WO2011064213A2 - Dispositif semi-actif en translation et en rotation - Google Patents

Dispositif semi-actif en translation et en rotation Download PDF

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WO2011064213A2
WO2011064213A2 PCT/EP2010/068041 EP2010068041W WO2011064213A2 WO 2011064213 A2 WO2011064213 A2 WO 2011064213A2 EP 2010068041 W EP2010068041 W EP 2010068041W WO 2011064213 A2 WO2011064213 A2 WO 2011064213A2
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WO
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semi
active device
movable element
housing
movable
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PCT/EP2010/068041
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WO2011064213A3 (fr
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Arvid Bergander
José LOZADA
Tobias Poessinger
Samuel Roselier
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Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
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Publication date
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Priority to EP10781904A priority patent/EP2504607A2/fr
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Publication of WO2011064213A3 publication Critical patent/WO2011064213A3/fr

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F9/00—Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/32—Details
    • F16F9/53—Means for adjusting damping characteristics by varying fluid viscosity, e.g. electromagnetically
    • F16F9/535—Magnetorheological [MR] fluid dampers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20528—Foot operated

Definitions

  • the present invention relates to a semi-active device in translation and in rotation, able to generate a resistance to linear and rotational movements by modifying the apparent viscosity of a magnetorheological fluid controlled by the modulation of a magnetic field.
  • a device is said to be semi-active when it is only able to absorb energy.
  • the semi-active devices can be implemented in tactile simulation systems or haptic systems to oppose in advance of a manual control member, a reaction reflecting the progress of the command, or be used as a shock absorber in a motor vehicle.
  • Such devices comprise a movable element in contact with the magneto-rheological fluid, and whose displacement is slowed down when the apparent viscosity of the fluid increases.
  • linear brake devices in which the element is movable only in translation.
  • the element has a rectangular section, the dynamic guidance and sealing of such an element are difficult to achieve.
  • these devices do not allow rotational movement.
  • the document FR 2902538 describes a musical instrument comprising a simulation device implementing a movable blade in a magneto-rheological liquid. This device does not make it possible to generate resistance to rotational movements.
  • its realization is complex in terms of guiding and sealing.
  • the blade has a low rigidity and is therefore difficult to integrate into complete systems.
  • a semi-active device comprising a movable element with a circular cross section of longitudinal axis able to move about its axis and along its axis and received in a correspondingly shaped housing, a magneto-magnetic fluid. rheological filling the space between the housing and the movable element, the housing being delimited directly by means for generating a magnetic field through the fluid.
  • the means for generating the magnetic field are such that they generate a magnetic field through the magnetorheological fluid, causing the appearance of shear forces on the surface of the movable member.
  • the field lines are oriented radially so that they are orthogonal to the surface of the movable element, the braking force is then increased.
  • the means for generating the magnetic field may be formed by pairs of electromagnets diametrically opposed two by two with respect to the movable element.
  • the device may also be associated with an actuator capable of moving the movable element.
  • the present invention relates to a semi-active device capable of generating a force resistant to displacements of a mobile element, comprising:
  • said movable element having a longitudinal axis provided with at least one part having a circular section
  • a body delimiting a longitudinal axis housing receiving said portion of the movable element having a circular section so that the movable element is able to move in translation along its axis and in rotation around said axis (X) in housing, means for generating a magnetic field in said annular space, said means for generating the magnetic field comprising at least one electromagnet, said at least one electromagnet comprising a coil and a magnetic core, said housing being formed directly in said magnetic core,
  • each flange being provided with a passage in which the mobile element slides and pivots in a sealed manner, the longitudinal ends of the movable element being located outside the dwelling,
  • sealing means arranged in the passages and providing frictional sealing with the movable element, said housing delimiting with the mobile element a sealed annular space,
  • the coils are oriented so that the generated fields are oriented radially with respect to the movable element.
  • the annular space has a substantially constant thickness.
  • the annular space has for example a thickness of between 200 ⁇ m and 2 mm.
  • the semi-active device comprises for example at least one pair of diametrically opposite electromagnets in pairs relative to the movable element, said control means controlling the power supply so that the poles of the diametrically opposed electromagnets, which are oriented on the side of the movable element, are of opposite polarity.
  • the semi-active device comprises at least two pairs of electromagnets opposite diametrically two by two with respect to the movable element.
  • said control means control the power supply so that the pole of each electromagnet oriented towards the mobile element is surrounded by two poles of the adjacent electromagnets of opposite polarity.
  • the cores of magnetic material comprise a curved face each forming an angular portion of the housing over its entire height.
  • the body of the semi-active device is formed directly by the magnetic core or nuclei.
  • the semi-active device may comprise a plurality of magnetic cores in the form of sectors angularly integral with each other.
  • the end flanges then advantageously ensure the joining of the magnetic cores and the sealing of the body of the device is obtained by means of a putty disposed on an outer surface of the cores.
  • the cores of all the electromagnets are in one piece.
  • the semi-active device may comprise at least one permanent magnet disposed in one of the magnetic circuits of each of the electromagnets.
  • the movable element may for example be a tube.
  • the present invention also relates to an active device comprising a semi-active device according to the present invention and an actuator traversed by the movable element.
  • the actuator may comprise a stage provided with at least two electromagnets diametrically opposed with respect to the movable element and another stage provided with at least two electromagnets diametrically opposite with respect to the movable element, and the portion of the moving element 1 through the actuator having two zones of opposite polarities succeeding one another axially.
  • the present invention also relates to a control system for a motor vehicle, comprising at least one control pedal of a system of said motor vehicle and at least one semi-active device according to the present invention, the movable element being connected to said pedal for apply a force against the movement of said pedal.
  • the present invention also relates to a control system comprising a control member intended to be handled by an operator and by which he transmits these commands, and a first and a second semi-active device according to the present invention, said control member being attached to one end of the movable element of the first semi-active device, said element being movable along and around a first axis, said movable element being integral with the movable element of the second semi-active device, said element being movable along and about a second axis the first and second axes being perpendicular, the control member then being able to move along and around the first and second axes perpendicular to each other.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an exemplary embodiment of a semi-active device according to the present invention
  • FIG. 2 is a detail view of FIG. 1,
  • FIG. 3A is a view of an isolated part of the device of FIG. 1
  • FIG. 3B is a perspective view of an element of the magnetic field generation means implemented in a semi-active device
  • FIG. 3C is an alternative embodiment of the element of FIG. 3B.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view along the plane A-A of the device of FIG. 1 at the level of the magnetic field generation means
  • FIG. 5 is a schematic representation of the field lines of the magnetic field generated by the magnetic field generation means of FIG. 4;
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of another example of magnetic field generating means
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an alternative embodiment of the device.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of another example of magnetic field generating means
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of a variant of the device of FIG. 8A.
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view of an exemplary embodiment of a device capable of applying a force resisting to the movable element to slow its displacement and a motor force to cause its displacement
  • FIGS. 10A to 10E are examples of application of the semi-active device according to the invention.
  • FIG. 11 is a top view of another embodiment of a semi-active device.
  • FIG. 1 an exemplary embodiment of a semi-active device D according to the present invention can be seen
  • the device is intended for example to form a haptic interface, or a tactile simulation system, for example in a braking system.
  • the semi-active device D comprises a mobile element 2, a body in which is formed a housing 4 receiving the mobile element 2, and means for generating a magnetic field 6 within the housing 4.
  • the movable element 2 is intended to be mechanically connected to an outer element by one of its longitudinal ends 2.1, 2.2, for example to a handle in a joystick type control system or a brake pedal intended to be handled by an operator or to the rocket of a wheel of a motor vehicle in the case of a shock absorber.
  • the movable element 2 has an elongate shape with a longitudinal axis X and a circular cross section with an outside diameter D 2 .
  • the housing 4 has a circular cross section corresponding to that of the movable element 4 and inner diameter D 4 , D 4 being greater than D 2 .
  • FIG. 2 a detail of the device of FIG. 1 can be seen.
  • a clearance j is provided between the outer surface of the movable element 2 and the surface of the housing 4, defining an annular space 8.
  • This clearance is advantageously the order of 1mm.
  • the game 1 is advantageously between 200 ⁇ m and 2 mm.
  • the clearance j is identical or substantially identical over the entire height of the housing, making it possible to obtain a homogeneous distribution of the resistant forces applied to the movable element 2.
  • the movable element 2 is able to slide along the X axis and to rotate around the X axis.
  • the movable element 2 is preferably made of magnetic material.
  • the housing 4 surrounds the movable element 2 on a longitudinal portion only, the longitudinal ends 2.1, 2.2 of the element being located outside the housing 4.
  • the movable element has a circular section over its entire length, it may have such a section that on only one part, that intended to enter the housing.
  • the housing is delimited directly by means capable of generating a magnetic field 6 and two annular flanges 12.1, 12.2 fixed to each of the longitudinal ends of the magnetic field generating means.
  • the two flasks 12.1, 12.2 are advantageously made of non-magnetic material, avoiding a short circuit of the magnetic flux.
  • the two flanges form end caps.
  • the flange 12.1 particularly visible in Figure 3A, comprises a central passage 14 in which the movable member 2 is mounted able to slide and pivot tightly.
  • the device comprises means for guiding the mobile element both in translation and in rotation so as to maintain the clearance j between the movable element 2 and the substantially constant housing 4.
  • these guide means are formed by two guide rings 16 arranged for one in the flange 12.1 and the other in the flange 12.2, simplifying their implementation.
  • Figure 3 we can see an enlarged view of the flange 12.1 and the play j formed between the housing 4 and the movable member.
  • the ring 16 is mounted in a groove in the surface of the central passage 11.
  • the ring 16 may advantageously be made of a material having good properties of anti ⁇ adhesion, such as Teflon®. It should be noted however that magneto-rheological fluids contain oil of which a small quantity crosses the barrier of the seals described below and lubricates the guide rings.
  • a seal 18 is mounted in a groove of the surface of the central passage 14 adapted to provide a dynamic seal with the surface of the movable member 2.
  • it is an O-ring, for example in nitrile or lip seal.
  • the end flange 12.1 is composed of a first portion 20 formed by an annular plate 20 lined at its inside diameter by a tubular section 21 and a second portion 22 having the central passage 14 and mounted in the first portion 20.
  • the second portion 22 comprises at least a portion 24 of outer diameter substantially equal to the inner diameter of the tubular section 21, this portion 24 being disposed in the tubular section 21 of the first portion 20.
  • the second part 22 also has on its outer surface a radial projection 26 intended to bear on one side on the first part 20.
  • a seal 28 is provided between the annular projection 26 and the first part of the flange 20.1, able to provide a static seal, it is for example a flat seal.
  • a seal 27 is also disposed between the first portion 20 and the body formed by the magnetic field generating means.
  • the second part 22 is composed of two elements, making it possible to better control the force on the O-ring 18 and thus the sealing with the mobile element 2.
  • each flange 12.1, 12.2 in one piece, to simplify the assembly and remove the seals 28.
  • the housing 4 thus defines with the element 2 a tight space 8 to the fluid.
  • the annular space 8 is filled with a magnetorheological fluid, such as, for example, MRF-140CG from Lord Corporation.
  • the means for generating a magnetic field are composed of four electromagnets (FIG. 4) each formed of a coil 30 and a magnetic material element 32 disposed in the coil 30.
  • the elements of magnetic material 32 will be designated thereafter
  • the electromagnets are arranged diametrically opposite two to two with respect to the movable element 2.
  • the axis of each of the coils 30 is oriented radially relative to the movable element 2, so that the field lines of the generated magnetic field are substantially orthogonal to the lateral surface of the movable member 2.
  • This orthogonal orientation of the field increases the shear forces opposing displacements of the movable member.
  • the cores 32 directly delimit the housing of the mobile element 2, the magnetorheological fluid being in contact with the cores. This configuration reduces the reluctance of the magnetic circuit. The feed stream can then be reduced, as well as the diameter of the coil wires, which reduces the bulk.
  • the cores form the body of the device, which reduces the necessary parts, the size of the device and its cost. It is then not necessary to provide an additional housing receiving the cores.
  • the cores are made integral for example by the flanges 12.1, 12.2 and / or not screwing. The assembly is then sealed, for example at the outer surface of the body by means of a putty. This avoids inserting joints between the cores and disturbing the guiding of the field lines.
  • the body has the shape of a rectangular parallelepiped of longitudinal axis X, square section.
  • the body defines the housing 2 of axis X.
  • the body is formed of four identical angular sectors 31 each forming a core.
  • the sectors 31 are obtained by cutting the body at the diagonals of the square section.
  • Each angular sector 31 extends over the entire height of the body.
  • an angular sector 31 in perspective. It comprises a first portion of larger section 31.1 forming the outer wall of the body and a portion of smaller section 31.2 delimiting the housing 4.
  • the part of smaller section 31.2 has a face 33 formed of an angular portion of a radius of curvature of tube D 4/2, the four sides thus form a closed cylindrical surface delimiting the housing 4.
  • Each coil 30 is disposed around the second portion of smaller section 31.2 of a core, capable of generating a magnetic field whose field lines 35 are guided by the cores 32.
  • the coils extend over the entire height of the housing.
  • Figure 3C we can see an alternative embodiment of an angular sector 31 having a plurality of coils 30 disposed next to each other along the movable member. These coils create a homogeneous and high magnetic flux in the magnetorheological fluid contained between the movable element and the surface of the housing.
  • the coils can be electrically connected in series and magnetically in parallel, which has the advantage of allowing to work at lower currents.
  • the path of the field lines 35 is as follows. These flow through the cores 30, the magnetorheological fluid, the mobile element 2, again the fluid magneto-rheological and the two nuclei directly adjacent and close on their nucleus. Part of the field lines 35 of the same coil is guided by the core located above in FIG. 4 and part is guided by the core located below.
  • the magnetic circuits are closed and allow to obtain a very good guidance of the magnetic flux, and to avoid leaks.
  • the nuclei surrounding the movable element are alternately North and South.
  • the polarities shown in the figures are only by way of example, since in the case of coils, the orientation of the polarity depends on the flow direction of the current, and can therefore easily be reversed by reversing the flow direction of the current. .
  • the flow direction of the current is therefore advantageously chosen so that the polarities are alternated around the movable element.
  • each core located on the side of the movable element is represented, but it is understood that each core has two poles of opposite polarity when a current flows in the coil that surrounds it.
  • the magnetic field changes the apparent viscosity of the fluid. Increasing the apparent viscosity results in shear forces between the movable member 2 and the housing surface delimited by the cores, causing a force resistant to displacements of the mobile element, in translation and in rotation.
  • the field lines are advantageously oriented orthogonally to the surface of the mobile element 2, increasing the shearing forces applied to the surface of the mobile element 2.
  • the cores can be formed integrally for example by casting, or be composed of a stack of metal sheets. In this case, the assembly is further simplified.
  • FIG 6 we can see another embodiment of the magnetic field generating means.
  • they comprise six coils 30 and six cores 32 diametrically opposite two by two.
  • the cores are made in one piece.
  • a device comprising more than six electromagnets is not outside the scope of the present invention.
  • This configuration has the advantage of reducing the size and to use a three-phase current.
  • the device also comprises means for controlling the magnetic field generation means, by controlling the current delivered to the coils.
  • the intensity of the magnetic field can be modulated according to a magnitude kinematic and / or dynamic representative of the movement of this element or the outer member connected to the movable member 2, such as the speed of movement or the displacement force.
  • a linear brake and a rotary brake are combined in a single and compact device that can be controlled quickly and linearly. Moreover, this device can have a very important active force / passive force ratio.
  • passive force is meant the external force or the external torque necessary to move the movable element in the absence of a magnetic field, that is to say without activation of the coils by an electric current.
  • This force is due for example to the friction between the movable element and the guide rings and O-rings and the viscous friction in the magnetorheological fluid.
  • the active force is, in turn, generated by the magnetic field.
  • the aim is to obtain the lowest possible passive force so that the device is as transparent as possible in the absence of a magnetic field and the active force is as great as possible in order to be able to oppose a wide range of external forces applied to the moving element.
  • the ratio between passive force and maximum active force of the device is determined in part by the distance between the poles (N and S) and the movable element. By reducing this distance to a few micrometers, it is possible to reach a maximum active force / passive force ratio higher than 500.
  • It has a height of 131 mm and a width and a depth of 73 mm.
  • the diameter of the movable element is 28 mm and that of the housing 30 mm, the distance between the poles of the electromagnets and the surface of the movable element is therefore 1 mm.
  • the number of turns of the coils is 110.
  • the electric power is 40 W.
  • the core 32 has the shape of a rectangular section ring formed by four branches 32.1, 32.4.
  • the coil 30 is wound around a first branch 32.1.
  • the housing 4 is made directly in a second branch 32.3 parallel to the first branch 32.1.
  • the core 32 alone forms a closed magnetic circuit.
  • FIG. 7 shows a variant of a device of FIG. 1, in which the mobile element 2 is hollow, which makes it possible on the one hand to reduce the mass of the device without modifying the surface of the element movable 2 sheared, and secondly to release space for housing other devices such as force sensors, or cables for functional elements disposed at the end of the movable member 2, such as optical signaling or active tactile feedback by vibromotor.
  • FIG. 8A shows another embodiment of a semi-active device, in which the magnetic field generation means also comprise permanent magnets 34, for which the north and south poles are designated by N and S respectively.
  • a permanent magnet 34 is associated with each set coil 30 and core 32 disposed in a coil.
  • the magnetization of the permanent magnets 34 is such that the field lines of the magnetic field that they generate have substantially the same direction as those of the coils in which they are arranged.
  • Permanent magnets 34 generate a permanent magnetic field. Therefore, the apparent viscosity of the magnetorheological fluid is increased, in the absence of current in the coils, thereby causing a braking force on the movable member 2. The device is then normally blocked or at least normally braked. This permanent magnetic field can be decreased, even canceled or, on the contrary, reinforced by the magnetic field generated by the coils.
  • the field lines of the permanent magnets and coils have the same directions.
  • the magnetic fields can either add up, causing an increase in the resulting magnetic field, or be subtracted, causing a decrease or cancellation of the resulting magnetic field.
  • the permanent magnets 34 may be arranged at any location in the magnetic circuits defined by the cores.
  • Figure 8B we can see an alternative embodiment of the device of Figure 8A, wherein the permanent magnets 34 are not located in the coils but between the cores, which can simplify the realization of the device.
  • This embodiment has the advantage of offering a normally blocked device. Furthermore, the resistance force generated by the device can be increased, since the resulting magnetic field is larger than the magnetic field generated solely by the coils when the magnetic field of the permanent magnets and that of the coils are in the same direction. Or, it can be expected to deliver the same resistance force as that of a device of Figure 1, in which case the energy consumption to produce this force is reduced, since part of the magnetic field is generated by permanent magnets.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of a device 40 able both to produce a force resistant to displacement in translation and in rotation of the movable element and to produce a motor force capable of moving in rotation and in translation.
  • This device is called "active device”.
  • the device 40 has three stages. A first stage 42 similar to the device D of FIG. 1 and a second stage 44 and a third stage 46 forming an actuator in translation and in rotation 42.
  • the device 40 comprises a movable element 102 received in a housing 104, the housing being defined by the first stage 42 and the second and third stages 44, 46.
  • the three stages 42, 44, 46 are arranged along the X axis the second and third floors being contiguous.
  • the second and third stages are of similar structure to that of the magnetic field generation means of FIG. 1.
  • Each comprises four coils each having a core delimiting the housing.
  • the supply of the coils is such that, when the actuator is active, the poles of the second stage and the third stage are angularly offset so that a south pole is above a north pole and vice versa, in the representation of Figure 8.
  • the movable element 102 is magnetized at its portion 48 able to slide at the actuator.
  • the portion 48 comprises two axial zones ZI, Z2 contiguous of opposite polarities.
  • the zone ZI at the level of the third stage forms a north pole and the zone at the level of the second stage forms a south pole.
  • this portion of the movable element 2 may be formed of a tubular permanent magnet.
  • the portion of the element 102 at the first stage 42 is not magnetized but is made of magnetic material.
  • first part is filled with magneto-rheological fluid.
  • a seal is disposed between the first and second stages.
  • the device 40 functions like that of FIG. 1, a current flows in the coils, which generates a magnetic field passing through the magnetorheological fluid, causing an increase in the apparent viscosity thereof and therefore the appearance of a resistance to movement both in translation and in rotation.
  • the device when a rotation of the movable member 102 is desired, it feeds the coils of the two stages, there is appearance of a magnetization of the cores.
  • the poles are identical, they repel each other and the element turns, when the poles are opposite they attract each other. But on the other floor, the polarities are shifted by n / 2, so there are always two poles identical facing causing the rotation of 1 'element 2.
  • the direction of the current is chosen according to the desired direction of rotation.
  • the coils of the two stages are fed so that the two stages have opposite polarities. If it is desired that the movable element 2 moves upwards, the polarity of the second stage will be South repelling the zone Z2 of the moving element opposite and the polarity of the third stage will be North attracting the zone Z2.
  • This device is relatively simple to implement since the actuator stages are of identical design to that of the brake stage, only the movable element is modified.
  • FIGS. 10A to 10E various examples of application of the device according to the present invention can be seen.
  • FIG. 10A a practical representation of a semi-active device D suitable for use in different applications can be seen. It can be seen both ends of the movable member 2 protruding from the housing, that disposed in a tubular casing 49 to protect and facilitate its handling.
  • FIG 10B there can be seen a simulator for motor vehicles implementing the brake of Figure 10A.
  • the device D is arranged downstream of a brake pedal 50, the movable member 2 being connected to the brake pedal 50 and exerting a force opposing more or less to its depression.
  • the device D simulates the reaction of the hydraulic braking circuit.
  • the device D could be integrated in a motor vehicle with electric braking to simulate the braking force, the hydraulic circuit being only present in case of failure of the circuit.
  • the device D can also be used for assisted driving.
  • a PADAS (partially autonomous driving assistance system) or partially autonomous assistance system to the driver can, in such a case, give a haptic signal in case of speeding or distance too short compared to the previous vehicle.
  • PADAS partially autonomous driving assistance system
  • partially autonomous assistance system to the driver can, in such a case, give a haptic signal in case of speeding or distance too short compared to the previous vehicle.
  • a weight bench 52 implementing two devices D.
  • the bench comprises a dumbbell bar 54 slidably mounted in a vertical direction along two vertical bars 56, the sliding being braked via the two semi-active devices D, the two vertical bars 56 forming the movable elements 2.
  • the devices simulate the weight of the disks of a dumbbell of known type, generating a force resistant to the lifting of the bar speaks sportsman.
  • the simulated weight can easily be increased by increasing the generated magnetic field.
  • This weight bench 52 is easily manipulated and space-saving compared to those of the state of the art. Moreover it is particularly safe, since the sportsman can not hurt himself by manipulating the weights.
  • the operation of this bench is as follows: the athlete lies on the bench 52, grasps the barbell 54 and moves it up and down by fighting against the resistant force generated by the devices D.
  • the devices also include permanent magnets, allowing the dumbbell bar to be held in a given position along the vertical bars.
  • an active button 58 with four degrees of freedom comprising two devices D and D 'in series.
  • the button 58 is fixed on a movable element 2, the button 58 can therefore pivot on itself and move along the axis X. Furthermore, the device D is fixed on a second element 2 'and is adapted to rotate about a Y axis perpendicular to the X axis and slide along that Y axis.
  • the resistant forces opposing the displacements around and along the X axis are generated by the electromagnets of the device D, and the resistant forces along and around the Y axis are generated by the electromagnets of the device D '.
  • Springs 60 in the example shown, are provided to maintain the assembly in the rest position.
  • the device according to the present invention can generate in a simple manner and in a small footprint, a force resistant to both rotation and translation.

Abstract

Dispositif semi-actif apte à générer un effort résistant aux déplacements d'un élément mobile (2) d'axe longitudinal (X) apte à se déplacer en translation le long de son axe (X) et en rotation autour dudit axe (X) dans un logement (4), ledit logement (4) délimitant avec l'élément mobile (2) un espace annulaire étanche (8), ledit espace annulaire étant rempli de fluide magnéto-rhéologique, le dispositif comportant également des moyens pour générer un champ magnétique dans ledit espace annulaire (8) comportant quatre électroaimants, chacun comportant une bobine (30) et un noyau (32), les noyaux (30) formant directement le logement (4).

Description

DISPOSITIF SEMI-ACTIF EN TRANSLATION ET EN ROTATION
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte à un dispositif semi-actif en translation et en rotation, apte à générer une résistance à des mouvements linéaires et de rotation par modification de la viscosité apparente d'une fluide magnéto-rhéologique commandée par la modulation d'un champ magnétique.
Un dispositif est dit semi-actif lorsqu' il n'est apte qu'à absorber de l'énergie.
Les dispositifs semi-actifs peuvent être mis en œuvre dans des systèmes de simulation tactile ou des systèmes haptiques pour opposer à l'avance d'un organe de commande manuel, une réaction reflétant le déroulement de la commande, ou être utilisé en tant qu'amortisseur dans un véhicule automobile.
De tels dispositifs comportent un élément mobile en contact avec le fluide magnéto-rhéologique, et dont le déplacement est freiné lorsque la viscosité apparente du fluide augmente.
Il existe des dispositifs de freins linéaires dans lequel l'élément est mobile uniquement en translation. Dans ce cas, l'élément présente une section rectangulaire, le guidage et l'étanchéité dynamiques d'un tel élément sont difficiles à réaliser. Par ailleurs, ces dispositifs ne permettent pas de mouvement de rotation. Le document FR 2902538 décrit un instrument de musique comportant un dispositif de simulation mettant en œuvre une lame mobile dans un liquide magnéto-rhéologique . Ce dispositif ne permet pas de générer une résistance à des mouvements de rotation. En outre sa réalisation est complexe en termes de guidage et d ' étanchéité . De plus, la lame présente une faible rigidité et est donc difficilement intégrable dans des systèmes complets.
II existe également des amortisseurs linéaires dont le coefficient d'amortissement peut être contrôlé en fonction des sollicitations, par un système de commande. Ceux-ci ne travaillent qu'en translation et l'amplitude de mouvement est limitée.
II existe également des freins semi-actifs rotatifs, qui présentent l'inconvénient d'être de constructions relativement complexe et d'être encombrants .
EXPOSÉ DE L' INVENTION C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif semi-actif apte à générer un effort résistant à la fois en translation et en rotation de réalisation simple et compacte.
Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif semi-actif comportant un élément mobile à section circulaire d' axe longitudinal apte à se déplacer autour de son axe et le long de son axe et reçu dans un logement de forme correspondante, un fluide magnéto-rhéologique remplissant l'espace entre le logement et l'élément mobile, le logement étant délimité directement par des moyens pour générer un champ magnétique à travers le fluide. Les moyens de génération du champ magnétique sont tels qu' ils génèrent un champ magnétique à travers le fluide magnéto-rhéologique, provoquant l'apparition de forces de cisaillement à la surface de l'élément mobile.
De manière particulièrement avantageuse, les lignes de champ sont orientées radialement de telle sorte qu'elles soient orthogonales à la surface de l'élément mobile, l'effort de freinage est alors augmenté .
Les moyens de génération du champ magnétique peuvent être formés par des paires d' électroaimants diamétralement opposé (e) s deux à deux par rapport à l'élément mobile.
Le dispositif peut également être associé à un actionneur apte à déplacer l'élément mobile.
La présente invention se rapporte à un dispositif semi-actif apte à générer un effort résistant aux déplacements d'un élément mobile, comportant :
- ledit élément mobile d'axe longitudinal muni d' au moins une partie présentant une section circulaire ,
- un corps délimitant un logement d'axe longitudinal recevant ladite partie de l'élément mobile présentant une section circulaire de sorte que l'élément mobile soit apte à se déplacer en translation le long de son axe et en rotation autour dudit axe (X) dans le logement, - des moyens pour générer un champ magnétique dans ledit espace annulaire, lesdits moyens pour générer le champ magnétique comportant au moins un électroaimant, ledit au moins un électroaimant comprenant une bobine et un noyau magnétique, ledit logement étant formé directement dans ledit noyau magnétique ,
- des moyens de commande desdits moyens pour générer le champ magnétique,
- deux flasques d'extrémité délimitant longitudinalement le logement pour fermer de manière étanche l'espace annulaire, chaque flasque étant muni d'un passage dans lequel coulisse et pivote de manière étanche l'élément mobile, les extrémités longitudinales de l'élément mobile étant situées à l'extérieur dudit logement,
- des moyens d'étanchéité disposés dans les passages et assurant une étanchéité par frottement avec l'élément mobile, ledit logement délimitant avec l'élément mobile un espace annulaire étanche,
- un fluide magnéto-rhéologique remplissant ledit espace annulaire et formant une couche annulaire autour de l'élément mobile,
- des bagues de guidage de l'élément mobile dans le logement, lesdites bagues de guidage étant fixées dans le logement et étant en contact avec la partie à section circulaire de l'élément mobile, lesdites bagues définissant l'épaisseur de l'espace annulaire . De manière préférée, les bobines sont orientées de sorte que les champs générées soient orientés radialement par rapport à l'élément mobile.
De manière avantageuse, l'espace annulaire présente une épaisseur sensiblement constante. L'espace annulaire présente par exemple une épaisseur comprise entre 200 ym et 2 mm.
Le dispositif semi-actif comporte par exemple au moins une paire d' électroaimants opposés diamétralement deux à deux par rapport à l'élément mobile, lesdits moyens de commande contrôlant l'alimentation en courant de sorte que les pôles des électroaimants diamétralement opposés, qui sont orientés du côté de l'élément mobile, soient de polarité opposée.
Dans un exemple de réalisation, le dispositif semi-actif comporte au moins deux paires d' électroaimants opposés diamétralement deux à deux par rapport à l'élément mobile. Avantageusement, lesdits moyens de commande contrôlent l'alimentation en courant de sorte que le pôle de chaque électroaimant orienté du côté de l'élément mobile soit entouré par deux pôles des électroaimants adjacents de polarité opposée.
Par exemple, les noyaux en matériau magnétique comportent une face incurvée formant chacune une portion angulaire du logement sur toute sa hauteur.
Avantageusement, le corps du dispositif semi-actif est formé directement par le ou les noyaux magnétiques .
Le dispositif semi-actif peut comporter plusieurs noyaux magnétiques sous la forme de secteurs angulaires solidaires les unes des autres. Les flasques d'extrémité assurent alors avantageusement la solidarisation des noyaux magnétiques et l'étanchéité du corps du dispositif est obtenue au moyen d'un mastic disposé sur une surface extérieure des noyaux.
De manière alternative, les noyaux de tous les électroaimants sont d'un seul tenant.
Dans un autre exemple de réalisation, le dispositif semi-actif peut comporter au moins un aimant permanent disposé dans l'un des circuits magnétiques de chacun des électroaimants.
L'élément mobile peut par exemple être un tube .
La présente invention a également pour objet un dispositif actif comprenant un dispositif semi-actif selon la présente invention et un actionneur traversé par l'élément mobile. L' actionneur peut comporter un étage muni d'au moins deux électroaimants diamétralement opposés par rapport à l'élément mobile et un autre étage muni d'au moins deux électroaimants diamétralement opposés par rapport à l'élément mobile, et la portion de l'élément mobile traversant 1' actionneur comportant deux zones de polarités opposées se succédant axialement.
La présente invention a également pour objet un système de commande destiné à un véhicule automobile, comportant au moins une pédale de commande d'un système dudit véhicule automobile et au moins un dispositif semi-actif selon la présente invention, l'élément mobile étant relié à ladite pédale pour appliquer un effort à l' encontre du déplacement de ladite pédale.
La présente invention a également pour objet un système de commande comportant un organe de commande destiné à être manipulé par un opérateur et par lequel il transmet ces commandes, et un premier et un deuxième dispositif semi-actif selon la présente invention, ledit organe de commande étant fixé à une extrémité de l'élément mobile du premier dispositif semi-actif, ledit élément étant mobile le long et autour d'un premier axe, ledit élément mobile étant solidaire sur l'élément mobile du deuxième dispositif semi-actif, ledit élément étant mobile le long et autour d'un deuxième axe les premier et deuxième axes étant perpendiculaires, l'organe de commande étant alors apte à se déplacer le long et autour des premier et du deuxième axes perpendiculaires entre eux.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre et des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'un dispositif semi-actif selon la présente invention,
- la figure 2 est une vue de détail de la figure 1,
- la figure 3A est une vue d'une pièce isolée du dispositif de la figure 1, - la figure 3B est une vue en perspective d'un élément des moyens de génération de champ magnétique mis en œuvre dans un dispositif semi-actif,
- la figure 3C est une variante de réalisation de l'élément de la figure 3B,
- la figure 4 est une vue en coupe transversale le long du plan A-A du dispositif de la figure 1 au niveau des moyens de génération de champ magnétique ,
- la figure 5 est une représentation schématique des lignes de champ du champ magnétique généré par les moyens de génération de champ magnétique de la figure 4,
- la figure 6 est une vue en coupe transversale d'un autre exemple de moyens de génération de champ magnétique,
- la figure 7 est une vue en coupe transversale d'une variante de réalisation du dispositif,
- la figure 8A est une vue en coupe transversale d'un autre exemple de moyens de génération de champ magnétique,
- la figure 8B est une vue en coupe transversale d'une variante du dispositif de la figure 8A,
- la figure 9 est une vue en coupe longitudinale d'un exemple de réalisation d'un dispositif apte à appliquer un effort résistant à l'élément mobile pour freiner son déplacement et un effort moteur pour provoquer son déplacement, - les figures 10A à 10E sont des exemples d'application du dispositif semi-actif selon 1 ' invention,
- la figure 11 est une vue de dessus d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif semi- actif .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur la figure 1, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif semi-actif D selon la présente invention
Le dispositif est destiné par exemple à former une interface haptique, ou un système de simulation tactile, par exemple dans un système de freinage .
Le dispositif semi-actif D comporte un élément mobile 2, un corps dans lequel est formé un logement 4 recevant l'élément mobile 2, et des moyens de génération d'un champ magnétique 6 au sein du logement 4.
L'élément mobile 2 est destiné à être relié mécaniquement à un élément extérieur par une de ses extrémités longitudinales 2.1, 2.2, par exemple à une poignée dans un système de commande type joystick ou une pédale de frein destinée à être manipulée par un opérateur ou à la fusée d'une roue d'un véhicule automobile dans le cas d'un amortisseur.
L'élément mobile 2 présente une forme allongée d'axe longitudinal X et une section circulaire de diamètre extérieur D2. Le logement 4 présente une section transversale circulaire correspondant à celle de l'élément mobile 4 et de diamètre intérieur D4, D4 étant supérieur à D2.
Sur la figure 2, on peut voir un détail du dispositif de la figure 1. Un jeu j est prévu entre la surface extérieure de l'élément mobile 2 et la surface du logement 4, définissant un espace annulaire 8. Ce jeu est avantageusement de l'ordre de 1mm. Le jeu 1 est avantageusement compris entre 200 ym et 2 mm.
De préférence, le jeu j est identique ou sensiblement identique sur toute la hauteur du logement, permettant d'obtenir une répartition homogène des efforts résistants s' appliquant à l'élément mobile 2. L'élément mobile 2 est apte à coulisser le long de l'axe X et à pivoter autour de l'axe X.
L'élément mobile 2 est préférentiellement fabriqué en matériau magnétique.
Dans l'exemple représenté, le logement 4 entoure l'élément mobile 2 sur une portion longitudinale seulement, les extrémités longitudinales 2.1, 2.2 de l'élément étant situées à l'extérieur du logement 4.
Il n'est pas nécessaire que l'élément mobile présente une section circulaire sur toute sa longueur, il peut ne présenter une telle section que sur une partie seulement, celle destinée à pénétrer dans le logement.
Le logement est délimité directement par les moyens aptes à générer un champ magnétique 6 et par deux flasques 12.1, 12.2 de forme annulaire fixées à chacune des extrémités longitudinales des moyens de génération de champ magnétique. Les deux flasques 12.1, 12.2 sont avantageusement en matériau amagnétique, évitant un court-circuit du flux magnétique. Les deux flasques forment des capots d'extrémités.
Les deux flasques d'extrémité 12.1, 12.2 étant similaires, seul le flasque 12.1 sera décrit en détail .
Le flasque 12.1, particulièrement visible sur la figure 3A, comporte un passage central 14 dans lequel l'élément mobile 2 est monté apte à coulisser et pivoter de manière étanche.
Le dispositif comporte des moyens de guidage de l'élément mobile à la fois en translation et en rotation de sorte à maintenir le jeu j entre l'élément mobile 2 et le logement 4 sensiblement constant. Dans l'exemple représenté, ces moyens de guidage sont formés par deux bagues de guidage 16 disposées pour l'une dans le flasque 12.1 et pour l'autre dans le flasque 12.2, simplifiant leur mise en place. Sur la figure 3, on peut voir une vue agrandie du flasque 12.1 et le jeu j ménagé entre le logement 4 et l'élément mobile.
On pourrait cependant prévoir de disposer une ou plusieurs bagues de guidage au sein du logement en contact avec les électroaimants. Un dispositif avec plus de deux bagues ne sort pas du cadre de la présente invention .
La bague 16 est montée dans une gorge réalisée dans la surface du passage central 11. La bague 16 peut avantageusement être réalisée dans un matériau présentant de bonnes propriétés d' anti¬ adhérence, comme le Téflon®. Il est à noter cependant que les fluides magnéto-rhéologiques contiennent de l'huile dont une petite quantité franchit la barrière des joints d'étanchéité décrits ci-dessous et lubrifie les bagues de guidage.
Un joint d'étanchéité 18 est monté dans une gorge de la surface du passage central 14 apte à assurer une étanchéité dynamique avec la surface de l'élément mobile 2. Par exemple, il s'agit d'un joint torique, par exemple en nitrile ou un joint à lèvre.
Une étanchéité à la fois en rotation et en en translation par frottement au niveau de chaque extrémité longitudinale du logement est réalisée, ce qui simplifie la fabrication du dispositif semi-actif.
Dans l'exemple représenté, le flasque d'extrémité 12.1 est composé d'une première partie 20 formée par une plaque annulaire 20 bordée au niveau de son diamètre intérieur par un tronçon tubulaire 21 et d'une deuxième partie 22 comportant le passage central 14 et monté dans la première partie 20. La deuxième partie 22 comporte au moins une portion 24 de diamètre extérieur sensiblement égal au diamètre intérieur du tronçon tubulaire 21, cette portion 24 étant disposée dans le tronçon tubulaire 21 de la première partie 20. La deuxième partie 22 comporte également sur sa surface extérieure une saillie radiale 26 destinée à venir en appui par une face sur la première partie 20. Un joint 28 est prévu entre la saillie annulaire 26 et la première partie du flasque 20.1, apte à assurer une étanchéité statique, il s'agit par exemple d'un joint plat. Un joint 27 est également disposé entre la première partie 20 et le corps formé par les moyens de génération de champ magnétique.
Dans l'exemple représenté, la deuxième partie 22 est composée de deux éléments, permettant de mieux contrôler l'effort sur le joint torique 18 et ainsi l'étanchéité avec l'élément mobile 2.
On pourrait prévoir de réaliser chaque flasque 12.1, 12.2 d'un seul tenant, permettant de simplifier le montage et de supprimer les joints 28.
Le logement 4 définit donc avec l'élément 2 un espace étanche 8 au fluide.
L'espace annulaire 8 est rempli d'un fluide magnéto-rhéologique, comme par exemple du MRF-140CG de la société Lord Corporation.
Dans l'exemple représenté sur la figure 1, les moyens de génération d'un champ magnétique sont composés de quatre électroaimants (figure 4) formés chacun d'une bobine 30 et d'un élément en matériau magnétique 32 disposé dans la bobine 30. Les éléments en matériau magnétique 32 seront désignés par la suite
« noyaux ».
Les électroaimants sont disposés de manière diamétralement opposée deux à deux par rapport à l'élément mobile 2. Avantageusement, l'axe de chacune des bobines 30 est orienté radialement par rapport à l'élément mobile 2, de sorte que les lignes de champ du champ magnétique généré soient sensiblement orthogonales à la surface latérale de l'élément mobile 2. Cette orientation orthogonale du champ augmente les forces de cisaillement s' opposant aux déplacements de l'élément mobile. Dans l'exemple représenté, les noyaux 32 délimitent directement le logement de l'élément mobile 2, le fluide magnéto-rhéologique étant en contact avec les noyaux. Cette configuration permet de réduire la réluctance du circuit magnétique. Le courant d'alimentation peut alors être réduit, ainsi que le diamètre des fils des bobines, ce qui réduit 1 ' encombrement .
En outre, et de manière avantageuse, les noyaux forment le corps du dispositif, ce qui permet de réduire les pièces nécessaires, l'encombrement du dispositif et son coût. Il n'est alors pas nécessaire de prévoir un boîtier supplémentaire recevant les noyaux. Les noyaux sont rendus solidaires par exemple par les flasques 12.1, 12.2 et/ou pas vissage. L'assemblage est alors rendu étanche, par exemple au niveau de la surface extérieure du corps au moyen d'un mastic. On évite ainsi d'insérer des joints entre les noyaux et de perturber le guidage des lignes de champ.
Dans l'exemple représenté, le corps à la forme d'un parallélépipède rectangle d'axe longitudinal X, à section carrée.
Le corps délimite le logement 2 d'axe X. Dans l'exemple représenté, le corps est formé de quatre secteurs angulaires 31 identiques formant chacun un noyau. Les secteurs 31 sont obtenus en découpant le corps au niveau des diagonales de la section carrée.
Chaque secteur angulaire 31 s'étend sur toute la hauteur du corps. Sur la figure 3B, on peut voir un secteur angulaire 31 en perspective. Celui-ci comporte une première partie de plus grande section 31.1 formant la paroi extérieure du corps et une partie de plus petite section 31.2 délimitant le logement 4.
La partie de plus petite section 31.2 comporte une face 33 formée d'une portion angulaire d'un tube de rayon de courbure D4/2, Les quatre faces forment alors une surface cylindrique fermée délimitant le logement 4.
Chaque bobine 30 est disposée autour de la deuxième partie de plus petite section 31.2 d'un noyau, apte à générer un champ magnétique dont les lignes de champ 35 sont guidées par les noyaux 32.
Dans l'exemple représenté, les bobines s'étendent sur toute la hauteur du logement. Sur la figure 3C, on peut voir une variante de réalisation d'un secteur angulaire 31 comportant plusieurs bobines 30 disposées les unes à côté des autres le long de l'élément mobile. Ces bobines créent un flux magnétique homogène et élevé dans le fluide magnéto-rhéologique contenu entre l'élément mobile et la surface du logement .
Les bobines peuvent être montées électriquement en série et magnétiquement en parallèle, ce qui a pour avantage de permettre de travailler à des courants plus faibles.
Comme cela est visible sur la figure 5, le chemin des lignes de champ 35 est le suivant. Celles-ci circulent à travers les noyaux 30, le fluide magnéto- rhéologique, l'élément mobile 2, à nouveau le fluide magnéto-rhéologique et les deux noyaux directement adjacents et se referment sur leur noyau. Une partie des lignes de champ 35 d'une même bobine est guidée par le noyau situé au dessus sur la figure 4 et une partie est guidée par le noyau situé en dessous.
Grâce à la forme particulière des noyaux, les circuits magnétiques sont fermés et permettent d'obtenir un très bon guidage du flux magnétique, et d'éviter des fuites.
Avantageusement, les noyaux entourant l'élément mobile sont alternativement Nord et Sud.
Les polarités représentées sur les figures le sont uniquement à titre d'exemple, puisque dans le cas de bobines, l'orientation de la polarité dépend du sens de circulation du courant, et peut donc être aisément inversée en inversant le sens de circulation du courant. Le sens de circulation du courant est donc avantageusement choisi de sorte que les polarités soient alternées autour de l'élément mobile.
II est à noter que seul le pôle de chaque noyau situé du côté de l'élément mobile est représenté, mais il est bien entendu que chaque noyau comporte deux pôles de polarité opposée lorsqu'un courant circule dans la bobine qui l'entoure.
La circulation des lignes de champ du pôle nord au pôle sud est symbolisée par les flèches.
Le champ magnétique modifie la viscosité apparente du fluide. L'augmentation de la viscosité apparente engendre des forces de cisaillement entre l'élément mobile 2 et la surface du logement délimitée par les noyaux, provoquant un effort résistant aux déplacements de l'élément mobile, en translation et en rotation .
Comme on peut le voir sur la figure 5, les lignes de champ sont avantageusement orientées orthogonalement à la surface de l'élément mobile 2, augmentant les efforts de cisaillement appliquées à la surface de l'élément mobile 2.
Il est bien entendu que les noyaux peuvent être formés d'un seul tenant par exemple par fonderie, ou être composés d'un empilement de tôles métalliques. Dans ce cas, l'assemblage est encore simplifié.
Sur la figure 6, on peut voir un autre exemple de réalisation des moyens de génération de champ magnétique. Dans cet exemple, ils comportent six bobines 30 et six noyaux 32 diamétralement opposés deux à deux. Dans l'exemple représenté, les noyaux sont réalisés d'un seul tenant. Un dispositif comportant plus de six électroaimants ne sort pas du cadre de la présente invention.
Cette configuration présente l'avantage de réduire l'encombrement et de pouvoir utiliser un courant triphasé.
On pourrait prévoir d'utiliser un nombre impair d' électroaimants . On pourrait également envisager d'avoir deux pôles nord ou deux pôles sud adjacents autour de l'élément mobile.
Le dispositif comporte également des moyens de commande des moyens de génération de champ magnétique, en commandant le courant délivré aux bobines. Suivant les applications, l'intensité du champ magnétique peut être modulée en fonction d'une grandeur cinématique et/ou dynamique représentative du mouvement de cet élément ou de l'organe extérieur relié à l'élément mobile 2, tel que la vitesse de déplacement ou l'effort de déplacement.
Grâce à l'invention, on combine un frein linéaire et un frein rotatif dans un seul et unique dispositif compact et contrôlable rapidement et linéairement. Par ailleurs, ce dispositif peut présenter un rapport force active/force passive très important.
On entend par force passive, la force extérieure ou le couple extérieur nécessaire pour déplacer l'élément mobile en l'absence d'un champ magnétique, c'est-à-dire sans activation des bobines par un courant électrique. Cette force est due par exemple aux frottements entre l'élément mobile et les bagues de guidage et les joints toriques ainsi que le frottement visqueux dans le fluide magnéto-rhéologique . La force active est, quant à elle, générée par le champ magnétique.
On cherche à obtenir la force passive la plus faible possible pour que le dispositif soit le plus transparent possible en l'absence de champ magnétique et la force active la plus grande possible pour pouvoir s'opposer à une large gamme d'efforts extérieurs appliqués sur l'élément mobile.
Le rapport entre force passive et force active maximale du dispositif est déterminé en partie par la distance entre les pôles (N et S) et l'élément mobile. En réduisant cette distance à quelques micromètres, il est en possible d'atteindre un rapport force active maximale/force passive supérieur à 500.
A titre d'exemple uniquement, nous allons donner les caractéristiques d'un dispositif semi-actif tel que représenté sur la figure 1.
Il présente une hauteur de 131 mm et une largeur et une profondeur de 73 mm.
Le diamètre de l'élément mobile est 28 mm et celui du logement 30 mm, la distance entre les pôles des électroaimants et la surface de l'élément mobile est donc de 1 mm.
Le nombre de spires des bobines est 110.
Sa masse est de 5kg.
La puissance électrique est de 40 W.
II offre une force passive de 25 N, et une force active maximale de 540 N, et son temps de réponse est de 60 ms .
Sur la figure 11, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif semi-actif vue de dessus, lequel comportant un seul électroaimant.
Dans cet exemple de réalisation, le noyau 32 a la forme d'un anneau à section rectangulaire formé par quatre branches 32.1, à 32.4. La bobine 30 est enroulée autour d'une première branche 32.1. Le logement 4 est réalisé directement dans une deuxième branche 32.3 parallèle à la première branche 32.1. Le noyau 32 forme à lui seul un circuit magnétique fermé.
Cet exemple de réalisation est particulièrement intéressant pour les systèmes miniaturisés. Sur la figure 7, on peut voir une variante d'un dispositif de la figure 1, dans laquelle l'élément mobile 2 est creux, ce qui permet d'une part de réduire la masse du dispositif sans modifier la surface de l'élément mobile 2 soumise aux cisaillement, et d'autre part de libérer un espace pour loger d'autres dispositifs comme par exemple des capteurs de force, ou des câbles pour des éléments fonctionnels disposés à l'extrémité de l'élément mobile 2, tel que la signalisation optique ou un retour tactile actif par vibromoteur .
Sur la figure 8A, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un dispositif semi-actif, dans lequel les moyens de génération de champ magnétique comportent par ailleurs des aimants permanents 34, pour lesquels les pôles nord et sud sont désignés par N et S respectivement .
Dans l'exemple représenté, un aimant permanent 34 est associé à chaque ensemble bobine 30 et noyau 32 disposé dans une bobine. L'aimantation des aimants permanents 34 est telle que les lignes de champ du champ magnétique qu' ils génèrent ont sensiblement la même direction que celles des bobines dans laquelle ils sont disposés.
Les aimants permanents 34 génèrent un champ magnétique permanent. Par conséquent, la viscosité apparente du fluide magnéto-rhéologique est augmentée, en l'absence de courant dans les bobines, provoquant alors un effort de freinage sur l'élément mobile 2. Le dispositif est alors normalement bloqué ou pour le moins normalement freiné. Ce champ magnétique permanent peut être diminué, voire annulé ou, au contraire renforcé par le champ magnétique généré par les bobines.
En effet, les lignes de champ des aimants permanents et des bobines ont les mêmes directions. En fonction du sens de circulation du courant dans les bobines, les champs magnétiques peuvent soit s'additionner, provoquant une augmentation du champ magnétique résultant, soit se soustraire, provoquant une diminution, voire une annulation du champ magnétique résultant.
Les aimants permanents 34 peuvent être disposés à n' importe quel emplacement dans les circuits magnétiques définis par les noyaux. Par exemple, sur la figure 8B, on peut voir une variante de réalisation du dispositif de la figure 8A, dans laquelle les aimants permanents 34 ne sont pas situés dans les bobines mais entre les noyaux, ce qui peut simplifier la réalisation du dispositif.
Cet exemple de réalisation présente l'avantage d'offrir un dispositif normalement bloqué. Par ailleurs, la force de résistance générée par le dispositif peut être augmentée, puisque le champ magnétique résultant est plus grand que le champ magnétique généré uniquement par les bobines lorsque le champ magnétique des aimants permanents et celui des bobines sont dans le même sens. Ou alors, on peut prévoir de délivrer la même force de résistance que celle d'un dispositif de la figure 1, dans ce cas la consommation d'énergie pour produire cette force est réduite, puisqu'une partie du champ magnétique est générée par les aimants permanents.
Sur la figure 9, on peut voir un exemple de réalisation d'un dispositif 40 apte à la fois à produire un effort résistant aux déplacements en translation et en rotation de l'élément mobile et de produire un effort moteur apte à déplacer en rotation et en translation. Ce dispositif est appelé « dispositif actif ».
Le dispositif 40 comporte trois étages. Un premier étage 42 similaire au dispositif D de la figure 1 et un deuxième 44 et un troisième étage 46 formant un actionneur en translation et en rotation 42.
Le dispositif 40 comporte un élément mobile 102 reçu dans un logement 104, le logement étant défini par le premier étage 42 et les deuxième et troisième étages 44, 46. Les trois étages 42, 44, 46 sont disposés le long de l'axe X, les deuxième et troisième étages étant contigus.
Les deuxième et troisième étages sont de structure similaire à celle des moyens de génération de champ magnétique de la figure 1. Chacun comporte quatre bobines avec chacune un noyau délimitant le logement.
L'alimentation des bobines est telle que, lorsque l' actionneur est actif, les pôles du deuxième étage et du troisième étage sont décalés angulairement de telle sorte qu'un pôle sud se trouve au dessus d'un pôle nord et inversement, dans la représentation de la figure 8.
Par ailleurs, l'élément mobile 102 est magnétisé au niveau de sa portion 48 apte à coulisser au niveau de l' actionneur . La portion 48 comporte deux zones axiales ZI, Z2 contigues de polarités opposées.
Dans l'exemple représenté, la zone ZI au niveau du troisième étage forme un pôle nord et la zone au niveau du deuxième étage forme un pôle sud. Par exemple, cette portion de l'élément mobile 2 peut être formée d'un aimant permanent de forme tubulaire.
La portion de l'élément 102 au niveau du premier étage 42 n'est pas magnétisée mais est en matériau magnétique.
Seule la première partie est remplie de fluide magnéto-rhéologique . Par exemple, un joint d'étanchéité est disposé entre le premier et le deuxième étage.
Nous allons maintenant expliquer le fonctionnement de ce dispositif.
Le dispositif 40 fonctionne comme celui de la figure 1, un courant circule dans les bobines, ce qui génère un champ magnétique traversant le fluide magnéto-rhéologique, provoquant une augmentation de la viscosité apparente de celui-ci et donc l'apparition d'une résistance aux déplacements à la fois en translation et en rotation.
Dans le cas où le dispositif fonctionne en actionneur, lorsqu'une rotation de l'élément mobile 102 est souhaitée, on alimente les bobines des deux étages, il y a apparition d'une magnétisation des noyaux. Lorsque les pôles sont identiques, ils se repoussent et l'élément tourne, lorsque les pôles sont opposés ils s'attirent. Mais à l'autre étage, les polarités sont décalées de n/2, il y a donc toujours deux pôles identiques en regard provoquant la rotation de 1 ' élément 2.
Le sens du courant est choisi en fonction du sens de rotation souhaité.
Pour le déplacement en translation, on alimente les bobines des deux étages pour que les deux étages aient des polarités opposées. Si on souhaite que l'élément mobile 2 se déplace vers le haut, la polarité du deuxième étage sera Sud repoussant la zone Z2 de l'élément mobile en regard et la polarité du troisième étage sera Nord attirant la zone Z2.
Si l'on veut déplacer l'élément mobile vers le bas, le sens du courant dans les deux étages est inversé .
Ce dispositif est relativement simple à réaliser puisque les étages formant actionneur sont de conception identique à celle de l'étage formant frein, seul l'élément mobile est modifié.
Sur les figures 10A à 10E, on peut voir différents exemples d'application du dispositif selon la présente invention.
Sur la figure 10A, on peut voir une représentation pratique d'un dispositif semi-actif D apte à être utilisé dans différentes applications. On peut voir les deux extrémités de l'élément mobile 2 dépassant du logement, celui disposé dans un carter 49 tubulaire pour le protéger et faciliter sa manipulation .
Sur la figure 10B, on peut voir un simulateur pour véhicules automobiles mettant en œuvre le frein de la figure 10A. Le dispositif D est disposé en aval d'une pédale de frein 50, l'élément mobile 2 étant lié à la pédale de frein 50 et exerçant un effort s' opposant plus ou moins à son enfoncement. Le dispositif D simule la réaction du circuit de freinage hydraulique. Le dispositif D pourrait être intégré dans un véhicule automobile à freinage électrique pour simuler l'effort de freinage, le circuit hydraulique étant uniquement présent en cas de défaillance du circuit. Le dispositif D peut également servir pour la conduite assistée. Un PADAS (« partially autonomous driving assistance System ») ou système d'assistance partiellement autonome au conducteur peut, dans un tel cas, donner un signal haptique en cas d'excès de vitesse ou de distance trop courte par rapport au véhicule précédent.
Sur la figure 10C, on peut voir un banc de musculation 52 mettant en œuvre deux dispositifs D. Le banc comporte une barre d'haltère 54 montée coulissante selon une direction verticale le long de deux barres verticales 56, le coulissement étant freiné via les deux dispositifs semi-actifs D, les deux barres verticales 56 formant les éléments mobiles 2. Les dispositifs simulent le poids des disques d'un haltère de type connu, en générant un force résistante à la levée de la barre parle sportif. Le poids simulé peut être aisément augmenté en augmentant le champ magnétique généré. Ce banc de musculation 52 est facilement manipulable et peu encombrant par rapport à ceux de l'état de la technique. De plus il est particulièrement sûr, puisque le sportif ne peut pas se blesser en manipulant les poids. Le fonctionnement de ce banc est le suivant : le sportif s'allonge sur le banc 52, saisit la barre d'haltère 54 et déplace celle-ci de haut en bas en luttant contre l'effort résistant engendré par les dispositifs D.
Avantageusement, les dispositifs comportent également des aimants permanents, permettant un maintien de la barre d'haltère dans une position donnée le long des barres verticales.
Sur la figure 10D, on peut voir un bouton actif 58 à quatre degrés de liberté, comportant deux dispositifs D et D' en série.
Le bouton 58 est fixé sur un élément mobile 2, le bouton 58 peut donc pivoter sur lui-même et se déplacer le long de l'axe X. Par ailleurs, le dispositif D est fixé sur un deuxième élément 2' et est apte à pivoter autour d'un axe Y perpendiculaire à l'axe X et à coulisser le long de cet axe Y.
Les efforts résistants s' opposant aux déplacements autour et le long de l'axe X sont générés par les électroaimants du dispositif D, et les efforts résistants le long et autour de l'axe Y sont générés par les électroaimants du dispositif D' . Des ressorts 60, dans l'exemple représenté, sont prévus pour maintenir l'ensemble en position repos.
Sur la figure 10E, on peut voir un amortisseur destiné à être utilisé dans un véhicule automobile, l'élément mobile est fixé par une extrémité 2.2 à la fusée de la roue et l'autre extrémité 2.1 à la caisse du véhicule. Dans ce cas, le contrôle de l'intensité du champ magnétique peut être déterminé en simulant la compression d'un ressort.
Le dispositif selon la présente invention permet de générer de manière simple et dans un encombrement réduit, un effort résistant à la fois en rotation et en translation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif semi-actif apte à générer un effort résistant aux déplacements d'un élément mobile, comportant :
- ledit élément mobile (2, 102) d'axe longitudinal (X) muni d' au moins une partie présentant une section circulaire,
- un corps délimitant un logement (4) d'axe longitudinal (X) recevant ladite partie de l'élément mobile (2) présentant une section circulaire de sorte que l'élément mobile (2) soit apte à se déplacer en translation le long de son axe (X) et en rotation autour dudit axe (X) dans le logement (4),
- des moyens pour générer un champ magnétique dans ledit espace annulaire, lesdits moyens pour générer le champ magnétique comportant au moins un électroaimant, ledit au moins un électroaimant comprenant une bobine (30) et un noyau magnétique (32), ledit logement (4) étant formé directement dans ledit noyau magnétique (32),
- des moyens de commande desdits moyens pour générer le champ magnétique,
- deux flasques d'extrémité (12.1, 12.2) délimitant longitudinalement le logement pour fermer de manière étanche l'espace annulaire (8), chaque flasque (12.1, 12.2) étant muni d'un passage dans lequel coulisse et pivote de manière étanche l'élément mobile (2), les extrémités longitudinales (2.1, 2.2) de l'élément mobile (2) étant situées à l'extérieur dudit logement ( 4 ) , - des moyens d'étanchéité disposés dans les passages et assurant une étanchéité par frottement avec l'élément mobile, ledit logement délimitant avec l'élément mobile (2) un espace annulaire étanche,
- un fluide magnéto-rhéologique remplissant ledit espace annulaire et formant une couche annulaire autour de l'élément mobile (2),
- des bagues de guidage (16) de l'élément mobile (2) dans le logement (4), lesdites bagues de guidage (16) étant fixées dans le logement et étant en contact avec la partie à section circulaire de l'élément mobile (2), lesdites bagues définissant l'épaisseur de l'espace annulaire (8).
2. Dispositif semi-actif selon la revendication 1, dans lequel ladite bobine (30) est orientée de sorte que le champ généré soit orienté radialement par rapport à l'élément mobile (2) .
3. Dispositif semi-actif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'espace annulaire (8) présente une épaisseur sensiblement constante.
4. Dispositif semi-actif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'espace annulaire présente une épaisseur comprise entre 200 ym et 2 mm.
5. Dispositif semi-actif selon l'une des revendications 1 à 4, comportant au moins une paire d' électroaimants opposés diamétralement deux à deux par rapport à l'élément mobile (2), lesdits moyens de commande contrôlant l'alimentation en courant de sorte que les pôles des électroaimants diamétralement opposés, qui sont orientés du côté de l'élément mobile (2), soient de polarité opposée.
6. Dispositif semi-actif selon la revendication 5, comportant au moins deux paires d' électroaimants opposés diamétralement deux à deux par rapport à l'élément mobile (2) .
7. Dispositif semi-actif selon la revendication 6, dans lequel lesdits moyens de commande contrôlent l'alimentation en courant de sorte que le pôle de chaque électroaimant orienté du côté de l'élément mobile soit entouré par deux pôles des électroaimants adjacents de polarité opposée.
8. Dispositif semi-actif selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel les noyaux magnétiques (32) comportent une face incurvée formant chacune une portion angulaire du logement (4) sur toute sa hauteur.
9. Dispositif semi-actif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le corps du dispositif semi-actif est formé directement par le ou les noyaux magnétiques.
10. Dispositif semi-actif selon la revendication 9, comportant plusieurs noyaux magnétiques sous la forme de secteurs angulaires solidaires les unes des autres.
11. Dispositif semi-actif selon la revendication 10, dans lequel les flasques d'extrémité assurent la solidarisation des noyaux magnétiques et l'étanchéité du corps du dispositif est obtenue au moyen d'un mastic disposé sur une surface extérieure des noyaux.
12. Dispositif semi-actif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les noyaux (32) de tous les électroaimants sont d'un seul tenant.
13. Dispositif semi-actif selon l'une des revendications 1 à 12, comportant au moins un aimant permanent (34) disposé dans un des circuits magnétiques de chacun des électroaimants.
14. Dispositif semi-actif selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel l'élément mobile (2) est un tube.
15. Dispositif actif comprenant un dispositif semi-actif selon l'une des revendications 1 à 14 et un actionneur traversé par l'élément mobile.
16. Dispositif actif selon la revendication 15, dans lequel l' actionneur comporte un étage (44) muni d'au moins deux électroaimants diamétralement opposés par rapport à l'élément mobile (102) et un autre étage (46) muni d'au moins deux électroaimants diamétralement opposés par rapport à l'élément mobile (102), et la portion de l'élément mobile (102) traversant l'actionneur comportant deux zones (ZI, Z2) de polarités opposées se succédant axialement.
17. Système de commande destiné à un véhicule automobile, comportant au moins une pédale (50) de commande d'un système dudit véhicule automobile et au moins un dispositif semi-actif (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, l'élément mobile étant relié à ladite pédale pour appliquer un effort à 1' encontre du déplacement de ladite pédale.
18. Système de commande comportant un organe de commande (58) destiné à être manipulé par un opérateur et par lequel il transmet ces commandes, et un premier (D) et un deuxième (D' ) dispositif semi- actif selon l'une des revendications 1 à 14, ledit organe de commande (58) étant fixé à une extrémité de l'élément mobile (2) du premier dispositif semi-actif (D) , ledit élément (2) étant mobile le long et autour d'un premier axe (X), ledit élément mobile (2) étant solidaire de l'élément mobile (2') du deuxième dispositif semi-actif (D' ) , ledit élément (2' ) étant mobile le long et autour d'un deuxième axe (Y), les premier (X) et deuxième (Y) axes étant perpendiculaires, l'organe de commande (58) étant alors apte à se déplacer le long et autour des premier (X) et du deuxième (Y) axes perpendiculaires entre eux.
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