FR2915169A1

FR2915169A1 - AERODYNAMIC DEVICE FOR A MOTOR VEHICLE COMPRISING A MEMBRANE WHICH IS AT THE SAME OF ACTUATOR AND SENSOR.

Info

Publication number: FR2915169A1
Application number: FR0754573A
Authority: FR
Inventors: Quentin Gallas
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2008-10-24
Anticipated expiration: 2027-04-19
Also published as: WO2008135696A3; FR2915169B1; EP2137052A2; WO2008135696A2

Abstract

Dispositif aérodynamique de véhicule automobile comportant une membrane qui sert à la fois d'actionneur et de capteur.Le dispositif est destiné à être intégré dans un élément de carrosserie du véhicule. Il comporte une paroi externe (4) délimitant une orifice (6), une chambre (2) dont le volume est variable et au moins une membrane (8) mise en mouvement par réaction d'un matériau de la membrane (10) à l'application d'une tension électrique. La membrane (8, 10) sert à fois d'actionneur et de capteur.Aerodynamic device for a motor vehicle comprising a diaphragm which serves both as an actuator and as a sensor.The device is intended to be integrated in a bodywork element of the vehicle. It comprises an outer wall (4) delimiting an orifice (6), a chamber (2) whose volume is variable and at least one membrane (8) set in motion by reaction of a material of the membrane (10) with application of an electrical voltage. The diaphragm (8, 10) serves both actuator and sensor.

Description

DISPOSITIF AERODYNAMIQUE DE VEHICULE AUTOMOBILE COMPORTANT UNE MEMBRANEAUTOMOTIVE VEHICLE AERODYNAMIC DEVICE COMPRISING A MEMBRANE

QUI SERT A LA FOIS D'ACTIONNEUR ET DE CAPTEUR. WHICH IS AT THE SAME OF ACTUATOR AND SENSOR.

DESCRIPTIONDESCRIPTION

L'invention concerne un dispositif aérodynamique de véhicule automobile adapté a être intégré dans un élément de carrosserie du véhicule, le dispositif comportant un panneau externe délimitant un orifice et une chambre dont le volume est variable et au moins une membrane mise en mouvement par réaction d'un matériau de la membrane à l'application d'une tension électrique. On connaît déjà (EP 1 544 089) des dispositifs de ce type. Dans un tel dispositif, l'actionneur fonctionne sur le principe du jet synthétique. Il s'agit d'un système électromécanique qui aspire et souffle alternativement de l'air par le mouvement oscillant d'une membrane. Il génère ainsi, de manière autonome, des structures tourbillonnaires de petites tailles qui, quand le système est implanté en série sur un véhicule automobile en amont d'un décollement d'air, injectent de la quantité de mouvement en proche paroi et agissent favorablement sur la structure du sillage. On obtient une réduction de la surface transversale du sillage et une réorganisation des structures dynamiques du sillage, ce qui se traduit par un réduction significative de la traînée aérodynamique du véhicule et par une réduction de la portance arrière. The invention relates to an aerodynamic device for a motor vehicle adapted to be integrated into a bodywork element of the vehicle, the device comprising an outer panel delimiting an orifice and a chamber whose volume is variable and at least one membrane set in motion by reaction of the vehicle. a material of the membrane at the application of a voltage. Devices of this type are already known (EP 1 544 089). In such a device, the actuator operates on the principle of the synthetic jet. It is an electromechanical system that sucks and blows alternately air through the oscillating motion of a membrane. It thus autonomously generates small vortex structures which, when the system is installed in series on a motor vehicle upstream of an air separation, inject momentum into the near wall and act favorably on the vehicle. the structure of the wake. This results in a reduction of the transverse surface of the wake and a reorganization of the dynamic structures of the wake, which results in a significant reduction of the aerodynamic drag of the vehicle and a reduction of the rear lift.

Afin d'asservir le fonctionnement de l'actionneur à l'état du système (l'écoulement rasant sur la carrosserie du véhicule) il est nécessaire d'utiliser des capteurs qui informent un contrôleur de l'état du système. Il en résulte une augmentation du nombre de pièces constitutives du système de contrôle en boucle fermée et par conséquent une augmentation de la complexité et du coût de ce système. L'invention a pour objet un dispositif aérodynamique de véhicule automobile qui remédie à ces inconvénients. Ces buts sont atteints, conformément à la présente invention par le fait que la membrane sert à la fois d'actionneur et de capteur. In order to enslave the operation of the actuator to the state of the system (the flowing flow on the body of the vehicle) it is necessary to use sensors that inform a controller of the state of the system. This results in an increase in the number of components of the closed loop control system and therefore an increase in the complexity and cost of this system. The invention relates to an aerodynamic device for a motor vehicle that overcomes these disadvantages. These objects are achieved in accordance with the present invention in that the membrane serves both as an actuator and a sensor.

Grâce à cette caractéristique il n'est pas nécessaire de prévoir des capteurs séparés, chaque membrane pouvant fonctionner soit dans un mode d'actionneur, soit dans un mode de capteur, en fonction des besoins. With this feature it is not necessary to provide separate sensors, each membrane can operate in either an actuator mode or a sensor mode, as needed.

De préférence, la membrane est une membrane piézo-électrique. Il peut s'agir également d'une membrane en polymère électro-actif ou d'une membrane en matériau à mémoire de forme. De préférence encore, le dispositif comporte une première électronique qui, en mode actionneur, applique une tension aux bornes de la membrane piézo-électrique et une seconde électronique qui, en mode capteur, reçoit un courant électrique généré par la membrane piézo-électrique. Dans un mode de réalisation particulier le dispositif aérodynamique de l'invention comprend un contrôleur dans lequel est introduite une valeur de référence de sortie désirée, le contrôleur délivrant un signal de commande à au moins un actionneur, ledit actionneur délivrant un signal de sortie à un système dans lequel sont introduites les perturbations, le système délivrant un signal de sortie réelle et un signal de retour en boucle à au moins un détecteur, ce détecteur délivrant un signal de retour qui est réintroduit en boucle fermée dans le contrôleur. Preferably, the membrane is a piezoelectric membrane. It may also be an electroactive polymer membrane or a membrane of shape memory material. More preferably, the device comprises a first electronics which, in actuator mode, applies a voltage across the piezoelectric membrane and an electronic second which, in sensor mode, receives an electric current generated by the piezoelectric membrane. In a particular embodiment, the aerodynamic device of the invention comprises a controller into which a desired output reference value is introduced, the controller delivering a control signal to at least one actuator, said actuator delivering an output signal to a system in which the disturbances are introduced, the system delivering a real output signal and a feedback loop signal to at least one detector, this detector delivering a feedback signal which is reintroduced in a closed loop in the controller.

Avantageusement une mesure de bruit est en outre fournie au détecteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en référence aux figures annexées. Sur ces figures : -la figure 1 est un schéma de principe du jet synthétique à base de membrane piézoélectrique en mode actionneur et en mode capteur ; - les figures 2a, 2b, 2c sont trois figures qui illustrent le principe d'activation et le principe du mode capteur des membranes piézo-électriques ; - la figure 3 est un schéma d'une boucle fermée utilisée pour contrôler l'écoulement aérodynamique avec des jets synthétiques. Sur la figure 1, la référence 2 désigne un volume variable qui comporte une paroi rigide 4 percée par un orifice 6. L'orifice 6 peut être une fente, être circulaire, ou présenter une autre forme. A l'opposé de la paroi rigide 4, on trouve une membrane métallique 8 sur laquelle est collée une céramique piézo-électrique 10. La membrane peut également être en vis-à-vis ou perpendiculaire à l'orifice de sortie. Comme schématisée en 12, une tension électrique alternative peut être appliquée aux bornes de la céramique piézo- électrique. Lorsque la membrane est actionnée via une tension alternative, ses mouvements périodiques de flexion 14 créent un jet d'air 16 à travers l'ouverture 6. Le jet d'air 16 est composé de structures tourbillonnaires 18. Sur un cycle, la masse totale d'air déplacée est nulle mais la vitesse 20 du jet 16 d'air produit permet de contrôler un écoulement extérieur 22. Ce dispositif peut fonctionner également en mode capteur. Le fonctionnement est le suivant. Les conditions de l'écoulement d'air externe à contrôler 22 génèrent une pression résultante à l'intérieur de la cavité 2. Cette pression induit en retour une force mécanique sur la surface de la membrane métallique 8 qui est transmise à la céramique piézo-électrique 10. Advantageously, a noise measurement is further provided to the detector. Other features and advantages of the invention will become apparent upon reading the following description of an exemplary embodiment given by way of illustration with reference to the appended figures. In these figures: FIG. 1 is a schematic diagram of the synthetic jet based on a piezoelectric membrane in actuator mode and in sensor mode; FIGS. 2a, 2b and 2c are three figures which illustrate the activation principle and the principle of the sensor mode of the piezoelectric membranes; FIG. 3 is a diagram of a closed loop used to control aerodynamic flow with synthetic jets. In FIG. 1, the reference 2 denotes a variable volume that comprises a rigid wall 4 pierced by an orifice 6. The orifice 6 may be a slot, be circular, or have another shape. Opposite the rigid wall 4, there is a metal membrane 8 on which is glued a piezoelectric ceramic 10. The membrane may also be facing or perpendicular to the outlet orifice. As diagrammed at 12, an alternating electric voltage can be applied across the piezoelectric ceramic. When the membrane is actuated via an AC voltage, its periodic bending movements 14 create an air jet 16 through the opening 6. The air jet 16 is composed of vortex structures 18. On one cycle, the total mass displaced air is zero but the speed of the air jet 16 produced makes it possible to control an external flow 22. This device can also operate in sensor mode. The operation is as follows. The conditions of the external air flow to be controlled 22 generate a resultant pressure inside the cavity 2. This pressure induces a mechanical force on the surface of the metal membrane 8 which is transmitted to the piezo ceramic. Electric 10.

Le matériau piézo-électrique transforme cette énergie mécanique en énergie électrique. Un signal électrique est capté par une électronique adéquate (non représentée). Pour une intégration sur un véhicule automobile, il est nécessaire de connaître l'état de fonctionnement de ces actionneurs implantés en série en fin de pavillon arrière, ainsi que de savoir à quel moment déclencher le contrôle et sur quelle partie du pavillon (actionneur situé sur la gauche, sur la droite, au milieu, ou une combinaison de plusieurs de ces actionneurs) afin de contrôler le véhicule en roulage type autoroute, en phase transitoire ou en cas de vent latéral. L'utilisation de capteurs adéquats est donc nécessaire, ce qui demande une intégration de composants supplémentaires dans le système global. L'avantage de l'utilisation de membranes piézo-électrique réside dans le fait qu'elles assurent : simultanément la fonction de mise en oscillation d'une paroi de la cavité et la fonction de capteur de l'état de fonctionnement du dispositif ; un régime linéaire de fonctionnement jusque dans les hautes fréquences (autour de 1 kHz) et dans une large gamme de températures ; une consommation d'énergie minimale comparée aux autres types de transducteurs ; - un temps de réponse rapide de l'ordre de une milliseconde (ms), - un très faible poids ; - un faible coût de production. On a représenté sur les figures 2a à 2c trois états différents de la céramique piézoélectrique. Sur la figure 2a, qui représente l'état initial l'attention Vac est égal à zéro. En conséquence, ni la membrane métallique 8 ni la céramique piézo-électrique ne sont soumises à des contraintes. The piezoelectric material transforms this mechanical energy into electrical energy. An electrical signal is picked up by adequate electronics (not shown). For integration on a motor vehicle, it is necessary to know the operating status of these actuators installed in series at the end of the rear horn, as well as to know when to trigger the control and on which part of the flag (actuator located on the left, on the right, in the middle, or a combination of several of these actuators) in order to control the vehicle in highway-type running, in transitional phase or in the event of side wind. The use of adequate sensors is therefore necessary, which requires the integration of additional components into the overall system. The advantage of the use of piezoelectric membranes lies in the fact that they ensure: simultaneously the oscillation function of a wall of the cavity and the sensor function of the operating state of the device; a linear operating regime up to high frequencies (around 1 kHz) and in a wide temperature range; minimal energy consumption compared to other types of transducers; a fast response time of the order of a millisecond (ms), a very low weight; - a low cost of production. FIGS. 2a to 2c show three different states of the piezoelectric ceramic. In FIG. 2a, which represents the initial state, the attention Vac is equal to zero. As a result, neither the metal membrane 8 nor the piezoelectric ceramic are subjected to stresses.

Sur la figure 2b une tension alternative est appliquée aux bornes de la céramique piézo-électrique. Cette tension induit un déplacement radial et transversal de la membrane métallique 8. Lorsque la membrane métallique sur laquelle la céramique est collée est parfaitement encastrée, ce déplacement se traduit par une flexion périodique de l'ensemble. In Figure 2b an AC voltage is applied across the piezoelectric ceramic. This voltage induces a radial and transverse displacement of the metal membrane 8. When the metal membrane on which the ceramic is glued is perfectly embedded, this displacement results in a periodic bending of the assembly.

Réciproquement, on a illustré sur la figure 2c la façon dont la membrane piézo-électrique capte l'état de fonctionnement du dispositif. Sous l'action d'une pression résultante à l'intérieur de la cavité 2, la membrane métallique 8 subit une contrainte mécanique qui est transférée au matériau piézoélectrique 10. Ceci génère une tension équivalente à la force appliquée sur sa surface. On a représenté sur la figure 3 un schéma typique d'un système de contrôle en boucle fermée utilisant des actionneurs et des capteurs pour le pilotage des jets synthétiques. La boucle comporte un contrôleur 30 dans lequel est introduit une valeur de référence de sortie désirée. Cette valeur est par exemple une valeur de coefficient aérodynamique. Le contrôleur 30 délivre un signal de commande 32 à un actionneur 34. L'actionneur est constitué, comme on l'a exposé antérieurement, par exemple par une céramique piézo-électrique et par une membrane métallique à laquelle la céramique piézo-électrique est collée, cet ensemble fonctionnant en mode actionneur. L'actionneur agit sur le système 36, c'est-à-dire sur l'écoulement rasant de l'air. L'air extérieur est successivement aspiré et expulsé à travers un orifice ou une fente et produit des structures tourbillonnaires de petites tailles qui injectent de la quantité de mouvement en proche paroi et agissent favorablement sur la structure du sillage. Les perturbations 37 sont également introduites dans le système 36. Conversely, FIG. 2c illustrates how the piezoelectric membrane senses the operating state of the device. Under the action of a resulting pressure inside the cavity 2, the metal membrane 8 undergoes a mechanical stress which is transferred to the piezoelectric material 10. This generates a voltage equivalent to the force applied on its surface. FIG. 3 shows a typical diagram of a closed-loop control system using actuators and sensors for controlling the synthetic jets. The loop comprises a controller 30 into which a desired output reference value is introduced. This value is for example an aerodynamic coefficient value. The controller 30 delivers a control signal 32 to an actuator 34. The actuator is constituted, as previously exposed, for example by a piezoelectric ceramic and by a metal membrane to which the piezoelectric ceramic is glued. , this assembly operating in actuator mode. The actuator acts on the system 36, that is to say on the grazing air flow. The outside air is successively sucked and expelled through an orifice or slot and produces small vortex structures that inject momentum into the wall and act favorably on the wake structure. The disturbances 37 are also introduced into the system 36.

On a représenté par la flèche 38 la sortie réelle du système c'est-à-dire, par exemple le coefficient aérodynamique tel qu'il résulte de sa réduction par les actionneurs 34. Au moins un détecteur 40 est placé dans la boucle de retour 42. En d'autres termes, les mouvements de la membrane métallique 8 génèrent un courant électrique qui est capté par une électronique. Le bruit de mesure 41 est également introduit dans le capteur 40. Le signal de retour du détecteur 40 est introduit en boucle dans le contrôleur 30 dans lequel il est comparé à la valeur désirée de sortie afin d'engendrer, si nécessaire, une action correctrice sur le signal de commande 32. Bien que le système de l'invention ait été décrit en application à un véhicule automobile il va de soi qu'il peut trouver à s'appliquer dans d'autres domaines. Il pourrait par exemple être utilisé dans l'aéronautique pour le contrôle d'écoulement sur des ailes d'avion pour en améliorer la portance dans les phases de décollage ou d'atterrissage. De même, il pourrait être utilisé pour améliorer l'orientation et/ou le mélange d'un écoulement (application dans les systèmes d'injection dans les moteurs, application dans la ventilation de sièges automobiles, application de refroidissement de composants électroniques). B 15786 LW The arrow 38 represents the actual output of the system, that is to say, for example the aerodynamic coefficient as it results from its reduction by the actuators 34. At least one detector 40 is placed in the return loop. In other words, the movements of the metal membrane 8 generate an electric current which is picked up by electronics. The measurement noise 41 is also introduced into the sensor 40. The feedback signal from the detector 40 is looped into the controller 30 in which it is compared to the desired output value in order to generate, if necessary, a corrective action. on the control signal 32. Although the system of the invention has been described in application to a motor vehicle it is obvious that it may find application in other areas. It could for example be used in aeronautics for flow control on aircraft wings to improve lift in the take-off or landing phases. Similarly, it could be used to improve the orientation and / or mixing of a flow (application in injection systems in engines, application in the ventilation of automotive seats, application of cooling of electronic components). B 15786 LW

Claims

1) Aerodynamic device for a motor vehicle adapted to be integrated into a bodywork element of the vehicle, the device comprising an outer panel (4) delimiting an orifice (6), a chamber (2) whose volume is variable and at least one membrane (8) setting in motion by reaction of a material of the membrane (10) to the application of a voltage, characterized in that the membrane (8, 10) serves both actuator and sensor.

2) Device according to claim 1 characterized in that the membrane is a piezoelectric membrane (10)

3) Device according to claim 2 characterized in that it comprises a first electronics which, in actuator mode, applies a voltage Vac across the piezoelectric membrane and in that it comprises a second electronics which, in sensor mode , receives an electric current Vac generated by the piezoelectric membrane.

4) aerodynamic device for a motor vehicle, according to one of claims 1 to 3 characterized in that it comprises a controller (30) into which a desired output reference value is introduced, the controller 30 delivering a control signal ( 32) to at least one actuator (34), said actuator (34) outputting an output signal to a system (36), the system providing a real output signal (38) and a signal return loop (42) to at least one detector (40), this detector (40) delivering a feedback signal which is reintroduced in a closed loop in the controller (30).

5) aerodynamic device for a motor vehicle, according to one of claims 1 to 4 characterized in that disturbances (37) also acting on the system.

6) aerodynamic device for a motor vehicle, according to one of claims 1 to 5 characterized in that a noise measurement (41) is further provided to the detector (40).