FR3072518A1 - Dispositif mecatronique pour l'actionnement d'un dispositif de freinage, frein a disque et procede de freinage associes - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte à un moteur électrique (M) sans balai comprenant un rotor (630) solidaire d'un inducteur (631) monté en rotation entre un stator intérieur (610) et un stator extérieur (620), l'inducteur portant un premier ensemble d'aimants permanents (632) du cÎté du premier stator et un second ensemble d'aimants permanents (633) du cÎté du second stator, de sorte que le rotor (630) anime en rotation des aimants permanents (632, 633) entre deux stators concentriques (610, 620). L'invention se rapporte aussi à un dispositif mécatronique pour l'actionnement d'au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement d'un dispositif de freinage de véhicule, qui intÚgre un tel moteur électrique (M) sans balai, et se rapporte aussi à un frein à disque de véhicule et à un procédé de freinage intégrant un tel dispositif mécatronique.
Description
Etat de la technique
Le domaine de l’invention concerne les actionneurs dotés d'une motorisation électrique, et plus particulièrement les groupes motoréducteurs pour des usages embarqués dans des dispositifs de freinage de véhicules routiers, plus particulièrement des véhicules automobiles légers et utilitaires, et notamment à quatre roues.
Dans un tel véhicule, la fonction de frein de service consiste principalement à ralentir le véhicule et obtenir son arrêt. Dans la plupart des automobiles actuelles, le frein de service est assuré par des freins à tambour ou des freins à disque, ou à disques à l’avant du véhicule et à tambours à l’arrière à véhicule.
La fonction de frein de stationnement consiste à maintenir un véhicule immobilisé de façon continue pendant de longues durées. La fonction de frein de secours consiste à ralentir un véhicule en mouvement de façon exceptionnelle, par exemple en cas de défaillance du circuit de commande du frein de service. Très souvent, ce fonctionnement est réalisé par le même mécanisme que le frein de stationnement, et le plus souvent uniquement sur les freins arrière.
- 2 De manière classique, les freins sont en général actionnés par une pression hydraulique pour les freins de service, et pour les freins de stationnement par traction d'un câble en général à l'aide d'un levier à cliquet.
Depuis une dizaine d'années, il est devenu courant de prévoir un système motorisé voire automatisé de gestion du frein de stationnement, en commandant un actionneur électrique. L'actionneur électrique est souvent situé à l'extérieur du frein lui-même, et fonctionne par exemple en exerçant une traction sur un câble en lieu et place de la commande manuelle. Une telle gestion extérieure présente différents inconvénients, par exemple complexité et coût de fabrication et de maintenance.
Dans le même temps, il est recherché aussi de réaliser des freins à fonctionnement purement électrique, c'est à dire y compris la fonction de frein de service.
Afin de gagner en compacité et de réduire le nombre de pièces, l'intégration complète des mécanismes d'actionnement, et plus particulièrement des groupes motoréducteurs, dans le mécanisme de base du frein, c’est à dire la partie qui est directement située sur ou autour de la roue, est aujourd'hui un axe de développement très prometteur.
Qu’il s'agisse de freins à disque ou de freins à tambour, la cinématique de ces mécanismes utilise un déplacement assez faible mais nécessite un effort de serrage assez important. Pour cette raison, les motorisations électriques sont souvent choisies à vitesse de rotation élevée, ce qui permet de limiter leur taille et leur poids pour une puissance donnée, mais oblige à prévoir une très grande démultiplication.
Pour les freins à tambour, par exemple, le document FR. 13 63706 propose ainsi un actionneur électrique séparé du cylindre hydraulique. Cet actionneur électrique applique un effort linéaire par un mécanisme vis-écrou entraîné par une transmission de trois pignons extérieurs, elle-même entraînée par un motoréducteur à deux trains épicycloïdaux en série.
Concernant la partie motorisation, deux grandes familles d'actionneurs peuvent être identifiées :
Les actionneurs non intelligents comprennent généralement un moteur à courant continu à balai avec un capteur de position qui peut se résumer à
- 3 une piste résistive associée à un curseur. La partie intelligente en charge de l'asservissement de position, se trouve dans une électronique déportée appelée ECU (Electronic Control Unit).
Ainsi, dans les solutions utilisant des actionneurs non intelligents, un ECU lit le signal de position fourni par un capteur de position accouplé à la sortie mécanique de l'actionneur, puis calcule un signal d'effort et de direction appliqué à un moteur à courant continu à balai. La sortie mécanique est accouplée à un organe extérieur à mouvoir. L'action sur le moteur est transmise à la sortie mécanique de l'actionneur par l'intermédiaire d'un étage mécanique réducteur de vitesse sans glissement ou chaîne cinématique rigide. Ainsi cette boucle fermée permet d'asservir en position la sortie mécanique de l'actionneur. Les connexions entre l'ECU et l'actionneur sont peu nombreuses : deux fils pour le moteur à courant continu à balai, dont le signal différentiel (qui correspond en fait à la puissance) entre ces deux fils peut être un signal positif ou négatif, et trois fils pour le capteur de position, dont une masse et un signal positif pour l'alimentation et un pour le signal de position. Le capteur de position peut être aussi un capteur à deux fils qui mesurent la variation de la résistance dans une cellule à effet Hall et qui utilise un aimant qui tourne avec le moteur. Le moteur à courant continu répond aux signaux d'effort et direction fournis par l'ECU au travers d'un pont de puissance constitué de transistors.
Les actionneurs dits « smart » ou actionneurs intelligents, qui comprennent un microcontrôleur en charge de la fonction d'asservissement de position. Généralement ce type d'actionneur est piloté soit par un signal à modulation de largeur d'impulsion, ou un bus de communication LIN ou CAN ou Flex Ray reconnus comme des standards dans le domaine automobile.
Ainsi, dans les solutions de type intelligentes, le principe est de piloter, uni-directionnellement, un moteur à courant continu sans balai triphasé à l'aide de deux fils, dont un fil de référence (la masse ou 0V) et un fil de signal d'effort. Une alimentation externe délivre le signal d'effort qui peut être continu ou haché. L’électronique de commutation est autoalimentée par une alimentation rechargeable prenant son énergie sur le signal d'effort.
Pour les applications automobiles proches du moteur thermique telles que par exemple les vannes « wastegate » d’un système turbo, les solutions
- 4 utilisant des actionneurs non intelligents sont de loin préférées aux solutions de type « Smart » pour des raisons de compatibilité à forte température des composants électroniques, notamment le microcontrôleur.
Toutefois, le moteur à courant continu sans balai est aujourd'hui répandu et préféré parce qu'il offre par rapport au moteur à courant continu à balai l'énorme avantage d'une durée de vie très supérieure, d'une compacité bien meilleure et d'un risque très faible de perturbation électromagnétique.
Les moteurs sans balai sont souvent utilisés dans la structure de moteur à courant continu sans balai monophasé avec une bobine ou deux demi-bobines. Une électronique simple pouvant être intégrée à proximité du moteur, voire dans le boîtier constituant le moteur, gère l’auto-commutation du dit moteur à partir du signal fourni par une ou deux sondes à effet Hall.
Ces moteurs à courant continu sans balai monophasé sont principalement employés pour des ventilateurs ou pompes ne nécessitant qu’un seul sens de rotation. En effet, le moteur monophasé à courant continu sans balai et son électronique de pilotage n’est pas adapté pour les applications de positionnement requérant sans cesse une correction de position sollicitant une rotation bidirectionnelle du moteur.
C'est pourquoi, dans les applications sollicitant une rotation bidirectionnelle, il est nécessaire d'employer des moteurs à courant continu sans balai polyphasés. Ce sont généralement des moteurs à trois phases connectées soit en étoile ou soit en triangle laissant ainsi trois points de connexion pour l’alimentation du moteur. L’auto-commutation d’un moteur à courant continu sans balai pour une application de positionnement, nécessite l’utilisation de trois sondes permettant de connaître la position du rotor moteur. On peut utiliser aussi un capteur de rotation avec une cellule à effet Hall multi boucles et un aimant pour avoir le sens et la vitesse avec une grande précision. Concevoir un actionneur non intelligent avec un moteur à courant continu sans balai, en lieu et place du moteur à courant continu avec balai nécessite l’utilisation d’un ECU adapté et conçu pour le pilotage de moteur triphasé à savoir un pont triphasé avec six transistors et cinq points de connexion avec les sondes rotor. Les systèmes d’asservissement en position requièrent un contrôle bidirectionnel de la rotation du moteur.
- 5 En outre, et notamment en situation d'urgence, il est parfois nécessaire d’être en mesure d'actionner rapidement le dispositif de freinage. Le délai maximal autorisé, pour satisfaire les exigences de sécurité, entre la demande de freinage d’urgence et le moment où le dispositif de freinage est en mesure de délivrer l'effort utile, est typiquement de quelques dizaines de millisecondes.
On estime que l'effort développé pour un freinage d’urgence doit, pendant ce court laps de temps, être de l’ordre de 5 à 10 fois plus élevé que l'effort nécessaire pour un freinage normal.
De manière similaire, lorsqu'une forte accélération du véhicule est requise, il devient nécessaire d'annuler très rapidement l'effort de freinage.
Enfin, compte tenu des exigences de fiabilité, il est nécessaire de prévoir une électronique fiable au niveau du dispositif motoréducteur.
Un but de l’invention est de pallier les inconvénients de l’état de la technique, et en particulier de fournir un dispositif motoréducteur à la fois fiable et performant, pour tous types de frein, en particulier électriques, et en particulier pour les freins à disque.
Cet objectif est recherché conjointement avec des avantages en matière de grande réduction, un faible poids et encombrement, simplicité, coût de fabrication et d’entretien.
Exposé de l'invention
L’objet de l’invention est de proposer un groupe motoréducteur mû par un moteur à courant continu sans balai tout en conservant les avantages des systèmes basés sur un moteur à courant continu à balais et tout en augmentant la réactivité du dispositif de freinage.
La présente invention concerne un système de commande alimenté par une source d’énergie pilotant un dispositif motoréducteur à mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation. Un capteur mesure la position linéaire à la sortie mécanique de l'actionneur, position qui sera asservie par le système de commande.
- 6 L'actionneur est mû par un moteur à courant continu sans balai tout en conservant des éléments similaires à ceux d'un moteur à courant continu à balais. L'actionneur est relié au système de commande par l'intermédiaire d'un connecteur ou d'une connexion regroupant les signaux analogiques et/ou numériques provenant du capteur de position, ainsi que les signaux (c'est-à-dire les alimentations) combinant la direction et le couple à produire par le moteur sans balai.
La présente invention apporte une solution économique à la substitution d’un moteur à courant continu avec balai par un moteur à courant continu sans balai, en répondant aux critères suivants :
de conserver une commande déportée existante (ECU), sans aucune modification que ce soit matérielle ou logicielle, de garantir une durée de vie importante pour le groupe motoréducteur, un pilotage bidirectionnel du moteur, de limiter les composants électroniques (simple et robuste) embarqués dans le groupe motoréducteur, de garantir une bonne compatibilité électromagnétique et une résistance aux températures ambiantes, de limiter le nombre de composants permettant ainsi une intégration à forte compacité, gain sur le poids du groupe motoréducteur, de garantir une grande réactivité et une grande fiabilité, d'utiliser à minima l'énergie en fonction du besoin
Plus précisément, l'invention a pour objet un moteur électrique sans balai comprenant un rotor solidaire d'un inducteur monté en rotation entre un stator intérieur et un stator extérieur, l'inducteur portant un premier ensemble d'aimants permanents du côté du premier stator et un second ensemble d'aimants permanents du côté du second stator, de sorte que le rotor anime en rotation les aimants permanents entre les deux stators concentriques.
Selon certaines caractéristiques, le moteur électrique sans balai peut être un moteur polyphasé à N phases, dont les stators concentriques sont constitués de N bobines unipolaires ou bipolaires ou 2xN demi-bobines unipolaires.
Les moteurs polyphasés à N phases constituent un mode préféré dans la mesure où ils sont réversibles et pilotables dans les deux sens de rotation.
Dans ce cas, un circuit électronique rudimentaire résistant à de forte température (>125°C), gère l'auto- commutation des N phases du moteur à l'aide de N sondes renseignant la position du rotor du moteur. L'objectif de la solution décrite ci-après est de proposer un compromis technologique permettant de répondre aux problématiques citées précédemment proposant une solution économique ne nécessitant qu'un microcontrôleur pour le pilotage des phases en utilisant le signal des sondes, et permettant l'emploi d'un moteur à courant continu sans balai en lieu et place d'un moteur à courant continu avec balai, tout en gardant la possibilité d'utiliser un moteur polyphasé réversible et de le piloter dans les deux sens de rotation. L'invention se destine donc à tout moteur polyphasé à N phases.
L'invention se rapporte aussi à un dispositif mécatronique pour l'actionnement d'au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement d'un dispositif de freinage de véhicule, le dispositif comprenant une unité de commande, un mécanisme à entraînement électrique transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation, doté d'un train épicycloïdal, caractérisé en ce que le train épicycloïdal est entraîné en rotation (C5) suivant un axe de rotation (Al) par un moteur électrique sans balai conforme à l'invention.
Selon certaines caractéristiques, l'unité de commande peut comprendre un pont de puissance délivrant un signal électrique bifilaire, un algorithme pilotant ledit pont, des sondes de détection binaires de la position du rotor du moteur, des interrupteurs de puissance aptes à alimenter les phases du moteur à partir du signal électrique bifilaire.
Selon d'autres caractéristiques, le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation comprend un mécanisme vis-écrou permettant au moins une poussée axiale d'arrière en avant de la garniture de frottement selon un déplacement linéaire et suivant l'axe de rotation lorsqu'il est entraîné en rotation suivant l'axe de rotation par le train épicycloïdal formant au moins un étage de réduction.
- 8 Selon d'autres caractéristiques encore, le train épicycloïdal peut inclure un groupe de satellites en rotation selon l'axe autour d’un pignon planétaire et à l’intérieur d’une couronne circulaire coaxiale audit train planétaire, où lesdits satellites sont portés par un porte-satellites et engrènent à la fois avec une denture extérieure dudit pignon planétaire et avec une denture intérieure, formée dans ladite couronne circulaire selon un premier motif présentant une première orientation déterminée, ledit train épicycloïdal entraînant un élément fileté mâle qui lui est coaxial, lequel coopère avec un filetage femelle formé dans la surface intérieure de ladite couronne selon un deuxième motif présentant une deuxième orientation différente de la première orientation, ladite couronne formant ainsi une couronne filetée qui coopère avec ledit élément fileté mâle pour former ledit mécanisme vis-écrou, ladite couronne présentant ainsi des reliefs de filetage femelle entrecroisés avec des reliefs de denture intérieure pour former une denture croisée qui est apte à fonctionner aussi bien en denture de couronne de train épicycloïdal qu’en filetage d'écrou.
Selon d'autres caractéristiques encore, la couronne filetée peut être solidaire de ou bien former un piston de frein qui est maintenu fixe en rotation et est agencé pour que son déplacement exerce un effort de serrage par déplacement linéaire de la garniture de frottement vers la piste de frottement.
Selon d'autres caractéristiques encore, le mécanisme vis-écrou peut être un mécanisme autobloquant en ce sens que lorsque le moteur entraîne suivant une poussée axiale d'arrière en avant l'écrou, ce dernier reste dans sa position après l'arrêt du moteur.
Alternativement, le mécanisme vis-écrou peut être un mécanisme selon lequel l'écrou revient à sa position initiale après l'arrêt du moteur.
L'invention a également pour objet un frein à disque comportant un étrier doté de deux branches en vis-à-vis qui chevauchent la périphérie d’un disque de frein, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif mécatronique selon l'invention.
Selon certaines caractéristiques, l'arbre d’actionneur coaxial au piston, peut être prévu pour traverser l’une desdites branches d’étrier et pour porter
- 9 un flasque d'appui agencé pour prendre un appui axial sur ladite branche depuis l'intérieur de l'étrier.
Dans ce cas, la partie d'extrémité dudit arbre, située du côté intérieur de l'étrier, porte l'étage de réduction épicycloïdal et le piston de frein.
De même, la partie d'entrée dudit arbre, située du côté extérieur de l'étrier, est prévue pour recevoir le moteur électrique sans balai.
L'invention a également pour objet un véhicule ou sous-ensemble de véhicule comprenant au moins un frein à disque ou un dispositif mécatronique selon l'invention.
L'invention a également pour objet un procédé de freinage d'un véhicule comprenant un dispositif de freinage doté d'un dispositif mécatronique pour l'actionnement d'au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement, le dispositif mécatronique comprenant une unité de commande, un moteur électrique, un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation à entraînement électrique doté d'un train épicycloïdal, le train épicycloïdal étant entraîné en rotation suivant un axe de rotation par le moteur électrique, le train épicycloïdal formant au moins un étage de réduction pour entraîner en rotation suivant l'axe de rotation le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation, le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation permettant au moins une poussée axiale d'arrière en avant de la garniture de frottement selon un déplacement linéaire et suivant l'axe de rotation, le moteur électrique étant un moteur électrique sans balai dont le rotor anime en rotation des aimants permanents entre un premier et un second stators, lesdits stators étant concentriques entre eux, caractérisé en ce que l'unité ECU commande l'alimentation du premier stator lorsqu'un effort de freinage inférieur à un premier seuil TO est requis.
Selon certaines caractéristiques, lorsqu'un effort de freinage supérieur à un deuxième seuil Tl est requis, l'unité ECU peut commander l'alimentation
- 10 synchronisée du premier et du second stator, de sorte que l'effort de freinage total correspond à la somme des efforts de freinage qui seraient obtenus respectivement avec l'alimentation du premier et du second stator.
Selon d'autres caractéristiques, le premier seuil TO peut être égal à 8 kN.
Selon d'autres caractéristiques encore, le deuxième seuil Tl peut être égal à 12 kN.
Selon d'autres caractéristiques encore, l'unité ECU peut commander l'alimentation désynchronisée du premier et du second stator, lorsqu'un effort de freinage nul est requis, afin que second stator freine le premier stator plus rapidement, et par voie de conséquence l'inertie du rotor et de la mécanique rattachée.
Liste des figures
D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée d’un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels :
- la FIGURE 1 est une vue schématique du principe d'un étrier de frein à disque comprenant un dispositif mécatronique doté d'un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation et d'un moteur électrique,
- la FIGURE 2 est une vue schématique du principe de fonctionnement du dispositif mécatronique selon un premier mode de fonctionnement,
- la FIGURE 3 est une vue schématique du principe de fonctionnement du dispositif mécatronique selon un deuxième mode de fonctionnement,
- la FIGURE 4 est une vue schématique du principe de fonctionnement du dispositif mécatronique selon un troisième mode de fonctionnement,
- la FIGURE 5 est une vue en coupe d'un détail du dispositif mécatronique,
- la FIGURE 6 est une autre vue en perspective d'un détail du dispositif mécatronique,
- la FIGURE 7 est une vue en coupe d'un étrier de frein à disque selon un mode de réalisation particulier pour l'mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation.
Description d'un exemple de mode de réalisation
La FIGURE 1 représente le principe d'un étrier de frein à disque sur lequel est monté un dispositif mécatronique doté d'un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation A et d'un moteur électrique M. L’étrier 2 peut être à montage flottant à un seul piston 1 actionné uniquement par un dispositif mécatronique selon l’invention, réalisant ainsi un étrier de type tout électrique, pour le freinage de service et pour le frein de stationnement. D’autres configurations sont prévues, par exemple avec plusieurs pistons et/ou plusieurs actionneurs, en version flottante ou en version fixe, possiblement combiné(s) avec un ou plusieurs pistons hydrauliques.
Du côté extérieur de l'étrier, l’arbre d’actionneur 5 est entraîné en rotation C5 par un moteur M qui comporte un rotor 630 animant en rotation des aimants permanents entre un premier stator 610 et un second stator 620.
Du côté intérieur de l’étrier, cet actionneur comprend une partie de réduction épicycloïdale DPR, qui entraîne en rotation C4 un mécanisme visécrou NS lequel restitue un déplacement linéaire Tl du piston 1.
De manière plus détaillée, la FIGURE 7 représente une vue en coupe d'un mode de réalisation particulier de l'mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation A dans laquelle l’actionneur est monté dans un étrier 2 de frein à disque comprenant deux branches en vis-à-vis qui chevauchent la périphérie d’un disque de frein (non représenté). L’actionneur comprend un arbre d’actionneur 5, coaxial au piston 1, et qui est prévu pour traverser l’une 202 desdites branches d’étrier et porte un flasque d’appui 52 agencé pour prendre un appui axial sur ladite branche depuis l’intérieur de l’étrier.
La partie d’extrémité 55 dudit arbre, située du côté intérieur de l’étrier, porte l’étage de réduction épicycloïdale DPR et le piston de frein 1. La partie
- 12 d'entrée 51 dudit arbre, située du côté extérieur de l'étrier, porte ou est prévue pour recevoir le moteur M.
Du côté intérieur de l'étrier, l'actionneur A comprend une partie de réduction épicycloïdale DPR, qui entraîne en rotation C4 un mécanisme visécrou NS lequel restitue un déplacement linéaire Tl du piston 1.
La partie de réduction épicycloïdale DPR comprend un premier PR2 et un deuxième PR3 trains épicycloïdaux monté en série, chacun entraîné en entrée par son pignon planétaire 31, 41. Ces deux trains fournissent chacun une réduction en sortie par leur porte-satellites 33, 43, et leurs satellites 32, 42 engrènent selon la première orientation DI avec la denture 101 du piston 1, ici une denture droite c'est à dire longitudinale. Alternativement, cette denture est aussi prévue en version hélicoïdale, et peut être de tout type de profils pouvant être employé pour une telle couronne de train épicycloïdal.
Le mécanisme vis-écrou NS est entraîné en rotation par le portesatellite 43 de sortie de la partie de réduction DPR. Le piston 1 est fixé en rotation, par exemple par des encoches ménagées sur la face d'appui du fond du piston.
Sous l'effet de la rotation C4 imprimée par l'étage de réduction DPR, ce piston 1 est déplacé en translation longitudinale (ici vers la droite dans le sens du serrage) par coopération de sa denture intérieure 101 selon la deuxième orientation D2 avec un élément fileté entraîné en rotation par le porte-satellites 43 du deuxième train épicycloïdal. Dans certains modes de réalisation, cet élément fileté est par exemple solidaire avec le porte-satellites 43. Dans l'exemple présenté ici, c'est le porte-satellite 43 lui-même qui porte un filetage mâle 431 formé dans la même pièce que celle qui porte ou forme les arbres des satellites 42.
Lorsque la vis formée par le porte-satellites 43 se déplace sur le piston 1 dans le sens du serrage, ce dernier avec un effort Fl appuie sur la garniture de frottement. De façon connue, cette dernière enserre ainsi la piste de frottement d'un disque de frein avec une autre garniture de frottement, laquelle prend appui dans la direction opposée sur les doigts d'étrier 201.
En réaction à cet effort de serrage, le porte-satellites 43 reçoit un effort axial dirigé dans le sens opposé. Il transmet cet effort axial par sa face située
- 13 du côté de l'étrier (ici sur la gauche de la figure) à l'arbre d'actionneur 5, lequel le transmet au boîtier d'étrier 20 par un flasque 52 dépassant radialement et qui est solidaire de l'arbre 5.
Selon un mode particulier, le mécanisme vis-écrou peut être un mécanisme autobloquant en ce sens que lorsque le moteur entraîne suivant une poussée axiale d'arrière en avant l'écrou, ce dernier reste dans sa position après l'arrêt du moteur.
Alternativement, le mécanisme vis-écrou peut être un mécanisme selon lequel l'écrou revient à sa position initiale après l'arrêt du moteur.
La figure 6 représente un schéma électronique selon un mode de réalisation de l’invention, dans lequel une source d’énergie (telle que la batterie du véhicule ou bien l'alternateur) alimente une unité de commande ECU pilotant un dispositif mécatronique composé d’un moteur à courant continu sans balai Μ, N polyphasé à double bobinage associé à un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation 1. Un capteur 74 couplé à la sortie mécanique 55 de l'actionneur, retourne l’information de position à l’unité de commande qui agit sur les signaux combinés d'effort et de direction regroupés dans un connecteur de liaison 75. La position du rotor du moteur est lue à l’aide de N sondes 73 qui, par l’intermédiaire d’un circuit électronique rudimentaire 76, auto-commutent les N phases du moteur.
L'unité de commande comprend de préférence pour chaque stator un pont de puissance délivrant un signal électrique bifilaire, un algorithme pilotant ledit pont, des sondes de détection binaires de la position du rotor du moteur, des interrupteurs de puissance aptes à alimenter les phases du moteur à partir du signal électrique bifilaire.
L’ECU exécute un algorithme d’asservissement de position et génère les signaux d'effort et de direction 71 à destination du moteur qui agit sur la sortie mécanique 55 de l'actionneur 1.
La figure 5 représente un détail du moteur à courant continu sans balai M, selon un mode avantageux de l'invention, soit un moteur N polyphasé.
Les moteurs polyphasés à N phases constituent un mode préféré dans la mesure où ils sont réversibles et pilotables dans les deux sens de rotation.
- 14 Ceci est particulièrement important dans le cas où le mécanisme vis-écrou est un mécanisme autobloquant qui sollicite le moteur en sens inverse lorsque freinage n'est plus requis.
Dans ce cas, un circuit électronique rudimentaire résistant à de forte température (>125°C), gère l’auto- commutation des N phases du moteur à l’aide de N sondes renseignant la position du rotor du moteur.
Un rotor 630 est solidaire d'un inducteur 631 en rotation entre un stator intérieur 610 et un stator extérieur 620. L'inducteur porte un ensemble d'aimants permanents du côté du premier stator 632 et un ensemble d'aimants permanents du côté du second stator 633. Le premier stator est constitué d'un ensemble de tôles et de bobines 612 maintenues dans un flasque intérieur 611. De même, le second stator est constitué d'un ensemble de tôles et de bobines 622 maintenues dans un flasque intérieur 621. La rotation du rotor par rapport aux stators prend appui sur des roulements 634 montés autour du rotor et à l'intérieur d'un flasque extérieur 623 renfermant les deux stators.
Les figures 2, 3 et 4 représentent divers modes d'exploitation du moteur électrique sans balai à double bobinage.
Le principe est, qu'en mutualisant le circuit magnétique statorique ainsi que des éléments mécaniques tels que le rotor, les paliers et la structure (carter), une machine tournante de ce type est sensiblement plus compacte et plus légère qu’un ensemble de deux machines complètement indépendantes de performance totale équivalente, tout en offrant un niveau de tolérance élevé vis-à-vis des pannes électriques internes ou des pannes du convertisseur d’alimentation. L’utilisation d’une machine à double bobinage permet de plus de ne mettre en place qu’une unique machine tournante, ce qui simplifie le montage sur l'étrier de freinage.
Selon un mode de réalisation représenté en figure 2, le premier stator peut être dimensionné pour permettre un effort de freinage avec des performances supérieures à celles fournies par le deuxième stator. Ainsi, le dispositif de freinage est apte à un freinage d’urgence avec la seule alimentation électrique dudit premier stator, tout en gardant un
- 15 dimensionnement raisonnable de l'ensemble, et en permettant toujours une redondance des capacités de freinage en cas de pannes du premier stator.
Ce mode de réalisation est particulièrement lorsqu'un effort de freinage inférieur à un premier seuil T0 est requis. Ce seuil est généralement défini jusqu'à 8 kN.
Selon un autre mode de réalisation représenté en figure 3, l'ECU est apte à piloter simultanément l'alimentation synchronisée du premier et du second stator. Cela permet une transition fine entre les deux assistances en cas de détection de déficience dans le premier circuit. Cela permet aussi le pilotage d'un freinage utilisant les deux bobinages, ce qui est notamment utile en situation de freinage d’urgence ou bien pour la fonction frein de parking, puisqu’on peut alors bénéficier simultanément de l'addition des efforts de freinage développés par chacun des deux stators.
Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant lorsqu'un effort de freinage supérieur à un second seuil Tl est requis. Ce seuil est généralement défini jusqu'à 12 kN pour la fonction freinage et jusqu'à 30 kN pour la fonction frein de parking.
Selon un autre mode de réalisation représenté en figure 4, l'ECU est apte à piloter simultanément l'alimentation désynchronisée du premier et du second stator. Cela permet d'annuler l'effort de freinage généré par le premier stator. Ceci est notamment utile en situation d'accélération d’urgence où il devient nécessaire de réduire au maximum l'inertie du dispositif mécatronique, puisqu’on peut alors bénéficier simultanément des efforts de freinage opposés développés avec chacun des deux stators, ces efforts de freinage s'annulant.
Il peut être avantageux que le premier et le second stator soient respectivement alimentés par deux sources d’énergie distinctes. Cette configuration offre une plus grande sécurité en cas de défaillance d’une des sources d’énergie ou de sa connexion électrique.
La présente invention apporte ainsi une solution économique qui devrait permettre de garantir un nombre de cycles important pour le dispositif de freinage. Ainsi, il est requis 100 000 cycles de freins de parking sous un
- 16 effort de 20 kN. Il est également requis 2 millions de cycles pour un freinage de service avec un effort allant jusqu'à 8 kN pour une décélération de IG.
La présente invention permet aussi une forte compacité et une bonne intégration dans l'environnement du dispositif de freinage puisque le diamètre du moteur sans balai à double bobinage est inférieur à 80 mm, soit de l'ordre de 50 mm, et que son épaisseur est de l'ordre de 20 mm.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
Nomenclature
Al axe de piston
DI première orientation de denture
D2 deuxième orientation de denture
A Mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation
M Moteur électrique sans balai
DPR réduction à double train épicycloïdal
NS mécanisme vis-écrou
C5 effort d’entrée
C4 rotation du porte-satellite / vis
ECU Unité de commande électronique
Tl translation du piston / écrou
PR.2 premier train épicycloïdal de réducteur double
PRS deuxième train épicycloïdal de réducteur double piston de frein / couronne filetée étrier de frein à disque boîtier d’étrier
204 flasque de fixation moteur pignon planétaire d’entrée de premier train épicycloïdal satellites de premier train épicycloïdal porte-satellites de premier train épicycloïdal pignon planétaire d’entrée de deuxième train épicycloïdal satellites de deuxième train épicycloïdal élément fileté / porte-satellites de deuxième train épicycloïdal arbre d'entrée d'actionneur flasque d'appui de l'arbre d'entrée d'actionneur extrémité de l'arbre de l'actionneur
101 face fonctionnelle / denture intérieure
201 doigt(s) d'étrier
431 filetage extérieur de la vis / porte-satellites de deuxième train épicycloïdal
610 stator intérieur
611 flasque intérieur du premier stator
612 ensemble de tôle + bobinage
620 stator extérieur
621 flasque intérieur du second stator e
622 ensemble de tôle + bobinage
623 flasque extérieur
630 rotor
631 inducteur du rotor
632 aimants permanents côté premier stator
633 aimants permanents côté second stator
634 palier de roulement batterie du véhicule connectique de commande connectique capteur sondes de positionnement du rotor capteur de position de la sortie de l'actionneur connecteur circuit électronique
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Moteur électrique (M) sans balai comprenant un rotor (630) solidaire d'un inducteur (631) monté en rotation entre un stator intérieur (610) et un stator extérieur (620), l'inducteur portant un premier ensemble d'aimants permanents (632) du côté du premier stator et un second ensemble d'aimants permanents (633) du côté du second stator, de sorte que le rotor (630) anime en rotation les aimants permanents (632, 633) entre les deux stators concentriques (610, 620).
- 2. Moteur électrique (M) sans balai selon la revendication 1, caractérisé en que le moteur électrique sans balai (M) est un moteur polyphasé à N phases, dont les stators concentriques sont constitués de N bobines unipolaires ou bipolaires ou 2xN demi-bobines unipolaires.
- 3. Dispositif mécatronique pour l'actionnement d'au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement d'un dispositif de freinage de véhicule, l'ensemble comprenant une unité de commande, un mécanisme à entraînement électrique transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation (A) et doté d'un train épicycloïdal (PR2, PR3), caractérisé en ce que le train épicycloïdal est entraîné en rotation (C5) suivant un axe de rotation (Al) par un moteur électrique (M) conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2.
- 4. Dispositif mécatronique selon la revendication 3, caractérisé en que l'unité de commande comprend pour chaque stator un pont de puissance délivrant un signal électrique bifilaire, un algorithme pilotant ledit pont, des sondes de détection binaires de la position du rotor du moteur, des interrupteurs de puissance aptes à alimenter les phases du moteur à partir du signal électrique bifilaire.
- 5. Dispositif mécatronique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en que le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation comprend un mécanisme vis-écrou (NS) permettant au moins une poussée axiale d'arrière en avant de la garniture de frottement selon un déplacement linéaire (Tl) et suivant l'axe de rotation (Al) lorsqu'il est entraîné en rotation (C4) suivant l'axe de rotation (Al) par le train épicycloïdal formant au moins un étage de réduction (DPR).
- 6. Dispositif mécatronique selon la revendication 5, caractérisé en que le train épicycloïdal (PR2, PR3) inclut un groupe de satellites (32, 42) en rotation selon l'axe (Al) autour d’un pignon planétaire (31, 41) et à l’intérieur d’une couronne (1) circulaire coaxiale audit train planétaire, où lesdits satellites sont portés par un porte-satellites (33, 43) et engrènent à la fois avec une denture extérieure dudit pignon planétaire et avec une denture intérieure, formée dans ladite couronne circulaire selon un premier motif présentant une première orientation déterminée (Dl), ledit train épicycloïdal (PR3) entraînant un élément fileté mâle (43) qui lui est coaxial, lequel coopère avec un filetage femelle formé dans la surface intérieure de ladite couronne (1) selon un deuxième motif présentant une deuxième orientation (D2) différente de la première orientation (Dl), ladite couronne (1) formant ainsi une couronne filetée qui coopère avec ledit élément fileté mâle (43) pour former ledit mécanisme vis-écrou (NS), ladite couronne présentant ainsi des reliefs de filetage femelle entrecroisés avec des reliefs de denture intérieure pour former une denture croisée (101) qui est apte à fonctionner aussi bien en denture de couronne de train épicycloïdal qu’en filetage d'écrou.
- 7. Dispositif mécatronique selon la revendication 6, caractérisé en que la couronne filetée (101) est solidaire de ou forme un piston de frein (1) qui est maintenu fixe en rotation (105) et est agencée pour que son déplacement (Tl) exerce un effort de serrage (Fl) par déplacement linéaire de la garniture de frottement vers la piste de frottement.
- 8. Dispositif mécatronique selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en que le mécanisme vis-écrou (NS) est un mécanisme autobloquant.
- 9.Frein à disque comportant un étrier (2) doté de deux branches (201,- 20 202) en vis-à-vis qui chevauchent la périphérie d'un disque de frein, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif mécatronique selon l'une quelconque des revendications 3 à 8,Un arbre d'actionneur (5), étant coaxial au piston (1), et prévu pour traverser l'une (202) desdites branches d'étrier et pour porter un flasque d'appui (52) agencé pour prendre un appui axial sur ladite branche (202) depuis l'intérieur de l'étrier ;Une partie d'extrémité (55) dudit arbre, située du côté intérieur de l'étrier, portant l'étage de réduction épicycloïdal (DPR) et le piston de frein (1) ;Une partie d'entrée (51) dudit arbre, située du côté extérieur de l'étrier, étant prévue pour recevoir le moteur (M) électrique sans balai.
- 10. Véhicule ou sous-ensemble de véhicule comprenant au moins un frein à disque selon la revendication 9 ou un dispositif mécatronique selon l'une quelconque des revendications 3 à 8.
- 11. Procédé de freinage d'un véhicule comprenant un dispositif de freinage doté d'un ensemble mécatronique pour l'actionnement d'au moins une garniture de frottement contre une piste de frottement, l'ensemble mécatronique comprenant une unité de commande (ECU), un moteur électrique (M), un mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation à entraînement électrique doté d'un train épicycloïdal (PR2, PR3) le train épicycloïdal étant entraîné en rotation (C5) suivant un axe de rotation (Al) par le moteur électrique (M), le train épicycloïdal formant au moins un étage de réduction (DPR) pour entraîner en rotation (C4) suivant l'axe de rotation (Al) le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation, le mécanisme transformant un mouvement de rotation en un mouvement de translation permettant au moins une poussée axiale d'arrière en avant de la garniture de frottement selon un déplacement linéaire (Tl) et suivant l'axe de rotation (Al), le moteur électrique (M) étant un moteur électrique sans balai dont le rotor (630) anime en rotation des aimants permanents (632, 633) entre un- 21 premier (610) et un second (620) stators, lesdits stators étant concentriques entre eux, caractérisé en ce que l'unité ECU commande l'alimentation du premier stator lorsqu'un effort de freinage inférieur à un premier seuil TO est requis.
- 12. Procédé de freinage d'un véhicule selon la revendication 11, caractérisé en ce que, lorsqu'un effort de freinage supérieur à un deuxième seuil Tl est requis, l'unité ECU commande l'alimentation synchronisée du premier et du second stator, de sorte que l'effort de freinage total correspond à la somme des efforts de freinage qui seraient obtenus respectivement avec l'alimentation du premier et du second stator.
- 13. Procédé de freinage d'un véhicule selon la revendication 11, caractérisé en ce que le premier seuil TO est égal à 8 kN.
- 14. Procédé de freinage d'un véhicule selon la revendication 12, caractérisé en ce que le deuxième seuil Tl est égal à 12 kN
- 15. Procédé de freinage d'un véhicule selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que l'unité ECU commande l'alimentation désynchronisée du premier et du second stator, lorsqu'un effort de freinage nul est requis, afin que second stator freine le premier stator plus rapidement, et par voie de conséquence l'inertie du rotor et de la mécanique rattachée.1/4
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