EP1994369A2 - Dispositif de detection de position angulaire, moteur electrique, colonne de direction et reducteur. - Google Patents

Dispositif de detection de position angulaire, moteur electrique, colonne de direction et reducteur.

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Publication number
EP1994369A2
EP1994369A2 EP07731733A EP07731733A EP1994369A2 EP 1994369 A2 EP1994369 A2 EP 1994369A2 EP 07731733 A EP07731733 A EP 07731733A EP 07731733 A EP07731733 A EP 07731733A EP 1994369 A2 EP1994369 A2 EP 1994369A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
angular position
position sensor
gearbox
shaft
sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07731733A
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German (de)
English (en)
Inventor
Franck Debrailly
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SKF AB
Original Assignee
SKF AB
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1994369A2 publication Critical patent/EP1994369A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • G01D5/2454—Encoders incorporating incremental and absolute signals
    • G01D5/2455—Encoders incorporating incremental and absolute signals with incremental and absolute tracks on the same encoder
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
    • G—PHYSICS
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/20—Detecting rotary movement
    • G01D2205/26—Details of encoders or position sensors specially adapted to detect rotation beyond a full turn of 360°, e.g. multi-rotation

Definitions

  • the present invention relates to the field of detecting the angular position of an electric motor shaft.
  • the present invention also relates to the field of steering columns of motor vehicles, in which it is desired to know accurately the angular position.
  • Electric power steering frequently use brushless direct current electric motors which it is necessary to control the phase switching finely and thus to know the absolute angular position of the rotor.
  • the assistance electric motors thus actuate the orientation system of the zones with which they are mechanically linked.
  • the mechanical connection between the assistance motor and the wheel alignment system can be done in different possible places, for example on the steering column shaft or on the rack of the steering wheel. wheel orientation.
  • a steering column In a steering column, there is generally a reduction between the rotational speed of the steering column and that of the electric motor of the order of 10 to 20, so that the steering column makes a turn while the The engine shaft is 10 to 20.
  • the number of accumulated turns for the steering column from one maximum steering direction to another is of the order of 4 revolutions. It is therefore necessary to determine the absolute angle of the motor shaft over 40 to 80 turns of the shaft and the absolute angle of the steering column over 4 turns.
  • EP 1 026 068 discloses an electric power steering comprising a steering shaft, an electric motor having a rotor operably connected to the steering shaft through a gearbox having a gear ratio. non-integer reduction, first sensing means for producing an output dependent on the angular position of the steering shaft and second sensing means adapted to produce an output dependent on the angular position of the rotor, and processing means adapted for processing both output signals to produce an angular position signal indicating the angular position of the steering shaft over a range greater than one full revolution.
  • An absolute angle sensor can be provided on the motor shaft or on the steering column shaft, which is costly in the case of an absolute multi-turn sensor.
  • an index can be provided on the steering shaft, or on the motor shaft. However, the index does not provide sufficient accuracy.
  • EP 1 413 499 discloses an electric power steering provided with two sensors on the steering column and a sensor on the engine. Having three sensors is expensive and also requires a relatively sophisticated processing electronics.
  • US 5,646,523 discloses an apparatus for determining the angular wheel steering position comprising a fine sensor and a coarse sensor associated with the steering column shaft, the thin sensor having quadruple reduction thanks to to gears for driving faster the corresponding encoder.
  • This device is relatively complicated and does not know the position of the poles of the electric motor.
  • US 6,248,993 discloses a steering angle sensor for determining the absolute steering angular position of a wheel, comprising two sensor units, one detecting the angular position in a corner segment of the complete steering rotation range, the other unit detecting the steering rotation through gears with a ratio other than 1, so that the rotational speeds detected by the two sensors are different for the purpose of detect an absolute angular position.
  • this document does not make it possible to know the absolute angular position of the rotor of the electric drive motor.
  • the abstract of JP 2005 053 416 discloses a steering apparatus for a fully electric steering type vehicle. The electric steering motor is associated with two gearboxes, one for the steering of the wheels and the other for the detection of the rotation with a rotation on a lap from a neutral position is a total rotation on two turns.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages and limitations of the above documents.
  • the object of the present invention is to provide, by means of a single module, an absolute angular position of the shaft of the electric steering motor and the steering angle of the steering wheels.
  • the steering angle of the steering wheels is uniquely related to the angular position of the steering column.
  • the object of the present invention is to provide said angular positions by reliable and inexpensive means.
  • the angular position detection device of an electric motor shaft with respect to a rotating element comprises a gearbox comprising an input rotatably connected to the shaft, and an output, so that the output of the gearbox moves on an angle less than 2 ⁇ , a single-turn angular position sensor being arranged to measure the angle of the output of the gearbox, and an angular position sensor being disposed on the input of the gearbox.
  • a gearbox provided with an input angular position sensor and an output angular position sensor and capable, when mounted in a steering mechanism, of providing two signals making it possible to determine with a sufficient accuracy the angular position of the rotor of the electric motor and the angular position of the wheels.
  • the gearbox with its two sensors forms a subassembly that can be mounted on a conventional electric power steering motor.
  • the reducing ratio of the reducing agent can be between 5 and 100.
  • the reducer comprises a rolling bearing and a housing.
  • the rolling bearing may comprise an inner ring mounted on the shaft and an outer ring mounted in the housing.
  • An encoder may be supported by the inner ring and cooperate with the angular position sensor.
  • the single-turn sensor is an absolute angular position sensor.
  • An absolute single-turn angular position sensor is significantly less expensive than a multiturn absolute angular position sensor.
  • the single-turn sensor is mounted on an electronic card supported by a housing of the reducer. Both sensors can be mounted on the electronic board.
  • An encoder can be mounted on a rolling bearing.
  • the device comprises a rolling bearing comprising a rotating inner ring adapted to be mounted on the shaft and a non-rotating outer ring.
  • the reducer comprises at least one epicyclic gear train. It is thus possible to obtain a reduction ratio of the order of 5 to 20.
  • the reducer comprises at least one harmonic reducer. It is thus possible to obtain a reduction ratio of between 15 and 100.
  • the output is sized in pairs for the device's own drag torque.
  • the drag torque of the device may consist essentially of the drag torque of the rolling bearing of the gearbox and the drag torque of the gears of the gearbox.
  • the drag torque of the device is very low.
  • the input angular position sensor is capable of measuring a modulo 2 ⁇ angle. It is therefore possible to use an economic angular position sensor of absolute or incremental type.
  • the shaft is bonded to a gear driven member with a reduction ratio of 1 to 5.
  • the input angular position sensor comprises a multipole encoder.
  • the angular position sensor may be radially outside the encoder.
  • the single-turn angular position sensor may have an axial air gap with an encoder.
  • the single-turn angular position sensor may be disposed radially outside the angular position sensor.
  • a sensor may comprise one or more sensitive elements arranged facing an encoder element, for example one or more Hall effect cells arranged opposite a multipole magnetic encoder ring.
  • the electric motor comprises a rotor, a stator, a shaft supporting the rotor and a device for detecting the angular position of the shaft relative to a non-rotating element.
  • the reducer comprises an input rotatably connected to the shaft, and an output.
  • the reduction ratio of the gearbox is chosen between 5 and 100 so that the output of the gearbox moves at an angle of less than 2 ⁇ .
  • a single-turn angular position sensor is arranged to measure the angle of the output of the gearbox and an angular position sensor is disposed on the input of the gearbox.
  • a power steering device may comprise an electric motor as above and a shaft driven by the electric motor is provided to cause steering of the wheels of a vehicle.
  • a gearbox may include a reduction mechanism, an input, an output, a single-turn angular position sensor arranged to measure the angle of the output, and an angular position sensor disposed on the input, the reduction ratio of the reducer being chosen so that the output of the reducer moves on an angle less than 2 ⁇ .
  • the reducer may comprise a rolling bearing and a housing, the rolling bearing comprising an inner ring adapted to be mounted on a shaft, an outer ring mounted in the housing, and an encoder supported by the inner ring and cooperating with the angular position sensor.
  • FIG. 1 is an axial sectional view of a device angular position detection
  • Figure 2 is an exploded perspective view of the device of Figure 1
  • Figure 3 is a side elevational view of the device of Figure 1.
  • the angular position detection device 1 is mounted on the shaft 2 of an electric motor.
  • the shaft 2 also supports a pinion 3 keyed by a key 4 and for example intended to drive a complementary gear of a steering column.
  • the detection device 1 comprises a gearbox 5, here harmonic type, a rolling bearing 6 and a detection part 7.
  • the gearbox 5 which is here harmonic type comprises a ring 8 provided with an inwardly directed toothing, a flexible gear 9 radially meshing with the ring 8 in two diametrically opposed zones (see FIG. 3), and a generator of wave 10, mounted concentrically.
  • the flexible gear 9 is provided with an axial inner surface.
  • the wave generator 10 comprises a ring 1 1 whose bore is mounted on the shaft 2 integrally in rotation by means of a key 12. From the ring 1 1 extend radially towards the outside two arms diametrically opposed.
  • the wave generator 10 comprises two support fingers 13 each mounted on an arm. The ring, the arms and the fingers can be monobloc.
  • the wave generator 10 is completed by two smooth bearings 14 each mounted on a finger 13.
  • the pads 14 are in contact with the inner surface of the flexible gear 9 which they cause the radial deformation by constraining said flexible gear 9 to come mesh in the toothing of the crown 8 in two diametrically opposite areas. It could be envisaged to replace the bearings 14 by bearings.
  • the wave generator 10 is keyed on the shaft 2 by a key 12.
  • the rolling bearing 6 is mounted on the shaft 2 axially between the pinion 3 and the gearbox 5.
  • the rolling bearing 6 comprises an inner ring 15, for example fitted on the shaft 2, an outer ring 16, a row of rolling elements 17, here balls, maintained at regular circumferential spacing by a cage and a sealing flange 18 mounted in a groove of the outer ring 16 and forming a narrow passage with an axial bearing of the inner ring 15.
  • the Rings 15 and 16 each have a raceway in the form of a toroidal portion for receiving the rolling elements 17.
  • the rings 15 and 16 are of the deep groove type.
  • the bearing 6 can be of a standard type mass produced economically.
  • the detection device 1 comprises a housing 19, for example made of synthetic material, surrounding the gearbox 5 and the bearing 6.
  • the housing 19 is annular and comprises an axial portion of small diameter 20 in the bore of which is rigidly fixed the outer ring 16 of the bearing 6.
  • the axial portion of small diameter 20 is extended by a short radial flange 21 directed inwards and in contact with a front surface of the ring 16, thus forming an axial stop.
  • the housing 19 also comprises a radial portion 22 extending outwardly from the end of the axial portion of small diameter 20 opposite to the radial flange 21 and having a substantially coplanar face with the radial front surfaces of the inner rings 15 and outer 16 of the bearing 6.
  • the housing 19 comprises an axial portion of large diameter 23 extending axially opposite the pinion 3 from the end of large diameter of the radial portion 22.
  • the ring 8 is integral with the axial portion of large diameter 23.
  • the parts of the housing 19 and the ring 8 are made integrally, for example integrally molded.
  • the housing 19 may be made of polyamide reinforced with a mineral filler.
  • the detection part 7 is generally arranged in a space delimited axially on one side by the gearbox 5 and on the other side by the bearing 6, and radially on one side by the shaft 2 and on the other. another side by the large diameter axial portion 23 of the housing 29.
  • the detection portion 7 comprises an electronic card 24 occupying a limited angular sector (see Figures 2 and 3), for example of the order of 90 ° and fixed against the internal radial face of the radial portion 22 of the housing 19 and in contact with the end face of the outer ring of the bearing 16 on the side of the gearbox 5.
  • the electronic card can be fixed on the outer ring 16 and in contact with the housing 19.
  • the electronic card 24 supports an electronic processing circuit 25 and two sensors 26 and 27, for example magnetosensitive type.
  • the sensor 26 is fixed angularly substantially in the middle of the card 24 and radially at the level of the flexible gear 9.
  • the sensor 27 is fixed angularly substantially in the middle of the card 24 and radially on its inner edge facing radially towards the inside. Thus the sensor 26 is disposed radially outside the sensor 27.
  • the sensors 26 and 27 may each be optical or magnetic type. In what follows, we will consider the case of two sensors 26 and 27 magnetosensitive type.
  • the detection part 7 comprises two annular encoders 28 and 29.
  • the encoder 28 is in the form of a multipole ring of elongated rectangular section radially fixed, for example by gluing or overmoulding, to a radial face of the flexible gear 9, and facing the sensor 26 with a small axial gap.
  • the encoder 28 having a rigidity lower than that of the flexible element 9 is capable of accompanying the radial deformations of said flexible gear 9 and of generating a magnetic signal in the sensor 26.
  • the encoder 28 and the gear 9 could form a single piece.
  • the encoder 29 is supported by the inner ring 15 of the bearing 6 and generates a magnetic signal in the sensor 27.
  • the encoder 29 comprises a support 30, for example in the form of a sheet metal cup provided with an axial portion fitted on an outer surface of the inner ring 15, a radial portion in abutting contact against the radial end face of the inner ring 15 on the side of the reducer 5 and an axial portion of smaller diameter extending towards the reducer 5, and an active portion 31, for example of the plastoferrite type, overmolded on the support 29 by surrounding the axial portion of small diameter and a portion of the axial portion of large diameter and having an axial outer surface in front of the sensor 27 with a small radial air gap.
  • the bearing 6 does not have a sealing flange on the encoder 29 side.
  • the detection part 7 thus comprises the same electronic card supporting two sensors and an electronic circuit receiving the output signals of said sensors and capable of transmitting to the outside, for example by a wired or radio link, not shown, information representative of the absolute angular position of the shaft 2 and information relating to the steering angle.
  • the electronic circuit 25 can transmit output signals from the sensors 26 and 27 after a simple shaping or, alternatively, carry out a treatment to determine with the desired accuracy the absolute angular position of the shaft 2 of the electric motor of a motor. on the basis of the information provided by the sensor 27 and, on the other hand, the steering angle of the vehicle wheels as a function of the output signal of the sensor 26 and the output signal of the sensor 27.
  • the detection device 1 can therefore comprise a single bearing, a gearbox, two encoders, two sensors and a single electronic card supporting the sensors, which is particularly economical and compact.
  • the Detection 1 forms a subset that can be easily assembled on an electric motor shaft end 2, for example between a steering column drive gear and the housing, not shown, of the motor.
  • the shaft 2 of the electric motor is rotatable by driving the pinion 3, which actuates the steering device of the wheels, the shaft 2 of the motor being mechanically connected with the wheel alignment system so that that the reduction ratio between the angular displacement of the motor shaft 2 and the angular displacement of the steering column shaft is of the order of 10 to 20.
  • the inner ring 15 of the bearing 6, and consequently the encoder 29, are driven at the same speed as the shaft 2.
  • the angular displacement of the shaft 2 is thus detected by the sensor 27 and transmitted to the electronic circuit 25 for transmission to an external member and, where appropriate, treatment.
  • the wave generator 10 of the gearbox 5 is also driven at the same speed of rotation of the shaft 2, which causes rotation of the flexible gear 9 with a reduction ratio of 5 to 100, preferably of In other words, the flexible gear 9 and the encoder 28 move by one degree of angle for 40 to 80 ° of displacement angle of the shaft 2.
  • the angular displacement of the encoder 28 and the flexible gear 9 is detected by the sensor 26 and transmitted to the electronic circuit 25 for transmission to an external member and, where appropriate, treatment.
  • the reduction ratio of the gearbox 5 is designed to be greater than or equal to the product of the gear ratio of the shaft 2 relative to at the steering column by the number of revolutions of the steering column from one stop to another, ie from the extreme steering position to the left at the extreme steering position to the right of the vehicle wheels .
  • This ensures that the encoder 28 has a range of rotation less than 360 °. It is thus possible to use an encoder 28 and a monotour-type sensor 26 that is considerably more economical than a multiturn sensor.
  • the resolution of the sensor 26 and the encoder 28 may be relatively small insofar as the precise angular position of the shaft 2 is provided by the sensor 27 and the encoder 29 while the sensor 26 and the encoder 28 only provide one. signal of lesser precision. Given the gear ratio offered by the gear 5, it is thus possible to determine an angular position of the steering column with a very good precision of the order of 0.1 °.
  • the encoder 28 may be of the circumferentially alternating pole type or the quadrupole type with an outer north pole and an inner south pole on 180 ° and an inner north pole and an outer south pole on 180 °.
  • the magnetic field seen by the sensor varies according to the angular position and the radial position of the encoder 28 taking into account the radial deformation of the flexible gear 9.
  • the sensor 27 and the encoder 29 are multiturn type with high resolution or providing an absolute angle.
  • the housing 19 is provided to be non-rotating, for example rotatably connected to the housing of the electric motor while one of the encoders is associated with the inner ring of the bearing and the other with the gearing. flexible gearbox.
  • the encoder 29 may be mounted on the axial annular portion 1 of the wave generator 10 or directly on the shaft 2, which may make it possible to use a bearing of standard type with two sealing elements. also of standard type. There is thus a reducer whose crown can be provided to support the sensors, the bearing ensuring the concentricity of the crown and the shaft of the electric motor.
  • dashed lines in FIG. 1 illustrate the housing 32 of the electric motor and the steering column 33. Thanks to the invention, it benefits from an extremely compact and economical device mounted as a subassembly on a fully electric electric steering or electric steering motor shaft and provided with an electronic card providing at the same time a signal representative of the precise angular position of the electric motor shaft and a signal representative of the steering angle of the wheels. Only two sensors can provide this data. In addition, other additional detection systems can be dispensed with, for example arranged on a steering column bearing or on a steering rack.

Landscapes

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Abstract

Dispositif de détection de position angulaire (1) d'un arbre (2) de moteur électrique par rapport à un élément non tournant, comprenant un réducteur 5 comprenant une entrée liée en rotation à l'arbre (2), et une sortie de telle sorte que la sortie du réducteur (5) se déplace sur un angle inférieur à (2π), un capteur de position angulaire (26) monotour étant disposé pour mesurer l'angle de la sortie du réducteur (5) et un capteur de position angulaire (27) étant disposé sur l'entrée du réducteur (5).

Description

Dispositif de détection de position angulaire, moteur électrique, colonne de direction et réducteur
La présente invention concerne le domaine de la détection de la position angulaire d'un arbre de moteur électrique.
La présente invention concerne également le domaine des colonnes de direction de véhicules automobiles, dans lequel on souhaite connaître avec précision la position angulaire.
En effet, les véhicules font de plus en plus souvent appel à l'utilisation de directions assistées électriques et de capteurs de braquage d'angle de la colonne de direction pour déterminer l'angle des roues et ainsi agir sur les freins pour les corrections de trajectoire. Les directions assistées électriques utilisent fréquemment des moteurs électriques à courant continu sans balai dont il est nécessaire de piloter les commutations de phase finement et donc de connaître la position angulaire absolue du rotor. Les moteurs électriques d'assistance actionnent ainsi le système d'orientation des zones avec lequel ils sont liés mécaniquement. Suivant les types de véhicules et les constructeurs, la liaison mécanique entre le moteur d'assistance et le système d'orientation des roues peut se faire à différents endroits possibles, par exemple sur l'arbre de colonne de direction ou bien sur la crémaillère d'orientation des roues. Dans une colonne de direction, il existe en général une démultiplication entre la vitesse de rotation de la colonne de direction et celle du moteur électrique de l'ordre de 10 à 20, de telle sorte que la colonne de direction fait un tour tandis que l'arbre du moteur fait 10 à 20. Le nombre de tours cumulés pour la colonne de direction d'une direction de braquage maximale à une autre est de l'ordre de 4 tours. Il est donc nécessaire de déterminer l'angle absolu de l'arbre moteur sur 40 à 80 tours d'arbre et l'angle absolu de la colonne de direction sur 4 tours.
Le document EP 1 026 068 (TRW) décrit une direction assistée électrique comprenant un arbre de direction, un moteur électrique ayant un rotor connecté de façon opérationnelle à l'arbre de direction par le biais d'une boîte d'engrenages ayant un rapport de démultiplication non entier, des premiers moyens de détection pour produire une sortie fonction de la position angulaire de l'arbre de direction et des seconds moyens de détection conçus pour produire une sortie fonction de la position angulaire du rotor, et des moyens de traitement conçus pour traiter les deux signaux de sortie pour produire un signal de position angulaire indiquant la position angulaire de l'arbre de direction sur une plage supérieure à un tour complet. Il peut être prévu un capteur d'angle absolu sur l'arbre du moteur ou sur l'arbre de colonne de direction, ce qui s'avère coûteux s'agissant d'un capteur absolu multitour. Par ailleurs, un index peut être prévu sur l'arbre de direction, ou sur l'arbre du moteur. Toutefois, l'index ne fournit pas une précision suffisante.
Le document EP 1 413 499 (Toyoda) décrit une direction assistée électrique pourvue de deux capteurs sur la colonne de direction et d'un capteur sur le moteur. Le fait de disposer trois capteurs s'avère coûteux et nécessite en outre une électronique de traitement relativement sophistiquée.
Le document US 5 646 523 (Kaiser) décrit un appareil pour déterminer la position angulaire de braquage de roues comprenant un capteur fin et un capteur grossier associés à l'arbre de la colonne de direction, le capteur fin bénéficiant d'une démultiplication quadruple grâce à des engrenages permettant d'entraîner plus rapidement le codeur correspondant. Ce dispositif s'avère relativement compliqué et ne permet pas de connaître la position des pôles du moteur électrique.
Le document US 6 248 993 (Leopold Kostal) décrit un capteur d'angle de braquage pour déterminer la position angulaire absolue de braquage d'une roue, comprenant deux unités capteurs, l'une détectant la position angulaire dans un segment d'angle de la plage complète de rotation de braquage, l'autre unité détectant la rotation de braquage par l'intermédiaire d'engrenages avec un rapport différent de 1 , de telle sorte que les vitesses de rotation détectées par les deux capteurs soient différentes dans le but de détecter une position angulaire absolue. Là encore, ce document ne permet pas de connaître la position angulaire absolue du rotor du moteur électrique d'entraînement. L'abrégé du document JP 2005 053 416 (Toyoda Mach Works) décrit un appareil de braquage pour véhicule de type à direction entièrement électrique. Le moteur électrique de braquage est associé à deux réducteurs, l'un pour le braquage des roues et l'autre pour la détection de la rotation avec une rotation sur un tour à partir d'une position neutre soit une rotation totale sur deux tours.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients et aux limitations des documents ci-dessus.
La présente invention a pour but de fournir au moyen d'un seul module une position angulaire absolue de l'arbre du moteur électrique de direction et de l'angle de braquage des roues directrices. En général, l'angle de braquage des roues directrices est lié de façon univoque à la position angulaire de la colonne de direction.
La présente invention a pour but de fournir lesdites positions angulaires par des moyens fiables et bon marché.
Le dispositif de détection de position angulaire d'arbre de moteur électrique par rapport à un élément tournant comprend un réducteur comprenant une entrée liée en rotation à l'arbre, et une sortie, de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 2π, un capteur de position angulaire monotour étant disposé pour mesurer l'angle de la sortie du réducteur, et un capteur de position angulaire étant disposé sur l'entrée du réducteur. On dispose ainsi d'un réducteur pourvu d'un capteur de position angulaire d'entrée et d'un capteur de position angulaire de sortie et capable lorsqu'il est monté dans un mécanisme de direction, de fournir deux signaux permettant de déterminer avec une précision suffisante la position angulaire du rotor du moteur électrique et la position angulaire de braquage des roues. On peut ainsi intervenir par des systèmes d'assistance sur la trajectoire du véhicule. Le réducteur équipé de ses deux capteurs forme un sous-ensemble qui peut être monté sur un moteur électrique de direction électrique de type conventionnel.
Le rapport de réduction du réducteur peut être compris entre 5 et 100. Dans un mode de réalisation, le réducteur comprend un palier à roulement et un boîtier. Le palier à roulement peut comprendre une bague intérieure montée sur l'arbre et une bague extérieure montée dans le boîtier. Un codeur peut être supporté par la bague intérieure et coopérer avec le capteur de position angulaire.
Dans un mode de réalisation, le capteur monotour est un capteur de position angulaire absolue. Un capteur de position angulaire absolue monotour est nettement moins onéreux qu'un capteur de position angulaire absolue multitour.
Dans un mode de réalisation, le capteur monotour est monté sur une carte électronique supportée par un boîtier du réducteur. Les deux capteurs peuvent être montés sur la carte électronique. Un codeur peut être monté sur un palier à roulement.
Dans un mode de réalisation, le dispositif comprend un palier à roulement comprenant une bague intérieure tournante prévue pour être montée sur l'arbre et une bague extérieure non tournante.
Dans un mode de réalisation, le réducteur comprend au moins un train épicycloïdal. On peut ainsi obtenir un rapport de réduction de l'ordre de 5 à 20.
Dans un autre mode de réalisation, la réducteur comprend au moins un réducteur harmonique. On peut ainsi obtenir un rapport de réduction compris entre 15 et 100.
Dans un mode de réalisation, la sortie est dimensionnée en couples pour le propre couple de traînée du dispositif. Le couple de traînées du dispositif peut être essentiellement constitué par le couple de traînée du palier à roulement du réducteur et du couple de traînée des engrenages du réducteur. Le couple de traînée du dispositif est très faible.
Dans un mode de réalisation, le capteur de position angulaire d'entrée est capable de mesurer un angle modulo 2π. On peut donc utiliser un capteur de position angulaire économique de type absolu ou par incrément.
Dans un mode de réalisation, l'arbre est lié à un élément mené par engrenage avec un rapport de réduction compris entre 1 et 5. Dans un mode de réalisation, le capteur de position angulaire d'entrée comprend un codeur multipolaire.
Le capteur de position angulaire peut être radialement à l'extérieur du codeur. Le capteur de position angulaire monotour peut présenter un entrefer axial avec un codeur.
Le capteur de position angulaire monotour peut être disposé radialement à l'extérieur du capteur de position angulaire.
Un capteur peut comprendre un ou plusieurs éléments sensibles disposés en regard d'un élément codeur, par exemple une ou plusieurs cellules à effet Hall disposées en regard d'un anneau codeur magnétique multipolaire.
Le moteur électrique comprend un rotor, un stator, un arbre supportant le rotor et un dispositif de détection de position angulaire de l'arbre par rapport à un élément non tournant. Le réducteur comprend une entrée liée en rotation à l'arbre, et une sortie. Le rapport de réduction du réducteur est choisi entre 5 et 100 de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 2 π. Un capteur de position angulaire monotour est disposé pour mesurer l'angle de la sortie du réducteur et un capteur de position angulaire est disposé sur l'entrée du réducteur.
Un dispositif de direction assistée peut comprendre un moteur électrique tel que ci-dessus et un arbre entraîné par le moteur électrique est prévu pour provoquer le braquage des roues d'un véhicule.
Un réducteur peut comprendre un mécanisme de réduction, une entrée, une sortie, un capteur de position angulaire monotour disposé pour mesurer l'angle de la sortie, et un capteur de position angulaire disposé sur l'entrée, le rapport de réduction du réducteur étant choisi de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 2π.
Le réducteur peut comprendre un palier à roulement et un boîtier, le palier à roulement comprenant une bague intérieure prévue pour être montée sur un arbre, une bague extérieure montée dans le boîtier, et un codeur supporté par la bague intérieure et coopérant avec le capteur de position angulaire.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en couper axiale d'un dispositif de détection de position angulaire ; la figure 2 est une vue en perspective éclatée du dispositif de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue de côté en élévation du dispositif de la figure 1.
Comme on peut le voir sur les figures, le dispositif de détection de position angulaire 1 est monté sur l'arbre 2 d'un moteur électrique. L'arbre 2 supporte également un pignon 3 claveté par une clavette 4 et par exemple destiné à entraîner un engrenage complémentaire d'une colonne de direction.
Le dispositif de détection 1 comprend un réducteur 5, ici de type harmonique, un palier à roulement 6 et une partie de détection 7.
Le réducteur 5 qui est ici de type harmonique comprend une couronne 8 pourvue d'une denture dirigée vers l'intérieur, un engrenage 9 flexible radialement engrenant avec la couronne 8 en deux zones opposées diamétralement (voir figure 3), et un générateur d'ondes 10, monté concentriquement. L'engrenage flexible 9 est pourvu d'une surface intérieure axiale. Le générateur d'ondes 10 comprend un anneau 1 1 dont l'alésage est monté sur l'arbre 2 de façon solidaire en rotation au moyen d'une clavette 12. A partir de l'anneau 1 1 s'étendent radialement vers l'extérieur deux bras diamétralement opposés. Le générateur d'ondes 10 comprend deux doigts de support 13 montés chacun sur un bras. L'anneau, les bras et les doigts peuvent être monoblocs. Le générateur d'ondes 10 se complète par deux coussinets lisses 14 chacun monté sur un doigt 13. Les coussinets 14 sont en contact avec la surface intérieure de l'engrenage flexible 9 dont ils provoquent la déformation radiale en contraignant ledit engrenage flexible 9 à venir engrener dans la denture de la couronne 8 en deux zones diamétralement opposées. Il pourrait être envisagé de remplacer les coussinets 14 par des roulements. Le générateur d'ondes 10 est claveté sur l'arbre 2 par une clavette 12.
Le palier à roulement 6 est monté sur l'arbre 2 axialement entre le pignon 3 et le réducteur 5. Le palier à roulement 6 comprend une bague intérieure 15, par exemple emmanchée sur l'arbre 2, une bague extérieure 16, une rangée d'éléments roulants 17, ici des billes, maintenues à espacement circonférentiel régulier par une cage et un flasque d'étanchéité 18 monté dans une rainure de la bague extérieure 16 et venant former un passage étroit avec une portée axiale de la bague intérieure 15. Les bagues 15 et 16 présentent chacune un chemin de roulement en forme de portion de tore pour recevoir les éléments roulants 17. Les bagues 15 et 16 sont de type à gorge profonde. Le roulement 6 peut être d'un type standard fabriqué en grande série de façon économique.
Le dispositif de détection 1 comprend un boîtier 19, par exemple réalisé en matériau synthétique, entourant le réducteur 5 et le roulement 6. Dans le mode de réalisation illustré, le boîtier 19 est annulaire et comprend une portion axiale de petit diamètre 20 dans l'alésage de laquelle est fixée rigidement la bague extérieure 16 du roulement 6. Du côté du pignon 3, la portion axiale de petit diamètre 20 se prolonge par un court rebord radial 21 dirigé vers l'intérieur et en contact avec une surface frontale de la bague extérieure 16, formant ainsi une butée axiale. Le boîtier 19 comprend également une portion radiale 22 s'étendant vers l'extérieur à partir de l'extrémité de la portion axiale de petit diamètre 20 opposée au rebord radial 21 et présentant une face sensiblement coplanaire avec les surfaces radiales frontales des bagues intérieure 15 et extérieure 16 du roulement 6. Le boîtier 19 comprend une portion axiale de grand diamètre 23 s'étendant axialement à l'opposé du pignon 3 à partir de l'extrémité de grand diamètre de la portion radiale 22. La couronne 8 est solidaire de la portion axiale de grand diamètre 23.
Avantageusement, les parties du boîtier 19 et la couronne 8 sont réalisées de façon monobloc, par exemple venues de moulage. Le boîtier 19 peut être réalisé en polyamide renforcé par une charge minérale.
La partie de détection 7 est de façon générale disposée dans un espace délimité axialement d'un côté par le réducteur 5 et de l'autre côté par le roulement 6, et radialement, d'un côté par l'arbre 2 et de l'autre côté par la partie axiale de grand diamètre 23 du boîtier 29. La partie de détection 7 comprend une carte électronique 24 occupant un secteur angulaire limité (voir figures 2 et 3), par exemple de l'ordre de 90° et fixée contre la face radiale interne de la portion radiale 22 du boîtier 19 et en contact avec la face frontale de la bague extérieure du roulement 16 du côté du réducteur 5. Alternativement, la carte électronique peut être fixée sur la bague extérieure 16 et en contact avec le boîtier 19.
La carte électronique 24 supporte un circuit électronique de traitement 25 et deux capteurs 26 et 27, par exemple de type magnétosensible. Le capteur 26 est fixé angulairement sensiblement au milieu de la carte 24 et radialement au niveau de l'engrenage flexible 9. Le capteur 27 est fixé angulairement sensiblement au milieu de la carte 24 et radialement sur son bord interne en faisant face radialement vers l'intérieur. Ainsi le capteur 26 est disposé radialement à l'extérieur du capteur 27. Les capteurs 26 et 27 peuvent être chacun de type optique ou magnétique. Dans ce qui suit, on envisagera le cas de deux capteurs 26 et 27 de type magnétosensible.
La partie de détection 7 comprend deux codeurs annulaires 28 et 29. Le codeur 28 se présente sous la forme d'une bague multipolaire de section rectangulaire allongée radialement fixée, par exemple par collage ou par surmoulage, à une face radiale de l'engrenage flexible 9, et faisant face au capteur 26 avec un faible entrefer axial. Le codeur 28 présentant une rigidité inférieure à celle de l'élément flexible 9 est capable d'accompagner les déformations radiales dudit engrenage flexible 9 et de générer un signal magnétique dans le capteur 26.
Le codeur 28 et l'engrenage 9 pourraient ne former qu'une seule et même pièce monobloc. Le codeur 29 est supporté par la bague intérieure 15 du roulement 6 et génère un signal magnétique dans le capteur 27. Le codeur 29 comprend un support 30, par exemple sous la forme d'une coupelle en tôle pourvue d'une portion axiale emmanchée sur une portée extérieure de la bague intérieure 15, d'une portion radiale en contact de butée contre la face frontale radiale de la bague intérieure 15 du côté du réducteur 5 et d'une portion axiale de diamètre plus faible s'étendant en direction du réducteur 5, et une partie active 31 , par exemple de type plastoferrite, surmoulée sur le support 29 en entourant la portion axiale de petit diamètre et une partie de la portion axiale de grand diamètre et en présentant une surface extérieure axiale en face du capteur 27 avec un faible entrefer radial.
Dans le mode de réalisation représenté, le roulement 6 est dépourvu de flasque d'étanchéité du côté du codeur 29. Toutefois, l'on pourrait prévoir un joint frottant ou un flasque de forme adaptée venant coopérer avec une partie du codeur 29.
La partie de détection 7 comprend ainsi une même carte électronique supportant deux capteurs et un circuit électronique recevant les signaux de sortie desdits capteurs et capable de transmettre vers l'extérieur, par exemple par une liaison filaire ou radioélectrique non représentée, une information représentative de la position angulaire absolue de l'arbre 2 et une information relative à l'angle de braquage. Le circuit électronique 25 peut transmettre des signaux de sortie des capteurs 26 et 27 après une simple mise en forme ou, alternativement, effectuer un traitement permettant de déterminer avec la précision souhaitée la position angulaire absolue de l'arbre 2 du moteur électrique d'une part, sur la base de l'information fournie par le capteur 27 et d'autre part, l'angle de braquage des roues du véhicule en fonction du signal de sortie du capteur 26 et du signal de sortie du capteur 27.
Le dispositif de détection 1 peut donc comprendre un seul roulement, un réducteur, deux codeurs, deux capteurs et une seule carte électronique supportant les capteurs, ce qui s'avère particulièrement économique et compact. En outre, le dispositif de détection 1 forme un sous-ensemble qui peut être assemblé aisément sur une extrémité d'arbre 2 de moteur électrique, par exemple entre un pignon d'entraînement de colonne de direction et le carter, non représenté, du moteur. On remplace donc par un système unique et compact des systèmes qui dans l'art antérieur étaient répartis sur la colonne de direction et sur le moteur de la direction assistée.
Lors du fonctionnement, l'arbre 2 du moteur électrique est susceptible de tourner en entraînant le pignon 3, lequel actionne le dispositif de braquage des roues, l'arbre 2 du moteur étant lié mécaniquement avec le système d'orientation des roues de telle sorte que le taux de réduction entre le déplacement angulaire de l'arbre 2 du moteur et le déplacement angulaire de l'arbre de colonne de direction soit de l'ordre de 10 à 20. La bague intérieure 15 du roulement 6, et par conséquent le codeur 29, sont entraînés à la même vitesse que l'arbre 2. Le déplacement angulaire de l'arbre 2 est donc détecté par le capteur 27 et transmis au circuit électronique 25 pour transmission vers un organe extérieur et le cas échéant, traitement. Le générateur d'ondes 10 du réducteur 5 est également entraîné à la même vitesse de rotation de l'arbre 2, ce qui provoque une rotation de l'engrenage flexible 9 avec un rapport de réduction de 5 à 100, de préférence de l'ordre de 40 à 80. En d'autres termes, l'engrenage flexible 9 et le codeur 28 se déplacent d'un degré d'angle pour 40 à 80 ° d'angle de déplacement de l'arbre 2. Le déplacement angulaire du codeur 28 et de l'engrenage flexible 9 est détecté par le capteur 26 et transmis au circuit électronique 25 pour transmission vers un organe extérieur et le cas échéant, traitement.
Afin de limiter le déplacement angulaire de l'engrenage flexible 9 et du codeur 28 à moins d'un tour, le rapport de démultiplication du réducteur 5 est conçu pour être supérieur ou égal au produit du rapport de démultiplication de l'arbre 2 par rapport à la colonne de direction par le nombre de tours de la colonne de direction d'une butée à une autre, c'est-à-dire de la position extrême de braquage à gauche à la position extrême de braquage à droite des roues du véhicule. On assure ainsi que le codeur 28 possède une plage de rotation inférieure à 360 °. On peut ainsi utiliser un codeur 28 et un capteur 26 de type monotour nettement plus économique qu'un capteur multitour. La résolution du capteur 26 et du codeur 28 peut être relativement faible dans la mesure ou la position angulaire précise de l'arbre 2 est fournie par le capteur 27 et le codeur 29 tandis que le capteur 26 et le codeur 28 ne fournissent qu'un signal de moindre précision. Compte tenu de la démultiplication offerte par le réducteur 5, on peut ainsi déterminer une position angulaire de la colonne de direction avec une très bonne précision de l'ordre de 0, 1 °.
Le codeur 28 peut être du type à pôles alternés circonférentiellement ou encore du type quadripolaire avec un pôle nord extérieur et un pôle sud intérieur sur 180 ° et un pôle nord intérieur et un pôle sud extérieur sur 180 °. Le champ magnétique vu par le capteur varie en fonction de la position angulaire et de la position radiale du codeur 28 compte tenu de la déformation radiale de l'engrenage flexible 9.
Pour la commande du moteur électrique 2 qui peut être de type à courant continu sans balai, il est souhaitable de connaître avec précision la position angulaire des pôles du rotor et par conséquent de l'arbre 2. Le capteur 27 et le codeur 29 sont de type multitour à résolution élevée ou encore fournissant un angle absolu.
Dans le mode de réalisation représenté, le boîtier 19 est prévu pour être non tournant, par exemple solidaire en rotation du carter du moteur électrique tandis que l'un des codeurs est associé à la bague intérieure du roulement et l'autre à l'engrenage flexible du réducteur. A titre de variante, le codeur 29 peut être monté sur la portion annulaire axiale 1 du générateur d'ondes 10 ou encore directement sur l'arbre 2, ce qui peut permettre d'utiliser un roulement de type standard à deux éléments d'étanchéité également de type standard. On dispose ainsi d'un réducteur dont la couronne peut être prévue pour supporter les capteurs, le roulement assurant la concentricité de la couronne et de l'arbre du moteur électrique.
Pour plus de clarté, ont été illustrés en pointillés sur la figure 1 , le carter 32 du moteur électrique et la colonne de direction 33. Grâce à l'invention, on bénéficie d'un dispositif extrêmement compact et économique monté en tant que sous-ensemble sur un arbre de moteur électrique de direction à assistance électrique ou de direction entièrement électrique et muni d'une carte électronique fournissant à la fois un signal représentatif de la position angulaire précise de l'arbre du moteur électrique et un signal représentatif de l'angle de braquage des roues. Deux capteurs seulement peuvent suffire à fournir ces données. En outre, on peut se passer d'autres systèmes de détection additionnels, par exemple disposés sur un roulement de colonne de direction ou encore sur une crémaillère de direction.
On pourrait également, sans sortir du cadre de l'invention, prévoir un réducteur de type épicycloïdal au lieu d'un réducteur de type harmonique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de détection de position angulaire (1 ) d'un arbre (2) de moteur électrique par rapport à un élément non tournant, caractérisé par le fait qu'il comprend un réducteur (5) comprenant une entrée liée en rotation à l'arbre (2), et une sortie, de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 2π, un capteur de position angulaire (26) monotour étant disposé pour mesurer l'angle de la sortie du réducteur et un capteur de position angulaire (27) étant disposé sur l'entrée du réducteur.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le rapport de réduction du réducteur est choisi entre 5 et 100.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le capteur (26) monotour est un capteur de position angulaire absolue.
4. Dispositif selon la revendication 1 , 2 ou 3, dans lequel le capteur (26) monotour est monté sur une carte électronique supportée par un boîtier (19) du réducteur.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réducteur comprend au moins un train épicycloïdal ou au moins un réducteur harmonique.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le réducteur (5) comprend un palier à roulement (6) et un boîtier (19), le palier à roulement (6) comprenant une bague intérieure (15) montée sur l'arbre (2) et une bague extérieure (16) montée dans le boîtier (19), un codeur (29) supporté par la bague intérieure (15) coopérant avec le capteur de position angulaire (27).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur de position angulaire (27) est radialement à l'extérieur du codeur (29), et/ou le capteur de position angulaire (26) monotour présente un entrefer axial avec un codeur (28).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur de position angulaire (26) monotour est disposé radialement à l'extérieur du capteur de position angulaire (27).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur de position angulaire (27) est capable de mesurer un angle modulo 2π.
10. Moteur électrique comprenant un rotor, un stator et un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit rotor étant lié à l'entrée du réducteur (5).
1 1. Dispositif de direction assistée comprenant un moteur électrique selon la revendication 10, et un arbre (2) entraîné par le moteur électrique et prévu pour provoquer le braquage des roues d'un véhicule.
12. Réducteur (5) comprenant un mécanisme de réduction, une entrée et une sortie, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur de position angulaire (26) monotour disposé pour mesurer l'angle de la sortie, le rapport de réduction du réducteur étant choisi de telle sorte que la sortie du réducteur se déplace sur un angle inférieur à 2π, un capteur de position angulaire (27) disposé sur l'entrée du réducteur.
13. Réducteur selon la revendication 12, comprenant un seul palier à roulement.
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