EP2443332A1 - Vanne comportant un dispositif de transformation de mouvement - Google Patents

Vanne comportant un dispositif de transformation de mouvement

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EP2443332A1
EP2443332A1 EP10726947A EP10726947A EP2443332A1 EP 2443332 A1 EP2443332 A1 EP 2443332A1 EP 10726947 A EP10726947 A EP 10726947A EP 10726947 A EP10726947 A EP 10726947A EP 2443332 A1 EP2443332 A1 EP 2443332A1
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Abstract

La vanne (1) de contrôle moteur comporte un actionneur rotatif (7), une soupape (5), et un dispositif de transformation de mouvement (9) adapté à transformer la rotation de l'actionneur (7) en translation de la soupape (5). Le dispositif de transformation de mouvement (9) comporte une liaison hélicoïdale à pas constant pour l'entraînement en translation de la soupape (5).

Description

Vanne comportant un dispositif de transformation de mouvement
L'invention concerne le domaine des véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement une vanne de contrôle moteur prévue pour gérer la circulation d'un fluide dans un conduit lié au moteur du véhicule.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
On connait des vannes de contrôle moteur actionnées par un moteur rotatif et adaptées à déplacer en translation une soupape disposée dans un conduit et permettant de contrôler le passage du fluide dans ce conduit. Ces vannes comprennent un moteur électrique associé à un train d'engrenages permettant de mettre en rotation un système de came. Le déplacement en translation généré permet l'entraînement de la soupape selon un mouvement rectiligne.
OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour but d'améliorer ce type de vanne en proposant une vanne de contrôle moteur dont la commande est plus aisée et plus robuste.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention vise une vanne de contrôle moteur comportant un actionneur rotatif, une soupape, et un dispositif de transformation de mouvement adapté à transformer la rotation de l'actionneur en translation de la soupape, caractérisé en ce que le dispositif de transformation de mouvement comporte une liaison hélicoïdale à pas constant pour l'entraînement en translation de la soupape.
Grâce à cette configuration, l'entraînement en translation de la soupape par le dispositif de transformation de mouvement se fait selon une loi sensiblement linéaire, c'est-à-dire que la force axiale exercée sur la soupape pour son ouverture subit des variations, en fonction de la levée de soupape et donc de la rotation de l'actionneur, qui peuvent être représentées par une ligne sensiblement droite. Cela ne permet pas d'obtenir une importante démultiplication de la force appliquée à la soupape dès le début de la phase de levée de soupape (là où les efforts à vaincre sont les plus importants), comme couramment pratiqué dans les vannes de l'art antérieur dans lesquelles la force diminue rapidement après le début de la levée (voir figure 4, courbe en pointillés), selon une liaison dont le pas n'est pas constant, voire qui présente une double pente.
La vanne selon l'invention bénéficie quant à elle d'un dispositif de transformation à comportement linéaire et donc à commandabilité améliorée.
Au tout début de la levée de soupape, les efforts de pression du fluide circulant dans la vanne sont les plus importants. L'importance des efforts à vaincre pour lever la soupape étant directement dépendante de la position initiale de la soupape, le fait de ne pas concentrer l'application de la force au début de la levée de soupape va à rencontre du principe classique consistant à répartir cette force selon le besoin apparent, c'est-à-dire concentrée au début puis en chute rapide.
Cette vanne peut en outre comporter les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison : - la liaison hélicoïdale comporte un chemin de came dont le pas est constant ;
- le dispositif de transformation de mouvement comporte une paroi tubulaire dans laquelle est pratiqué le chemin de came ;
- le chemin de came comporte deux pistes disposées face à face sur la paroi tubulaire ;
- la vanne comporte au moins un galet rattaché à la soupape et adapté à coopérer avec le chemin de came ;
- ledit au moins un galet est monté à rotation sur un barreau rattaché à la soupape, le barreau étant disposé dans le volume délimité par la paroi tubulaire de sorte à coopérer avec une roue d'entrée qui est entraînée par l'actionneur rotatif et qui est adaptée à entraîner en rotation le barreau ; la roue d'entrée peut être entraînée directement ou indirectement par l'actionneur rotatif ;
- la roue d'entrée est montée à rotation sur la paroi tubulaire ; - la roue d'entrée est montée à rotation sur la paroi tubulaire par l'intermédiaire d'un roulement ;
- un capteur de position de la soupape est disposé dans l'espace délimité par la paroi tubulaire ;
- le capteur de position est un capteur à déplacement rectiligne ; L'emploi d'un capteur à déplacement rectiligne est plus avantageux qu'un capteur rotatif car il mesure directement le déplacement de la soupape. Ce capteur a ici, de fait, un comportement sensiblement linéaire car il est directement associé à l'élément (la soupape) dont la position est à déterminer, sans démultiplication ou transformation de mouvement. Dans les vannes de l'art antérieur, des capteurs rotatifs sont en général employés pour déterminer la position angulaire d'une came agissant sur la soupape et indirectement en déduire la position de la soupape en prenant en compte la forme de la dite came. Dans ces vannes, un capteur à déplacement rectiligne aurait de fait un comportement non-linéaire. On entend par « comportement sensiblement linéaire » le fait pour un élément de la vanne de présenter un comportement physique proche d'un modèle théorique de système linéaire, au sens que l'on lui donne dans les domaines de l'automatisme et du traitement du signal ;
- l'actionneur rotatif comporte un moteur électrique à comportement sensiblement linéaire ;
- ce moteur est un moteur à courant continu ; - l'actionneur rotatif est relié au dispositif de transformation de mouvement par des moyens de transmission présentant un comportement sensiblement linéaire ;
- la vanne comporte des moyens de rappel de la soupape en position fermée, ces moyens de rappel présentant un comportement sensiblement linéaire ;
- les moyens de rappel élastique comportent un ressort de torsion hélicoïdal ;
- la chaîne cinématique allant de l'actionneur rotatif à la soupape est constituée d'éléments présentant un comportement sensiblement linéaire ; Un autre aspect de l'invention vise un ensemble d'une telle soupape et de moyens de commande programmés selon un modèle linéaire.
Les moyens de commande peuvent comporter des dispositifs électroniques classiques tel qu'un calculateur moteur (« Engine Control Unit », en anglais). Ils sont programmés selon un modèle linéaire, c'est-à-dire que la fonction de transfert du modèle qui décrit la position de la soupape en fonction de la consigne donnée en entrée est une fonction linéaire.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré et non limitatif, description faite en référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d'une vanne selon l'invention ;
- la figure 2 est une vue éclatée de la vanne de figure 1 ; - la figure 3 est une vue en perspective du dispositif de transformation de mouvements de la vanne de la figure 1 ;
- la figure 4 est un graphique montrant la force axiale appliquée à la soupape en fonction de sa course de levée dans la vanne de la figure 1.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 1 représente une vanne 1 de contrôle moteur qui est dans le présent exemple une vanne de recirculation de gaz d'échappement communément dénommée « vanne EGR ». Les différents éléments constitutifs de la vanne 1 sont visibles séparément sur la vue éclatée de la figure 2. La vanne 1 comporte une entrée de fluide 2 et une sortie de fluide 3 entre lesquelles est disposée la tête 4 d'une soupape 5. De manière classique pour une vanne EGR, la soupape 5 en position de fermeture permet de stopper l'écoulement du fluide entrant par l'entrée 2 et sortant par la sortie 3. La pleine ouverture de la soupape 5 permet au contraire le libre écoulement de ce fluide tandis que le maintien de la soupape 5 dans une position intermédiaire permet le dosage du fluide.
La vanne 1 comporte un support 6 sur lequel sont montés un actionneur, constitué ici par un moteur électrique 7, un dispositif de transformation de mouvement 9, et une roue de transmission 8 qui permet au moteur 7 d'entraîner le dispositif de transformation de mouvement 9, ce dernier transformant le mouvement rotatif de la roue de transmission 8 en mouvement rectiligne de la soupape 5.
Le dispositif de transformation de mouvement 9 a une forme générale tubulaire et comporte à l'une de ses extrémités un siège de soupape 10 et à l'autre de ses extrémités un chemin de came 11. En variante, la vanne peut être dépourvue de siège de soupape. Dans le présent exemple, le chemin de came 11 comporte deux pistes pratiquées dans une paroi tubulaire 12 du dispositif de transformation de mouvement 9. Un barreau 13 fixé sur la soupape 5 et muni de galets 14 est adapté à coopérer avec le chemin de came 11. Le dispositif de transformation de mouvement 9 coopère avec une roue d'entrée 15 comportant une portion dentée 16 rattachée à une portion tubulaire 17 montée à rotation sur le dispositif de transformation de mouvement 9 par l'intermédiaire d'un roulement 18.
Des moyens de rappel élastiques 19 sont ici prévus sous forme d'un ressort hélicoïdal de torsion pour rappeler la roue d'entrée 15 dans l'une de ses positions angulaires extrême correspondant dans le présent exemple à la position fermée de la soupape 5.
Le moteur 7 est donc ici actionné à rencontre des moyens de rappel 19 pour ouvrir la soupape 5.
Un capteur de position 20 permet de plus de mesurer à tout moment la position de la soupape 5 le long de sa course axiale, et ce grâce à un palpeur
21 maintenu en contact avec le barreau 13 au moyen d'un ressort (non représenté). Le capteur 20 a de fait un comportement linéaire dans la mesure où le palpeur 21
Un capot de protection 22 (voir figure 2) monté sur le support 6 protège les éléments tournants de la vanne 1.
Le moteur 7 est alimenté et piloté suivant une commande intégrée de manière classique à des moyens de calcul (non représentés).
Lorsque le moteur 7 est commandé en rotation, il entraîne en rotation la roue de transmission 8 (et tout autre train d'engrenage éventuellement prévu) qui entraîne à son tour en rotation la roue d'entrée 15. Cette dernière entraîne également en rotation le barreau 13 par complémentarité de formes (voir figure 1 ) tout en le laissant libre en translation axiale. Cela provoque le roulement des galets 14 sur le chemin de came 11 (qui est fixe, le dispositif de transformation de mouvement 9 étant fixé au support 6) et par conséquent la translation conjointe du barreau 13 et de la soupape 5 dans la direction axiale, provocant l'ouverture ou la fermeture de la soupape 5.
En référence à la figure 4, le dispositif de transformation de mouvement 9 est ici représenté en dehors de la vanne 1. Sur cette figure, la roue d'entrée 15 est dans une position angulaire : - qui correspond à une position angulaire du barreau 13 ;
- qui correspond à une position des galets 14 dans le chemin de came 11 (en bout de piste) ;
- qui correspond à une position de la soupape (position fermée).
Le chemin de came 11 est configuré pour que la force exercée sur la soupape 5 lors de son ouverture soit sensiblement linéaire.
Le dispositif de transformation de mouvement 9 présente ainsi un comportement se rapprochant d'un système linéaire. Un système linéaire est un modèle de système qui applique un opérateur linéaire (du premier degré) à un signal d'entrée. Un système linéaire affiche typiquement des caractéristiques et des propriétés beaucoup plus simples que le cas général non-linéaire. Ces propriétés linéaires améliorent la commandabilité du système.
La force axiale appliquée sur la soupape varie de manière linéaire ou quasi-linéaire le long de la course axiale de la soupape 5. La courbe 23 représentative de la force axiale appliquée sur la soupape 5 en fonction de sa course axiale (levée de soupape) est donc sensiblement une droite. Sur la figure 4, cette courbe 23 est représentée en trait pleins tandis qu'une courbe classique 24 relative aux vannes de l'art antérieur est montrée en pointillés.
Pour une même rotation du moteur 7, correspondant directement à une variation d'angle du barreau 13, la variation de la force axiale appliquée sur la soupape 5 grâce à la coopération du chemin de came 11 et des galets 14 est donc sensiblement constante et est identique sur toute la plage utile de rotation du moteur 7.
Dans l'exemple de la figure 4, la variation de la force axiale appliquée à la soupape 5 est non seulement constante mais très faible. A titre d'exemple, la force en début de levée de soupape (point 25 de la figure 4) peut être de 420 N tandis que la force en fin de levée de soupape (point 26 de la figure 4) peut être de 380 N soit une variation de la force d'environ 10 % sur toute la course de levée de la soupape 5. A titre de comparaison, l'ordre de grandeur de la variation de la force pour les vannes de l'art antérieur est de 1000% (voir figure 4). La courbe 23 est donc ici non seulement une droite mais est de plus quasi-horizontale.
Le chemin de came 11 est, dans le présent exemple, constitué de deux pistes disposées face à face (diamétralement opposées) sur la paroi tubulaire 12, chacune de ces pistes étant ici formée d'une lumière débouchante pratiquée dans la paroi tubulaire 12. La forme de la lumière est un hélicoïde s'étendant sur la paroi tubulaire 12. Pour obtenir une force axiale de levée de soupape à variation constante, cet hélicoïde est dans le présent exemple doté d'un pas d'hélice constant (voir figure 3).
Ainsi, grâce au dispositif de transformation de mouvement 9, le comportement à l'ouverture de la vanne 1 est sensiblement linéaire au sens où une rotation du moteur 7 d'un angle donné produira sensiblement la même variation de force sur la soupape 5, quelque soit la position de la soupape 5. Cette variation étant de plus ici réduite au minimum, la rotation du moteur 7 d'un angle donné produira sensiblement l'application de la même force sur la soupape 5, quelque soit la position de la soupape 5. Par ailleurs, le comportement sensiblement linéaire du dispositif de transformation de mouvement 9 peut-être complété par d'autres éléments de la chaîne cinématique allant du moteur 7 à la soupape 5 et présentant eux aussi avantageusement un comportement sensiblement linéaire.
Le mode de réalisation du présent exemple, particulièrement avantageux, ne regroupe sur cette chaîne cinématique que des éléments au comportement sensiblement linéaire. Cette chaîne cinématique peut donc être modélisée selon un modèle linéaire avec des résultats satisfaisants. Ce modèle linéaire est présent dans le dispositif électronique choisi pour piloter la vanne.
Le moteur 7, tout d'abord, est ici un moteur à courant continu, ce qui lui procure un comportement sensiblement linéaire.
Toute la pignonerie transmettant la rotation du moteur 7 à la roue d'entrée 15 est également à comportement sensiblement linéaire, c'est-à-dire que les dents des roues dentées (ici, les roues 8 et 15) sont régulièrement réparties sur la circonférence utile desdites roues. Les frottements sont également une source de non-linéairité. Le roulement 18 permet ici de réduire ces frottements pour se rapprocher encore le système du comportement linéaire.
Le ressort de torsion hélicoïdal constituant les moyens de rappel 19 est également ici à comportement sensiblement linéaire, c'est-à-dire que la rotation de la roue d'entrée 15 est directement proportionnelle au couple qui a provoqué cette rotation (le couple appliqué par la roue de transmission). Ce comportement est obtenu par le choix d'un ressort à raideur sensiblement constante.
L'ensemble de la chaîne cinématique allant du moteur 7 à la soupape 5 présente ainsi un comportement sensiblement linéaire qui améliore sa commandabilité.
La tâche des moyens de calcul (non représentés) pour la commande du moteur 7 est ici réduite car, pour passer d'une consigne de position pour la soupape 5 à la commande correspondante du moteur 7, les moyens de calcul ont à manipuler des équations linéaires, ce qui nécessite moins de puissance de calcul, une meilleure réactivité et une plus grande robustesse. La commande du moteur 7 est donc ici linéaire, c'est-à-dire réalisée selon un modèle linéaire, du premier degré.
D'autres caractéristiques de la vanne 1 peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Notamment, le train d'engrenages allant du moteur 7 à la roue d'entrée 15 peut comporter un nombre quelconque de roues ou pignons.
La soupape peut être un quelconque organe qui assure le contrôle du flux (ouverture, fermeture et/ou dosage) par un organe à déplacement en translation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Vanne (1 ) de contrôle moteur comportant un actionneur rotatif (7), une soupape (5), et un dispositif de transformation de mouvement (9) adapté à transformer la rotation de l'actionneur (7) en translation de la soupape (5), caractérisé en ce que le dispositif de transformation de mouvement (9) comporte une liaison hélicoïdale à pas constant pour l'entraînement en translation de la soupape (5).
2. Vanne selon la revendication 1 , dans laquelle la liaison hélicoïdale comporte un chemin de came (11 ) dont le pas est constant.
3. Vanne selon la revendication 2, dans laquelle le dispositif de transformation de mouvement (9) comporte une paroi tubulaire (12) dans laquelle est pratiqué le chemin de came (11 ).
4. Vanne selon la revendication 3, dans laquelle le chemin de came (11 ) comporte deux pistes disposées face à face sur la paroi tubulaire (12).
5. Vanne selon l'une des revendications 3 à 4, comportant au moins un galet (14) rattaché à la soupape (5) et adapté à coopérer avec le chemin de came (11 ).
6. Vanne selon la revendication 5, dans laquelle ledit au moins un galet (14) est monté à rotation sur un barreau (13) rattaché à la soupape (5), le barreau (13) étant disposé dans le volume délimité par la paroi tubulaire (12) de sorte à coopérer avec une roue d'entrée (15) qui est entraînée par l'actionneur rotatif (7) et qui est adaptée à entraîner en rotation le barreau (13).
7. Vanne selon la revendication 6, dans laquelle la roue d'entrée (15) est montée à rotation sur la paroi tubulaire (12).
8. Vanne selon la revendication 7, dans laquelle la roue d'entrée (15) est montée à rotation sur la paroi tubulaire (12) par l'intermédiaire d'un roulement (18).
9. Vanne selon l'une des revendications 3 à 8, dans laquelle un capteur de position (20) de la soupape (5) est disposé dans l'espace délimité par la paroi tubulaire (12).
10. Vanne selon la revendication 9, dans laquelle le capteur de position (20) est un capteur à déplacement rectiligne.
11. Vanne selon l'une des revendications 1 à 10, dans laquelle l'actionneur rotatif comporte un moteur (7) électrique à comportement sensiblement linéaire.
12. Vanne selon la revendication 11 , dans laquelle le moteur (7) est un moteur à courant continu.
13. Vanne selon l'une des revendications 1 à 12, dans laquelle l'actionneur rotatif (7) est relié au dispositif de transformation de mouvement (9) par des moyens de transmission présentant un comportement sensiblement linéaire.
14. Vanne selon l'une des revendications 1 à 13, comportant des moyens de rappel (19) de la soupape (5) en position fermée, ces moyens de rappel (19) présentant un comportement sensiblement linéaire.
15. Vanne selon la revendication 14, dans laquelle les moyens de rappel élastique comportent un ressort de torsion (19) hélicoïdal.
16. Vanne selon l'une des revendications 1 à 15, dans laquelle la chaîne cinématique allant de l'actionneur rotatif (7) à la soupape (5) est constituée d'éléments présentant un comportement sensiblement linéaire.
17. Ensemble comportant une vanne (1 ) selon l'une des revendications 1 à 15 et des moyens de commande programmés selon un modèle linéaire.
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