Brevet FR2927279A1 — publié le 20090814

. 20 25 30 2927279 STABILISATION GYROSCOPIQUE ACTIVE A) DOMAINE DE L 'INVENTION La présente invention concerne la stabilisation dynamique de tout véhicule automobile et en particulier des formules 1 utilisant un freinage récupératif. La présente invention concerne la stabilisation dynamique de tout corps en mouvement ou non sur mer sur terre dans les air et dans l'espace B) ÉTAT DE LA TECHNIQUE La réglementation des formules va imposer de récupérer l'énergie de freinage et de la 10 réinjecter en phase d'accélération. Des gyroscopes ont été utilisés pour stokers de l'énergie dans des installations fixes. En fait un gyroscope est plus performant que tout autre moyen pour stokers de l'énergie électrique et surtout pour recevoir des cycles de charges et de décharges rapides et répétées. 15 Sur véhicule on a tenté de faire stokers de l'énergie électrique mais l'effet gyroscopique a toujours été un obstacle a l'usage du gyroscope car il perturbe la stabilité du véhicule. Dans le passé des gens ont tenté de stabiliser des monorails, des bateaux et des véhicules à 2 roues en utilisant un ou des gyroscopes. Toutes ces tentatives ont avorté : • Parce que le degré de mobilisation du gyroscope été limité et la technologie de l'époque était rustique. • Enfin et surtout parce que, lorsque le gyroscope étaient activés les concepteurs le faisaient mal. C) NOTIONS FONDAMENTALE CONCERNANT LE FONCTIONNEMENT D'UN GYROSCOPE & PROPRIETEES DE L 'INVENTION. Il faut savoir qu'un gyroscope est une machine inertielle dans laquelle un Cylindre 1 d'inertie polaire � j � est soumis à une grande vitesse de rotation � rot � d'axe Y autour de son axe principal 5-5' (fig. 1) , si l'on applique une vitesse de rotation �vit� d'axe Z autour d'un axe 6-6' perpendiculaire à 5-5'. il se crée un couple C d'axe x perpendiculaire au plan contenant 5-5'(axe y) et 6-6' (axe z). Tel que : j*rot*vit = C 1 5. 10 15 20 25 30 35 Ce couple n'est actif que pendant que pendant la durée d'activité de �rot� et de � vit �. Par essence dans les mécanismes conçus antérieurement le mouvement de rotation � vit � et de courte durée et surtout il peut être de faible vitesse si bien que le vecteur d'axe x créé est faible et de courte durée. Le but de l'invention est : De pallier ces inconvénients de faiblesse et d'évanescence des couples d'axe x créés. De créer des couples d'axe x dans des directions utile pour un véhicule et en particulier pour un véhicule de compétition. Il faut se rappeler que les voitures de course et en particulier les formules 1 on des lests qui permettent d'ajuster la position du centre de gravité et à respecter la masse à vide réglementaire. Il n'est donc pas aberrant de mètre dans ces véhicules des gyroscopes ayant une masse équivalente à la masse de lest. Exemple d'effet bénéfique des gyroscopes actifs : 1. Lors d'un départ arrêté en formule 1 l'idéal est d'avoir un maximum d'adhérence sur les roues arrière motrices. Si on utilise un ou des gyroscopes actifs on peut créer un couple de cabrage qui transférera sur l'arrière un appui au sol supérieur à ce que peut avoir un véhicule sans gyroscope actif 2. Lors d'un freinage, on peut soulager l'essieu avant en créant encore une foi un moment de cabrage qui demandera plus de travail aux roues arrières ; dans la mesure ou on peut imaginer que le moteur-génératrice électrique des systèmes de récupération d'énergie sera sur et à la vitesse de l'arbre moteur thermique, donner de l'adhérence aux roues arrière est une bonne façon de maximiser la récupération au freinage. 3. Lors d'une entrée en virage le ou les gyroscope(s) actif peut créer un couple de lacet qui vas aider les roues avant à inscrire la voiture en virage. Il va ainsi luter contre l'inertie de lacet du véhicule. 4. Inscrit dans le virage le ou les gyroscope(s) actif vas contrôler la stabilité de lacet du véhicule en générant des couples pro ou anti lacet pour garantir par exemple un comportement neutre malgré le fait que la voiture soit par exemple survireuse. 5. Si le véhicule a une perte d'adhérence sur par exemple l'essieu avant, puis après sur l'essieu arrière, ce qui est typiquement le cas lors d'un passage sur une tache d'huile, les gyroscopes peuvent éviter la mise en tête a queue et garder le cap du véhicule malgré une perte d'adhérence. 2 5. to 15 20 25 30 . On peut également contrôler le roulis de la voiture avec le ou les gyroscope(s) actif. Les points 1 et 2 permettent de maximise et d'optimise le comportement dynamique longitudinal du véhicule. En effet il faut savoir que l'aérodynamique d'une formule 1 est très sensible aux mouvements de tangage, car la distance aileron avant sol varie considérablement lors du tangage. On est donc obligé classiquement de faire des compromis et de sacrifier la performance à une garde au sol donnée à la constance de l'appui pour une certaine excursion en tangage. Si on utilise le ou les gyroscope(s) actif on peut optimise la garde au sol de l'aileron avant et la rendre quasi-constante, on peut alors maximiser la performance aérodynamique et avoir l'équivalent d'un contrôle actif d'assiette ! (Rappelez-vous des mass dampers (amortisseurs a inertie) de Renault) ils n'avaient d'autre but que de calmer les mouvements verticaux de 1' essieu avant. Avec le ou les gyroscope(s) actif on a franchi un pas de plus car non seulement on calme les mouvements mais on peut les contrôler et notamment les piloter. Les points 3 , 4 & 5 permettent de modifier radicalement la stabilité et la vivacité du véhicule en virage on peut avec par exemple deux pilotes différents et sans rien changer à la mécanique ni aux réglages rendre la voiture neutre, sous vireuse ou survireuse au gré du pilote de la portion du virage et du type de virage négocié. On a un véritable � drive by wire dynamiqu � (pilotage numérisé) assuré par le ou les gyroscope(s) actif D) CONTENU DES FIGURES La figure 1 représente la vue en perspective d'une unité gyroscopique active. La figure 2 représente la vue de dessus d'une unité gyroscopique active La figure 3 représente la vue de face d'une unité gyroscopique active La figure 4 montre la charge a l'essieu que peut créer une combinaison de plusieurs gyroscopes actifs. 3 5. lo 15 20 25 30 E) DESCRIPTION DES ELEMENTS DES FIGURES 1) Masse tournante du gyroscope 2) Premier Cadre du montage en cardan 3) Second Cadre du montage en cardan 4) chassis 5) 5 & 5' axe du gyroscope 6) 6 & 6' axe du premier cadre 7) 7 & 7' axe du second cadre 8) vitesse tangentielle de rotation du cadre 3 autour de l'axe 7 & 7' 9) vitesse tangentielle de rotation du cadre 2 autour de l'axe 6 & 6' 10) 10 10' & 10"trajectoire du vecteur X REMARQUES : ^ Il est tout d'abord précisé que, sur les figures, les mêmes références désignent les mêmes éléments, quelle que soit la figure sur laquelle elles apparaissent et quelle que soit la forme de représentation de ces éléments. De même, si des éléments ne sont pas spécifiquement référencés sur l'une des figures, leurs références peuvent être aisément retrouvées en se reportant à une autre figure. • Il est aussi précisé que les figures représentent plusieurs modes de réalisation de l'objet selon l'invention, mais qu'il peut exister d'autres modes de réalisation qui répondent à la définition de cette invention. • Il est en outre précisé que, lorsque, selon la définition de l'invention, l'objet de l'invention comporte "au moins un" élément ayant une fonction donnée, le mode de réalisation décrit peut comporter plusieurs de ces éléments. Réciproquement, si les modes de réalisation de l'objet selon l'invention tel qu'illustrés comportent plusieurs éléments de fonction identique et si, dans la description, il n'est pas spécifié que l'objet selon cette invention doit obligatoirement comporter un nombre particulier de ces éléments, l'objet de l'invention pourra être défini comme comportant "au moins un" de ces éléments. 4 5. 10 15 20 25 30 Il est enfin précisé que lorsque, dans la présente description, une expression définit à elle seule, sans mention particulière spécifique la concernant, un ensemble de caractéristiques structurelles, [par exemple E = E(p, i, s, .)]ä ces caractéristiques peuvent être prises, pour la définition de l'objet de la protection demandée, quand cela est techniquement possible, soit séparément, [par exemples, et/ou i, et/ou p, ...] soit en combinaison totale et/ou partielle[par exemple E( e , i , p), et/ou E( e, i), et/ou E( i , p), et/ou E( e, p)]. 1') PRINCIPE DE STABILISATION SELON L'INVENTION.. DTD: Il faut garder à l'esprit que le vecteur de couple X créé par un gyroscope reste toujours dans le plan perpendiculaire à Y & Z . Donc si on fait tourner le cadre 2 a vitesse constante il va provoquer la rotation du couple X dont l'orientation tournera autour de I'axe 6&6'. En général les personnes qui ont tenté de mètre en oeuvre les gyroscopes n'ont utilisé qu'une fraction de tour autour de l'axe 6&6' car aller au delà provoquai des phénomènes parasite indésirables. Ainsi par exemple si on souhaite créer un moment antiroulis on va pointer 5&5' perpendiculaire a l'axe du véhicule et 6&6' sera vertical la direction potentielle de X avant activation autour de l'axe 6&6' est donc pointé vers l'avant du véhicule. Lorsque l'activation est déclenchée le couple antiroulis tourne rapidement et en particulier va devenir un couple de tangage après 90 de rotation du cadre 2. Ce phénomène est très désagréable car on ne cherche pas forcement a ce moment la à avoir un couple de tangage. Notre invention consiste à utiliser un second cadre (le cadre 3) qui vas se laisser entraîner (ou non selon le couple du moteur qui le contrôle) en un mouvement de tangage, ainsi le couple de tangage n'est alors pas transmis au chassis, mai par contre il assure le tangage du cadre 2, si bien que celui ci culbute, et que le vecteur X lorsqu'il aura effectué un demi-tour autour de l'axe 6&6', sera en fait parfaitement dirigé vers l'avant et procurera à nouveau un couple antiroulis, notons que si la culbute du cadre 2 ne s'étais pas effectuée le vecteur X pointerai alors vers l'arrière et provoquerai un couple pro roulis ! Grâce au montage en cardan on élimine donc les couples secondaires indésirables et on bénéficie deux foies par tour des couples utiles. Notons que le fait d'utiliser préférentiellement des paires de gyroscope à double cadre permet en les faisant tourner de façon opposée de supprimer totalement les effets secondaires évoqués précédemment.5 On utilise préférentiellement plusieurs petits gyroscope par exemple 4 gyroscopes. Pour chaque gyroscope Les trois axes 5&5', 6&6', 7&7' sont motorisés et pilotés par une unité centrale de calcul qui gère le groupe complet des gyroscopes en fonction d'informations extérieures telle l'accélération latérale, le lacet, le tangage du véhicule, 5. l'angle au volant, la position des pédales de d'accélérateur et de frein etc. La figure 4 montre la contribution de chaque gyroscope (exemple de 4 gyroscopes) et l'effet global induit par les gyroscopes. Dans l'exemple de la figure 4 on crée au droit des essieux une force de 5 000 Newtons avec une ondulation de valeur de 2.7 % seulement et une fréquence de 13 hertz. II est à noter que cette force peut être maintenue constante pendant le temps nécessaire pour assurer le passage dans une grande courbe par exemple puis supprimée ou réorientée. Il est à noter que de façon à obtenir un couple quasi contant on a déphasé les 4 gyroscopes de façon que lorsque le couple utile d'un gyroscope est sur le point de disparaître un autre gyroscope a son couple qui est en train d'apparaître. Pour améliorer le lisage du couple dans l'exemple on a rajouté un autre gyroscope déphasé qui a son couple maxi, lorsque le couple des deux gyroscopes précédemment évoqués est à leur plus bas utile. Naturellement la technologie évoquée ci dessus peut être utilisée pour stabiliser tout type de mobile, que ce soit une station ou un véhicule spatial, un véhicule terrestre à une deux ou � n � roues, un bateau un monorail etc. En particulier on peut orienter piloter et stabiliser une capsule de rentrée dans l'atmosphère avec précision et en continu. En particulier on peut orienter piloter vectoriellement et stabiliser un avion de combat à des angles de vol bien au-delà du décrochage aérodynamique. Par phasage on désigne la position angulaire de plusieurs gyroscope par rapport à la direction utile. Par fenêtre on désigne une zone (de la trajectoire du vecteur de couple X) de par exemple plus ou moins 45 degrés angulaires par rapport à la direction utile. 30 Par direction utile on désigne l'axe préférentiel ver lequel doit pointer le vecteur de couple X créé par le gyroscope Le phasage des gyroscopes (est donc leur déphasage ) est un outil précieux, en effet on peut imaginer ne jamais arrêter la rotation par exemple du cadre 2 d'axe 6&6' mais de mètre, ou non, en opposition de phase 2 gyroscopes, ainsi quant la paire est en 35 opposition de phase aucun couple n'est crée, la modulation de phase permet alors de passer d'un couple dans une direction a une autre direction de façon progressive avec passage par zéro. La modulation de phase (& ou) la modulation de vitesse autour de l'axe 6&6' permettent d'obtenir une modulation de couple. Notons qu'un gyroscope actif peut transiter d'une fonction à une autre très rapidement 40 et très simplement ; si on reprend l'exemple précédent nous avons décrit un gyroscope créant de l'antiroulis. Le fait de jouer sur le réglage du phasage permet de garder la 10 15 20 25 6 vitesse de rotation autour de l'axe 6&6' très élevé et d'onc d'avoir des temps de réponse très faible et de créer des couples très puissants. Il ne crée de l'antiroulis et non de l'antitangage que parce que l'on débraye l'action du gyroscope en le faisant basculer autour de son axe 7&7' ; si on décide de passer en antitangage on débraye l'antiroulis en autorisant le basculement dans la fenêtre 5. d'antiroulis Le montage avec deux cadres 2 & 3 motorisés ou non est dit un montage en double cardan. On peu imaginer d'avoir de un à n cadres motorisés (n étant supérieur à 3) En résumé l'invention consiste-en : l0 1. Système de stockage de l'énergie gyroscopique a haut rendement utilisant une masse tournante (1) entraîné à grande vitesse de rotation d'axe 5&5' , caractérisée par l'usage d'au moins un double cardant constitué de cadres 2 & 3 motorisés autour de leurs axes 6&6' et 7&7'. 2. système de stockage de l'énergie gyroscopique a haut rendement utilisant une 15 masse tournante (1) entraîné à grande vitesse de rotation d'axe 5&5' , caractérisée par l'usage d'au moins une paire de gyroscopes 3. Les gyroscopes étant un excellent moyen de stockage de 1 `énergie il est judicieux de revoir la stratégie complète de propulsion d'un véhicule. Lorsque le pilote lève le pied, même très légèrement en courbe c'est pour contrôler le couple qu'il 20 applique aux roues arrières et moduler l'adhérence de celui ci. Pendant ce temps sans le stockage gyroscopique le moteur est sous employé, ce qui est navrant ! Si par contre le moteur reste a pleine puissance et que le générateur électrique pompe son excès de puissance pour surcharger les gyroscopes, lors de la ré accélération en sortie de virage on pourra assister le moteur thermique 25 puissamment avec les gyroscope qui se déchargeront d'une part et transféreront de l'adhérence sur l'essieu arrière. (pilotage du moment de tangage activé) 4. Notons que lors d'un départ ou d'une ré accélération on peut transférer jusqu'à 100% de l'adhérence sur l'essieu moteur car on peut demander à un (ou un groupe) de gyroscope d'assurer la sécurité et le pilotage de lacet. 30 5. système de stockage de l'énergie gyroscopique a haut rendement utilisant une masse tournante (1) entraîné à grande vitesse de rotation d'axe 5&5', caractérisée par l'usage d'une unité centrale assurant la gestion de l'énergie de l'activation et du phasage des gyroscopes 6. Par unité centrale on désigne un système de calcul a microprocesseur bien connu 35 de l'homme de l'art. 7. Par plate-forme inertielle on désigne l'ensemble des gyroscopes actifs et l'unité centrale de gestion. 8. Une telle plate-forme inertielle peut avoir de nombreuses applications sur tout corps en déplacement que se soit sur terre, en aéronautique ou astronautique. 40 Ainsi l'orientation de fusées de satellites ou de capsule de rentrée sans mini fusées d'orientation deviens possible ; de même le pilotage vectoriel d'avions de combats même au-delà du décrochage ne pose plus de problème. 7 REVENDICATIONS 1. Système gyroscopique à haut rendement utilisant une masse tournante (1) entraîné à grande vitesse de rotation d'axe 5&5', caractérisée par l'usage d'au moins un double cardant constitué de cadres 2 & 3 motorisés autour de leurs axes 6&6' et 7&7'. 2. système gyroscopique à haut rendement utilisant une masse tournante (1) entraîné à grande vitesse de rotation d'axe 5&5',selon la revendication 1 caractérisée par l'usage d'au moins une paire de gyroscopes 3. système gyroscopique à haut rendement utilisant une masse tournante (1) entraîné à grande vitesse de rotation d'axe 5&5',selon les revendications 1&2 caractérisée par l'usage d'une unité centrale assurant la gestion de l'énergie de l'activation et du phasage des gyroscopes 15 4. Système gyroscopique à haut rendement utilisant une masse tournante (1) entraîné à grande vitesse de rotation d'axe 5&5',selon les revendications 1, 2 & 3 caractérisée par l'usage d'une unité centrale assurant le prélèvement de l'excès de puissance du moteur thermique au lever de pied 20 du pilote.. 5. 10 8