Brevet FR2984592A1 — publié le 20130621

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un relai de démar- reur de moteur thermique, notamment d'un moteur équipant un véhicule automobile. L'invention se rapporte également à un démarreur équipé d'un tel relai. Etat de la technique Les démarreurs permettent de lancer les moteurs ther- miques qui ne fournissent pas de couple lorsqu'ils sont arrêtés et ne peuvent démarrer d'eux-mêmes. Les démarreurs sont actuellement réalisés généralement à un étage, c'est-à-dire que le courant principal du démarreur est appliqué immédiatement avec toute son intensité. Mais cela se traduit par une sollicitation excessive de la matière et le cas échéant à des pertur- bations lors de la commutation du courant principal. On connaît éga- lement des systèmes à deux étages avec une résistance intermédiaire mais qui est très fortement sollicitée thermiquement. De plus, la résistance intermédiaire constitue un composant supplémentaire nécessitant du câblage supplémentaire. Pour commuter le démarreur, on utilise généralement des commutateurs de puissance. Les commutateurs mécaniques de puissance comportent un actionneur, généralement un relai plongeur avec un goujon de percussion. Ces commutateurs de puissance sont également appelés relais de démarreur. Dans le cas d'une commutation à plusieurs étages, cela ne peut se faire qu'avec des relais coûteux ou par plusieurs relais. Souvent, l'inconvénient de ces solutions est celui de l'encombrement et des câblages. On connaît des relais de démarreur ou de commutation avec des goujons de contact et des ponts de contact. Mais dans ce cas, on risque des arcs électriques, ce qui est gênant à cause de la fiabilité, du bruit et de la glace de contact. En particulier, de tels montages ont l'inconvénient qu'à côté des arcs électriques, ils risquent également des rebondissements de contact se traduisant par un collage ou soudage du contact de commutation. Le document DE 101 10 073 A 1 décrit un dispositif de démarreur de moteur thermique comportant une installation de commutation pour des intensités importantes, ayant un chemin de contact électrique avec une première borne, un contact de commutation relié électriquement à une seconde borne qui peut coulisser d'une position de repos à une position de branchement ainsi qu'un segment formant une résistance intermédiaire. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un relai de démarreur de moteur thermique ayant un tambour de commutation avec une zone isolante, au moins une zone résistante et une zone de courant fort, le tambour de commutation étant mobile vers au moins un goujon de contact. L'invention a également pour objet un démarreur équipé d'un tel relai. Le démarreur tel que défini ci-dessus réalise une commutation à un, deux ou plusieurs étages sans câblage supplémentaire. Le risque de soudage du contact, même dans le cas d'un système à un étage, est réduit considérablement. Le relai a également non seulement des avantages acoustiques mais également l'avantage de réduire l'usure mécanique par rapport à un relai série avec un contact à percussion. Il faut remarquer que le courant du démarreur n'est pas commuté selon un étage mais que l'on passe tout d'abord par une résistance intermédiaire pour le branchement ou la coupure. Cela réduit le courant à commuter et le démarreur démarre plus en douceur. On ré- duit fortement le risque de soudage des contacts par la réalisation d'un revêtement contenant du graphite des zones de résistance. En plus, la réalisation compacte permet de réaliser un contact standard et un contact à deux étages dans différentes applications avec la même géométrie des contacts. Cela signifie que dans l'application standard, on utilise une zone de cuivre pur dans le groupe de commutation. Dans les applications critiques, on remplace cette zone par la variante développée ci-dessus sans avoir à modifier le restant de la géométrie de contact. Cela se traduit par une mise en oeuvre significativement réduite pour la fa- brication et la logistique. A cela s'ajoute qu'à l'état branché, la résis- tance de contact ne change pas car dans cette position, on a un contact cuivre sur cuivre. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation de démarreur représen- tés dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 montre un démarreur selon l'état de la technique, la figure 2 montre un mode de réalisation du démarreur, la figure 3 montre une réalisation d'un relai de démarreur, la figure 4 montre une installation de démarreur avec le relai de démarreur de la figure 3, la figure 5 montre un autre mode de réalisation d'un relai de démarreur, la figure 6 montre un graphique de la courbe du courant systéma- tique dans le cas d'un démarreur à plusieurs étages, la figure 7 montre un mode de réalisation d'un démarreur à plusieurs étages, la figure 8 montre un mode de réalisation avec un couvercle de commutateur, la figure 9 montre un segment d'une réalisation d'un couvercle de commutateur, la figure 10 montre un autre mode de réalisation d'un couvercle de commutateur, la figure 11 montre un couvercle de commutateur comme ensemble pré-assemblé, mais à l'état non encore réuni, la figure 12 montre le couvercle de commutateur de la figure 11 à l'état assemblé, la figure 13 montre schématiquement une réalisation d'un relai de démarreur. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre un mode de réalisation d'un démarreur à deux étages selon l'état de la technique, portant globalement la référence 10. Ce démarreur 10 à deux étages comporte des actionneurs en plus de ceux d'une réalisation avec un étage et au moins une résis- tance de puissance. Pour le relai de commutation avec un goujon de contact et un pont de contact, il faut éviter les arcs électriques entraînant de l'usure et générant des perturbations électromagnétiques (EMV). Il y a en outre des difficultés concernant la durée de vie, le bruit et le glaçage de contact. De plus, il faut souligner qu'une commutation à plu- sieurs étages n'est possible qu'avec un relai à semi-conducteur compliqué et coûteux ou avec plusieurs relais mécaniques. Un autre inconvénient est l'augmentation de l'encombrement et le câblage complexe. Le relai de démarreur selon l'invention permet de réaliser une commutation à un, deux ou trois étages sans câblage supplémentaire. Le risque de soudage des contacts, même dans le cas d'un système à un étage, est considérablement réduit. A côté des avantages acoustiques, l'usure mécanique est améliorée par rapport à un relai sé- rie avec un contact à percussion. De plus, l'encombrement d'un démar- reur série, habituel, est respecté, voire diminué par rapport à cet encombrement. La figure 2 montre un mode de réalisation du démarreur portant la référence 20 et dans lequel le relai de démarreur ou de com- mutation à un étage est remplacé par un module fonctionnel compact décrit ci-après. La figure 3 montre un relai de démarreur 30 qui repré- sente le module fonctionnel de la figure 2 dans lequel les caractéristiques d'un démarreur marche-arrêt à deux étages (figure 1) est très compact. La représentation montre un moteur miniature 32, un man- chon de pré-engrènement 34 reliés par un levier à fourche au pignon de démarreur, un tambour de commutation 35 avec une zone isolante 36, une zone résistante 38 et une zone faiblement ohmique de courant fort 40. Vis-à-vis de la réalisation connue de la figure 1, la réali- sation de l'invention offre différents avantages : réduction significative de l'encombrement, réduction du poids, réduction du bruit, intensité électrique de commande de 2 à 5 A par rapport à 30-50 A, courant de maintien réduit, vitesse de commutation que l'on peut le cas échéant influencer très facilement, pas de soudage des contacts de commutation, pas de tendance aux rebondissements, coupure et branchement actifs par changement de polarité comme alternative d'un rappel mécanique par la force d'un ressort, amélioration des caractéristiques en cas de glaçage des contacts. La figure 4 montre le relai de démarreur 30 de la figure 3 d'une installation de démarreur portant globalement la référence 50. La représentation montre un goujon de contact 52, un pignon denté 54 avec un arbre fileté (roue réceptrice), un moteur de démarreur 56, un pignon de démarreur 58, une couronne dentée 60, un moteur thermique 62 et une batterie de démarrage 64. Le tambour de commutation 35 représenté se compose par exemple d'un cylindre en cuivre, embouti, avec une résistance et des bagues d'isolation. Le tambour de commutation 35 est relié solidairement par un chariot à l'axe du filetage par le pignon denté 54. Le montage du tambour de commutation 35 peut s'adapter par sa lon- gueur et le nombre des zones résistantes à chaque application. Cela permet d'établir un nombre quelconque d'états de commutation et de temps de commutation, ce qui permet un démarrage en douceur. La construction du système de commutation est telle que lors de l'actionnement du démarreur, les carbones de contact se trou- vent sur le secteur isolant ou la zone isolante 36 du tambour de com- mutation ou cylindre de commutation 35. Lorsque le moteur miniature 32 est commandé, le pignon de démarreur 58 se rapproche de la couronne dentée 56. Le tambour de commutation 35 se déplace sur la zone résistante 38. Le mouvement de rotation qui en résulte pour le pignon de démarreur 58 engage en douceur la future possible position de dent contre dent entre le pignon et la couronne dentée 60 avec un courant de démarrage réduit. Lorsque le pignon de démarreur 58 pénètre plus dans la couronne dentée 60, le tambour de commutation 35 se déplace sur la zone faiblement ohmique à fort courant 40 si bien que le démarreur peut fournir sa puissance maximale. Lorsque le moteur thermique 62 démarre, le relai de dé- marreur 30 est coupé du courant. Le pignon de démarreur 58 soumis par exemple au ressort de rappel non représenté à la figure 4, et qui agit sur la roue réceptrice, revient dans sa position de repos. Le tambour de commutation 35 est également poussé dans la position de sortie. Une autre possibilité de rappel actif est l'inversion du sens de rotation par le changement de polarité du moteur miniature 32. Le mode de réalisation des figures 3 et 4 du tambour de commutation 35 est uniquement à deux étages mais en principe, on peut prévoir d'autres étages de commutation adaptés en fonction des étages géométriques (profondeur de pénétration des pignons). Des exemples sont donnés ci-après : Course de pignon 0 mm (position de repos) = isolation (fortement ohmique) 1-3 mm (d'une dent à = environ 100 A l'autre) (limité) > 3 mm (prise) = environ 200-300 A (entraînement en douceur, limitation de la tension) Les intensités et les temps de commutation des différents étages peuvent être adaptés à chaque application du démarreur. Cela se fait par exemple en modifiant la tension et l'intensité de la commande ainsi que par l'utilisation de différentes démultiplications mécaniques dans le relai de démarreur 30. La figure 5 montre un autre mode de réalisation d'un re- lai de démarreur portant globalement la référence 70. La représentation montre un moteur miniature 72, un manchon de pré-engrènement 74 relié par un levier à fourche au pignon de démarreur et un tambour de commutation 75 avec une zone isolante 76, une zone résistante 78 et une zone faiblement ohmique et à forte intensité 80. Dans ce mode de réalisation, le chariot du levier d'accélérateur est déplacé par un profil denté. La figure 6 montre la courbe systématique de l'intensité dans le cas d'un démarreur à plusieurs étages. En abscisse 90, on a représenté le temps en ms et en ordonnées 92, l'intensité en ampère A. A l'instant Ti arrive la demande de démarrage. Entre l'instant Ti et l'instant T2, le démarreur engrène dans la couronne den- tée du moteur à combustion. A l'instant T2, se fait la mise en contact du premier étage. A l'instant T3, on a la mise en contact du second étage. Entre l'instant T3 et l'instant T4, le moteur thermique est entraîné par le démarreur jusqu'à ce qu'il tourne de lui-même. La fin de la phase de démarrage correspond à l'instant T4. La figure 7 montre un mode de réalisation d'un relai de démarreur à plusieurs étages 100. La représentation montre un axe de commutation 110, un premier cylindre de commutation 112 avec une résistance faiblement ohmique, par exemple en Cu, Ag, Au, un second cylindre de commutation 114 avec une résistance définie pour un dé- marrage en douceur, par exemple en une matière à base de carbone de konstantan, de manganèse et d'un troisième cylindre de commutation fortement ohmique 116 qui a une résistance de niveau élevé, infini ; il s'agit par exemple d'un élément en matière plastique, en céramique, un premier charbon de contact 118, un goujon de contact 120 et un se- cond charbon de contact 122. Le premier cylindre de commutation 112, le second cylindre de commutation 114 et le troisième cylindre de commutation 116 forment un tambour de commutation 130 et des résistances différentes selon les zones dans les représentations précédentes. Le tambour de commutation 130 est par exemple un cy- lindre en cuivre, embouti (premier cylindre de commutation 112), un cylindre (second cylindre de commutation 114) en une matière ayant la résistance requise et une partie isolante non conductrice (troisième cylindre de commutation 116). Le tambour de commutation 130 est relié solidairement à l'axe de commutation 110. Le montage des cylindres de commutation 112, 114, 116 peut également être adapté par la longueur et le nombre des différentes zones résistantes selon l'application. On peut ainsi commuter un nombre quelconque de durées, ce qui permet un démarrage en douceur. Le système de commutation est construit pour que lorsque le démarreur n'est pas actionné, les charbons de con- tact 118, 122 se trouvent sur le secteur isolant (troisième cylindre de commutation 116) du tambour de commutation 130. Lorsque le démarreur est commandé, le pignon de dé- marreur se déplace en direction de la couronne dentée. Le tambour de commutation 130 pousse sur le secteur résistant (second cylindre de commutation 114) et libère une position possible entre les dents, avec un courant de démarrage réduit, en procédant en douceur. Lorsque le pignon de démarreur pénètre plus dans la couronne dentée, le tambour de commutation 130 coulisse sur la zone faiblement ohmique (premier cylindre de commutation 112), ce qui permet au démarreur de fournir sa puissance maximale. Lorsque le moteur thermique est démarré, le relai de démarreur 100 fonctionne sans courant. Le pignon revient dans sa position de repos et ainsi le tambour de commutation 130 est lui aussi repoussé dans sa position de sortie. La réalisation du tambour de commutation 130 est pré- sentée à la figure 7 comme étant uniquement un tambour à deux étages mais on peut également réaliser plusieurs étages de commutation qui commutent en fonction de l'induit de relai ou de la profondeur de pénétration des pignons. Des exemples sont donnés ci-après : Course de pignon 0 mm (position de repos) = isolation (fortement ohmique) 1-3 mm (entre deux = environ 100 A dents) (limité) > 3 mm (engrènement) = environ 200-300 A (démarrage en douceur, limitation de la tension) Position finale = courant maximum pour démarrer Il faut veiller à ce que les courants soient adaptés à toute application de démarreur (moteur Diesel, moteur à essence). La figure 8 montre une réalisation possible d'un cou- vercle de commutateur 140. La représentation montre un charbon de contact 142, un ressort de poussée 144, une garniture de balai d'es- suie-glace 146 et un goujon de contact 148. Dans ce mode de réalisation, le courant nécessaire est transmis par les goujons de contact 148, la garniture de balai 146 en matière conductrice, la garniture poussant le charbon de façon élastique contre le goujon de contact 148 ainsi que les charbons de contact 142 pour être transférés au tambour de com- mutation. La figure 9 montre une partie d'un autre couvercle de commutateur 150. La représentation montre un charbon de contact 152, un goujon de contact 154, un rail électrique 156 et un cordon 158 pour le charbon de contact 152. Dans ce mode de réalisation, le courant nécessaire est transféré par le goujon de contact 154, le rail électrique 156 en matière conductrice et le cordon 158 sur le charbon de contact 152 pour passer au tambour de commutation. La figure 10 montre un autre couvercle de commutateur 170 avec un charbon de contact 172, des goujons de contact 174, un cordon 176 relié au balai en charbon et une garniture de balai 178. Le courant nécessaire passe par les goujons de contact 174 munis du cordon 176 ou par soudage ou serrage du charbon de contact 172 pour être transmis au tambour de commutation. La figure 11 montre un couvercle de commutateur 200 comme module pré-assemblé qui peut néanmoins être ouvert et reproduit. La représentation montre deux goujons de contact 202, une garniture de balai 204 du cordon 206 et des charbons de contact 208. La figure 12 montre le couvercle de commutateur 200 en position fermée. La figure 13 montre un mode de réalisation d'un relai de démarreur portant globalement la référence 250. Ce relai de démarreur 250 est un relai de puissance qui remplace le contact de commutation par un contact glissant en charbon. La représentation montre un axe de commutation 252, un induit de relai 254, un tambour de commutation 256 avec une zone faiblement ohmique, à courant fort ou une zone de commutation 258, une zone résistante 260 et une zone isolante 262 ainsi qu'un contact glissant de charbon 264, un goujon de contact 266 et des trous de con- tact 268. NOMENCLATURE 10 Démarreur 20 Démarreur 30 Relai de démarreur 32 Moteur miniature 34 Manchon de pré-engrènement 35 Tambour de commutation 36 Zone isolante 38 Zone résistante 40 Zone faiblement ohmique et fortement résistante 50 Installation de démarreur 52 Goujon de contact 54 Pignon denté 56 Moteur de démarreur 58 Pignon de démarreur 60 Couronne dentée 62 Moteur thermique 64 Batterie de démarreur 70 Relai de démarreur 72 Moteur miniature 74 Manchon de pré-engrènement 75 Tambour de commutation 76 Zone isolante 78 Zone résistante 80 Zone faiblement ohmique mais à fort courant 90 Abscisse (temps = ms) 92 Ordonnées (intensité représentée en ampère A) T1 Instant de la demande de démarrage T2 Instant d'engrènement du démarreur dans la couronne den- tée du moteur thermique T3 Mise en contact du second étage T4 Période dans laquelle le moteur thermique est entraîné jus- qu'à fonctionner de lui-même 100 Relai de démarreur à plusieurs étages REVENDICATIONS1°) Relai de démarreur de moteur thermique (62) ayant un tambour de commutation (35, 75, 130, 256) avec une zone isolante (36, 76, 262), au moins une zone résistante (38, 78, 260) et une zone de courant fort (40, 80, 258), le tambour de commutation (35, 75, 130, 256) étant mobile vers au moins un goujon de contact (52, 120, 148, 154, 174, 202, 266). 2°) Relai de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tambour de commutation (35, 75, 130, 256) comporte un nombre de cylindres de commutation (112, 114, 116) définissant chacun une zone. 3°) Relai de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tambour de commutation (35, 75, 130, 256) est actionné par un moteur miniature (32, 72). 4°) Relai de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins un goujon de contact (52, 120, 148, 154, 174, 202, 266) est relié par un charbon de contact (118, 122, 142, 152, 172, 208) au tambour de commutation (35, 75, 130, 256). 5°) Relai de démarreur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' au moins un goujon de contact (52, 120, 148, 154, 174, 202, 266) porte un cordon (158, 176, 206) relié au charbon de contact (118, 120, 142, 152, 172, 208). 6°) Relai de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tambour de commutation (35, 75, 130, 256) est un cylindre de cuivre embouti.357°) Relai de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tambour de commutation (35, 75, 130, 256) est relié à un axe de commutation (252). 8°) Relai de démarreur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un ressort de rappel. 9°) Démarreur de moteur thermique (62) comportant un relai de démar- reur (30, 70, 250) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10°) Démarreur selon la revendication 9 comportant un pignon de démarreur (58) qui transmet le couple d'entraînement à un moteur ther- mique (62).20