FR2912481A1 - Dispositif de freinage a commande electrique. - Google Patents

Dispositif de freinage a commande electrique. Download PDF

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Abstract

Le dispositif de freinage comprend un moteur électrique (1) apte à agir sur un moyen (2) pour permettre un déplacement rapide de plaquettes (3) en contact avec un disque (4) ou un tambour et un actionneur magnétostrictif apte à créer une force de serrage sur les plaquettes contre le disque ou le tambour. L'actionneur magnétostrictif est constitué par au moins un enroulement (5) d'un matériau magnétique sur un support (5a).

Description

L'invention se rattache au secteur technique du freinage en général et
concerne plus particulièrement un dispositif de freinage à commande électrique.
Généralement, d'une manière connue, ce type de freinage met en oeuvre au moins un actionneur, le plus souvent sous forme d'un moteur électrique, qui doit permettre, d'une part, un déplacement rapide, pour amener, par exemple, deux plaquettes en contact avec un disque ou tambour de frein et, d'autre part, d'exercer une force importante pour serrer les plaquettes contre la surface du disque du tambour, en vue de produire un couple de freinage. L'utilisation d'un seul actionneur, pour réaliser ces deux fonctions de déplacement et de serrage, n'est pas satisfaisante. C'est pourquoi les solutions connues utilisent souvent un moteur électrique et une vis à bille pour assurer la fonction de déplacement rapide et un actionneur magnétostrictif pour assurer la fonction de force de serrage. Avec cette solution, le moteur électrique peut être dimensionné pour une faible puissance nécessaire et limitée au déplacement rapide des plaquettes avant que ces dernières ne soient en contact avec le disque ou tambour. Les plaquettes opposent donc très peu de résistance. Un moteur électrique, de caractéristiques conventionnelles, tournant à des vitesses de rotation élevées, tout en étant compact, peut donc être utilisé.
La vis à bille a pour fonction d'assurer l'irréversibilité du dispositif, en considérant qu'un effort venant du moteur électrique, permet de déplacer les plaquettes, tandis qu'un effort en provenance de ces plaquettes ne donne aucun déplacement de quelque côté que ce soit. L'actionneur magnétostrictif est situé du côté des plaquettes et est actionné quand le moteur a fini de faire plaquer les plaquettes contre le disque ou le tambour.
Une fois que les plaquettes sont plaquées contre le disque ou le tambour, la résistance rencontrée par le moteur électrique dépasse celle admise par le moteur. Le moteur électrique est coupé et l'actionneur magnétostrictif est alimenté pour assurer la fonction de serrage des plaquettes.
On rappelle, d'une manière parfaitement connue pour un homme du métier, qu'il est avantageux d'utiliser la magnétostriction dans le domaine du freinage, étant donné qu'elle permet, par définition, d'exercer une force importante, avec un déplacement limité. L'effet magnétostrictif est obtenu à partir de certains matériaux magnétiques tels que le nickel et le cobalt, ainsi que leur alliage avec le fer. Toutefois, de meilleurs résultats sont obtenus avec des terres rares et leur alliage avec le fer. On peut avantageusement citer le Terfénol-D qui est un alliage de fer, de dysprosium et de terbium.
Dans les solutions connues et dans le domaine technique du freinage, l'actionneur magnétostrictif est constitué par un simple barreau de Terfénol-D magnétisé longitudinalement par un électroaimant.
Une solution de ce type ressort de l'enseignement du brevet EP 0988467. Avec cette solution, il est nécessaire de magnétiser une longueur significative du barreau pour obtenir une élongation compatible avec la déformation des plaquettes sous l'effort de serrage. Cela nécessite d'utiliser des effets magnétostrictifs importants, ce qui exclut par exemple le fer et le cobalt. Par contre, l'utilisation de Terfénol-D, qui présente de bonnes caractéristiques, pose des problèmes d'intégration et de coût.
L'invention s'est fixée pour but de remédier à ces inconvénients d'une manière simple, sûre, efficace et rationnelle.
Le problème que se propose de résoudre l'invention est de réaliser un dispositif de freinage à commande électrique, qui réalise les fonctions indiquées précédemment, en étant compact, d'un coût de fabrication réduit et ayant un haut rendement énergétique, une faible consommation et une bande passante large.
Pour résoudre un tel problème, selon l'invention, l'actionneur magnétostrictif est constitué par au moins un enroulement d'un matériau magnétique sur un support.
On rappelle que le dispositif de freinage à commande électrique est du type de ceux comprenant un moteur électrique apte à agir sur un moyen pour permettre un déplacement rapide des plaquettes en contact avec un disque ou un tambour et un actionneur magnétostrictif apte à créer une force de serrage sur les plaquettes contre le disque ou le tambour.
Selon cette caractéristique à la base de l'invention, le matériau peut être un alliage de fer et de cobalt, constituant ainsi un enroulement d'encombrement moyen à coût réduit, ou bien être en Terfénol-D, pour obtenir un enroulement d'encombrement réduit.
Selon une autre caractéristique, la magnétisation du matériau d'enroulement peut être effectuée par un électroaimant ou par un aimant permanent.
Pour résoudre le problème posé de réduire les fuites magnétiques par court-circuit, l'enroulement est de section rectangulaire mince dans la direction longitudinale et épais dans la direction radiale.
Différentes formes de réalisation peuvent être envisagées pour la réalisation de l'actionneur magnétostrictif.
Par exemple, l'actionneur magnétostrictif est à circuit magnétique rotatif ou linéaire, à géométrie variable et actionné par tout type d' actionneur, notamment par un moteur électrique.
Ou bien dans une autre forme de réalisation, l'actionneur magnétostrictif est un circuit magnétique fixe et à aimant permanent entouré d'un électroaimant traversé par de très intenses et brèves impulsions de courant magnétisant.
L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des figures des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre le principe de l'actionneur magnétostrictif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue à caractère schématique montrant un exemple de réalisation du dispositif de freinage électrique, dans le cas d'un actionneur magnétostrictif à circuit magnétique et à géométrie variable rotatif actionné par un moteur électrique ; - la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 dans le cas d'un actionneur magnétostrictif à circuit magnétique à géométrie variable linéaire actionné par un moteur électrique ; - la figure 4 est une vue correspondant à la figure 2 dans laquelle le circuit magnétique est à géométrie variable est remplacé par un circuit magnétique fixe et à aimant permanent entouré d'un électroaimant traversé par de très intenses et très brèves impulsions de courant magnétisant ; - la figure 5 est une vue semblable à la figure 4, le matériau magnétostrictif étant magnétisé par l'électroaimant alimenté en permanence par un courant continu ; - la figure 6 montre l'application du dispositif à des freins à tambour.
D'une manière connue, comme le montrent schématiquement les figures des dessins, le dispositif de freinage à commande électrique comprend un moteur électrique (1) monté en combinaison avec, par exemple, une vis à bille (2) pour permettre le déplacement rapide de plaquettes de freinage (3) destinées à coopérer avec un disque (4) ou autre. En combinaison avec le moteur (1), le dispositif comprend un actionneur magnétostrictif (5) apte à créer une force de serrage sur les plaquettes (3) contre le disque (4) ou tambour. Sur les figures des dessins, (la) représente le stator du moteur ou autre actionneur de déplacement, tandis que le repère (lb) montre le rotor de l'actionneur (1), lequel rotor est monté en combinaison avec la vis à bille (2).
Selon une caractéristique à la base de l'invention, l'actionneur magnétostrictif est constitué par un enroulement (5) monté sur un noyau (5a) faisant office de guide. Le guide (5a) est également monté en combinaison avec, par exemple, une vis à bille (6) ou autre. Comme le montrent les figures des dessins, l'enroulement (5) présente, entre chaque spire, un entrefer de manière à limiter les fuites magnétiques par court-circuit. Ainsi, un enroulement à section rectangulaire mince dans la direction longitudinale et épais dans la direction radiale, est particulièrement bien adapté.
Comme indiqué, l'enroulement (5) peut être réalisé en un mélange de fer et de cobalt. A titre indicatif, un tel enroulement peut être contenu dans une longueur d'environ 5 cm. L'enroulement (5) peut également être réalisé en Terfénol-D permettant d'obtenir une course de l'ordre de 2 mm.
Plus généralement, l'enroulement (5) est réalisé dans un alliage se déformant sous l'effet d'un champ magnétique.
L'enroulement magnétostrictif (5) peut être magnétisé soit par un 15 électroaimant, soit par un aimant permanent. A cet égard, on observe que l'électroaimant produit un champ magnétique qu'il est facile de contrôler, ainsi, par conséquent, que la force qu'exerce l'enroulement magnétostrictif. Par contre, l'électroaimant est consommateur d'énergie. L'aimant permanent présente une consommation d'énergie nulle, 20 ainsi qu'une grande compacité résultant de l'absence d'alimentation d'énergie électrique et du matériau lui-même. Le contrôle du champ magnétique est plus délicat et peut être effectué par l'intermédiaire d'un circuit magnétique à géométrie variable, comme indiqué dans la suite de la description. 25 Dans le cas d'un actionneur magnétostrictif, dont le matériau magnétique est magnétisé par un aimant permanent, il est apparu avantageux d'utiliser un circuit magnétique à géométrie variable. 10 Différentes solutions peuvent être envisagées.
A la figure 2, le circuit magnétique (CM) est à géométrie variable rotatif et actionné par un moteur électrique (7). L'aimant permanent est désigné par (8). Bien évidemment, ce moteur électrique (7), qui actionne un shunt mobile (9), peut être remplacé par tout autre type d'actionneur tel qu'un plongeur électromagnétique, un polymère électroactif, un actionneur à dilatation thermique, un actionneur physioélectrique, ...
A la figure 3, le circuit magnétique (CM) est à géométrie variable linéaire actionné soit par un moteur électrique (7), soit, comme indiqué précédemment, par tout autre type d'actionneur.
Dans une forme de réalisation, le circuit magnétique (CM) à géométrie variable est remplacé par un circuit magnétique fixe et un aimant permanent (10) entouré d'un électroaimant (11) traversé par de brèves et intenses impulsions de courant. L'électroaimant de magnétisation (11) est assujetti à une électronique de commande (12). A noter que les impulsions magnétisent l'aimant en lui imposant la valeur de champ magnétique désiré. Dans cette forme de réalisation, il est préférable d'utiliser des aimants classiques tels que des ferrites ou des alnicos. A noter que, dans cette forme de réalisation, l'électroaimant (11) pourrait être enroulé directement sur le circuit magnétique.
Dans le cas d'un frein à tambour, l'enroulement magnétostrictif (5) repose sur un guide. L'enroulement utilise soit un matériau se dilatant sous l'effet d'un champ, dans le cas d'un frein actionné par l'établissement du champ, soit un matériau se contractant sous l'effet du champ (frein actionné par l'interruption du champ). Des câbles ou biellettes permettent de transmettre les efforts entre l'enroulement magnétostrictif (5) et le circuit magnétique (CM). Un ressort prétenseur (13) fonctionne en compression, c'est-à-dire en poussant les plaquettes (14) sur le tambour (15). Ce ressort est assujetti à l'enroulement magnétostrictif. Dans cette application à un frein tambour, le circuit magnétique (CM) peut être réalisé selon les différentes formes d'exécution décrites et illustrées dans le cas d'un frein à disque.
Le dispositif selon l'invention peut être appliqué dans tous les cas nécessitant un freinage ou un serrage de pièce après compensation d'un jeu relativement important. Parmi ces différentes applications, on peut citer : Freinage de tous types de véhicules : auto, moto, camions, bus, trains, avions avec une préférence pour les applications ayant besoin de compacité, de légèreté et/ou d'une forte bande passante. Freinage d'ascenseurs avec un frein serré par défaut. Télésièges et télécabines débrayables.
Freins et embrayages pour boites automatiques. Pinces de robots industriels : l'actionneur de déplacement permet de saisir des pièces de tailles différentes et permet une marge de manoeuvre pour laisser la pince se dégager de la pièce une fois celle-ci lâchée. L'actionneur magnétostrictif assure un serrage puissant pour tenir des pièces lourdes et/ou glissantes (surface lisse, enduite de graisse).
Les avantages ressortent bien de la description, en particulier on souligne et on rappelle : Au niveau de la compacité, l'enroulement magnétostrictif permet une plus grande compacité surtout en longueur. A encombrement égal, un enroulement magnétostrictif permet d'utiliser une longueur plus grande de matériau et par conséquent d'obtenir une plus grande course de l'actionneur en serrage. Au niveau des coûts résultant de la possibilité d'utiliser des alliages fer cobalt. Au niveau du rendement énergétique et de la faible consommation résultant de la petite taille et des puissants actionneurs, la consommation d'énergie limitée aux phases transitoires et de la possibilité de récupérer l'énergie consommée à la magnétisation du circuit, dans le cas de circuits magnétiques à géométrie variable. A noter également que la faible consommation énergétique du dispositif permet d'envisager son alimentation en tension réduite de 14 V en courant continu, limitant fortement la consommation de carburant. Au niveau de la large bande passante, qui va au-delà de 20 kHz, permettant de concevoir un actionneur hybride en observant que la bande passante d'un actionneur magnétostrictif dépend essentiellement de la bande passante du dispositif qui applique le champ magnétisant.
La largeur de la bande peut encore être augmentée avec des aimants magnétisés par des impulsions de courant. L'utilisation d'une bande passante très large permet de fournir des prestations de type ESP (Electronic Stability Program) avec des efforts appliqués de faibles amplitudes.
Au niveau de la réduction des coûts liés à l'électronique résultant de la possibilité d'utiliser des moteurs électriques de faible puissance. La faible consommation énergétique et la faible dissipation d'énergie des électroniques, permettent de diminuer les contraintes au niveau des refroidissements, de sorte que d'un point de vue thermique, il est possible de placer les électroniques sur l'étrier en tant que tel, participant ainsi à la réduction des coûts. Au niveau de l'ordre de grandeur des efforts de serrage générés par 5 magnétostriction.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    - 1- Dispositif de freinage à commande électrique comprenant un moteur électrique (1) apte à agir sur un moyen (2) pour permettre un déplacement rapide de plaquettes (3) en contact avec un disque (4) ou un tambour et un actionneur magnétostrictif apte à créer une force de serrage sur les plaquettes contre le disque ou le tambour, caractérisé en ce que l'actionneur magnétostrictif est constitué par au moins un enroulement (5) d'un matériau magnétique sur un support (5a). 10 -
  2. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau est un alliage se déformant sous l'effet d'un champ magnétique. -
  3. 3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau magnétique (5) est un alliage de fer et de cobalt. -
  4. 4- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau magnétique (5) est en Terfénol-D. -
  5. 5- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau 20 magnétique est magnétisé par un électroaimant. -
  6. 6- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétique est magnétisé par un aimant permanent. 25 -7- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement (5) est de section rectangulaire mince dans la direction longitudinale et épais dans la direction radiale. 15-8- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'aimant permanent est monté en combinaison avec un moyen apte à contrôler son champ magnétique. -9- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur magnétostrictif (5) est à circuit magnétique rotatif à géométrie variable, actionné notamment par un moteur électrique. -10- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur 10 magnétostrictif (5) est à circuit magnétique linéaire à géométrie variable, actionné notamment par un moteur électrique. -11-Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'actionneur magnétostrictif(5) est à circuit magnétique fixe et à aimant permanent (10) 15 entouré d'un électroaimant (12) traversé par de très intenses et brèves impulsions de courant. -12- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau magnétostrictif est magnétisé par un électroaimant. 20
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