FR2813265A1 - Ensemble de direction assistee electrique pour vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

L'invention s'applique à un ensemble de direction assistée électrique comprenant un arbre de direction rotatif (4) portant à une extrémité un volant (2) et à son autre extrémité un organe de transmission (7) coopérant avec une crémaillère (8) mobile en translation, reliée à chacune de ses extrémités (11) à un mécanisme (10) d'orientation des roues directrices du véhicule, le dispositif d'assistance (12) comportant un moteur électrique (15) qui entraîne un organe d'assistance (20) coopérant avec la crémaillère (8), et un dispositif de commande (16) fournissant audit moteur électrique (15) un signal de commande (S) adapté pour faire varier le couple de sortie (Cs) du moteur électrique (15), en fonction de paramètres de fonctionnement de l'arbre de direction et/ ou plus généralement du véhicule. Le dispositif d'assistance (12) comporte des moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31) de l'effort (F) exercé par les mécanismes d'orientation (10) sur la crémaillère (8), et le dispositif de commande (16) est adapté pour modifier le signal de commande de couple (S) en fonction de la valeur d'effort (F) estimée par lesdits moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31).

Description

<Desc/Clms Page number 1>
L'invention se rapporte à un ensemble de direction de véhicule automobile comportant un dispositif d'assistance électrique.
Elle concerne plus précisément un ensemble de direction assistée du type comprenant un arbre de direction rotatif portant à une extrémité un volant et à son autre extrémité un organe de transmission coopérant avec une crémaillère mobile en translation, reliée à chacune de ses extrémités à un mécanisme d'orientation des roues directrices du véhicule, le dispositif d'assistance comportant un moteur électrique qui entraîne un organe d'assistance coopérant avec la crémaillère, et un dispositif de commande fournissant audit moteur électrique un signal de commande adapté pour faire varier le couple de sortie du moteur électrique, en fonction de paramètres de fonctionnement de l'arbre de direction et/ou plus généralement du véhicule.
Dans les systèmes de direction assistée électrique connus, un moteur électrique entraîne, par l'intermédiaire d'un réducteur, un pignon engrenant avec la crémaillère de direction, de façon à transmettre à la crémaillère un effort d'assistance. Le moteur électrique est commandé par un calculateur qui applique des lois de commande préprogrammées pour tenir compte de l'évolution de paramètres de fonctionnement du véhicule et de la direction, tels que la vitesse du véhicule, le couple appliqué sur le volant et l'arbre de direction par le conducteur, et la vitesse de rotation du volant. Le calculateur délivre au moteur électrique, à partir de ces paramètres de fonctionnement et des lois de commande prépro- grammées, un signal de commande de couple correspondant au couple moteur de sortie à délivrer pour exercer sur la crémaillère l'effort d'assistance désiré.
En général, il n'est pas prévu de boucle de régulation permettant de corriger le signal de commande émis vers le moteur en fonction de grandeurs mesurées ou calculées, significatives d'un couple ou d'un effort d'assistance réellement délivrés par le moteur.
Un dispositif d'assistance de ce type ne donne pas entière satisfaction du fait d'une part, que les paramètres auxquels sont appliquées les lois de commande ne permettent pas d'accéder de façon simple et précise à un effort d'assistance adapté aux sensations de l'utilisateur, et d'autre part, de la difficulté à traduire un effort d'assistance désiré en couple de sortie moteur.
En effet, pour les mêmes valeurs des paramètres cités précédemment, un même effort d'assistance est appliqué par le dispositif d'assistance, qui
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peut convenir par conditions de route sèche, et peut être excessif par conditions de route glissante. Dans un tel cas de sur-assistance , le conducteur perd en grande partie les sensations d'effort sur la direction du véhicule, ce qui dégrade la sécurité de conduite.
Ensuite, pour un couple de sortie donné du moteur électrique, l'effort d'assistance effectivement appliqué sur la crémaillère diffère sensiblement de l'effort d'assistance théorique, à cause de pertes d'énergie mécanique dans le moteur électrique (inertie, frottements) et dans le mécanisme de transformation du couple moteur en effort d'assistance, à savoir notamment le réducteur et l'organe de transmission à la crémaillère. A titre d'exemple, les pertes d'énergie mécanique précitées peuvent représenter, pour certains véhicules de type berline et dans des conditions de vitesse et de braquage de volant courantes, de l'ordre de 30% pour des couples-volant variables et de 15% pour des couples-volant constants, par rapport à l'effort théorique d'assistance sur la crémaillère. Ces pertes varient sur un même véhicule au cours du temps avec l'usure des pièces mécaniques de transmission, mais aussi d'un véhicule à l'autre, ces variations étant* extrêmement difficiles à modéliser.
Un but principal de l'invention est de remédier à ces inconvénients et de proposer une direction assistée électrique qui, en premier lieu, n'altère pas les sensations de conduite, et en deuxième lieu, dont le fonctionnement ne soit pas affecté par les différences existant d'un véhicule à l'autre ou par l'évolution au cours du temps des pertes d'énergie mécanique.
Dans ce but, un ensemble de direction de véhicule automobile du type précité est caractérisé en ce que le dispositif d'assistance comporte des moyens d'estimation de l'effort exercé par les mécanismes d'orientation sur la crémaillère, et le dispositif de commande est adapté pour modifier le signal de commande de couple en fonction de la valeur d'effort estimée par lesdits moyens d'estimation.
Suivant d'autres caractéristiques - les moyens d'estimation de l'effort comprennent un capteur de vitesse de lacet du véhicule ; - les moyens d'estimation de l'effort comprennent un capteur de vitesse d'avance du véhicule ;
<Desc/Clms Page number 3>
- les moyens d'estimation de l'effort comprennent un capteur d'angle de braquage du volant ; - les moyens d'estimation de l'effort comprennent un capteur d'accélération transversale du véhicule ; - les moyens d'estimation comprennent un organe de calcul qui calcule la valeur d'effort à partir des valeurs mesurées
Figure img00030001

Vx, #v, yt respectivement par le capteur de vitesse de lacet, le capteur de vitesse d'avance, le capteur d'angle de braquage, et le capteur d'accélération transversale ; - l'organe de calcul calcule la valeur d'effort F suivant une relation d u type
Figure img00030005

dans laquelle : kl, k2, k3, k4 sont des coefficients prédéterminés ;
Figure img00030008

est la vitesse de lacet mesurée ; . VX est la vitesse d'avance mesurée ; . av est l'angle de braquage mesuré ; et . yt est l'accélération transversale mesurée ; - le dispositif d'assistance comporte des moyens de mesure de l'effort exercé par l'organe d'assistance sur la crémaillère, et le dispositif de commande est adapté pour modifier le signal de commande de couple en fonction de la valeur d'effort mesurée par lesdits moyens de mesure ; - le dispositif de commande comporte un calculateur qui élabore, à partir de données préenregistrées et de paramètres de fonctionnement, un signal de consigne de couple, et un module de régulation qui élabore, en fonction du signal de consigne et de la valeur d'effort mesurée, le signal de commande de couple, l'un desdits paramètres de fonctionnement étant constitué par la valeur estimée de l'effort des mécanismes d'orientation sur la crémaillère ; - le module de régulation comporte un organe de conversion qui délivre à partir de la valeur mesurée d'effort de l'organe d'assistance sur la crémaillère , un signal de mesure qui est une image de la valeur réelle du couple de sortie du moteur;
<Desc/Clms Page number 4>
- le module de régulation comporte un organe comparateur qui reçoit en entrée le signal de mesure du couple et le signal de consigne de couple, et délivre en sortie un signal d'écart de couple ; - le module de régulation comporte un régulateur P. I. D. qui élabore le signal de commande de couple à partir du signal d'écart de couple ; - le gain proportionnel du régulateur P. I. D. est préréglé à une valeur comprise entre 6 et 9 ; - le gain intégral du régulateur P. I. D. est préréglé à une valeur comprise entre 140 et 210 ; et - le gain différentiel du régulateur P. I. D. est préréglé à une valeur comprise entre 0,016 et 0,024.
L'invention vise également un procédé de commande, d'un ensemble de direction assistée du type précité, selon lequel on élabore le signal de commande de couple de la façon suivante - on mesure l'effort exercé par l'organe d'assistance sur la crémaillère ; - on convertit la valeur d'effort ainsi obtenue en valeur de couple réel estimée à partir des caractéristiques du réducteur, de l'organe d'assistance et de la crémaillère ; - on calcule l'effort exercé par les mécanismes d'orientation sur la crémaillère; - on calcule l'écart d'une valeur de couple de consigne, déterminée à partir de données préenregistrées et de paramètres de fonctionnement, avec la valeur de couple réel ainsi estimé, l'un desdits paramètres de fonctionnement étant constitué par la valeur de l'effort des mécanismes d'orientation sur la crémaillère; - on calcule une valeur de commande de couple au moyen d'une loi de régulation P. I. D. dont les coefficients Kp, K;, Kd sont prédéterminés ; - on élabore le signal de commande de couple qui correspond à ladite valeur de commande.
Suivant une autre caractéristique, on calcule l'effort des mécanismes d'orientation sur la crémaillère par les opérations suivantes - on mesure la vitesse de lacet du véhicule
Figure img00040004
<Desc/Clms Page number 5>
- on mesure la vitesse d'avance du véhicule V,,; - on mesure l'angle de braquage du volant a"; - on mesure l'accélération transversale du véhicule y,; et - on calcule la valeur d'effort F suivant une relation du type
Figure img00050003

où kl, k2, k3, k4 sont des coefficients prédéterminés.
L'invention vise enfin un véhicule automobile comportant un ensemble de direction assistée électriquement, comme défini ci-dessus.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de direction assistée suivant l'invention ; - la figure 2 est un schéma représentant le dispositif d'assistance équipant un ensemble de direction assistée suivant l'invention.
A là figure 1, on a représenté un ensemble de direction 1 de véhicule automobile assistée électriquement, qui comporte un volant 2 solidaire d'un premier tronçon 3 d'un arbre de direction 4 relié à un deuxième tronçon 5 de cet arbre de direction 4, par l'intermédiaire d'une liaison à cardan 6. L'arbre de direction 4 est ici composé de deux tronçons 3, 4 articulés, mais pourrait être constitué d'une pièce. L'arbre de direction 4 transmet le couple appliqué sur le volant 2 par le conducteur du véhicule à un pignon de transmission 7, qui engrène avec une crémaillère de direction 8 disposée transversalement par rapport à l'axe du véhicule entre deux roues directrices 9. Le pignon de transmission 7 pourrait être remplacé par tout autre organe de transmission adapté, comme par exemple une vis sans fin. Chaque roue directrice 9 est susceptible de pivoter autour d'un axe de pivotement vertical Z-Z sous l'effet d'un déplacement linéaire de la crémaillère 8, ladite roue directrice 9 étant actionnée par un mécanisme d'orientation comportant une biellette 10 reliée à une extrémité 11 de la crémaillère 8.
L'ensemble de direction 1 comprend également un dispositif d'assistance 12 destiné à exercer sur la crémaillère 8 un effort de même sens que l'effort exercé par le pignon de transmission 7, de façon à faciliter l'actionnement du volant 2 par le conducteur du véhicule, en fonction de trois pa-
<Desc/Clms Page number 6>
ramètres P1, P2, P3 de fonctionnement du véhicule et de fonctionnement de la direction.
Le premier paramètre P1 est constitué par la valeur de vitesse du véhicule, déterminée par des moyens classiques de mesure de la vitesse d'avance V, présents usuellement sur les véhicules, que l'on désignera par un capteur de vitesse d'avance 13.
Le troisième paramètre P3 représente le couple appliqué sur le volant 2, estimé au moyen d'un capteur de couple 14 monté sur le deuxième tron- çon 5 de l'arbre de direction 4 dans une région proche du pignon de transmission 7.
Le dispositif d'assistance 12 comprend un moteur électrique 15 dont le couple de sortie Cs est commandé par un dispositif électronique de commande 16 qui délivre au moteur un signal de commande de couple S. Le couple de sortie Cs du moteur électrique 15 est transmis à un réducteur 19 par l'intermédiaire de l'arbre de sortie 18 du moteur 15, et à un pignon d'assistance 20 engrenant avec la crémaillère 8.
La crémaillère 8 comporte un capteur d'effort 21 adapté pour mesurer l'effort exercé par le pignon d'assistance 20 sur la crémaillère 8, et fournir au dispositif électronique de commande 16 la valeur m de l'effort ainsi mesuré.
Outre le capteur de vitesse d'avance 13, le dispositif d'assistance 12 comporte un capteur de vitesse de lacet 25 du véhicule, un capteur d'accélération transversale 27 du véhicule, ainsi qu'un capteur d'angle de braquage 29 du volant 2.
Le dispositif d'assistance 12 comporte d'autre part un organe de calcul 31 qui est relié au capteur de vitesse d'avance 13, au capteur de vitesse de lacet 25, au capteur d'accélération transversale 27, et au capteur d'angle de braquage de volant 29. L'organe de calcul 31 reçoit desdits capteurs auxquels il est relié des signaux respectifs significatifs des grandeurs mesurées, à savoir la vitesse d'avance du véhicule VX, la vitesse de lacet du véhicule
Figure img00060005

l'accélération transversale du véhicule yt et l'angle de braquage du volant a".
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L'organe de calcul 31 traite les grandeurs mesurées VX,
Figure img00070002

I.c, a", de façon à obtenir une valeur d'effort résultant F des biellettes 10 sur la crémaillère 8, suivant la relation suivante
Figure img00070005

où ki, k2, k3, k4 sont des coefficients prédéterminés et pré- enregistrés dans l'organe de calcul 31.
Le deuxième paramètre P2 fourni au dispositif électronique de commande est constitué par cette valeur F estimée de l'effort exercé par les biellettes 10 sur la crémaillère 8.
Comme représenté à la figure 2, le dispositif électronique de commande 16 comprend un calculateur 122 et un module de régulation 123. Le calculateur 122 reçoit les paramètres de fonctionnement P1, P2, P3 et leur applique des lois de commande préenregistrées afin d'élaborer et d'émettre vers une première entrée du module de régulation 123 un signal de consigne de couple S1.
Le signal représentatif de la valeur m de l'effort du pignon d'assistance 20 sur la crémaillère 8 mesuré par le capteur d'effort correspondant 21 est envoyé vers une deuxième entrée du module de régulation 123, ce dernier comprenant un organe de conversion 124 qui délivre à partir de la valeur d'effort mesurée m, un signal de mesure SO qui est une image de la valeur réelle du couple de sortie du moteur Cs.
Le module de régulation 123 comprend par ailleurs un comparateur 125 qui reçoit en entrée le signal de mesure de couple SO et le signal de consigne de couple S1 délivré par le calculateur 122, et qui délivre en sortie un signal d'écart de couple Sa transmis à un régulateur PID 126. Ce régulateur 126 applique au signal de couple So une loi proportionnelle/intégrale/dérivée, afin d'élaborer le signal de commande de couple S qui est ensuite appliqué au moteur électrique 15.
Les coefficients de gain proportionnel/intégrateur/dérivé KP, K;, Kd, appliqués dans la loi de régulation, sont par exemple respectivement de l'ordre de :7.5; 175;0.02.
L'ensemble de direction assistée électrique et le procédé de commande associé tels que définis dans l'invention, procurent un effort d'assistance
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tenant compte des efforts réels exercés par les pièces de transmission de direction liées aux roues sur la crémaillère, et régulé de façon à compenser aussi bien les effets de l'usure des pièces mécaniques de transmission de la direction, tout au long de la durée de vie du véhicule, que les variations des caractéristiques mécaniques d'un véhicule à l'autre, et les variations de ces caractéristiques suivant les conditions d'utilisation du véhicule.
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Claims (7)

  1. REVENDICATIONS 1. - Ensemble de direction assistée électrique comprenant un arbre de direction rotatif (4) portant à une extrémité un volant (2) et à son autre extrémité un organe de transmission (7) coopérant avec une crémaillère (8) mobile en translation, reliée à chacune de ses extrémités (11) à un mécanisme (10) d'orientation des roues directrices du véhicule, le dispositif d'assistance (12) comportant un moteur électrique (15) qui entraîne un organe d'assistance (20) coopérant avec la crémaillère (8), et un dispositif de commande (16) fournissant audit moteur électrique (15) un signal de commande (S) adapté pour faire varier le couple de sortie (Cs) du moteur électrique (15), en fonction de paramètres de fonctionnement de l'arbre de direction et/ou plus généralement du véhicule, caractérisé en ce que le dispositif d'assistance (12) comporte des moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31) de l'effort (F) exercé par les mécanismes d'orientation (10) sur la crémaillère (8), et le dispositif de commande (16) est adapté pour modifier le signal de commande de couple (S) en fonction de la valeur d'effort (F) estimée par lesdits moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31).
  2. 2.- Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31) de l'effort (F) comprennent un capteur de vitesse de lacet (25) du véhicule.
  3. 3.- Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31) de l'effort (F) comprennent un capteur de vitesse d'avance (13) du véhicule.
  4. 4.- Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31) de l'effort (F) comprennent un capteur d'angle de braquage (29) du volant (2).
  5. 5.- Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31) de l'effort (F) comprennent un capteur d'accélération transversale (27) du véhicule.
  6. 6.- Ensemble de direction assistée électrique suivant les revendications 2 à 5 prises ensembles, caractérisé en ce que les moyens d'estimation (13, 25, 27, 29, 31) comprennent un organe de calcul (31) qui calcule la valeur d'effort (F) à partir des valeurs mesurées
    Figure img00090002
    VX, av, yt) respectivement par le capteur de
    <Desc/Clms Page number 10>
    est la vitesse de lacet mesurée ; . V, est la vitesse d'avance mesurée ; . a" est l'angle de braquage mesuré ; et . yt est l'accélération transversale mesurée. 8. - Ensemble de direction assistée électrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'assistance (12) comporte des moyens de mesure (21) de l'effort exercé par l'organe d'assistance (20) sur la crémaillère (8), et le dispositif de commande (16) est adapté pour mo= difier le signal de commande de couple (S) en fonction de la valeur d'effort (m) mesurée par lesdits moyens de mesure (21). 9. - Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de commande (16) comporte un calculateur (122) qui élabore, à partir de données préenregistrées et de paramètres de fonctionnement (P1, P2, P3), un signal de consigne de couple (S1), et un module de régulation (123) qui élabore, en fonction du signal de consigne (S1) et de la valeur d'effort mesurée (m), le signal de commande de couple (S), l'un desdits paramètres de fonctionnement (P2) étant constitué par la valeur estimée (F) de l'effort des mécanismes d'orientation (10) sur la crémaillère (8). 10. - Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le module de régulation (123) comporte un organe de conversion (124) qui délivre à partir de la valeur mesurée (m) d'effort de l'organe d'assistance (20) sur la crémaillère (8), un signal de mesure (S0) qui est une image de la valeur réelle du couple de sortie (Cs) du moteur (15). 11. - Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 10, caractérisée en ce que le module de régulation (123) comporte un organe
    Figure img00100003
    dans laquelle : kl, k2, k3, k4 sont des coefficients prédéterminés ;
    Figure img00100001
    vitesse de lacet (25) , le capteur de vitesse d'avance (13), le capteur d'angle de braquage (29), et le capteur d'accélération transversale (27).
  7. 7.- Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe de calcul (31) calcule la valeur d'effort (F) suivant une relation du type
    <Desc/Clms Page number 11>
    comparateur (125) qui reçoit en entrée le signal de mesure du couple (S0) et le signal de consigne de couple (S1), et délivre en sortie un signal d'écart de couple (SA). 12. - Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 11, caractérisée en ce que le module de régulation (123) comporte un régulateur P. I. D. (126) qui élabore le signal de commande de couple (S) à partir du signal d'écart de couple (So). 13. - Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 12, caractérisée en ce que le gain proportionnel (KP) du régulateur P. I. D. (126) est préréglé à une valeur comprise entre 6 et 9. 14. - Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 12, caractérisée en ce que le gain intégral (K;) du régulateur P. I. D. (126) est préréglé à une valeur comprise entre 140 et 210. 15. - Ensemble de direction assistée électrique suivant la revendication 12, caractérisée en ce que le gain différentiel (Kd) du régulateur P. I. D. (126) est préréglé à une valeur comprise entre 0,016 et 0,024. 16. - Procédé de commande, par un signal de commande de couple, d'un moteur électrique de dispositif d'assistance électrique d'un ensemble de direction de véhicule automobile, comprenant un arbre de direction rotatif (4) portant à une extrémité un volant (2) et à son autre extrémité un organe de transmission (7) coopérant avec une crémaillère (8) mobile en translation, reliée à chacune de ses extrémités (11) à un mécanisme (10) d'orientation des roues directrices du véhicule, le dispositif d'assistance (12) comportant un moteur électrique (15) qui entraîne un organe d'assistance (20) coopérant avec la crémaillère (8), et un dispositif de commande (16) fournissant audit moteur électrique (15) un signal de commande (S) adapté pour faire varier le couple de sortie (Cs) du moteur électrique (15), caractérisé en ce qu'on élabore le signal de commande de couple (S) de la façon suivante - on mesure l'effort exercé par l'organe d'assistance (20) sur la crémaillère (8) ; - on convertit la valeur d'effort (m) ainsi obtenue en valeur de couple réel estimée à partir des caractéristiques du réducteur (19), de l'organe d'assistance (20) et de la crémaillère (8) ;
    <Desc/Clms Page number 12>
    où ki, k2, k3, k4 sont des coefficients prédéterminés. 18. - Véhicule automobile comportant un ensemble de direction assistée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 15.
    Figure img00120007
    - on mesure la vitesse d'avance du véhicule VX; - on mesure l'angle de braquage du volet a"; - on mesure l'accélération transversale du véhicule yt; et - on calcule la valeur d'effort F suivant une relation du type
    Figure img00120003
    - on calcule l'effort (F) exercé par les mécanismes d'orientation (10) sur la crémaillère (8) ; - on calcule l'écart d'une valeur de couple de consigne, déterminée à partir de données préenregistrées et de paramètres de fonctionnement (P1, P2, P3), avec la valeur de couple réel ainsi estimé, l'un desdits paramètres de fonctionnement (P2) étant constitué par la valeur (F) de l'effort des mécanismes d'orientation (10) sur la crémaillère (8) ; - on calcule une valeur de commande de couple au moyen d'une loi de régulation P. I. D. dont les coefficients (KP, K;, Kd) sont prédéterminés ; - on élabore le signal de commande de couple (S) qui correspond à ladite valeur de commande. 17. Procédé de commande suivant la revendication 16, caractérisé en ce qu'on calcule l'effort des mécanismes d'orientation (10) sur la crémaillère (8) par les opérations suivantes - on mesure la vitesse de lacet du véhicule
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