Brevet FR2894311A1 — publié le 20070608

La présente invention concerne un dispositif élastique à raideur variable. Elle concerne plus particulièrement un dispositif élastique dont la raideur varie par paliers, pour convertir par exemple un déplacement variant linéairement dans le temps en un effort suivant une loi non linéaire, ou l'inverse. Ce type de dispositif élastique à raideur variable peut être recherché dans un certain nombre d'applications, et par exemple, dans les dispositifs io d'assistance à l'embrayage ou de frein secondaire électrique de véhicule automobile. Ainsi, un tel dispositif élastique permet un dosage approprié de l'effort, par exemple d'embrayage ou de freinage. En effet, le dispositif élastique dont la raideur varie par paliers 15 successifs permet de générer un retour d'effort qui varie lui-même par paliers successifs, permettant ainsi à un utilisateur de connaître aisément un niveau d'effort en comptant les paliers de retour d'effort qu'il perçoit pendant l'activation du dispositif élastique selon l'invention. 20 Pour obtenir un dispositif élastique à raideur variable, il est connu d'employer au moins deux ressorts à raideur constante, disposés en série et lié par un palier interposé entre chaque extrémité en vis-à-vis. Ce type de dispositif présente l'inconvénient d'offrir une variation 25 continue, par exemple linéaire en fonction du temps, de raideur en fonction du déplacement. Avec un tel dispositif, il n'est pas possible de convertir un déplacement variant linéairement dans le temps en un effort non linéaire, c'est-à-dire variant par paliers. 30 La présente invention a notamment pour but de proposer un dispositif assurant une telle conversion. A cet effet, elle propose un dispositif élastique à raideur variable comprenant : - un boîtier comprenant une ouverture disposée à une de ses extrémités 5 suivant l'axe longitudinal du boîtier ; - un couvercle logé dans l'ouverture du boîtier ; - plusieurs organes élastiques de longueurs différentes, montés dans le boîtier parallèlement à l'axe longitudinal du boîtier, caractérisé en ce que les organes élastiques s'étendent entre une portée 10 commune et plusieurs portées mobiles aptes à coopérer entre elles, au moins une des portées mobiles étant en contact avec le couvercle, le dispositif élastique étant sollicité de façon à rapprocher les portées les unes des autres lorsque on applique un effort sur le boîtier et/ou le couvercle tendant à faire ressortir le couvercle du boîtier. 15 Selon une caractéristique, les organes élastiques sont coaxiaux en ayant chacun une première extrémité en appui sur la portée commune et une seconde extrémité en appui sur une portée mobile, et en ce que au moins une portée mobile est apte à entraîner en déplacement une autre portée mobile lors 20 d'une sollicitation du dispositif élastique. Selon une autre caractéristique, le dispositif élastique comprend un organe de précontrainte des organes élastiques qui maintient chaque portée mobile à une distance maximale de la portée commune lorsque le dispositif 25 élastique est au repos. Avantageusement, l'organe de précontrainte comprend le couvercle contre lequel viennent en appui les différentes portées mobiles, et une tige maintenant ce couvercle à une certaine distance de la portée commune. 30 i0 Selon une autre caractéristique, le couvercle comprend plusieurs étagements définissant chacun une surface plane sensiblement transversale à l'axe longitudinal ; les portées mobiles étant en appui respectivement sur les surfaces planes des dits étagements correspondants. Dans une réalisation particulière, les surfaces planes des étagements du couvercle sont reliées par des portions s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal ; les portées mobiles correspondantes étant aptes à glisser sur ces portions le long de l'axe lorsque le dispositif élastique est sollicité. Dans un mode de réalisation particulier, l'une des portées mobiles est en appui sur le boîtier, contre un épaulement interne formée à l'extrémité du boîtier où est disposé le couvercle. 15 Avantageusement, le dispositif élastique comprend une jupe prolongeant la périphérie de la portée commune en étant orientée vers le couvercle ; ladite jupe présentant un bord contre lequel la première portée mobile vient en appui en fin d'allongement du dispositif élastique. 20 Selon une autre caractéristique, le dispositif élastique comprend un ergot radial dépassant de la portée commune, ledit ergot radial étant engagé dans une rainure longitudinale réalisée dans la paroi du boîtier. Selon une autre caractéristique, les organes élastiques sont des 25 ressorts hélicoïdaux précontraints. Selon une autre caractéristique, les portées mobiles présentent une forme générale d'anneau centré autour de l'axe longitudinal et ayant des diamètres différents, et en ce que le couvercle présente une forme générale de 30 révolution autour de l'axe longitudinal avec des étagements en forme générale d'anneau avec des diamètres nominaux sensiblement inférieurs aux diamètres nominaux des portées mobiles, et des portions de forme générale cylindrique avec des diamètres sensiblement inférieurs aux diamètres internes des portées mobiles correspondantes. Enfin, le couvercle peut être relié à un premier organe, notamment un câble ou un bâti, et le boîtier peut être relié à un second organe, notamment un câble ou un bâti ; le dispositif élastique étant apte à être sollicité par un effort de traction tendant à éloigner les deux organes l'un de l'autre. io D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, d'un exemple de mise en ceuvre non limitatif, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif élastique 15 à raideur variable selon l'invention ; - la figure 2 est un graphe représentatif de l'effort subi par le dispositif à raideur variable en fonction de son allongement ; - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'une première variante du dispositif à raideur variable de la figure 1 ; 20 - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une seconde variante de dispositif à raideur variable de la figure 1 ; - la figure 5 est un graphe représentatif de l'allongement du dispositif à raideur variable en cas d'effort variant linéairement dans le temps ; et - la figure 6 est un graphe représentatif de l'effort appliqué au dispositif 25 à raideur variable en cas d'allongement variant linéairement dans le temps. Dans la figure 1, un dispositif élastique à raideur variable 9 comprend : - un boîtier 4 comprenant une ouverture suivant l'axe longitudinale AX 30 du dudit boîtier ; - un couvercle 8 du boîtier 4 logé dans l'ouverture du boîtier 4 ; et - trois organes élastiques, notamment des ressorts hélicoïdaux, s'étendant à l'intérieur du boîtier 4, parallèlement à l'axe longitudinal AX du boîtier 4. Plus particulièrement, les trois ressorts hélicoïdaux sont coaxiaux, incluant un premier ressort 1, un second ressort 2 à l'intérieur du premier ressort 1, et un troisième ressort 3 situé à l'intérieur du second ressort 2. Ces ressorts sont montés dans le boîtier 4 s'étendant le long de l'axe longitudinal AX. Le boîtier 4 comprend une paroi latérale cylindrique 6 ayant une première extrémité fermée par un fond de boîtier 7 perpendiculaire à cette paroi cylindrique. Son autre extrémité, ou seconde extrémité, comporte l'ouverture qui est fermée par le couvercle 8 ; ledit couvercle 8 a un diamètre externe sensiblement inférieur au diamètre interne de la paroi cylindrique 6. Le dispositif élastique à raideur variable qui comprend les ressorts 1, 2, 3 et le boîtier 4 est repéré de façon générale par 9 sur les figures. Comme visible à la figure 1, le premier ressort 1 de ce dispositif élastique 9 a un diamètre et une longueur sensiblement inférieurs au diamètre et à la longueur de la paroi cylindrique 6. D'autre part, le premier ressort 1 a un diamètre et une longueur supérieurs respectivement au diamètre et à la longueur du second ressort 2 ; le second ressort 2 ayant lui-même un diamètre et une longueur supérieurs au diamètre et à la longueur du troisième ressort 3. Les longueurs à vide de ces ressorts peuvent par contre être supérieures, inférieures ou égales les unes entre les autres. Par exemple la longueur à vide du ressort 3 peut être supérieure à celle du ressort 2, elle-même supérieure à celle du ressort 1. Les ressorts 1, 2 et 3 ont chacun une première extrémité, repérées respectivement par 11, 12, 13, ces premières extrémités étant chacune en appui contre une portée commune 14 située dans le boîtier 4, sensiblement à proximité du fond de boîtier 7. La portée commune comprend à cet effet, sur sa face orientée vers les ressorts, trois gorges circulaires concentriques, 15, 16 et 17, de diamètres décroissants, ces diamètres correspondant sensiblement à ceux des trois ressorts pour recevoir et maintenir leurs premières extrémités respectives. Le dispositif élastique 9 comprend encore une première une deuxième et une troisième portées mobiles en forme générale d'anneau, repérées par 18, 19 et 20. Ces portées annulaires ont des diamètres nominaux sensiblement identiques respectivement au diamètre nominal du premier 1, du second 2 et du troisième 3 ressort, et elles sont situées au niveau de la seconde extrémité du boîtier 4 fermée par le couvercle 8. Les ressorts 1, 2 et 3 ont chacun une seconde extrémité, ces secondes extrémités étant repérées respectivement par 22, 23 et 24. La seconde extrémité 22 du premier ressort 1 est en appui sur la première portée annulaire 18, la seconde extrémité 23 du second ressort 2 est en appui sur la deuxième portée annulaire 19, et la seconde extrémité 24 du troisième ressort 3 est en appui sur la troisième portée annulaire 20. Le couvercle 8 qui a une forme générale de révolution s'étendant autour de l'axe AX, comprend trois portions ou étagements, repérés par 26, 27 et 28. Ces étagements 26, 27 et 28 ont des diamètres nominaux respectivement décroissants et ils sont espacés les uns des autres le long de l'axe AX. Chaque étagement 26, 27, 28 définit une surface plane transversale, par rapport à l'axe AX, correspondante en forme de couronne ; ces surface planes étant repérées par 30, 31, 32, respectivement pour les étagements 26, 27, 28. Les surfaces planes 30, 31 sont reliées par une première portion cylindrique 33, les surfaces planes 31 et 32 sont reliées par une seconde portion cylindrique 34 ; les portions cylindriques 33, 34 étant coaxiales et centrées sur l'axe AX. Le premier étagement 26 a un diamètre externe qui correspond sensiblement au diamètre interne de la paroi cylindrique 6 du boîtier 4, et il est situé sensiblement au droit de la seconde extrémité de ce boîtier. Le troisième étagement 28 est décalé vers l'intérieur du boîtier 4 le long io de l'axe AX, et le second étagement 27 est situé entre le premier et le troisième étagement. Les étagements 26, 27, 28 ont des diamètres nominaux sensiblement inférieurs respectivement aux diamètres nominaux des portées annulaires 18, 15 19, 20 qui sont en appui respectivement sur les surfaces planes en forme de couronnes 30, 31 et 32 de ces étagements. Les portées annulaires 18 et 19 ont des diamètres internes légèrement supérieurs respectivement aux diamètres des portions cylindriques 33 et 34, de 20 sorte qu'elles peuvent glisser sur ces portions cylindriques le long de l'axe AX. D'autre part, le diamètre interne de la première portée 18 est inférieur au diamètre externe de la deuxième portée 19, et le diamètre interne de la deuxième portée 19 est inférieur au diamètre externe de la troisième portée 25 annulaire 20. De plus, la première portée 18 comporte un palier intérieur 68 de diamètre sensiblement supérieur au diamètre externe de la deuxième portée 19, et la deuxième portée 19 comporte un palier intérieur 69 de diamètre sensiblement supérieur au diamètre externe de la troisième portée 20. 30 Sur déplacement de la première portée 18 vers la portée commune 14, cette première portée 18 intercepte, dans le palier interne 68, la seconde portée 19 pour la déplacer dans la même direction, puis la seconde portée 19 intercepte, dans le palier interne 69, à son tour la troisième portée 20 pour la déplacer également dans la même direction. Plus particulièrement, lorsque la première portée 18 est déplacée vers la droite sur la figure 1, après avoir parcouru une longueur correspondant à celle de la portion cylindrique 33 le long de l'axe AX, elle vient en appui sur la deuxième portée 19 pour la déplacer vers la droite. io De façon analogue, lorsque la deuxième portée 19 est déplacée vers la droite, après avoir parcouru une longueur correspondant à celle de la portion cylindrique 34 le long de l'axe AX, elle vient en appui sur la troisième portée 20 pour la déplacer vers la droite. 15 Les secondes extrémités 22, 23 et 24 des ressorts 1, 2 et 3 sont en appui respectivement sur les portées annulaires 18, 19 et 20. Lorsque le dispositif élastique 9 est au repos, ces portées annulaires 18, 19 et 20 sont maintenues en appui respectivement sur les surfaces 30, 31 et 32 des étagements 26, 27 et 28 du couvercle 8 par à une tige centrale 36. 20 La tige centrale 36 traverse le couvercle 8 et la portée commune 14 au niveau d'ouvertures centrales correspondantes. Ladite tige 36 comprend une première butée 37 à sa première extrémité et une seconde butée 38 à sa seconde extrémité. 25 Cette tige centrale assure le maintient de la portée commune 14 et du couvercle 8 à une certaine distance l'un de l'autre lorsque le dispositif élastique 9 est au repos et lorsqu'il est sollicité. Le couvercle 8 est en appui, sur sa face opposée aux ressorts, contre la première butée 37. La portée commune 14 est 30 en appui, sur sa face opposée aux ressorts, contre la deuxième portée 38, sous l'action des ressorts qui tendent à écarter ces pièces l'une de l'autre. La sollicitation mécanique de ce dispositif élastique 9 consiste à lui appliquer un effort tendant à l'allonger, c'est-à-dire à appliquer un effort sur le couvercle 8 ou le boîtier 4 tendant à faire ressortir le couvercle 8 du boîtier 4. Ce dispositif élastique 9 peut ainsi être utilisé comme un ressort en fixant par exemple son couvercle 8 à un premier câble et son boîtier 4 à un second câble, en vue d'exercer sur ces câbles un effort de traction tendant à les éloigner l'un de l'autre. io Lorsque le dispositif élastique 9 est sollicité, il constitue un ressort ayant une raideur qui varie par paliers au fur et à mesure de son allongement. Plus particulièrement, lorsque le boîtier 4 est éloigné du couvercle 8, c'est-à-dire lorsque le dispositif élastique 9 présente successivement trois raideurs différentes. Ces trois raideurs correspondent d'abord à la raideur du premier 15 ressort précontraint 1, ensuite à la raideur du premier 1 et du second 2 ressort précontraints montés en parallèle, et enfin à la raideur des trois ressorts 1, 2, 3 précontraints montés en parallèle. La première portée 18 est en appui sur le boîtier 4, contre un 20 épaulement interne 39 formant une réduction de diamètre de la seconde extrémité de la paroi cylindrique 6 de boîtier 4. Partant d'une position de repos, lorsque le boîtier 4 est éloigné du couvercle 8 le long de l'axe AX, sous l'action par exemple d'un effort de 25 traction, la première portée annulaire 18, via l'épaulement interne 39, se décolle d'abord de la surface 30 du couvercle 8, puis elle est rapprochée de la portée commune 14, ce qui comprime le premier ressort 1, le dispositif élastique 9 ayant alors une raideur correspondant à celle du premier ressort 1 précontraint. 30 i0 Durant ce mouvement longitudinal, la première portée 18 longe d'abord la portion cylindrique 33, puis elle vient en appui sur la deuxième portée annulaire 19 qui est à son tour rapprochée de la portée commune 14. Dans cette situation, le premier 1 et le second 2 ressort sont comprimés, de sorte que le dispositif élastique 9 a une raideur qui correspond à celle du premier 1 et du second 2 ressort précontraints montés en parallèle. De façon analogue, après avoir parcouru une longueur correspondant à celle de la seconde portion cylindrique 34, la deuxième portée 19 vient à son io tour en appui sur la troisième portée 20 qui est à son tour déplacée vers la droite. Dans cette dernière situation, les trois ressorts 1, 2 et 3 sont comprimés, de sorte que le dispositif élastique 9 a une raideur correspondant à celle des trois ressorts précontraints montés en parallèle. 15 La figure 2 illustre une courbe Cl représentative de l'effort F en fonction d'un déplacement x du boîtier 4, l'axe x étant parallèle à l'axe longitudinal AX. Cette courbe Cl définit une succession de marches, chaque marche étant définie par un palier et un segment. Les paliers et les segments, respectivement verticaux et non verticaux sur la figure 2, sont repérés 20 respectivement [ab], [bc], [cd] ... [fg], les lettres a-h correspondant aux extrémités de chaque palier et/ou segment. Le premier palier [ab] correspond au saut d'effort obtenu grâce à la précontrainte du premier ressort 1. Le second palier [cd] correspond à la venue 25 en appui de la première portée 18 sur la deuxième portée 19, et le troisième palier [et] correspond à la venue en appui de la deuxième portée 19 avec la troisième portée 20. Les paliers [cd] et [et] qui correspondent à des sauts d'efforts sont également obtenus grâce à la précontrainte des ressorts 2 et 3 dans le dispositif élastique 9. 30 5 Il Les segments [bc], [de] et [fg] correspondent à des zones d'allongement de au moins un des ressorts. Les pentes de ces segments correspondent aux pentes caractéristiques des raideurs respectivement du premier ressort, du premier et du second ressort en parallèle, et des trois ressorts en parallèle. Sur la figure 2, le segment [fg] a une pente supérieure au segment [de] qui a elle-même une pente supérieure au segment [bc]. Le tableau ci-dessous donne pour chaque ressort, l'effort de io précontrainte en fonction de sa longueur à vide et précontrainte : Ressort 1 Ressort 2 Ressort 3 Raideur Ki K2 K3 Longueur L w Lzv L à vide 3v Longueur Lip LZp L3p initialement précontrainte Effort de Fip=KIX~LivùLip) F zp=K2x(L2vùL2 ) F 3p=K3x(L3vùL3p) précontrainte initiale Longueur L sous contrainte butée maximale (en butée) Comme représenté en figure 3, avantageusement le dispositif élastique 9 comprend une butée interne telle qu'une jupe cylindrique 41 prolongeant la 15 périphérie de la portée commune 14 en étant orientée vers le couvercle 8. La jupe cylindrique 41 présente ainsi un bord circulaire 42 contre lequel la première portée 18 vient en appui en fin d'allongement du dispositif élastique 9. 20 Ce dispositif formant butée peut également se présenter sous la forme d'un ergot radial 43 dépassant de la portée commune 14, ledit ergot radial 43 20 étant engagé dans une rainure longitudinale 44 réalisée dans la paroi cylindrique 6 du boîtier 4, comme montré dans l'exemple de la figure 4. On donne ci-dessous les valeurs d'allongement x du dispositif élastique 5 9 selon différents cas de sollicitations correspondant aux repères de la figure 2. - palier [ab], pour 0 Dans le cas où la grandeur d'entrée appliquée au dispositif élastique 9 est un effort F variant linéairement dans le temps, ce qui correspond à la figure 5, la grandeur de sortie, à savoir l'allongement x du boîtier 4 varie de façon non linéaire, mais discontinue avec des paliers et des segments linéaires. 10 15 Inversement, si la grandeur d'entrée est un déplacement x variant linéairement dans le temps, comme dans la figure 6, alors la grandeur de sortie, c'est-à-dire l'effort F varie de façon non linéaire, mais discontinue avec des paliers et des segments linéaires. Bien entendu l'exemple de mise en ceuvre évoqué ci-dessus ne présente aucun caractère limitatif et d'autres détails et améliorations peuvent être apportés à l'invention, sans pour autant sortir du cadre de l'invention où d'autres formes de portée, boîtier et couvercle peuvent être réalisées. 20 REVENDICATIONS 1. Dispositif élastique (9) à raideur variable comprenant : - un boîtier (4) comprenant une ouverture disposée à une de ses extrémités 5 suivant l'axe longitudinal du boîtier (4) ; - un couvercle (8) logé dans l'ouverture du boîtier (4) ; - plusieurs organes élastiques (1, 2, 3) de longueurs différentes, montés dans le boîtier (4) parallèlement à l'axe longitudinal (AX) du boîtier (4), caractérisé en ce que 10 les organes élastiques (1, 2, 3) s'étendent entre une portée commune (14) et plusieurs portées mobiles (18, 19, 20) aptes à coopérer entre elles, au moins une des portées mobiles (18, 19, 20) étant en contact avec le couvercle (8), le dispositif élastique (9) étant sollicité de façon à rapprocher les portées les unes des autres lorsque on applique un effort sur le boîtier et/ou le couvercle 15 tendant à faire ressortir le couvercle (8) du boîtier (4). 2. Dispositif élastique (9) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les organes élastiques (1, 2, 3) sont coaxiaux en ayant chacun une première extrémité (11, 12, 13) en appui sur la portée commune (14) et une seconde 20 extrémité en appui sur une portée mobile (18, 19, 20), et en ce que au moins une portée mobile est apte à entraîner en déplacement une autre portée mobile lors d'une sollicitation du dispositif élastique (9). 3. Dispositif élastique (9) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, 25 caractérisé en qu'il comprend un organe (8, 36) de précontrainte des organes élastiques (1, 2, 3) qui maintient chaque portée mobile (18, 19, 20) à une distance maximale de la portée commune (14) lorsque le dispositif élastique (9) est au repos. 30 4. Dispositif élastique (9) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe de précontrainte comprend le couvercle (8) contre lequel viennent enappui les différentes portées mobiles (18, 19, 20), et une tige (36) maintenant ce couvercle (8) à une certaine distance de la portée commune (14). 5. Dispositif élastique (9) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le couvercle (8) comprend plusieurs étagements (26, 27, 28) définissant chacun une surface plane (30, 31, 32) sensiblement transversale à l'axe longitudinal (AX) ; les portées mobiles (18, 19, 20) étant en appui respectivement sur les surfaces planes (30, 31, 32) des dits étagements (26, 27, 28) correspondants. 6. Dispositif élastique (9) selon la revendication 5, caractérisé en ce que les surfaces planes (30, 31, 32) des étagements (26, 27, 28) du couvercle (8) sont reliées par des portions (33, 34) s'étendant sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal (AX) ; les portées mobiles (18, 19) correspondantes étant aptes à glisser sur ces portions (33, 34) le long de l'axe (AX) lorsque le dispositif élastique (9) est sollicité. 7. Dispositif élastique (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des portées mobiles (18) est en appui sur le boîtier (4), contre un épaulement interne (39) formée à l'extrémité du boîtier (4) où est disposé le couvercle (8). 8. Dispositif élastique (9) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une jupe (41) prolongeant la périphérie de la portée commune (14) en étant orientée vers le couvercle (8) ; ladite jupe (41) présentant un bord (42) contre lequel la première portée mobile (18) vient en appui en fin d'allongement du dispositif élastique (9). 9. Dispositif élastique (9) selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un ergot radial (43) dépassantde la portée commune (14), ledit ergot radial (43) étant engagé dans une rainure longitudinale (44) réalisée dans la paroi (6) du boîtier (4). 10. Dispositif élastique (9) selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que les organes élastiques (1, 2, 3) sont des ressorts hélicoïdaux précontraints. 11. Dispositif élastique (9) selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que les portées mobiles (18, 19, 20) présentent une forme 10 générale d'anneau centré autour de l'axe longitudinal (AX) et ayant des diamètres différents, et en ce que le couvercle (8) présente une forme générale de révolution autour de l'axe longitudinal (AX) avec des étagements (26, 27, 28) en forme générale d'anneau avec des diamètres nominaux sensiblement inférieurs aux diamètres nominaux des portées mobiles (18, 19, 20), et des 15 portions (33, 34) de forme générale cylindrique avec des diamètres sensiblement inférieurs aux diamètres internes des portées mobiles (18, 19) correspondantes. 12. Dispositif élastique (9) selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisé en ce que le couvercle (8) est relié à un premier organe, notamment un câble ou un bâti, et le boîtier (4) est relié à un second organe, notamment un câble ou un bâti ; le dispositif élastique (9) étant apte à être sollicité par un effort de traction tendant à éloigner les deux organes l'un de l'autre.