Brevet FR2898676A1 — publié le 20070921

Dispositif de détection de position angulaire, moteur électrique, colonne de direction et réducteur La présente invention concerne le domaine de la détection de la 5 position angulaire d'un arbre de moteur électrique. La présente invention concerne également le domaine des colonnes de direction de véhicules automobiles, dans lequel on souhaite connaître avec précision la position angulaire. En effet, les véhicules font de plus en plus souvent appel à 10 l'utilisation de directions assistées électriques et de capteurs de braquage d'angle de la colonne de direction pour déterminer l'angle des roues et ainsi agir sur les freins pour les corrections de trajectoire. Les directions assistées électriques utilisent fréquemment des moteurs électriques à courant continu sans balai dont il est nécessaire de 15 piloter les commutations de phase finement et donc de connaître la position angulaire absolue du rotor. Les moteurs électriques d'assistance actionnent ainsi le système d'orientation des zones avec lequel ils sont liés mécaniquement. Suivant les types de véhicules et les constructeurs, la liaison mécanique entre le moteur d'assistance et 20 le système d'orientation des roues peut se faire à différents endroits possibles, par exemple sur l'arbre de colonne de direction ou bien sur la crémaillère d'orientation des roues. Dans une colonne de direction, il existe en général une démultiplication entre la vitesse de rotation de la colonne de direction et celle du moteur électrique de l'ordre de 10 à 25 20, de telle sorte que la colonne de direction fait un tour tandis que l'arbre du moteur fait 10 à 20. Le nombre de tours cumulés pour la colonne de direction d'une direction de braquage maximale à une autre est de l'ordre de 4 tours. Il est donc nécessaire de déterminer l'angle absolu de l'arbre moteur sur 40 à 80 tours d'arbre et l'angle absolu de 30 la colonne de direction sur 4 tours. Le document EP 1 026 068 (TRW) décrit une direction assistée électrique comprenant un arbre de direction, un moteur électrique ayant un rotor connecté de façon opérationnelle à l'arbre de direction par le biais d'une boîte d'engrenages ayant un rapport de démultiplication non entier, des premiers moyens de détection pour produire une sortie fonction de la position angulaire de l'arbre de direction et des seconds moyens de détection conçus pour produire une sortie fonction de la position angulaire du rotor, et des moyens de traitement conçus pour traiter les deux signaux de sortie pour produire un signal de position angulaire indiquant la position angulaire de l'arbre de direction sur une plage supérieure à un tour complet. Il peut être prévu un capteur d'angle absolu sur l'arbre du moteur ou sur l'arbre de colonne de direction, ce qui s'avère coûteux s'agissant d'un capteur absolu multitour. Par ailleurs, un index peut être prévu sur l'arbre de direction, ou sur l'arbre du moteur. Toutefois, l'index ne fournit pas une précision suffisante. Le document EP 1 413 499 (Toyoda) décrit une direction assistée électrique pourvue de deux capteurs sur la colonne de 15 direction et d'un capteur sur le moteur. Le fait de disposer trois capteurs s'avère coûteux et nécessite en outre une électronique de traitement relativement sophistiquée. Le document US 5 646 523 (Kaiser) décrit un appareil pour déterminer la position angulaire de braquage de roues comprenant un 20 capteur fin et un capteur grossier associés à l'arbre de la colonne de direction, le capteur fin bénéficiant d'une démultiplication quadruple grâce à des engrenages permettant d'entraîner plus rapidement le codeur correspondant. Ce dispositif s'avère relativement compliqué et ne permet pas de connaître la position des pôles du moteur électrique. 25 Le document US 6 248 993 (Leopold Kostal) décrit un capteur d'angle de braquage pour déterminer la position angulaire absolue de braquage d'une roue, comprenant deux unités capteurs, l'une détectant la position angulaire dans un segment d'angle de la plage complète de rotation de braquage, l'autre unité détectant la rotation de braquage 30 par l'intermédiaire d'engrenages avec un rapport différent de 1, de telle sorte que les vitesses de rotation détectées par les deux capteurs soient différentes dans le but de détecter une position angulaire absolue. Là encore, ce document ne permet pas de connaître la position angulaire absolue du rotor du moteur électrique d'entraînement. L'abrégé du document JP 2005 053 416 (Toyoda Mach Works) décrit un appareil de braquage pour véhicule de type à direction entièrement électrique. Le moteur électrique de braquage est associé à deux réducteurs, l'un pour le braquage des roues et l'autre pour la détection de la rotation avec une rotation sur un tour à partir d'une position neutre soit une rotation totale sur deux tours. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients et aux limitations des documents ci-dessus. La présente invention a pour but de fournir au moyen d'un seul module une position angulaire absolue de l'arbre du moteur électrique de direction et de l'angle de braquage des roues directrices. En général, l'angle de braquage des roues directrices est lié de façon univoque à la position angulaire de la colonne de direction. La présente invention a pour but de fournir lesdites positions angulaires par des moyens fiables et bon marché. Le dispositif de détection de position angulaire d'arbre de moteur électrique par rapport à un élément tournant comprend un réducteur comprenant une entrée liée en rotation à l'arbre, et une sortie, de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 27t, un capteur de position angulaire monotour étant disposé pour mesurer l'angle de la sortie du réducteur, et un capteur de position angulaire étant disposé sur l'entrée du réducteur. On dispose ainsi d'un réducteur pourvu d'un capteur de position angulaire d'entrée et d'un capteur de position angulaire de sortie et capable lorsqu'il est monté dans un mécanisme de direction, de fournir deux signaux permettant de déterminer avec une précision suffisante la position angulaire du rotor du moteur électrique et la position angulaire de braquage des roues. On peut ainsi intervenir par des systèmes d'assistance sur la trajectoire du véhicule. Le réducteur équipé de ses deux capteurs forme un sous-ensemble qui peut être monté sur un moteur électrique de direction électrique de type conventionnel. Le rapport de réduction du réducteur peut être compris entre 5 et 100. Dans un mode de réalisation, le capteur monotour est un capteur de position angulaire absolue. Un capteur de position angulaire absolue monotour est nettement moins onéreux qu'un capteur de position angulaire absolue multitour. Dans un mode de réalisation, le capteur monotour est monté sur une carte électronique supportée par un boîtier du réducteur. Les deux capteurs peuvent être montés sur la carte électronique. Un codeur peut être monté sur un palier à roulement. Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un palier à 10 roulement comprenant une bague intérieure tournante prévue pour être montée sur l'arbre et une bague extérieure non tournante. Dans un mode de réalisation, le réducteur comprend au moins un train épicycloïdal. On peut ainsi obtenir un rapport de réduction de l'ordre de 5 à 20. 15 Dans un autre mode de réalisation, la réducteur comprend au moins un réducteur harmonique. On peut ainsi obtenir un rapport de réduction compris entre 15 et 100. Dans un mode de réalisation, la sortie est dimensionnée en couples pour le propre couple de traînée du dispositif. Le couple de 20 traînées du dispositif peut être essentiellement constitué par le couple de traînée du palier à roulement du réducteur et du couple de traînée des engrenages du réducteur. Le couple de traînée du dispositif est très faible. Dans un mode de réalisation, le capteur de position angulaire 25 d'entrée est capable de mesurer un angle modulo 2it. On peut donc utiliser un capteur de position angulaire économique de type absolu ou par incrément. Dans un mode de réalisation, l'arbre est lié à un élément mené par engrenage avec un rapport de réduction compris entre 1 et 5. 30 Dans un mode de réalisation, le capteur de position angulaire d'entrée comprend un codeur multipolaire. Le moteur électrique comprend un rotor, un stator, un arbre supportant le rotor et un dispositif de détection de position angulaire de l'arbre par rapport à un élément non tournant. Le réducteur comprend une entrée liée en rotation à l'arbre, et une sortie. Le rapport de réduction du réducteur est choisi entre 5 et 100 de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 2 Ir. Un capteur de position angulaire monotour est disposé pour mesurer l'angle de la sortie du réducteur et un capteur de position angulaire est disposé sur l'entrée du réducteur. Un dispositif de direction assistée peut comprendre un moteur électrique tel que ci-dessus et un arbre entraîné par le moteur électrique est prévu pour provoquer le braquage des roues d'un véhicule. Un réducteur peut comprendre un mécanisme de réduction, une entrée, une sortie, un capteur de position angulaire monotour disposé pour mesurer l'angle de la sortie, et un capteur de position angulaire disposé sur l'entrée, le rapport de réduction du réducteur étant choisi de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 27r. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en couper axiale d'un dispositif de détection de position angulaire ; - la figure 2 est une vue en perspective éclatée du dispositif de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue de côté en élévation du dispositif de la figure 1. Comme on peut le voir sur les figures, le dispositif de détection de position angulaire 1 est monté sur l'arbre 2 d'un moteur électrique. L'arbre 2 supporte également un pignon 3 claveté par une clavette 4 et par exemple destiné à entraîner un engrenage complémentaire d'une colonne de direction. Le dispositif de détection 1 comprend un réducteur 5, ici de type harmonique, un palier à roulement 6 et une partie de détection 7. Le réducteur 5 qui est ici de type harmonique comprend une couronne 8 pourvue d'une denture dirigée vers l'intérieur, un engrenage 9 flexible radialement engrenant avec la couronne 8 en deux zones opposées diamétralement (voir figure 3), et un générateur d'ondes 10, monté concentriquement. L'engrenage flexible 9 est pourvu d'une surface intérieure axiale. Le générateur d'ondes 10 comprend un anneau 11 dont l'alésage est monté sur l'arbre 2 de façon solidaire en rotation au moyen d'une clavette 12. A partir de l'anneau 11 s'étendent radialement vers l'extérieur deux bras diamétralement opposés. Le générateur d'ondes 10 comprend deux doigts de support 13 montés chacun sur un bras. L'anneau, les bras et les doigts peuvent être monoblocs. Le générateur d'ondes 10 se complète par deux coussinets lisses 14 chacun monté sur un doigt 13. Les coussinets 14 sont en contact avec la surface intérieure de l'engrenage flexible 9 dont ils provoquent la déformation radiale en contraignant ledit engrenage flexible 9 à venir engrener dans la denture de la couronne 8 en deux zones diamétralement opposées. Il pourrait être envisagé de remplacer les coussinets 14 par des roulements. Le générateur d'ondes 10 est claveté sur l'arbre 2 par une clavette 12. Le palier à roulement 6 est monté sur l'arbre 2 axialement entre le pignon 3 et le réducteur 5. Le palier à roulement 6 comprend une bague intérieure 15, par exemple emmanchée sur l'arbre 2, une bague extérieure 16, une rangée d'éléments roulants 17, ici des billes, maintenues à espacement circonférentiel régulier par une cage et un flasque d'étanchéité 18 monté dans une rainure de la bague extérieure 16 et venant former un passage étroit avec une portée axiale de la bague intérieure 15. Les bagues 15 et 16 présentent chacune un chemin de roulement en forme de portion de tore pour recevoir les éléments roulants 17. Les bagues 15 et 16 sont de type à gorge profonde. Le roulement 6 peut être d'un type standard fabriqué en grande série de façon économique. Le dispositif de détection 1 comprend un boîtier 19, par exemple réalisé en matériau synthétique, entourant le réducteur 5 et le roulement 6. Dans le mode de réalisation illustré, le boîtier 19 est annulaire et comprend une portion axiale de petit diamètre 20 dans l'alésage de laquelle est fixée rigidement la bague extérieure 16 du roulement 6. Du côté du pignon 3, la portion axiale de petit diamètre 20 se prolonge par un court rebord radial 21 dirigé vers l'intérieur et en contact avec une surface frontale de la bague extérieure 16, formant ainsi une butée axiale. Le boîtier 19 comprend également une portion radiale 22 s'étendant vers l'extérieur à partir de l'extrémité de la portion axiale de petit diamètre 20 opposée au rebord radial 21 et présentant une face sensiblement coplanaire avec les surfaces radiales frontales des bagues intérieure 15 et extérieure 16 du roulement 6. Le boîtier 19 comprend une portion axiale de grand diamètre 23 s'étendant axialement à l'opposé du pignon 3 à partir de l'extrémité de grand diamètre de la portion radiale 22. La couronne 8 est solidaire de la portion axiale de grand diamètre 23. Avantageusement, les parties du boîtier 19 et la couronne 8 sont réalisées de façon monobloc, par exemple venues de moulage. Le boîtier 19 peut être réalisé en polyamide renforcé par une charge minérale. La partie de détection 7 est de façon générale disposée dans un espace délimité axialement d'un côté par le réducteur 5 et de l'autre côté par le roulement 6, et radialement, d'un côté par l'arbre 2 et de l'autre côté par la partie axiale de grand diamètre 23 du boîtier 29. La partie de détection 7 comprend une carte électronique 24 occupant un secteur angulaire limité (voir figures 2 et 3), par exemple de l'ordre de 90 et fixée contre la face radiale interne de la portion radiale 22 du boîtier 19 et en contact avec la face frontale de la bague extérieure du roulement 16 du côté du réducteur 5. Alternativement, la carte électronique peut être fixée sur la bague extérieure 16 et en contact avec le boîtier 19. La carte électronique 24 supporte un circuit électronique de traitement 25 et deux capteurs 26 et 27, par exemple de type magnétosensible. Le capteur 26 est fixé angulairement sensiblement au milieu de la carte 24 et radialement au niveau de l'engrenage flexible 9. Le capteur 27 est fixé angulairement sensiblement au milieu de la carte 24 et radialement sur son bord interne en faisant face radialement vers l'intérieur. Les capteurs 26 et 27 peuvent être chacun de type optique ou magnétique. Dans ce qui suit, on envisagera le cas de deux capteurs 26 et 27 de type magnétosensible. La partie de détection 7 comprend deux codeurs annulaires 28 et 29. Le codeur 28 se présente sous la forme d'une bague multipolaire de section rectangulaire allongée radialement fixée, par exemple par collage ou par surmoulage, à une face radiale de l'engrenage flexible 9, et faisant face au capteur 26 avec un faible entrefer axial. Le codeur 28 présentant une rigidité inférieure à celle de l'élément flexible 9 est capable d'accompagner les déformations radiales dudit engrenage flexible 9 et de générer un signal magnétique dans le capteur 26. Le codeur 28 et l'engrenage 9 pourraient ne former qu'une seule et même pièce monobloc. Le codeur 29 est supporté par la bague intérieure 15 du roulement 6 et génère un signal magnétique dans le capteur 27. Le codeur 29 comprend un support 30, par exemple sous la forme d'une coupelle en tôle pourvue d'une portion axiale emmanchée sur une portée extérieure de la bague intérieure 15, d'une portion radiale en contact de butée contre la face frontale radiale de la bague intérieure 15 du côté du réducteur 5 et d'une portion axiale de diamètre plus faible s'étendant en direction du réducteur 5, et une partie active 31, par exemple de type plastoferrite, surmoulée sur le support 29 en entourant la portion axiale de petit diamètre et une partie de la portion axiale de grand diamètre et en présentant une surface extérieure axiale en face du capteur 27 avec un faible entrefer radial. Dans le mode de réalisation représenté, le roulement 6 est dépourvu de flasque d'étanchéité du côté du codeur 29. Toutefois, l'on pourrait prévoir un joint frottant ou un flasque de forme adaptée venant coopérer avec une partie du codeur 29. La partie de détection 7 comprend ainsi une même carte électronique supportant deux capteurs et un circuit électronique recevant les signaux de sortie desdits capteurs et capable de transmettre vers l'extérieur, par exemple par une liaison filaire ou radioélectrique non représentée, une information représentative de la position angulaire absolue de l'arbre 2 et une information relative à l'angle de braquage. Le circuit électronique 25 peut transmettre des signaux de sortie des capteurs 26 et 27 après une simple mise en forme ou, alternativement, effectuer un traitement permettant de déterminer avec la précision souhaitée la position angulaire absolue de l'arbre 2 du moteur électrique d'une part, sur la base de l'information fournie par le capteur 27 et d'autre part, l'angle de braquage des roues du véhicule en fonction du signal de sortie du capteur 26 et du signal de sortie du capteur 27. Le dispositif de détection 1 peut donc comprendre un seul roulement, un réducteur, deux codeurs, deux capteurs et une seule carte électronique supportant les capteurs, ce qui s'avère particulièrement économique et compact. En outre, le dispositif de détection 1 forme un sous-ensemble qui peut être assemblé aisément sur une extrémité d'arbre 2 de moteur électrique, par exemple entre un pignon d'entraînement de colonne de direction et le carter, non représenté, du moteur. On remplace donc par un système unique et compact des systèmes qui dans l'art antérieur étaient répartis sur la colonne de direction et sur le moteur de la direction assistée. mécaniquement avec le système d'orientation des roues de telle sorte que le taux de réduction entre le déplacement angulaire de l'arbre 2 du moteur et le déplacement angulaire de l'arbre de colonne de direction soit de l'ordre de 10 à 20. La bague intérieure 15 du roulement 6, et par conséquent le codeur 29, sont entraînés à la même vitesse que l'arbre 2. Le déplacement angulaire de l'arbre 2 est donc détecté par le capteur 27 et transmis au circuit électronique 25 pour transmission vers un organe extérieur et le cas échéant, traitement. Le générateur d'ondes 10 du réducteur 5 est également entraîné à la même vitesse de rotation de l'arbre 2, ce qui provoque une rotation de l'engrenage flexible 9 avec un rapport de réduction de 5 à 100, de préférence de l'ordre de 40 à 80. En d'autres termes, l'engrenage flexible 9 et le codeur 28 se déplacent d'un degré d'angle pour 40 à 80 d'angle de Lors du fonctionnement, l'arbre 2 du moteur électrique est susceptible de tourner en entraînant le pignon 3, lequel actionne le dispositif de braquage des roues, l'arbre 2 du moteur étant lié déplacement de l'arbre 2. Le déplacement angulaire du codeur 28 et de l'engrenage flexible 9 est détecté par le capteur 26 et transmis au circuit électronique 25 pour transmission vers un organe extérieur et le cas échéant, traitement. Afin de limiter le déplacement angulaire de l'engrenage flexible 9 et du codeur 28 à moins d'un tour, le rapport de démultiplication du réducteur 5 est conçu pour être supérieur ou égal au produit du rapport de démultiplication de l'arbre 2 par rapport à la colonne de direction par le nombre de tours de la colonne de direction d'une butée à une autre, c'est-à-dire de la position extrême de braquage à gauche à la position extrême de braquage à droite des roues du véhicule. On assure ainsi que le codeur 28 possède une plage de rotation inférieure à 360 . On peut ainsi utiliser un codeur 28 et un capteur 26 de type monotour nettement plus économique qu'un capteur multitour. La résolution du capteur 26 et du codeur 28 peut être relativement faible dans la mesure ou la position angulaire précise de l'arbre 2 est fournie par le capteur 27 et le codeur 29 tandis que le capteur 26 et le codeur 28 ne fournissent qu'un signal de moindre précision. Compte tenu de la démultiplication offerte par le réducteur 5, on peut ainsi déterminer une position angulaire de la colonne de direction avec une très bonne précision de l'ordre de 0,1 . Le codeur 28 peut être du type à pôles alternés circonférentiellement ou encore du type quadripolaire avec un pôle nord extérieur et un pôle sud intérieur sur 180 et un pôle nord intérieur et un pôle sud extérieur sur 180 . Le champ magnétique vu par le capteur varie en fonction de la position angulaire et de la position radiale du codeur 28 compte tenu de la déformation radiale de l'engrenage flexible 9. Pour la commande du moteur électrique 2 qui peut être de type à courant continu sans balai, il est souhaitable de connaître avec précision la position angulaire des pôles du rotor et par conséquent de l'arbre 2. Le capteur 27 et le codeur 29 sont de type multitour à résolution élevée ou encore fournissant un angle absolu. Dans le mode de réalisation représenté, le boîtier 19 est prévu pour être non tournant, par exemple solidaire en rotation du carter du moteur électrique tandis que l'un des codeurs est associé à la bague intérieure du roulement et l'autre à l'engrenage flexible du réducteur. A titre de variante, le codeur 29 peut être monté sur la portion annulaire axiale 1 du générateur d'ondes 10 ou encore directement sur l'arbre 2, ce qui peut permettre d'utiliser un roulement de type standard à deux éléments d'étanchéité également de type standard. On dispose ainsi d'un réducteur dont la couronne peut être prévue pour supporter les capteurs, le roulement assurant la concentricité de la couronne et de l'arbre du moteur électrique. Pour plus de clarté, ont été illustrés en pointillés sur la figure 1, le carter 32 du moteur électrique et la colonne de direction 33. Grâce à l'invention, on bénéficie d'un dispositif extrêmement compact et économique monté en tant que sous-ensemble sur un arbre de moteur électrique de direction à assistance électrique ou de direction entièrement électrique et muni d'une carte électronique fournissant à la fois un signal représentatif de la position angulaire précise de l'arbre du moteur électrique et un signal représentatif de l'angle de braquage des roues. Deux capteurs seulement peuvent suffire à fournir ces données. En outre, on peut se passer d'autres systèmes de détection additionnels, par exemple disposés sur un roulement de colonne de direction ou encore sur une crémaillère de direction. On pourrait également, sans sortir du cadre de l'invention, prévoir un réducteur de type épicycloïdal au lieu d'un réducteur de type harmonique. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de position angulaire (1) d'un arbre (2) de moteur électrique par rapport à un élément non tournant, caractérisé par le fait qu'il comprend un réducteur (5) comprenant une entrée liée en rotation à l'arbre (2), et une sortie, de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 27t, un capteur de position angulaire (26) monotour étant disposé pour mesurer l'angle de la sortie du réducteur et un capteur de position angulaire (27) étant disposé sur l'entrée du réducteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le rapport de réduction du réducteur est choisi entre 5 et 100. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le capteur (26) monotour est un capteur de position angulaire absolue. 4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, dans lequel le capteur (26) monotour est monté sur une carte électronique supportée par un boîtier (19) du réducteur. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réducteur comprend au moins un train épicycloïdal. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réducteur comprend au moins un réducteur harmonique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur de position angulaire (27) est capable de mesurer un angle modulo 27r. 8. Moteur électrique comprenant un rotor, un stator et un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit rotor étant lié à l'entrée du réducteur (5). 9. Dispositif de direction assistée comprenant un moteur électrique selon la revendication 8, et un arbre (2) entraîné par le moteur électrique et prévu pour provoquer le braquage des roues d'un véhicule. 10. Réducteur (5) comprenant un mécanisme de réduction, une entrée et une sortie, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur de position angulaire (26) monotour disposé pour mesurer l'angle de la sortie, le rapport de réduction du réducteur étant choisi de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 27r, et un capteur de position angulaire (27) disposé sur l'entrée du réducteur. 11. Réducteur selon la revendication 10, comprenant un seul palier à roulement.