Brevet FR3021615A1 — publié le 20151204

BOITIER DE DIRECTION POUR VEHICULE AUTOMOBILE, COMPRENANT UN MOTEUR ELECTRIQUE ET UN REDUCTEUR AUTOUR DE L'AXE TRANSVERSAL La présente invention concerne un boîtier de direction pour véhicule automobile, comportant un système d'assistance, et un véhicule automobile équipé d'un tel boîtier de direction. Les véhicules automobiles comportent généralement une colonne de direction comprenant dans sa partie supérieure un volant actionné par le conducteur, afin de transmettre le mouvement à un boîtier de direction situé à la base de cette colonne, qui fait pivoter les roues avant du véhicule. Compte-tenu du poids du véhicule appliqué sur les roues directrices, les boîtiers de direction comportent généralement un système d'assistance délivrant un effort qui aide le conducteur à braquer les roues. Dans le cas d'une assistance par un moteur électrique, il faut alors un réducteur de vitesse comportant une démultiplication élevée afin d'obtenir à partir d'une vitesse de rotation du rotor de ce moteur assez grande, des mouvements de sortie présentant une faible course et des efforts importants. Un type de boîtier de direction connu, présenté notamment par le 20 document EP-B1-2129568, comporte un réducteur de vitesse accolé au moteur électrique, disposé autour de l'arbre d'entrée qui le traverse. Le moteur électrique provoque par sa rotation une oscillation excentrée de deux disques transversaux, qui comportent des bossages sur leurs contours extérieurs formant des cames. Par ailleurs les disques sont 25 entraînés en rotation par l'arbre d'entrée traversant le réducteur, qui est relié au volant de direction. L'arbre de sortie rotatif comporte des broches parallèles à l'axe, disposées autour des deux cames, dont le nombre est égal au nombre de bossages de chaque disque, moins un. Les broches sont implantées sur un 30 rayon constant, qui est calculé de manière à ce qu'un bossage de la came soit engagé entre deux broches quand cette came est dans sa position de 3021615 2 décalage radial vers l'extérieur la plus forte, et à ce que le bossage se trouvant au point diamétralement opposé, soit juste dégagé des broches en passant à l'intérieur de celle-ci. Une oscillation des disques suivant un cycle généré par la rotation du 5 moteur électrique effectuant un tour, provoque un engagement de chaque bossage entre les broches, et une rotation de l'arbre de sortie égale à l'écart angulaire entre deux broches. On obtient ainsi un réducteur présentant une démultiplication élevée de la vitesse du moteur électrique. Toutefois le motoréducteur présentant un volume assez important, est 10 disposé en bas de la colonne de direction, ce qui peut poser des problèmes d'encombrement sur le berceau avant. De plus la cinématique en aval du réducteur doit comporter un bon rendement, pour permettre l'utilisation d'un moteur électrique compact. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients 15 de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un boîtier de direction pour véhicule automobile, comportant une barre prévue pour être disposée suivant un axe transversal, qui coulisse pour commander le pivotement des roues sous l'action d'un arbre d'entrée entraîné en rotation, et un moteur électrique d'assistance équipé d'un réducteur de vitesse, caractérisé en ce que le moteur électrique et son réducteur sont disposés coaxialement suivant un axe transversal, et entraînent en rotation un écrou en prise sur un filetage disposé suivant le même axe pour appliquer l'effort d'assistance sur la barre transversale. Un avantage de ce boîtier de direction et que l'on peut intégrer facilement le moteur et son réducteur autour d'un axe transversal grâce au montage coaxial, avec un encombrement faible. De plus le réducteur entraînant directement l'écrou de déplacement axial, on obtient un nombre réduit de transformation du mouvement de l'effort d'assistance, qui procure un bon rendement. 3021615 3 Le boîtier de direction selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, le réducteur de vitesse est du type cycloïdal, 5 comprenant un disque disposant de bossages sur le contour extérieur formant une came, entraîné suivant une oscillation excentrée, certains bossages étant en prise avec des broches parallèles extérieures entourant ce disque, présentant un nombre différent de celui des bossages. Avantageusement, le rotor du moteur électrique entraîne suivant le 10 mouvement excentré le disque, qui entraîne à son tour l'écrou avec la démultiplication du mouvement. Avantageusement, le filetage de l'écrou comporte des billes roulant dans des rainures de la tige transversale correspondante. Selon un mode de réalisation, le boîtier de direction comporte une 15 liaison assurant directement l'entraînement en rotation de l'écrou par l'arbre d'entrée. Dans ce cas, la liaison assurant l'entraînement peut comporter deux pignons coniques. En variante, la liaison assurant l'entraînement peut comporter un pignon 20 ou une poulie disposé parallèlement à l'écrou, qui entraîne cet écrou par respectivement des dentures ou une courroie. Selon un autre mode de réalisation, l'arbre d'entrée entraîne directement le coulissement de la barre transversale par une crémaillère. Selon un autre mode de réalisation, l'arbre d'entrée entraîne en rotation 25 une tige transversale disposée suivant l'axe principal, qui est bloquée axialement, recevant l'écrou entraînant le coulissement de la barre transversale. L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile comprenant un boîtier de direction de commande des roues directrices, qui comporte l'une 30 quelconque des caractéristiques précédentes. 3021615 4 L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue du côté tourné vers l'avant du véhicule d'un 5 boîtier de direction selon l'invention, comprenant un entraînement de l'écrou par des pignons coniques ; - la figure 2 est une vue d'un boîtier de direction suivant une variante, comprenant un entraînement de l'écrou par des joints de cardan ; - la figure 3 est une vue d'un boîtier de direction suivant une variante, 10 comprenant un entraînement de la tige transversale par une crémaillère ; - la figure 4 est un schéma d'un boîtier de direction suivant une variante, comprenant un entraînement en rotation direct de la tige transversale, la barre transversale étant décalée latéralement ; et - les figures 5 et 6 sont des schémas d'un boîtier de direction suivant 15 des variantes, comprenant un entraînement en rotation direct de la tige transversale, la barre transversale formant un tube entourant cette tige, le moteur étant respectivement à l'intérieur et à l'extérieur de ce tube. La figure 1 présente un boîtier de direction recevant le mouvement d'un arbre d'entrée 2 relié à un volant de direction, commandé par le conducteur, 20 qui est guidé à sa base par deux roulements 6 maintenus dans le carter 18 de ce boîtier. Un capteur de couple 4 mesure le couple d'entrée venant du volant de direction. L'arbre d'entrée 2 comporte à sa base un premier pignon conique 8, qui engrène avec un deuxième pignon conique 10 fixé sur un écrou 12 disposé 25 dans le véhicule suivant un axe principal transversal. Pour des raisons d'encombrement et de transmission d'effort, les diamètres des deux pignons coniques 8, 10 peuvent être sensiblement équivalents. En particulier ils peuvent comporter un nombre de dents identique donnant un rapport de 1. 302 1 6 1 5 5 L'écrou 12 est guidé dans le carter 18 du côté droit sur la figure, par un roulement à aiguilles 14, et du côté gauche par un roulement à double rangées de billes 16, qui peut supporter des charges axiales élevées. Avantageusement on réalise directement les pistes intérieures des deux 5 roulements 14, 16 sur l'écrou 12, ce qui permet d'obtenir un ensemble plus compact. L'écrou 12 reçoit à l'intérieur une tige formant une barre transversale 22 bloquée en rotation, comportant sur sa partie droite un filetage présentant un pas important. Chaque extrémité de la tige transversale 22 comporte un 10 réceptacle 24 recevant une rotule fixée à l'extrémité d'une biellette de direction non représentée, qui commande le pivotement des porte-moyeux des roues avant. Suivant un mode de réalisation, la liaison entre la vis de la tige transversale 22 et l'écrou 12 comporte une série de billes roulant dans des 15 rainures de ces deux éléments, qui sont recyclées à l'extrémité de cet écrou. Pour obtenir un bon rendement de fonctionnement de l'écrou 12, on utilise de préférence avec une tige d'un diamètre de 25mm, un pas égal à au moins 15mm. On obtient ainsi un très bon rendement, qui peut être de l'ordre de 0,95 à 0,98. 20 En variante on peut utiliser un écrou 12 réalisé dans une matière plastique présentant un faible coefficient de frottement, avec un pas du filetage suffisamment important, qui peut être notamment supérieur à 15mm, ce qui permet de réaliser un système plus économique comportant toutefois un rendement assez bon. 25 Le côté droit de la tige transversale 22 est guidé dans son coulissement transversal dans le carter 18 par l'écrou 12, le côté gauche étant guidé par un palier lisse 26. Le carter 18 du boîtier de direction est fixé sur la caisse du véhicule par deux vis verticales 20 éloignées transversalement. Un moteur électrique 30 disposé coaxialement autour de la tige transversale 22, comporte un stator 32 fixé directement dans le carter 18, et 302 1 6 1 5 6 un rotor 34 guidé du côté gauche par un roulement 42. Le moteur électrique 30 comporte une longueur importante et un diamètre réduit, de manière à s'intégrer dans le boîtier de direction sans occuper radialement une place importante. 5 Un réducteur cycloïdal 90 est disposé axialement entre le moteur électrique 30 et l'écrou 12. L'extrémité droite du rotor 34 entraîne par un roulement 40 disposé de manière excentrée, un disque 36 libre en rotation grâce à ce roulement, qui comporte un axe réalisant un petit mouvement circulaire suivant un tour 10 complet, centré sur l'axe principal, quand ce rotor a lui-même effectué un tour. Une série de vingt broches 38 parallèles à l'axe principal sont fixées dans le carter 18 autour du disque 36, suivant un rayon constant par rapport à cet axe. 15 Le contour extérieur du disque 36 comporte une série de dix-neuf bossages répartis régulièrement, le bossage le plus éloigné de l'axe principal étant engagé entre deux broches 38, le bossage diamétralement opposé passant juste à l'intérieur des broches en regard. Le disque 36 comporte une série de perçages, recevant avec un jeu 20 des plots 44 parallèles à l'axe, fixés à l'extrémité gauche de l'écrou 12, afin d'effectuer un entraînement en rotation de cet écrou en tenant compte du mouvement d'oscillation excentré du disque, qui s'ajoute à sa rotation. Le rotor 34 du moteur électrique 30 effectuant un tour complet, entraîne une oscillation excentrée sur 360° du disque 36, ses bossages extérieurs 25 parcourant successivement les espaces entre les broches parallèles 38 ce qui occasionne une rotation de ce disque suivant 1/19 de tour, transmise à l'écrou 12 par les plots 44. Les efforts axiaux appliqués en réaction sur l'écrou 12 par la tige transversale 22, sont repris par le roulement à double rangées de billes 16 30 comportant des contacts obliques sur ses billes, qui peut supporter des charges axiales importantes dans les deux sens. 3021615 7 On obtient ainsi un réducteur 90 très compact axialement et radialement, comprenant une démultiplication importante, qui comporte un nombre d'éléments réduit, et un rendement élevé. On notera que l'on utilise un seul écrou commun 12 pour transmettre le 5 coulissement axial à la tige transversale 22, à partir à la fois de l'arbre d'entrée 2 et du moteur électrique 30. Le bon rendement de cet écrou 12 est alors appliqué à ces deux transmissions d'effort, ce qui est important pour obtenir une force élevée sur la tige transversale 22 qui peut atteindre notamment des valeurs d'environ 20 000N, en particulier quand les roues 10 directrices sont bloquées par un trottoir. La figure 2 présente un boîtier de direction recevant le mouvement de l'arbre d'entrée 2, qui entraîne par un premier joint de cardan 50 un arbre intermédiaire 52, entraînant à son tour par un deuxième joint de cardan 54 un pignon 56 à denture extérieure présentant un axe parallèle à la tige 15 formant la barre transversale 22. En ajustant l'alignement angulaire des deux joints de cardan 50, 54 entre eux, on obtient une transmission homocinétique du mouvement qui peut réaliser un angle d'environ 90° entre l'arbre d'entrée 2 est l'axe du pignon 56. 20 Le pignon 56 maintenu de chaque côté dans le boîtier 18 par un roulement 58, engrène avec un pignon 60 taillé directement sur le contour extérieur de l'écrou 12. Le rapport de réduction de ce couple de pignons 56, 60 est sensiblement de 1. Ce type d'entraînement de l'écrou 12 par deux pignons 56, 60 à denture 25 extérieure, permet d'obtenir un volume relativement compact qui facilite l'insertion du boîtier de direction sur le train avant du véhicule. En variante on peut remplacer le pignon menant 56 par une poulie disposée suivant le même axe, et entraînée par l'arbre d'entrée 2 de la même manière, comportant des dentures extérieures recevant une courroie 30 crantée en prise avec une poulie similaire réalisée autour de l'écrou 12. 302 1 6 1 5 8 La figure 3 présente l'arbre d'entrée 2 comportant à sa base un pignon à denture inclinée 70, qui est en prise avec une crémaillère 72 taillée directement sur la tige formant la barre transversale 22, afin d'entraîner en translation cette tige à partir d'une rotation du volant de direction. Cette 5 liaison avec une crémaillère est couramment utilisée pour les directions des véhicules en cours de production. Le moteur électrique 30 entraîne alors le réducteur cycloïdal 90 situé du côté gauche, qui entraîne à son tour avec la forte réduction de vitesse l'écrou 12 maintenu dans le carter 18 par deux roulements espacés 74, présentant 10 chacun une simple rangée de billes à contact oblique. On obtient ainsi un système d'entraînement de la tige transversale 22 qui est très compact, ne comportant pas de volume important disposé au-dessus de cette tige. Par ailleurs on a une dissociation des entraînements de la tige 15 transversale 22 par l'arbre d'entrée 2 et par le moteur électrique 30, ce qui permet d'adapter de manière indépendante la démultiplication de chacun de ces entraînements, et d'optimiser en particulier le dimensionnement du moteur électrique. La figure 4 présente la tige transversale 22 comportant le filetage, 20 disposée suivant un axe principal, qui est entraînée directement en rotation par l'arbre d'entrée 2 en passant par les deux cardans 50, 54. La tige transversale 22 est guidée par un palier 80 lié au carter 18, qui assure un guidage en rotation et un blocage en translation. Le réducteur 90 du moteur électrique 30 disposé suivant l'axe principal, entraîne en rotation 25 l'écrou 12 tout en le laissant libre en translation, pour appliquer l'effort d'assistance. La rotation de l'écrou 12 le déplace sur le filetage de la tige transversale 22, il entraîne dans ce mouvement par un moyen d'indexation 82 une barre transversale 84 disposée parallèlement à l'axe principal, présentant à ses 30 extrémités les réceptacles des rotules 24, qui est guidée en translation par deux paliers de guidages latéraux 86. 302 1 6 1 5 9 La figure 5 présente la tige transversale 22 comportant le filetage, qui est de la même manière guidée par le palier 80, et entraînée directement par l'arbre d'entrée 2 en passant par les deux cardans 50, 54. La partie droite de la tige transversale 22 comporte le filetage 5 présentant un pas important, recevant l'écrou d'entraînement 12 fixé à l'intérieur d'un tube formant la barre transversale 92, disposé suivant un axe principal. De cette manière une rotation de la tige transversale 22 entraîne un déplacement axial de l'écrou 12, et un coulissement correspondant de la barre transversale 92. 10 Le moteur électrique 30 et son réducteur 90 sont insérés dans le tube formant la barre transversale 92, qui comporte à ses extrémités les réceptacles des rotules 24. Le réducteur 90 disposé du côté gauche du moteur électrique 30, est constitué par un écrou d'assistance à pas fin 98 qui est vissé sur l'extrémité gauche de la tige transversale 22, présentant un pas 15 correspondant. On obtient par la rotation du moteur électrique 30 un entraînement correspondant de l'écrou d'assistance 98 du réducteur 90, qui applique l'effort d'assistance sur la tige transversale 22 par le pas fin de cet écrou donnant une démultiplication élevée. 20 En variante on peut remplacer le réducteur 90 comprenant l'écrou d'assistance 98, par un réducteur cycloïdal. Le tube formant la barre transversale 92, guidé par deux paliers 94 transversalement espacés, comporte une ouverture latérale allongée 96 permettant à l'arbre intermédiaire 52 disposé entre les deux cardans 50, 54, 25 de rentrer dans ce tube tout en permettant son coulissement. La figure 6 présente la tige transversale 22 comportant le filetage, qui est de la même manière guidée par le palier 80, et entraînée directement par l'arbre d'entrée 2 en passant par les deux cardans 50, 54. La rotation de la tige transversale 22 entraîne un déplacement axial de l'écrou 12, et un 30 coulissement de la barre transversale formée par le tube 92. 302 1 6 1 5 10 Le moteur électrique 30 est disposé autour du tube formant la barre transversale 92, son réducteur 90 comprenant un écrou d'assistance à pas fin 98, qui est vissé sur un filetage correspondant réalisé sur le contour extérieur de ce tube. 5 Comme pour le boîtier de réduction présenté figure 5, la rotation de la tige axiale 22 commandée par le volant de direction entraîne un coulissement du tube formant la barre transversale 92, le moteur électrique 30 appliquant un effort complémentaire d'assistance directement sur l'extérieur de ce tube. 10 REVENDICATIONS1 - Boîtier de direction pour véhicule automobile, comportant une barre (22, 84, 92) prévue pour être disposée suivant un axe transversal, qui coulisse pour commander le pivotement des roues sous l'action d'un arbre d'entrée (2) entraîné en rotation, et un moteur électrique d'assistance (30) équipé d'un réducteur de vitesse (90), caractérisé en ce que le moteur électrique (30) et son réducteur (90) sont disposés coaxialement suivant un axe transversal, et entraînent en rotation un écrou (12, 98) en prise sur un filetage disposé suivant le même axe pour appliquer l'effort d'assistance sur la barre transversale (12, 84, 92). 2 - Boîtier de direction selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réducteur de vitesse (90) est du type cycloïdal, comprenant un disque (36) disposant de bossages sur le contour extérieur formant une came, entraîné suivant une oscillation excentrée, certains bossages étant en prise avec des broches parallèles extérieures (38) entourant ce disque, présentant un nombre différent de celui des bossages. 3 - Boîtier de direction selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rotor (34) du moteur électrique (30) entraîne suivant le mouvement excentré le disque (36), qui entraîne à son tour l'écrou (12) avec la démultiplication du mouvement. 4 - Boîtier de direction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filetage de l'écrou (12) comporte des billes roulant dans des rainures de la tige transversale correspondante (22). 5 - Boîtier de direction selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une liaison assurant directement l'entraînement en rotation de l'écrou (12) par l'arbre d'entrée (2). 6 - Boîtier de direction selon la revendication 5, caractérisé en ce que la liaison assurant l'entraînement comporte deux pignons coniques (8, 10). 7 - Boîtier de direction selon la revendication 5, caractérisé en ce que la liaison assurant l'entraînement comporte un pignon (56) ou une poulie 3021615 12 disposé parallèlement à l'écrou (12), qui entraîne cet écrou par respectivement des dentures ou une courroie. 8 - Boîtier de direction selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'arbre d'entrée (2) entraîne directement un 5 coulissement de la barre transversale (22) par une crémaillère (72). 9 - Boîtier de direction selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'arbre d'entrée (2) entraîne en rotation une tige transversale (22) disposée suivant l'axe principal, qui est bloquée axialement, recevant l'écrou (12) entraînant le coulissement de la barre 10 transversale (84, 92). 10 - Véhicule automobile comprenant un boîtier de direction de commande des roues directrices, caractérisé en ce que ce boîtier est réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes.