Brevet FR3045761A1 — publié le 20170623

- 1 - L'invention se rapporte à un ensemble vis-écrou pour un système de freinage pour un véhicule, notamment un véhicule automobile. Un système de freinage, par exemple un système de freinage à disque plus communément appelé «frein à disque » ou un système de freinage à tambour plus communément appelé « frein à tambour », comprend en général des moyens de freinage reliés à un organe d'actionnement apte à déplacer les moyens de freinage en direction d'un organe de friction fixé à une roue du véhicule. Cela a pour but de mettre les moyens de freinage en contact avec l'organe de friction pour freiner le véhicule par friction ou pour les écarter de l'organe de friction dans le but de cesser le freinage. L'organe d'actionnement est en général couplé avec des moyens de transmission destinés à entrainer le déplacement des moyens de freinage au moyen de l'énergie fournie par l'organe d'actionnement. Lorsque le système de freinage est un frein à disque, les moyens de freinage sont formés par des plaquettes de frein et l'organe de friction est formé par disque solidaire de la roue. Dans le cas où le système de freinage est un frein à tambour, les moyens de freinage sont formés par au moins un segment portant une garniture de frein et l'organe de friction est formé par un tambour fixé solidaire de la roue. On connait de l'état de la technique des moyens de transmission formés par l'assemblage d'un écrou et d'une vis sans fin logée dans l'écrou permettant de transformer une rotation en une translation par l'arrêt en rotation de l'écrou dans une glissière. La vis comprend sur une face externe un filet apte à coopérer avec un filet ménagé sur une face interne de l'écrou. L'organe d'actionnement fait tourner la vis, ce qui engendre un mouvement de translation de l'écrou par rapport à la vis et l'organe d'actionnement. Cet assemblage est simple mais présente un rendement relativement faible, souvent inférieur à 30%. En effet, une grande partie de l'énergie fournie par l'organe d'actionnement est dissipée par les forces de frottement localisées sur les surfaces de contact entre les filets de la vis et de l'écrou. On rappelle que le rendement d'un assemblage d'un écrou et d'une vis est défini par le rapport entre l'énergie de déplacement en translation de l'écrou et l'énergie de la rotation de la vis. Un but de l'invention est de proposer un ensemble vis-écrou simple et à haut 30 rendement. A cet effet, on prévoit selon l'invention un ensemble comportant : - un écrou présentant sur une face interne un premier filet de forme générale hélicoïdale, - une vis apte à s'étendre dans l'écrou et présentant sur une face externe un second 35 filet de forme générale hélicoïdale, et - un ressort hélicoïdal apte à s'étendre à la fois dans les premier et second filets de manière à ce que la vis soit en prise avec l'écrou. 3045761 - 2 - Ainsi, l'insertion d'un ressort entre la vis et l'écrou permet de réduire les surfaces de contact entre les différents éléments de l'ensemble, ce qui a pour conséquence de réduire la perte d'énergie par frottement entre la vis et l'écrou grâce à une maîtrise des formes de contact entre les éléments de l'ensemble. Il s'ensuit que l'assemblage selon 5 l'invention présente un rendement supérieur à celui de l'assemblage de l'art antérieur. De plus, l'ensemble selon l'invention demeure simple dans son agencement. Avantageusement, le matériau dans lequel est réalisé le ressort présente une dureté, par exemple une dureté Vickers, supérieure à celles des matériaux dans lesquels l'écrou et la vis sont réalisés. 10 Le ressort est ainsi apte à déformer en service l'écrou et la vis au voisinage des points de contact entre le ressort et ces deux éléments. Il s'agit en quelque sorte d'un matage de la vis et de l'écrou par le ressort, c'est-à-dire d'une adaptation des surfaces des éléments de l'ensemble par équilibrage des contraintes subies par les matériaux dans lesquels sont réalisés le ressort, l'écrou et la vis. Cela a pour effet de réduire les 15 contraintes subies par le ressort, et donc d'augmenter sa durée de vie. Avantageusement, le ressort est réalisé dans un acier trempé. Le ressort présente ainsi une importante dureté. De plus, ce matériau est relativement peu onéreux. On peut de plus utiliser un ressort du commerce, sans surcoût par conséquent, et ainsi profiter des qualités standard d'un tel ressort. 20 Avantageusement, le ressort présente une section droite circulaire. Le ressort est ainsi facile à réaliser. Au surplus, la forme circulaire du ressort permet de réduire les contraintes de torsion indésirables que subirait le ressort. Avantageusement, l'ensemble est agencé de sorte que l'ensemble est dépourvu de point contact entre l'écrou et la vis lorsque l'écrou, la vis et le ressort sont assemblés de 25 manière à ce que la vis s'étende dans l'écrou et le ressort s'étende dans les premier et second filets. On évite ainsi tout frottement entre l'écrou et la vis en service, ce qui engendrerait une baisse du rendement de l'ensemble. Avantageusement, l'ensemble est agencé de sorte que l'écrou et la vis forment une liaison irréversible lorsque la vis et le ressort s'étendent dans l'écrou. On améliore ainsi la sécurité de l'ensemble, puisque l'écrou ne peut pas entrainer la vis en rotation, ce qui pourrait détériorer l'ensemble et les éléments extérieur à l'ensemble. Avantageusement, les premier et second filets sont chacun formés par une face de 35 fond et deux faces latérales, les angles formés entre la face de fond et chaque face latérale étant obtus. Les filets de l'écrou et de la vis sont ainsi simples à réaliser. 3045761 - 3 - On prévoit également selon l'invention un système de freinage pour véhicule, comprenant un ensemble tel que défini plus haut. Avantageusement, le système de freinage comprend un moteur électrique apte à actionner l'ensemble. 5 L'ensemble est ainsi actionné par un moteur fiable et courant et de puissance de couple, de dimensions et de poids modérés. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un ensemble comportant : - un écrou présentant sur une face interne un premier filet de forme générale hélicoïdale, 10 - une vis apte à s'étendre dans l'écrou et présentant sur une face externe un second filet de forme générale hélicoïdale, et - un ressort hélicoïdal apte à s'étendre dans les premier et second filets, dans lequel on prévoit l'écrou, la vis et le ressort de sorte qu'un assemblage de ces trois éléments de manière à ce que la vis s'étende dans l'écrou et le ressort s'étende 15 dans les premier et second filets soit irréversible. On va maintenant décrire un mode de réalisation de l'invention à l'appui des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue avec arrachement partiel et en perspective d'un ensemble selon l'invention, 20 - la figure 2 est une vue en section longitudinale de l'ensemble de la figure 1, - la figure 3 est une vue à plus grande échelle montrant localement la liaison entre la vis, le ressort et l'écrou de l'ensemble illustré en figure 2, et - la figure 4 illustre schématiquement et de manière simplifiée le fonctionnement d'un système de freinage de véhicule comprenant l'ensemble de la figure 1. 25 On a illustré en figures 1 à 3 un ensemble 2 selon l'invention. Cet ensemble 2 est destiné à équiper un système de freinage pour véhicule, notamment pour véhicule automobile, comme cela sera présenté plus bas. L'ensemble 2 comprend un écrou 4, une vis 6 apte à s'étendre dans l'écrou 4 et un ressort 8 apte à s'étendre entre l'écrou 4 et la vis 6. 30 L'écrou 4 et la vis 6 présentent des faces respectivement interne et externe de forme générale cylindrique. Le ressort 8 est lui de forme hélicoïdale. Lorsque l'écrou 4, la vis 6 et le ressort 8 sont assemblés, un axe principal de l'écrou 4, un axe principal de la vis 6 et un axe principal du ressort 8 sont sensiblement confondus et forment ainsi un axe principal 10 de l'ensemble 2. Comme cela est notamment visible sur la figure 3, l'écrou 4 présente sur sa face interne un premier filet 12 de forme générale hélicoïdale et la vis 6 présente sur sa face externe un second filet 14 de forme générale hélicoïdale. Le ressort hélicoïdal 8 est apte 3045761 - 4 - à s'étendre à la fois dans les premier 12 et second 14 filets de manière à ce que la vis 6 soit en prise avec l'écrou 4. Ainsi, lorsqu'on fait tourner la vis 6 en lui appliquant un couple tout en bloquant l'écrou 4 en translation, ce couple est transmis d'abord au ressort 8 puis à l'écrou 4 de manière à entrainer l'écrou 4 en translation parallèlement à l'axe principal 5 10 par rapport à la vis 6, l'écrou 4 étant par ailleurs bloqué en rotation. L'ensemble 2 assemblé est avantageusement dépourvu de point de contact entre l'écrou 4 et la vis 6. Cela permet d'éviter l'apparition de frottements indésirables entre ces deux éléments, ce qui aurait pour conséquence de détériorer ces deux éléments et de réduire la durée de vie de l'ensemble 2. 10 Les premier 12 et second 14 filets sont chacun ici de forme générale trapézoïdale. Ils sont formés par une face de fond 16 et deux faces latérales 18, les angles formés entre la face de fond 16 et chacune des deux faces latérales 18 étant obtus, c'est-à-dire supérieurs à 90°. Dans le cas présent, les angles formés entre la face de fond 16 et les deux faces latérales 18 des filets 12, 14 sont environ égaux à 110°. Ces angles sont de 15 préférence compris entre 100° et 145° de manière à convenablement placer le ressort 8 dans les deux filets 12, 14, ce qui a pour effet d'améliorer la prise de la vis 6 avec l'écrou 4. Des arrondis sont prévus à la jonction des faces 16, 18 des filets 12, 14 et la face de fond 16 peut elle-même avoir un profil arrondi. Le ressort 8 présente en l'espèce une section droite circulaire. Le ressort 8 est ainsi 20 simple à réaliser. Cette section permet également de réduire les contraintes de torsion que subit le ressort 8 en service lorsqu'il est placé dans les deux filets 12, 14. En variante, le ressort 8 présente une autre forme de section, par exemple carrée ou hexagonale. Lorsqu'on met en oeuvre un procédé de fabrication de l'ensemble 2, on prévoit l'écrou 4, la vis 6 et le ressort 8 de sorte que l'assemblage de ces trois éléments forme une 25 liaison irréversible. De la sorte, une rotation de la vis 8 peut entrainer la translation de l'écrou 4 par rapport à la vis 6, mais une force agissant sur l'écrou 4 pour le faire coulisser parallèlement à l'axe 10 ne peut pas entrainer la vis 6 en rotation en retour. Cela a pour effet d'améliorer la sécurité de l'ensemble 2, puisqu'il n'est en général pas conçu pour transformer un mouvement de translation en un mouvement de rotation. 30 L'irréversibilité de l'ensemble 2 dépend de plusieurs paramètres de l'ensemble 2. Il dépend notamment de l'angle de l'hélice du ressort 8, qui lui-même est fonction du rayon et du pas du ressort 8, et qui correspond à l'angle des filets 12, 14 de l'écrou 4 et de la vis 6. Il dépend aussi des coefficients de frottement de l'écrou 4, de la vis 6 et du ressort 8. À coefficients de frottement déterminés pour les trois éléments, l'ensemble 2 est 35 irréversible si l'angle de l'hélice du ressort est inférieur à une valeur prédéterminée calculable. Il est préférable que l'angle d'hélice choisi pour le ressort 8 soit inférieur à 80% de la valeur prédéterminée, de manière à s'assurer que l'usure de l'ensemble 2 ne 3045761 - 5 - puisse pas le rendre réversible. Le ressort 8 est réalisé dans un matériau présentant une dureté, par exemple une dureté Vickers, supérieure à celle des matériaux dans lesquels sont réalisés l'écrou 4 et la vis 6. De la sorte, le ressort 8 est apte à déformer localement l'écrou 4 et la vis 6. Il 5 s'agit en quelque sorte d'un matage de l'écrou 4 et de la vis 6 par le ressort 8. Cela a pour effet de réduire les contraintes subies par le ressort 8, la vis 6 et l'écrou 4 par augmentation des surfaces de contact qui dans ce cas sont automatiquement adaptées au ressort 8, maitrisées et toujours inférieures à une surface de contact entre la vis et l'écrou d'un ensemble vis-écrou standard. On augmente ainsi le rendement de 10 l'ensemble 2 ainsi que la durée de vie du ressort 8, de la vis 6 et de l'écrou 4. Le ressort 8 est par exemple réalisé dans un acier trempé, tel qu'un acier dit « à ressort », par exemple choisi parmi ceux connus sous les dénominations }(C70 et }(C75 ou autres qui présentent une résistance à la rupture supérieure à 640 MPa. L'écrou 4 et la vis 6 sont quant à eux par exemple réalisés dans un acier quelconque, l'équilibre des résistances 15 des matériaux dépendant toutefois des efforts subis par les éléments de l'ensemble 2 et de la durée de vie souhaitée pour l'ensemble 2. On va détailler un calcul qui permet de déterminer la largeur d'un sillon créé par matage de la vis 6 par le ressort 8. Soit les paramètres suivants : 20 - F la force appliquée en service par le ressort 8 sur la vis 6, - Sc la surface de contact entre la vis 6 et le ressort 8, - G la dureté minimale que doit présenter le matériau dans lequel la vis 6 est réalisée pour qu'elle ne se déforme pas lorsqu'on lui applique une force F répartie sur la surface Sc, 25 - Ln la longueur d'une spire du ressort hélicoïdal 8, - La la largueur du sillon créé par matage de la vis 6 par le ressort 8, - R le rayon du ressort hélicoïdal 8, - p le pas du ressort hélicoïdal 8, qui est par ailleurs égal au pas du second filet 14 de la vis 6, et 30 - N le nombre de spires du ressort hélicoïdal 8. Les paramètres F, Sc et G vérifient l'égalité suivante : (I) Sc = F / o- Par ailleurs, on sait que la longueur du ressort 8 est donnée par la relation suivante : R2 + (L) )2 2Tr 35 Enfin, la valeur de la surface Sc est donnée par le produit de la longueur du ressort 8 3045761 - 6 - par la largeur du sillon créé par matage de la vis 6 par le ressort 8 : (III) Sc = Ln . La En remplaçant dans (III) Sc et Ln par les expressions données respectivement dans 5 (I) et (II), on obtient la relation suivante : (IV) La - F / a 21TN.R2+(ed2 A titre d'exemple de réalisation, avec les conditions suivantes : F = 10 kN, R= 5 mm, p = 1,5 mm, N = 5, G = 500 MPa (ce qui correspond à la dureté d'un acier), la formule (IV) permet de calculer La = 126 pm. Cette valeur est suffisamment petite par rapport à 10 la longueur de la vis 6, qui est de l'ordre de N.p = 7,5 mm, pour ne pas détériorer la vis 6. On a illustré de manière schématique en figure 4 un véhicule 20. Il peut comporter par exemple deux roues 22 s'il s'agit d'une moto ou quatre roues 22 s'il s'agit d'une voiture. On peut toutefois prévoir qu'il s'agisse d'un tout autre type de véhicule comprenant un 15 nombre quelconque de roues. Pour simplifier la présentation de l'invention, la figure 4 illustre un véhicule 20 comprenant au moins une roue 22. Le véhicule 20 est équipé d'au moins un système de freinage 24 destiné à coopérer avec la roue 22 dans le but de diminuer la vitesse de rotation de la roue 22 lorsqu'un utilisateur du véhicule 20 souhaite freiner le véhicule 20 ou bien de bloquer la roue 22 20 lorsque le véhicule 20 est à l'arrêt, par exemple sur un parking. Le nombre de systèmes de freinage 24 est inférieur ou égal au nombre de roues 22 du véhicule 20. Dans le cas où le véhicule 20 est une voiture, on peut prévoir que toutes les roues 22 soit équipées d'un système de freinage 24, ou bien que seules les deux roues 22 positionnées à l'avant ou à l'arrière du véhicule 20 soient dotées d'un système 25 de freinage 24. Le système de freinage 24 comprend des moyens de freinage 26 et un organe de friction 28 solidaire de la roue 22, les moyens de freinage 26 étant aptes à venir en contact avec l'organe de friction 28 de manière à la freiner la rotation de la roue 22 ou à bloquer la roue 22. 30 A titre d'exemple de réalisation, lorsque le système de freinage 24 est un frein à disque, les moyens de freinage 24 peuvent être formés par des plaquettes de frein et l'organe de friction 28 peut être formé par disque solidaire de la roue 22. Dans le cas où le système de freinage 24 est un frein à tambour, les moyens de freinage 26 sont formés par au moins un segment portant une garniture de frein et l'organe de friction 28 est 35 formé par un tambour fixé solidaire de la roue. Ces exemples de moyens de freinage et 3045761 - 7 - d'organes de friction sont connus de l'état de la technique, c'est pourquoi on ne les décrira davantage pas dans ce qui suit. Le système de freinage 24 comprend également un moteur, en l'espèce un moteur électrique 30. Ce moteur électrique 30 est relié aux moyens de freinage 26 par 5 l'intermédiaire de l'ensemble 2. Spécifiquement, le moteur 30 est apte à entrainer la vis 6 en rotation autour de l'axe principal de l'ensemble 10, la vis étant bloquée en coulissement par rapport à un bâti du véhicule et les moyens de freinage 26 sont fixés, directement ou indirectement, à l'écrou 4. Ce dernier est bloqué en rotation par rapport au bâti. 10 Le fonctionnement du système de freinage 24 est le suivant. On suppose que le véhicule 20 est en déplacement. Si l'utilisateur souhaite ralentir le véhicule 20, il actionne un organe de freinage (non représenté), par exemple une pédale de frein du véhicule 20, qui commande la rotation du moteur 30 dans une direction de freinage de manière à ce que l'écrou 4 s'éloigne du moteur 30. Les moyens de freinage 15 26 vont alors se déplacer en direction de l'organe de friction 28 jusqu'à entrer en contact avec lui. La friction entre les moyens de freinage 26 et l'organe de friction 28 permet de ralentir le véhicule 20. Une fois que la vitesse du véhicule 20 a diminué jusqu'à une valeur souhaitée par le conducteur, il cesse d'actionner l'organe de freinage. Celui-ci commande alors une 20 rotation du moteur 30 en direction opposée à la direction de freinage de manière à ce que l'écrou 6 s'éloigne de l'organe de friction 28. Le contact entre les moyens de freinage 26 et l'organe de friction 28 cesse, si bien qu'il n'y a plus de friction entre ces deux éléments. Le véhicule 20 n'est alors plus ralenti. On peut également prévoir que le système de freinage 24 ne soit pas destiné à ralentir 25 le véhicule 20 mais à le maintenir immobile. Le système de freinage 24 serait alors commandé par un organe de blocage, tel qu'un frein à main également connu sous la désignation «frein de parking ». Un véhicule 20 est d'ailleurs généralement équipé de premiers systèmes de freinage destinés à coopérer avec l'organe de freinage et de seconds systèmes de freinage destinés à coopérer avec l'organe de blocage. 30 Bien entendu, on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle-ci. On pourra choisir pour l'écrou, la vis et le ressort d'autres matériaux que ceux fournis à titre d'exemples dans ce qui précède. 35 Nomenclature: 2 : ensemble 4 : écrou 3045761 6 : vis 8 : ressort 10 : axe principal 12 : premier filet 5 14 : second filet 16 : face de fond 18 : face latérale 20 : véhicule 22 : roue 10 24 : système de freinage 26 : moyens de freinage 28 : organe de friction - 8 - REVENDICATIONS1. Ensemble (2) caractérisé en ce qu'il comporte : - un écrou (4) présentant sur une face interne un premier filet (12) de forme générale hélicoïdale, - une vis (6) apte à s'étendre dans l'écrou (4) et présentant sur une face externe un 5 second filet (14) de forme générale hélicoïdale, et - un ressort hélicoïdal (8) apte à s'étendre à la fois dans les premier (12) et second (14) filets de manière à ce que la vis (6) soit en prise avec l'écrou (4). 2. Ensemble (2) selon la revendication précédente, dans lequel le matériau dans lequel est réalisé le ressort (8) présente une dureté supérieure à celles des matériaux 10 dans lesquels l'écrou (4) et la vis (6) sont réalisés. 3. Ensemble (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ressort (8) est réalisé dans un acier trempé. 4. Ensemble (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ressort (8) présente une section droite circulaire. 15 5. Ensemble (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, agencé de sorte que l'ensemble (2) est dépourvu de point contact entre l'écrou (4) et la vis (6) lorsque l'écrou (4), la vis (6) et le ressort (8) sont assemblés de manière à ce que la vis (6) s'étende dans l'écrou (4) et le ressort (8) s'étende dans les premier (12) et second (14) filets. 20 6. Ensemble (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, agencé de sorte que l'écrou (4) et la vis (6) forment une liaison irréversible lorsque la vis (6) et le ressort (8) s'étendent dans l'écrou (4). 7. Ensemble (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premier (12) et second (14) filets sont chacun formés par une face de fond (16) et 25 deux faces latérales (18), les angles formés entre la face de fond (16) et chaque face latérale (18) étant obtus. 8. Système de freinage (24) pour véhicule, comprenant un ensemble (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 9. Système de freinage (24) selon la revendication précédente, comprenant un 30 moteur électrique (30) apte à actionner l'ensemble (2). 10. Procédé de fabrication d'un ensemble (2) comportant : - un écrou (4) présentant sur une face interne un premier filet (12) de forme générale hélicoïdale, - une vis (6) apte à s'étendre dans l'écrou (4) et présentant sur une face externe un 35 second filet (14) de forme générale hélicoïdale, et 3045761 - 10 - - un ressort hélicoïdal (8) apte à s'étendre dans les premier (12) et second (14) filets, dans lequel on prévoit l'écrou (4), la vis (6) et le ressort (8) de sorte qu'un assemblage de ces trois éléments de manière à ce que la vis (6) s'étende dans l'écrou (4) et le ressort (8) s'étende dans les premier (12) et second (14) filets soit irréversible.