Brevet FR2918451A1 — publié le 20090109

B07-1389FR - GK/EVH Société de droit suédois dite : Aktiebolaget SKF Dispositif de mesure du couple de torsion Invention de : Dispositif de mesure du couple de torsion L'invention concerne le domaine de la mesure du couple de torsion appliqué à un arbre, un procédé pour mesurer le couple et une colonne de direction. L'invention vise plus particulièrement la mesure du couple de torsion appliqué à une colonne de direction d'un véhicule par l'intermédiaire du volant de direction. Une colonne de direction se présente généralement sous la forme d'un ensemble tubulaire prévu pour être fixé à la carrosserie du véhicule sous et en avant du tableau de bord et qui est muni d'un logement supportant un arbre de transmission relié au volant de direction. Le volant de direction peut être relié mécaniquement aux roues directrices par l'arbre. Le volant de direction peut également être découplé mécaniquement pour obtenir un braquage par fil, traduction de l'expression anglaise steer by wire . Une direction découplée comprend généralement un arbre supportant le volant et muni d'un dispositif de mesure du couple exercé sur le volant en vue d'une utilisation dans un véhicule automobile ou dans un système de simulation. On connaît à cet égard le document FR 2 821 931 qui décrit un dispositif de mesure du couple de torsion appliqué à un arbre tournant, comprenant un corps d'épreuve déformable en torsion, deux générateurs d'impulsion magnétique associés à des extrémités opposées du corps d'épreuve, deux capteurs magnétiques analogiques fixes disposés en regard et à distance d'entrefer des générateurs d'impulsion magnétique pour délivrer chacun deux signaux analogique en quadrature, et un dispositif électronique de traitement réalisant le quotient d'une différence de produits des signaux par une somme de produits de ces signaux. La demanderesse s'est aperçue d'un besoin accru de précision et de fiabilité du signal. L'invention se propose de satisfaire ce besoin. La présente invention vise à fournir un signal précis et stable représentatif du couple de torsion appliqué à un arbre tournant. Le dispositif de mesure du couple de torsion appliqué à un arbre tournant, notamment un arbre de colonne de direction, comprend un premier codeur et un deuxième codeur, un premier capteur et un deuxième capteur non tournants respectivement disposés en regard des premier et deuxième codeurs, un arbre de torsion déformable sous l'action d'un couple appliqué, le premier codeur étant associé à l'arbre de torsion à proximité d'une première extrémité dudit arbre de torsion, le deuxième codeur étant associé à l'arbre de torsion à proximité d'une deuxième extrémité dudit arbre de torsion. Les premier et deuxième capteurs sont capables de générer des premier et deuxième signaux analogiques de sortie, lesdits signaux étant représentatifs de la position angulaire relative du capteur par rapport aux codeurs. Les premier et deuxième capteurs comprennent au moins trois éléments de détection générant un signal de sortie noté sinus ai, sinus a2, sinus a3, sinus b1, sinus b2, sinus b3. Le dispositif comprend un module électronique de traitement apte à partir de signaux analogiques d'entrée à calculer le signal S représentatif du couple exercé sur l'arbre, le signal S étant obtenu par différenciation des signaux de sortie. Dans un mode de réalisation, S = (E(a; - b;)2) 0,5 avec i le numéro du capteur. La présence d'au moins trois capteurs permet d'obtenir un signal S de précision élevée. Dans un mode de réalisation, le module électronique comprend une pluralité de voies, une par signal d'entrée, et une partie commune. Une voie peut comprendre un convertisseur analogique/numérique et une mémoire tampon capable d'effectuer une moyenne mobile. La moyenne mobile permet de supprimer une partie du bruit blanc contenu dans le signal d'entrée. Une voie peut également comprendre une table de correction. La table de correction peut être étalonnée à partir de mesures effectuées sur banc. I1 en résulte une précision élevée. Une voie peut également comprendre une deuxième mémoire tampon capable d'effectuer une moyenne mobile. La deuxième mémoire tampon peut être disposée en aval de la table de correction. La deuxième mémoire tampon permet également de supprimer une partie du bruit blanc contenu dans le signal et par conséquent d'améliorer la précision du signal de sortie. La table de correction peut comprendre une entrée d'étalonnage. Lors de l'étalonnage, l'entrée d'étalonnage peut être reliée par une liaison de transmission de signaux à un banc de mesure et d'étalonnage. Dans un mode de réalisation, la table de correction est configurée pour choisir la valeur la plus proche de la valeur d'entrée. Dans un autre mode de réalisation, la table de correction est configurée pour effectuer une interpolation entre les valeurs les plus proches de la valeur d'entrée. Une interpolation correspondante peut être effectuée entre les valeurs de sortie de la table pour calculer la valeur envoyée en sortie. Dans un mode de réalisation, la partie commune comprend un soustracteur et un élévateur au carré par paire d'éléments de détection. La partie commune peut également comprendre un sommateur et un opérateur de racine carrée. Dans un mode de réalisation, les éléments de détection sont montés à espacements angulaires réguliers, par exemple 30, 60 ou 120 degrés. Dans un mode de réalisation, le signal S est obtenu par différenciation puis multiplication. L'invention propose également une colonne de direction comprenant un organe de manoeuvre, un arbre et un dispositif tel que décrit ci-dessus. Un procédé de mesure du couple de torsion appliqué à un arbre tournant comprend une première détection et une deuxième détection de position d'un premier codeur et d'un deuxième codeur disposés à proximité d'extrémités opposées d'un arbre de torsion, par un premier et un second groupe de trois éléments de détection générant chacun un signal de sortie sinus ai, sinus a2, sinus a3, sinus bi, sinus b2 et sinus b3, et le traitement électronique à partir de signaux analogiques d'entrée pour calculer un signal représentatif du couple exercé sur l'arbre avec S=(E(sin ai - sin b;)2) '5 avec i le numéro du capteur. D'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue géométrique simplifiée du dispositif ; - la figure 2 est une vue en coupe axiale du dispositif ; - la figure 3 est un schéma électronique du dispositif ; et - la figure 4 est une courbe montrant l'angle lu par les capteurs en fonction de l'angle réel. Comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif de mesure 1 du couple de torsion comprend un arbre de torsion 2, des anneaux codeurs 3 et 4 montés à proximité d'extrémités opposées de l'arbre de torsion 2 et solidaires en rotation de la portion de l'arbre de torsion 2 les supportant. Les anneaux codeurs 3 et 4 peuvent chacun comprendre une bague magnétique multipolaire, par exemple à base de plastoferrite ou d'élastoferrite. Le dispositif de mesure 1 comprend également deux capteurs 5 et 6, l'un associé à l'anneau codeur 3 et l'autre à l'anneau codeur 4. Chaque capteur 5, 6, comprend au moins trois éléments de détection 7 à 9 et 10 à 12, par exemple des cellules à effet Hall, montées à distance d'entrefer par rapport aux codeurs 3, 4. Le dispositif de mesure 1 comprend également un module de traitement 13 relié à la sortie des éléments de détection 7 à 12. Les éléments de détection 7 à 9 du capteur 5 mesurent un angle a en raison de la position de l'anneau codeur 3. Les éléments de détection 10 à 12 du capteur 6 mesurent un angle b en raison de la position de l'anneau codeur 4. La différence entre les angles a et b est représentative de l'angle de torsion de l'arbre et donc du couple exercé sur l'arbre 2 compte tenu des caractéristiques mécaniques dudit arbre 2. Dans le mode de réalisation représenté, les éléments de détection d'un capteur 5, 6 sont régulièrement espacés angulairement à 120 l'un de l'autre. Le module de traitement 13 reçoit six signaux de sortie, notés sinus ai, sinus a2, sinus a3, sinus b1, sinus b2 et sinus b3, provenant des éléments de détection des deux capteurs. Le module de traitement 13 comprend une carte supportant les circuits illustrés sur la figure 3. Sur la figure 2 est illustré un exemple d'un mode de réalisation d'un arbre de torsion 2. L'arbre de torsion 2 comprend une partie intérieure 14 et une partie tubulaire 15 accouplées à proximité d'une de leurs extrémités par un doigt radial 16. A l'extrémité opposée, la partie intérieure 14 supporte le codeur 3. Egalement du côté opposé au doigt 16, la partie tubulaire 15 supporte le codeur 4. On peut ainsi installer les codeurs 3 et 4 au voisinage l'un de l'autre, d'où une meilleur compacité du dispositif de mesure 1. Sur la figure 3, est illustré un mode de réalisation du module de traitement 13. Le module de traitement 13 est relié à la sortie des éléments de détection 7 à 12. Le module de traitement 13 comprend un nombre de voies correspondant au nombre d'éléments de détection. Dans le mode de réalisation représenté, le module de traitement 13 comprend des voies 17 à 22 chacune reliées respectivement à la sortie d'un élément de détection 7 à 12. Le module de traitement comprend également une partie commune 23 reliée à la sortie des voies 17 à 22. Chaque voie 17 à 22 comprend un convertisseur analogique numérique 24 recevant le signal analogique provenant des éléments de détection 7 à 12 et fournissant un signal numérique correspondant. Chaque voie 17 à 22 comprend une mémoire tampon 25 montée en aval du convertisseur analogique numérique 24 et permettant d'effectuer une moyenne mobile des valeurs fournies par le convertisseur analogique numérique 24. La moyenne mobile peut être effectuée sur un nombre de valeurs compris entre 10 et 100, par exemple entre 20 et 40. Une voie 17 à 22 comprend également une table de correction 26 pourvue d'une entrée d'étalonnage et d'une entrée reliée à la sortie de la mémoire tampon 25, et permettant d'effectuer un recalage entre une valeur réelle et une valeur fournie par la mémoire tampon 25, et ce grâce à un étalonnage qui peut être effectué sur un banc de mesure de précision élevée, permettant notamment de corriger des non-linéarités dans le fonctionnement de dispositifs. Une voie 17 à 22 comprend également une mémoire tampon 27 montée en aval de la table de correction 26. La mémoire tampon 27 permet également d'effectuer une moyenne mobile sur les valeurs de sortie de la table de correction, par exemple sur un nombre de valeurs compris entre 10 et 100, préférablement entre 20 et 40. La partie commune 23 comprend une horloge de référence 28 permettant de cadencer les convertisseurs analogiques numériques 24 des voies 17 à 22 de façon uniforme. L'horloge de référence 28 peut également servir à cadencer les mémoires tampons 25 et 27, les tables de correction 26 et les autres éléments numériques. La partie commune 23 comprend trois soustracteurs 29 à 31 montés respectivement en sortie des voies 17 et 20, 18 et 21 et 19 et 22. Les soustracteurs 29 calculent la différence entre les angles fournis par les voies correspondant aux éléments de détection 7 et 10, 8 et 11, 9 et 12 respectivement. La partie commune 23 comprend également trois opérateurs puissance 32 à 34 permettant d'élever au carré les valeurs reçues en entrée. Les opérateurs puissance 32 à 34 sont montés en sortie des soustracteurs 29 à 31 et calculent le carré de la différence entre les valeurs précitées. Le module de traitement 23 comprend un sommateur 35 à trois entrées recevant les sorties des opérateurs puissance 32 à 34, et un opérateur racine carrée 36 monté en sortie du sommateur 35. La sortie de l'opérateur racine carrée 36 forme la sortie du module de traitement 23 et fournit un angle 0 représentatif du couple de torsion subi par l'arbre 2. Les convertisseurs analogiques numériques 24 transforment le signal reçu de l'élément de détection 7 à 12 en un train de bits, par exemple 12, 14 ou 16, à chaque signal de l'horloge 28. Les mémoires tampons 25 et 27 stockent les N derniers trains de bits venant de l'élément situé en amont, le convertisseur analogique numérique 24 ou la table de correction 26. A chaque nouveau train de bits rentrant dans la mémoire tampon, le plus ancien en est supprimé. La mémoire tampon effectue ensuite une moyenne des N valeurs stockées et envoie ladite moyenne en sortie. Les tables de correction 26 permettent de corriger les non-linéarités illustrées sur la figure 4 et peuvent être étalonnées sur un banc muni de capteurs nettement plus précis et sensiblement dépourvus de non-linéarités. L'étalonnage peut être effectué de façon répétitive et économique. Les tables de correction 26 peuvent choisir la valeur contenue dans la table qui est la plus proche de la valeur reçue en entrée ou alternativement en effectuant une interpolation entre les valeurs les plus proches de la valeur d'entrée avec interpolation correspondante entre les valeurs de sortie de la table en vue d'une précision plus élevée. En d'autres termes, à réception par la table de correction 26 d'une valeur E=Ee+Ed avec Ee la partie entière et Ed la partie décimale, la valeur de sortie peut être égale à Se x (l-Ed) + Se+ix Ed avec Se la valeur de sortie correspondante à Ee et Se+1 la valeur de sortie correspondante à Ee + 1. Grâce à l'invention, on bénéficie d'un dispositif de mesure de couple de torsion particulièrement précis et économique permettant une forte diminution du bruit, par exemple du bruit blanc, et une répétabilité élevée grâce à l'étalonnage des tables de correction. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure (1) du couple de torsion appliqué à un arbre tournant, notamment un arbre de colonne de direction, comprenant un premier codeur et un deuxième codeur (3, 4), un premier capteur et un deuxième capteur (5, 6) non tournants, respectivement disposés en regard des premier et deuxième codeurs, un arbre de torsion (2) déformable sous l'action d'un couple appliqué, le premier codeur (3) étant associé à l'arbre de torsion (2) à proximité d'une première extrémité dudit arbre de torsion (2), le deuxième codeur (4) étant associé à l'arbre de torsion (2) à proximité d'une deuxième extrémité dudit arbre de torsion (2), les premier et deuxième capteurs (5, 6) étant capables de générer un premier signal et un deuxième signal analogiques de sortie, lesdits signaux étant représentatifs de la position angulaire relative du capteur par rapport au codeur, caractérisé par le fait que les premier et deuxième capteurs (5, 6) comprennent au moins trois éléments de détection (7-9 ; 10-12) générant un signal de sortie, sin ai, sin a2, sin a3, sin b1, sin b2, sin b3, le dispositif comprenant un module électronique de traitement (13) apte à partir de signaux analogiques d'entrée à calculer le signal S représentatif du couple exercé sur l'arbre, le signal S étant obtenu par différenciation des signaux de sortie. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel S = (E(a; - b;)2) 0,5 avec i le numéro du capteur. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le module électronique (13) comprend une pluralité de voies (17 à 22), une par signal d'entrée, et une partie commune (23). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel une voie comprend un convertisseur analogique/numérique (24), et une première mémoire tampon (25) capable d'effectuer une moyenne mobile, une table de correction (26) et une deuxième mémoire tampon (27) capable d'effectuer une moyenne mobile. 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la table de correction (26) comprend une entrée d'étalonnage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les éléments de détection sont montés à espacement angulaire régulier. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la table de correction est configurée pour choisir la valeur la plus proche de la valeur d'entrée. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans lequel la table de correction est configurée pour effectuer une interpolation entre les valeurs les plus proches de la valeur d'entrée. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, dans lequel la partie commune (23) comprend un soustracteur (29-31) et un élévateur au carré (32-34) par paires d'éléments de détection, un sommateur (35) et un opérateur de racine carrée (36). 10. Dispositif de mesure (1) du couple de torsion appliqué à un arbre tournant, notamment un arbre de colonne de direction, comprenant un premier codeur et un deuxième codeur (3, 4), un premier capteur et un deuxième capteur (5, 6) non tournants, respectivement disposés en regard des premier et deuxième codeurs, un arbre de torsion (2) déformable sous l'action d'un couple appliqué, le premier codeur (3) étant associé à l'arbre de torsion (2) à proximité d'une première extrémité dudit arbre de torsion (2), le deuxième codeur (4) étant associé à l'arbre de torsion (2) à proximité d'une deuxième extrémité dudit arbre de torsion (2), les premier et deuxième capteurs (5, 6) étant capables de générer un premier signal et un deuxième signal analogiques de sortie, lesdits signaux étant représentatifs de la position angulaire relative du capteur par rapport au codeur, caractérisé par le fait que les premier et deuxième capteurs (5, 6) comprennent au moins trois éléments de détection (7-9 ; 10-12) générant un signal de sortie, sin ai, sin a2, sin a3, sin b1, sin b2, sin b3, le dispositif comprenant un module électronique de traitement (13) apte à partir de signaux analogiques d'entrée à calculer le signal S représentatif du couple exercé sur l'arbre, le signal S étant obtenu par différenciation puis multiplication.