 A2 et US06541881. Ce type de construction permet certes de diminuer le porte-à-faux du moteur couple, mais ne délivre pas les avantages tirés du surmoulage du moteur couple. En effet, plus qu'une tenue mécanique ou une protection, le surmoulage du moteur couple permet d'améliorer considérablement ses performances. Le remplissage des cavités entre les bobines par du plastique permet une meilleure dissipation thermique et autorise donc des couples supérieurs. De manière préférentielle, ce surmoulage permet en outre de s'affranchir d'éléments de fixation entre les parties magnétiques et le corps de vanne. La présente invention décrit une servo-vanne composée d'une tubulure obturable et d'un servo-actionneur formé d'un moteur couple ayant une partie statorique et une partie rotorique, un capteur de position angulaire, un dispositif de rappel élastique, caractérisée en ce que le corps du servoactionneur et la tubulure obturable sont formés d'une seule pièce commune. Les avantages identifiés de cette solution sont . réduction du porte-à-faux de la servo-vanne et donc meilleure tenue aux vibrations, suppression des joints d'étanchéité entre l'axe et le milieu extérieur, réduction de l'encombrement, simplification de l'assemblage, amélioration du positionnement entre la course du moteur couple et la course de la vanne, réduction globale des coûts de production, possibilité de raccourcir l'axe. Préférentiellement, le rotor du moteur couple est constitué d'un aimant multipolaire, d'une culasse ferromagnétique, d'une butée axiale à billes et d'un axe. Il est ensuite monté et avantageusement pivoté sur la partie statorique selon la description faite dans le brevet EP0642704B1. La culasse présente une forme faisant butée mécanique avec le corps du moteur couple. Le ressort de rappel est accroché au rotor d'une part et à une pièce simple servant à son armement d'autre part. Le capteur de position, nécessaire à la régulation du débit des gaz, trouve sa place à l'intérieur de ce ressort de rappel. L'ensemble du moteur couple est fermé par un capot présentant le connecteur électrique ainsi que la sonde du capteur de position. Un joint d'étanchéité est fait entre ce capot et le corps du moteur couple. Suivant un mode de réalisation préférentiel, il est réalisé en une même opération le surmoulage du moteur couple et la tubulure de la vanne. Le moteur couple est constitué de pièces ferromagnétiques formant le stator, sur lesquelles sont montées les bobines. Cet ensemble est ensuite surmoulé de matière plastique de manière à constituer le corps du moteur couple et celui de la vanne. Un autre des objets de l'invention est de réaliser dans cette même opération la tubulure de la vanne et les interfaces avec les éléments externes tels que les conduits amont et aval. Selon les caractéristiques de pression des gaz, on pourra ou non intégrer une forme de palier à l'opposé du moteur couple de façon à supporter la charge appliquée sur le clapet de la vanne. Dans le cas où ce palier n'est pas nécessaire, le clapet d'obturation pourra être rapporté sur l'axe du moteur couple lors du montage du rotor dans le stator, en évitant ainsi de rapporter le clapet au fond de la tubulure par la suite, et en autorisant des formes sur l'axe qui participent au maintien du clapet sur l'axe. Il est même possible d'envisager de raccourcir la longueur de l'axe dans la tubulure. Le plastique utilisé pour surmouler les parties statoriques est typiquement du LCP (Liquid Crystal Polymer) aux caractéristiques rhéologiques particulièrement bien adaptées à la réalisation de parois fines et qui permet de bien envelopper les fils des bobines et donc d'obtenir une bonne dissipation de la chaleur générée dans ces bobines. Il peut être envisagé trois autres modes de réalisation différents suivant les impératifs techniques et économiques : Ainsi, dans un second mode de réalisation, il est ainsi possible de limiter le volume de ce plastique aux seules zones des bobines et de privilégier un plastique de moindre coût, mais aux propriétés mécaniques élevées à chaud, pour les zones mécaniquement sollicitées telles que la tubulure ou les zones de fixation. Le plastique employé dans ces zones sera alors de type PBT (Polybutylène téréphtalate) ou PA6.6 (Polyamide) ou autre, généralement chargé de fibres afin d'avoir de bonnes caractéristiques mécaniques. Ainsi, on peut envisager de surmouler les stators, les bobines et les zones participant au guidage (support de butée axiale) d'une part, formant ainsi un ensemble sommaire, sans point de fixation ni interface pour le connecteur. Ce sous-ensemble est ensuite monté dans le corps de la vanne, réalisé dans un plastique de moindre coût et de résistance mécanique supérieure. En fonction de la gamme de température à laquelle la servo-vanne est amenée à fonctionner, on peut ou non avoir recours au surmoulage des bobines. Dans le cas où la température n'est pas critique, le sous-ensemble stators peut être directement inséré dans le corps de la servo-vanne. Dans un troisième mode de réalisation, on peut ainsi envisager de réaliser le surmoulage des bobines directement en place dans le corps de la vanne (pour un corps en aluminium par exemple). De même, on peut aussi envisager la coulée d'une résine dans le corps de la vanne, dans lequel a été préalablement positionné le sous-ensemble statorique. Dans un quatrième mode de réalisation, le corps de la vanne peut être réalisé d'une matière et le surmoulage des bobines d'une autre matière et ceci sans opération de reprise de la pièce. Ceci est possible grâce au procédé d'injection bi-composants (ou bi-matière) qui permet de localiser la matière et ses caractéristiques les plus intéressantes à l'endroit où elles sont recherchées. Dans un autre mode de réalisation, la servo-vanne peut intégrer un dispositif mécanique de verrouillage bloquant les couples extérieurs appliqués à l'axe. Un tel système est par exemple décrit dans la demande de brevet français n 05 52144. On pourra mieux comprendre la pertinence de l'invention, au travers de la description des figures suivantes où : - la figure 1 est une représentation en coupe partielle d'une association moteur+couple de l'art antérieur, - la figure 2 est une représentation en perspective de la servo-vanne conforme à l'invention suivant un mode de réalisation préférentiel, - la figure 3 est une représentation en coupe de la servo-vanne selon la section AA de la figure 2, - la figure 4 est une représentation en vue éclatée de la servo-vanne conforme à l'invention suivant un second mode de réalisation, - la figure 5 est une représentation du rotor de la servo-vanne conforme à l'invention. La figure 1 présente l'assemblage (2) d'un moteur couple à une vanne (23) suivant les enseignements de l'art antérieur. Cet assemblage (2) comprend donc une vanne (23) sur laquelle est fixé un moteur couple (1), par exemple 20 électromagnétique, et en dessous de laquelle est fixé un capteur de position angulaire (24),par exemple électromagnétique. Entre le clapet (8) de la vanne (23) et le moteur couple (1), est placé un élément de rappel élastique (3) permettant de ramener le clapet (8) dans une position de 25 repos. L'assemblage (2) formé comprend au moins deux paliers (5) afin de guider l'axe (15) traversant l'assemblage (2) et au moins deux joints d'étanchéité (25) pour assurer la viabilité de l'assemblage (2) lors de la circulation du fluide dans la tubulure (26) de vanne (23). Cet assemblage (2) 30 présente un important porte-àûfaux et nécessite beaucoup d'opérations et d'éléments de montage. Les figures 2, 3 et 4 présentent la servo-vanne (27) définie par la présente invention et comportant un servoactionneur électromagnétique, comme par exemple défini (1) dans la demande française n 05/06065. Ce servo-actionneur (28) comprend un moteur couple (1) surmoulé dans un corps plastique (14), et un capteur de position angulaire (24) magnétique. Il est associé à un dispositif élastique de rappel en position (3) et à un clapet d'obturation (8). La figure 2 montre le corps plastique (14) de la servovanne (27), où sont formées les interfaces de connexion (7) avec les conduits amont et aval. Cette figure montre aussi l'axe (15) raccourci du moteur couple (1), sur lequel est rapporté par vissage, le clapet d'obturation (8) de la tubulure (26). Le moteur couple (1) est protégé de l'environnement extérieur par un couvercle (13) monté clipsé sur le corps de la servo-vanne (27). Ce couvercle (13) intègre la connectique (4) pour alimenter le moteur couple (1) ainsi que la sonde (11) du capteur de position angulaire (24). La figure 3 montre la servo-vanne représentée sur la figure 1 en vue de coupe brisée selon deux plans concourants A-A. Dans ce mode de réalisation, le rotor du moteur couple (1) est pivoté entièrement à l'intérieur du moteur couple (1) au moyen d'un palier (5) et d'une butée axiale (6). Ce rotor (29) est constitué d'une culasse ferromagnétique (16) liée à l'axe (15) du moteur couple (1), et sur laquelle est collé un aimant multipolaire (17). En outre, un aimant bipolaire (10) utilisé pour le capteur de position angulaire (24) est monté sur l'axe (15) du moteur couple (1). La sonde (11) qui mesure la position de l'aimant (10) du capteur de position angulaire (24) est soudée sur un circuit (12), lui-même fixé dans le couvercle (13) du moteur couple (1). Ce couvercle (13) surmoule la connectique (4) qui alimente le moteur couple (1) et la sonde (11) du capteur de position angulaire (24). Cette vue en coupe laisse aussi apparaître le stator du moteur couple (1), constitué de bobines (18) montées sur des pôles ferromagnétiques (19) fixés sur une plaque de base ferromagnétique (20). L'élément de rappel en position de référence est constitué d'un ressort de torsion (3), précontraint entre une pièce d'accroche (21) en plastique au rotor (29) et une pièce en plastique (22) rapportée au corps de la servo-vanne (27). La figure 4 représente un second mode de réalisation de la servo-vanne (27), pour lequel les interfaces (7) avec les conduits amont et aval (9) sont rapportées au corps de la servo-vanne (27). Cette figure de la servo-vanne (27) en vue éclatée laisse particulièrement bien apparaître son assemblage. Les pôles statoriques (19) sont, dans un premier temps, surmoulés dans le plastique du corps de la servo-vanne (27). Ensuite, les pièces constitutives du rotor (29), à savoir l'axe (15) du moteur couple (1), la culasse ferromagnétique (16), l'aimant multipolaire (17) du moteur couple (1), l'aimant (10) du capteur de position angulaire (24), le ressort de torsion (3) ainsi que son accroche (21), sont montées dans le corps de la servo-vanne (27). Le ressort de torsion (3) est précontraint grâce à une pièce rapportée (22). Le couvercle (13) du moteur couple (1) est clipsé sur le corps de la servo-vanne (27). Pour que la servo-vanne (27) soit opérationnelle, il faut ensuite assembler par vissage le clapet d'obturation (8) sur l'axe (15) du moteur couple (1). La figure 5 représente un mode de fixation particulier du clapet d'obturation (8) sur l'axe (15) du rotor (29). Grâce aux formes complémentaires à celle de l'axe (15) réalisées sur le clapet d'obturation (8), le montage du clapet (8) est fait dans la même opération que le montage du rotor (29) dans le corps de la servo-vanne (14). De plus, la longueur de l'axe (15) est réduite. Notons que ce montage est rendu possible grâce à la suppression du palier opposé. Cette figure montre de plus les butées angulaires avantageusement réalisées sur la culasse ferromagnétique (16).5 REVENDICATIONS 1. Servo-vanne composée d'une tubulure obturable et d'un servo-actionneur formé d'un moteur couple ayant une partie statorique et une partie rotorique, un capteur de position angulaire, un dispositif de rappel élastique, caractérisée en ce que le corps du servo-actionneur et le corps de la tubulure obturable sont formés d'une seule pièce commune. 2. Servo-vanne suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la seule pièce commune est réalisée en matière plastique. 3. Servo-vanne suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que seule pièce commune sert de surmoulage 15 de la partie statorique dudit moteur couple. 4. Servo-vanne suivant l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie statorique du moteur couple est surmoulée dans une première matière plastique puis insérée dans la pièce commune réalisée dans une 20 seconde matière plastique. 5. Servo-vanne suivant la revendication précédente, caractérisée en ce que la première et la seconde matière plastique sont de caractéristiques physiques différentes. 6. Servo-vanne suivant les revendications 1 à 3, 25 caractérisée en ce que le servo-actionneur est inséré dans la pièce commune puis surmoulé en place. 7. Servo-vanne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie rotorique est solidaire d'un axe supportant un clapet obturant 30 la tubulure. 8. Servo-vanne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe du clapet est guidé seulement à l'intérieur du moteur couple. 9. Servo-vanne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe du clapet est raccourci et ne traverse pas la tubulure. 10. Servo-vanne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle intègre un dispositif mécanique de verrouillage bloquant les couples extérieurs appliqués à l'axe. 11. Servo-vanne suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la servo- vanne est montée sur un conduit de circulation de fluide à l'aide d'interfaces rapportées. 12. Servo-vanne suivant les revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la tubulure obturable comprend des interfaces, formées aussi par la seule pièce commune, servant au montage de la servo-vanne sur un conduit de circulation de fluide.