Brevet FR2924665A3 — publié le 20090612

FR 2924665 A3 20090612 FR 0759561 A 20071205 Valve hydraulique rotative incorporant un barreau de torsion Domaine technique de l'invention L'invention concerne une valve hydraulique rotative d'une crémaillère de direction hydraulique, ladite valve incorporant un barreau de torsion, destiné à 10 générer une ouverture de la valve proportionnelle au couple de braquage appliqué par le conducteur. L'invention s'applique plus particulièrement à une crémaillère de direction de véhicule automobile, assistée de manière hydraulique pour aider à 15 manoeuvrer les roues directrices du véhicule à partir du volant tourné par le conducteur. Etat de la technique 20 Un véhicule automobile comporte classiquement une colonne de direction actionnée par le volant, qui doit déplacer en translation, par l'intermédiaire d'un engrenage, une crémaillère reliée mécaniquement aux roues pour les braquer dans le sens voulu. La plupart des systèmes de 25 direction sont assistées, de manière électrique ou hydraulique. Comme représenté sur la figure 1, illustrant une vanne hydraulique rotative classique, la vanne hydraulique 10 est composée notamment, à une première extrémité, d'une chemise 11 et d'un boisseau 12, bloqué par rapport à 30 la chemise 11 par l'intermédiaire d'une rainure 13, et, à une seconde extrémité, d'un pignon 14. La vanne 10 incorpore classiquement un barreau de torsion 15, destiné notamment à générer une ouverture de la valve proportionnelle au5 couple de braquage appliqué par le conducteur. De façon classique pour l'assistance hydraulique, la rotation de la colonne de direction agit par l'intermédiaire du barreau de torsion 15 sur la vanne 10 hydraulique distributrice. Cette vanne 10 est alors reliée hydrauliquement à un vérin d'assistance solidaire en translation de la crémaillère pour développer sur celle-ci une force supplémentaire agissant dans le même sens que la rotation de la colonne de direction. Par ailleurs, comme représenté sur la figure 2, illustrant un barreau de torsion 15 classique, celui-ci est conformé avec une partie centrale 16 de section rétrécie par rapport à la section de deux emmanchements 17 formant les extrémités du barreau 15, un emmanchement côté pignon 14 de la valve 10 et un emmanchement côté colonne de direction, c'est-à-dire côté chemise 11 (figure 1). Un tel barreau de torsion 15 est calibré de manière à avoir une raideur de torsion définie par l'équation : C = KbarA9 , avec Kbar la raideur du barreau de torsion 15, A6 le décalage angulaire engendré entre les extrémités du barreau de torsion 15 et C l'amortissement visqueux. Or, il arrive que le système de direction soit perturbé, notamment lors de manoeuvres de braquage sur certaines adhérences au sol, par un phénomène de vibration ou d'oscillations, rendant le système localement instable et ressenti par le conducteur. Ces oscillations n'ont aucun impact sur lé sécurité, mais elles perturbent de manière importante le ressenti du conducteur (vibrations à des fréquences proches de 20 Hz, dans certaines conditions de fonctionnement). Les instabilités observées proviennent d'une contre réaction de la direction assistée provoquée par le couplage entre la dynamique propre du train avant et l'assistance hydraulique. Bien qu'il est parfois considéré que ces problèmes soient acceptables, il est connu de réduire ces oscillations en effectuant des modifications de la ligne hydraulique par ajout et/ou retrait de parties souples et/ou rigides de la tuyauterie sans méthodologie particulière. Cependant, cela engendre un temps de mise au point qui n'est pas négligeable. Pour remédier à ces inconvénients, la demande de brevet français n° 0704605 de la demanderesse décrit une solution consistant à ajouter une restriction hydraulique calibrée dans le circuit haute pression de l'assistance. Cette solution a l'avantage d'être simple. Cependant, si l'énergie à dissiper est trop importante, la prestation d'assistance peut être dégradée. En effet la présence de la restriction diminue les capacités d'assistances, en terme de valeur d'effort d'assistance et de bande passante. Dans ce cas, cette solution ne peut être satisfaisante. Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à l'ensemble des inconvénients précités et a pour objet la réalisation d'une vanne hydraulique rotative qui permette de manière simple et peu coûteuse d'améliorer le comportement en phase de l'assistance hydraulique. Selon l'invention, ce but est atteint par les revendications annexées et, plus particulièrement, par le fait que le barreau de torsion est muni d'un dispositif amortissant. 25 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention peuvent être considérées isolément ou en combinaison : - Ledit dispositif amortissant est un surmoulage en élastomère. - L'élastomère du surmoulage présente un comportement viscoélastique se rapprochant d'un modèle rhéologique de type ressort amortissement 30 visqueux . 20 - Le matériau élastomère, la longueur et l'épaisseur du surmoulage sont déterminés, de manière à ce que le barreau de torsion présente une raideur dont le comportement dynamique est donné par une réponse en fréquence. - Ladite réponse en fréquence est équivalente à un filtre passe-haut, dans lequel le gain basse fréquence du filtre, ou gain statique, représente la raideur statique du barreau de torsion, le gain dynamique représente la raideur dynamique du barreau de torsion et la fréquence transitionnelle, ou fréquence de coupure, est déterminée en fonction des caractéristiques du barreau de torsion et de l'élastomère du surmoulage. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : La figure 1 représente une vue en perspective d'une valve hydraulique rotative selon l'art antérieur. La figure 2 représente une vue en perspective d'un barreau de torsion incorporé dans la valve hydraulique rotative selon la figure 1. La figure 3 représente une vue en perspective d'un barreau de torsion incorporé dans une valve hydraulique rotative selon l'invention. Les figures 4 et 5 sont, respectivement, un graphique de la fréquence en fonction du module de raideur et un graphique de la fréquence en fonction de la phase, illustrant la réponse en fréquence équivalent à un filtre passe-haut, pour la détermination de la raideur du barreau de torsion selon l'invention. Description de modes particuliers de réalisation En référence aux figures 1 à 3, l'invention proposée est une modification de la partie mécanique de la valve hydraulique 10 (figure 1) au niveau du barreau de torsion 15. Comme représenté sur la figure 3, l'objet de l'invention consiste plus particulièrement à introduire un dispositif amortissant au niveau du barreau de torsion 15 incorporé dans une valve hydraulique 10 selon l'invention. Un tel dispositif amortissant permet de générer, à partir d'une certaine fréquence d'excitation, une ouverture de la valve 10 proportionnelle à la dérivée temporelle du décalage angulaire, à savoir la vitesse du décalage angulaire, entre la chemise 11 et le boisseau 12, situés à une extrémité de la valve 10. Dans le mode particulier de réalisation représenté sur la figure 3, sur laquelle la valve hydraulique 10 selon l'invention n'est pas représentée pour des raisons de clarté, le dispositif amortissant est constitué d'un surmoulage 18 en élastomère, moulé sur le barreau de torsion 15. Le surmoulage 18 s'étend, de préférence, sur toute la partie centrale 16 de section rétrécie du barreau de torsion 15 et sur sensiblement la moitié de chaque emmanchement 17, ou extrémité, du barreau de torsion 15 (figures 2 et 3). D'une façon générale, le comportement viscoélastique du matériau élastomère choisi pour le surmoulage 18 peut être approché par un modèle rhéologique de type ressort amortissement visqueux . Le matériau élastomère, la longueur L et l'épaisseur E du surmoulage 18 (figure 3) sont alors déterminés, de manière à ce que le barreau de torsion 15 présente une raideur K, dont le comportement dynamique est donné par une réponse en fréquence spécifiée par le concepteur. Comme représenté plus en détails sur les figures 4 et 5, la réponse en fréquence permettant de donner le comportement dynamique, à savoir la raideur K, du barreau de torsion 15, comme représenté sur la figure 3, est équivalente à un filtre passe-haut (figures 4 et 5). Le gain basse fréquence du filtre, ou gain statique, représente la raideur statique du barreau de torsion 15. Le gain dynamique, qui est un gain croissant avec la fréquence, avec une pente de croissance égale à 20dB par décade, comme représenté sur la figure 4, représente la raideur dynamique du barreau de torsion 15. La fréquence transitionnelle, ou fréquence de coupure, à savoir la fréquence à partir de laquelle un comportement passe-haut est observé, est notamment déterminée en fonction des caractéristiques du barreau de torsion 15 (raideur statique) et de l'élastomère du surmoulage 18 (raideur et amortissement visqueux), à savoir selon le rapport Kstat Comme représenté sur la figure 5, la fréquence de Cvisqueux coupure indique donc le changement de comportement de la raideur, à savoir le passage d'une raideur statique à une raideur dynamique. Ainsi, pour déterminer la raideur K du barreau de torsion 15 muni du surmoulage 18 en élastomère, il faut partir de l'équation de la raideur dynamique, qui s'exprime selon la formule suivante : K = Kstat + jwCvisqueux . Dans cette équation, Kstat représente la raideur statique, égale à la raideur de l'élastomère Kelasto ajoutée à la raideur Kbar du barreau de torsion 15 lui- même, selon la formule : Kstat = Kelasto + Kbar . La partie dynamique de l'équation de la raideur K ci-dessus est donnée par l'amortissement visqueux Cvisqueux du matériau élastomère, comme décrit ci-dessus. En désignant par tant, le facteur de perte de l'élastomère, c'est-à- dire le rapport entre l'effort purement élastique Felastique et l'effort visqueux Fvisqueux (selon l'équation tan g =Fvisqueux = Cw) la raideur K peut alors Felastique K s'exprimer selon l'équation suivante : K = Kbar+Kelasto(1+ j.tan8). Dans cette équation, la raideur de l'élastomère Kelasto est notamment choisie de manière à ce que la somme de la raideur du barreau Kbar et de l'élastomère Kelasto corresponde à une raideur statique prédéterminée, par exemple selon les applications prévues ou selon les crémaillères de direction hydraulique intégrant une telle valve hydraulique selon l'invention. Le facteur de perte tanb est donc choisi en fonction de la fréquence de coupure. En effet, la raideur dynamique étant donnée par l'équation ci-dessus : K = Kstat + jwCvisqueux, la fréquence de coupure, à partir de laquelle la raideur statique Kstat devient très inférieure à la valeur wCvisqueux, est donnée par le rapport Kstat En conséquence, la fréquence de coupure est déterminée Cvisqueux par un choix convenable du facteur de perte de l'élastomère du surmoulage 18. A titre d'exemple, la fréquence de coupure se situe dans une fourchette comprise, de préférence, entre 5 Hz et 12 Hz. A titre d'exemple, la longueur L du surmoulage 18 est de l'ordre de 80mm à 150mm et l'épaisseur E du surmoulage 18 est de l'ordre de 2mm à 5mm, pour une raideur K du barreau de torsion 15 de l'ordre de 1,5Nm/deg à 5Nm/deg. Par ailleurs, le matériau élastomère du surmoulage 18 est choisi, de préférence, parmi des mélanges en latex préparés tels que les facteurs de perte des mélanges considérés permettent d'obtenir la fréquence de coupure de la raideur dynamique du barreau de torsion 15. Un tel choix permet alors de garantir un facteur de perte compatible avec la réponse en fréquence désirée, pour le barreau de torsion 15 équipé du surmoulage 18. Une telle vanne hydraulique rotative 10 selon l'invention, incorporant un tel barreau de torsion 15 avec surmoulage 18 en élastomère, a donc pour avantage principal d'améliorer le comportement en phase de l'assistance hydraulique. Plus particulièrement, la contre réaction de l'assistance sera efficace pour amortir les vibrations et non plus pour les entretenir. Par ailleurs, une telle solution est purement mécanique et ne fait intervenir aucun élément électronique. Il en résulte une vanne hydraulique 10 intrinsèquement robuste en prestation et en fiabilité. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus. La vanne hydraulique rotative 10 peut notamment comporter tout type de dispositif amortissant associé au barreau de torsion 15, tant que celui-ci permet de générer, à partir d'une certaine fréquence d'excitation, une ouverture de la valve 10 proportionnelle à la dérivée temporelle du décalage angulaire. Par ailleurs, dans le cas d'un surmoulage 18 en élastomère comme dispositif amortissant, la forme et les dimensions du surmoulage 18, ainsi que les valeurs de raideur du barreau de torsion 15 et du surmoulage 18 en élastomère, sont non limitatives et dépendent notamment de la taille du barreau de torsion 15 et de la vanne hydraulique 10. 9 Revendications1. 10 2. 3. 15 4. 20 5. 25 30 Valve hydraulique rotative (10) d'une crémaillère de direction hydraulique, ladite valve (10) incorporant un barreau de torsion (15), destiné à générer une ouverture de la valve (10) proportionnelle au couple de braquage appliqué par le conducteur, caractérisée en ce que le barreau de torsion (15) est muni d'un dispositif amortissant. Valve selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit dispositif amortissant est un surmoulage (18) en élastomère. Valve selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'élastomère du surmoulage (18) présente un comportement viscoélastique se rapprochant d'un modèle rhéologique de type ressort amortissement visqueux . Valve selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le matériau élastomère, la longueur (L) et l'épaisseur (E) du surmoulage (18) sont déterminés, de manière à ce que le barreau de torsion (15) présente une raideur (K) dont le comportement dynamique est donné par une réponse en fréquence. Valve selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite réponse en fréquence est équivalente à un filtre passe-haut, dans lequel le gain basse fréquence du filtre, ou gain statique, représente la raideur statique du barreau de torsion (15), le gain dynamique représente la raideur dynamique du barreau de torsion (15) et la fréquence transitionnelle, ou fréquence de coupure, est déterminée en fonction des caractéristiques du barreau de torsion (15) et de l'élastomère du surmoulage (18). 6. Valve selon la revendication 5, caractérisée en ce que le matériau élastomère du surmoulage (18) est choisi parmi des mélanges en latex telsque les facteurs de perte des mélanges considérés permettent d'obtenir la fréquence de coupure de la raideur dynamique (K) du barreau de torsion (15). 7. Valve selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que, pour une raideur (K) de l'ordre de 1,5Nm/° à 5Nm/°, la longueur (L) du surmoulage (18) en élastomère est de l'ordre de 80mm à 150mm et l'épaisseur (E) du surmoulage (18) en élastomère est de l'ordre de 2mm à 5mm. 8. Valve selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que la raideur dynamique (K) du barreau de torsion (15) est donnée par l'équation : K = Kbar + Kelasto(1 + j • tan 8) , avec tant le facteur de perte, Kelasto la raideur du dispositif amortissant et Kbar la raideur du barreau de torsion (15). 9. Valve selon la revendication 8, caractérisée en ce que, la fréquence de coupure étant donnée par le rapport Kstat , le facteur de perte tant est Cvisqueux choisi, de manière à ce que la fréquence de coupure soit comprise entre 5Hz et 12Hz. 10. Valve selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que, le barreau de torsion (15) comportant une partie centrale (16) de section rétrécie et deux emmanchements (17) formant extrémités, de section supérieure à la section de la partie centrale (16), ledit dispositif amortissant s'étend sensiblement au niveau de la partie centrale (16) et sensiblement sur la moitié des emmanchements (17).30