Brevet FR2915169A1 — publié le 20081024

DISPOSITIF AERODYNAMIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UNE MEMBRANE QUI SERT A LA FOIS D'ACTIONNEUR ET DE CAPTEUR. DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif aérodynamique de véhicule automobile adapté a être intégré dans un élément de carrosserie du véhicule, le dispositif comportant un panneau externe délimitant un orifice et une chambre dont le volume est variable et au moins une membrane mise en mouvement par réaction d'un matériau de la membrane à l'application d'une tension électrique. On connaît déjà (EP 1 544 089) des dispositifs de ce type. Dans un tel dispositif, l'actionneur fonctionne sur le principe du jet synthétique. Il s'agit d'un système électromécanique qui aspire et souffle alternativement de l'air par le mouvement oscillant d'une membrane. Il génère ainsi, de manière autonome, des structures tourbillonnaires de petites tailles qui, quand le système est implanté en série sur un véhicule automobile en amont d'un décollement d'air, injectent de la quantité de mouvement en proche paroi et agissent favorablement sur la structure du sillage. On obtient une réduction de la surface transversale du sillage et une réorganisation des structures dynamiques du sillage, ce qui se traduit par un réduction significative de la traînée aérodynamique du véhicule et par une réduction de la portance arrière. Afin d'asservir le fonctionnement de l'actionneur à l'état du système (l'écoulement rasant sur la carrosserie du véhicule) il est nécessaire d'utiliser des capteurs qui informent un contrôleur de l'état du système. Il en résulte une augmentation du nombre de pièces constitutives du système de contrôle en boucle fermée et par conséquent une augmentation de la complexité et du coût de ce système. L'invention a pour objet un dispositif aérodynamique de véhicule automobile qui remédie à ces inconvénients. Ces buts sont atteints, conformément à la présente invention par le fait que la membrane sert à la fois d'actionneur et de capteur. Grâce à cette caractéristique il n'est pas nécessaire de prévoir des capteurs séparés, chaque membrane pouvant fonctionner soit dans un mode d'actionneur, soit dans un mode de capteur, en fonction des besoins. De préférence, la membrane est une membrane piézo-électrique. Il peut s'agir également d'une membrane en polymère électro-actif ou d'une membrane en matériau à mémoire de forme. De préférence encore, le dispositif comporte une première électronique qui, en mode actionneur, applique une tension aux bornes de la membrane piézo-électrique et une seconde électronique qui, en mode capteur, reçoit un courant électrique généré par la membrane piézo-électrique. Dans un mode de réalisation particulier le dispositif aérodynamique de l'invention comprend un contrôleur dans lequel est introduite une valeur de référence de sortie désirée, le contrôleur délivrant un signal de commande à au moins un actionneur, ledit actionneur délivrant un signal de sortie à un système dans lequel sont introduites les perturbations, le système délivrant un signal de sortie réelle et un signal de retour en boucle à au moins un détecteur, ce détecteur délivrant un signal de retour qui est réintroduit en boucle fermée dans le contrôleur. Avantageusement une mesure de bruit est en outre fournie au détecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures : -la figure 1 est un schéma de principe du jet synthétique à base de membrane piézoélectrique en mode actionneur et en mode capteur ; - les figures 2a, 2b, 2c sont trois figures qui illustrent le principe d'activation et le principe du mode capteur des membranes piézo-électriques ; - la figure 3 est un schéma d'une boucle fermée utilisée pour contrôler l'écoulement aérodynamique avec des jets synthétiques. Sur la figure 1, la référence 2 désigne un volume variable qui comporte une paroi rigide 4 percée par un orifice 6. L'orifice 6 peut être une fente, être circulaire, ou présenter une autre forme. A l'opposé de la paroi rigide 4, on trouve une membrane métallique 8 sur laquelle est collée une céramique piézo-électrique 10. La membrane peut également être en vis-à-vis ou perpendiculaire à l'orifice de sortie. Comme schématisée en 12, une tension électrique alternative peut être appliquée aux bornes de la céramique piézo- électrique. Lorsque la membrane est actionnée via une tension alternative, ses mouvements périodiques de flexion 14 créent un jet d'air 16 à travers l'ouverture 6. Le jet d'air 16 est composé de structures tourbillonnaires 18. Sur un cycle, la masse totale d'air déplacée est nulle mais la vitesse 20 du jet 16 d'air produit permet de contrôler un écoulement extérieur 22. Ce dispositif peut fonctionner également en mode capteur. Le fonctionnement est le suivant. Les conditions de l'écoulement d'air externe à contrôler 22 génèrent une pression résultante à l'intérieur de la cavité 2. Cette pression induit en retour une force mécanique sur la surface de la membrane métallique 8 qui est transmise à la céramique piézo-électrique 10. Le matériau piézo-électrique transforme cette énergie mécanique en énergie électrique. Un signal électrique est capté par une électronique adéquate (non représentée). Pour une intégration sur un véhicule automobile, il est nécessaire de connaître l'état de fonctionnement de ces actionneurs implantés en série en fin de pavillon arrière, ainsi que de savoir à quel moment déclencher le contrôle et sur quelle partie du pavillon (actionneur situé sur la gauche, sur la droite, au milieu, ou une combinaison de plusieurs de ces actionneurs) afin de contrôler le véhicule en roulage type autoroute, en phase transitoire ou en cas de vent latéral. L'utilisation de capteurs adéquats est donc nécessaire, ce qui demande une intégration de composants supplémentaires dans le système global. L'avantage de l'utilisation de membranes piézo-électrique réside dans le fait qu'elles assurent : simultanément la fonction de mise en oscillation d'une paroi de la cavité et la fonction de capteur de l'état de fonctionnement du dispositif ; un régime linéaire de fonctionnement jusque dans les hautes fréquences (autour de 1 kHz) et dans une large gamme de températures ; une consommation d'énergie minimale comparée aux autres types de transducteurs ; - un temps de réponse rapide de l'ordre de une milliseconde (ms), - un très faible poids ; - un faible coût de production. On a représenté sur les figures 2a à 2c trois états différents de la céramique piézoélectrique. Sur la figure 2a, qui représente l'état initial l'attention Vac est égal à zéro. En conséquence, ni la membrane métallique 8 ni la céramique piézo-électrique ne sont soumises à des contraintes. Sur la figure 2b une tension alternative est appliquée aux bornes de la céramique piézo-électrique. Cette tension induit un déplacement radial et transversal de la membrane métallique 8. Lorsque la membrane métallique sur laquelle la céramique est collée est parfaitement encastrée, ce déplacement se traduit par une flexion périodique de l'ensemble. Réciproquement, on a illustré sur la figure 2c la façon dont la membrane piézo-électrique capte l'état de fonctionnement du dispositif. Sous l'action d'une pression résultante à l'intérieur de la cavité 2, la membrane métallique 8 subit une contrainte mécanique qui est transférée au matériau piézoélectrique 10. Ceci génère une tension équivalente à la force appliquée sur sa surface. On a représenté sur la figure 3 un schéma typique d'un système de contrôle en boucle fermée utilisant des actionneurs et des capteurs pour le pilotage des jets synthétiques. La boucle comporte un contrôleur 30 dans lequel est introduit une valeur de référence de sortie désirée. Cette valeur est par exemple une valeur de coefficient aérodynamique. Le contrôleur 30 délivre un signal de commande 32 à un actionneur 34. L'actionneur est constitué, comme on l'a exposé antérieurement, par exemple par une céramique piézo-électrique et par une membrane métallique à laquelle la céramique piézo-électrique est collée, cet ensemble fonctionnant en mode actionneur. L'actionneur agit sur le système 36, c'est-à-dire sur l'écoulement rasant de l'air. L'air extérieur est successivement aspiré et expulsé à travers un orifice ou une fente et produit des structures tourbillonnaires de petites tailles qui injectent de la quantité de mouvement en proche paroi et agissent favorablement sur la structure du sillage. Les perturbations 37 sont également introduites dans le système 36. On a représenté par la flèche 38 la sortie réelle du système c'est-à-dire, par exemple le coefficient aérodynamique tel qu'il résulte de sa réduction par les actionneurs 34. Au moins un détecteur 40 est placé dans la boucle de retour 42. En d'autres termes, les mouvements de la membrane métallique 8 génèrent un courant électrique qui est capté par une électronique. Le bruit de mesure 41 est également introduit dans le capteur 40. Le signal de retour du détecteur 40 est introduit en boucle dans le contrôleur 30 dans lequel il est comparé à la valeur désirée de sortie afin d'engendrer, si nécessaire, une action correctrice sur le signal de commande 32. Bien que le système de l'invention ait été décrit en application à un véhicule automobile il va de soi qu'il peut trouver à s'appliquer dans d'autres domaines. Il pourrait par exemple être utilisé dans l'aéronautique pour le contrôle d'écoulement sur des ailes d'avion pour en améliorer la portance dans les phases de décollage ou d'atterrissage. De même, il pourrait être utilisé pour améliorer l'orientation et/ou le mélange d'un écoulement (application dans les systèmes d'injection dans les moteurs, application dans la ventilation de sièges automobiles, application de refroidissement de composants électroniques). B 15786 LW REVENDICATIONS 1) Dispositif aérodynamique de véhicule automobile adapté à être intégré dans un élément de carrosserie du véhicule, le dispositif comportant un panneau externe (4) délimitant un orifice (6), une chambre (2) dont le volume est variable et au moins une membrane (8) mise en mouvement par réaction d'un matériau de la membrane (10) à l'application d'une tension électrique, caractérisé en ce que la membrane (8, 10) sert à la fois d'actionneur et de capteur. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la membrane est une membrane piézo-électrique (10) 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte une première électronique qui, en mode actionneur, applique une tension Vac aux bornes de la membranes piézo-électrique et en ce qu'il comporte une seconde électronique qui, en mode capteur, reçoit un courant électrique Vac généré par la membrane piézo-électrique. 4) Dispositif aérodynamique de véhicule automobile, selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comprend un contrôleur (30) dans lequel est introduite une valeur de référence de sortie désirée, le contrôleur 30 délivrant un signal de commande (32) à au moins un actionneur (34), ledit actionneur (34) délivrant un signal de sortie à un système (36), le système délivrant un signal de sortie B 15786 LW 2915169 5 10 9 réelle (38) et un signal de retour en boucle (42) à au moins un détecteur (40), ce détecteur (40) délivrant un signal de retour qui est réintroduit en boucle fermée dans le contrôleur (30). 5) Dispositif aérodynamique de véhicule automobile, selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que des perturbations (37) agissant également sur le système. 6) Dispositif aérodynamique de véhicule automobile, selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'une mesure de bruit (41) est en outre fournie au détecteur (40).