Direction assistée électrique

Citroën C3 - Renault Twingo

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- Direction électrique Delphi (l'Argus de l'Automobile, 23.9.2004)

Au Mondial de l'Automobile, l'américain présente une commande électrique couplée à un système d'engrenage qui permet de modifier le rapport de démultiplication suivant plusieurs paramètres.

- Direction électrique ZF (l'Argus de l'Automobile, 30.9.2004)

La direction électrique fait des petits
Après la Volkswagen Golf, puis la BMW Z4, c'est au tour des modèles de tailles et de poids supérieurs d'accéder à la direction à assistance électrique de ZF.
La nouvelle version de la direction Servolectric est, en effet, conçue pour les charges sur essieu plus élevées des berlines de haut de gamme, des tout-terrain et des fourgons compacts.
Ce tour de force résulte du fait que le bloc d'assistance et le mécanisme de transmission des forces sont montés parallèlement à la crémaillère.
Ce montage permet de transmettre des forces supérieures à celles des versions précédentes.
Ainsi les véhicules exigeant de hautes forces de direction et qui, pour cette raison, étaient jusqu'ici exclusivement équipés de systèmes de direction hydrauliques, profiteront des avantages de cette solution.
Son principal atout réside dans l'économie de carburant, qui peut atteindre 0,25 l aux 100 km.

Direction assistée électrique Citroën C3

Présentation
Le véhicule C3 bénéficie d'une direction assistée électrique variable en fonction de la vitesse. Appliquée pour la première fois sur un véhicule du groupe PSA Peugeot Citroën, cette nouvelle direction apporte de nombreux avantages :
- un fort agrément de conduite aussi bien en ville que sur route. La gestion électronique des données (vitesse du véhicule, angle de volant) permet un paramétrage extrêmement fin des lois de direction ;
- une réduction non négligeable de la consommation d'environ 0.2 litres aux 100 km obtenue par la suppression de la pompe d'assistance ;
- la suppression des fluides hydrauliques, de la pompe d'assistance et des canalisations réduit la masse globale de la direction. L'absence de pompe d'assistance participe également à la limitation des bruits parasites lors de braquages importants.

1 - Colonne de direction ; 2 - Crémaillère de direction ; 3 - Moteur d'assistance ; 4 - Capteur de couple

La direction, de type pignon-crémaillère intègre un moteur électrique de 60 ou 65 A (selon la monte des pneumatiques) qui agit directement sur le pignon de direction. Des capteurs mesurent des paramètres tels que l'angle volant ou la vitesse du véhicule. Ces informations sont transmises a un calculateur qui évalue en temps réel l'assistance optimale à délivrer par le moteur électrique.
La colonne de direction se règle en hauteur et en profondeur sur une course de 40 mm. Elle se rétracte sur une longueur de 50 mm en cas de choc par le glissement de deux tubes cannelés, afin de limiter les effets d'une collision volant-thorax
A la différence d'une direction assistée hydraulique l'énergie est consommée seulement en cas de besoin (lors d'une action du conducteur sur le volant). On réalise donc une diminution de la consommation par rapport à une direction hydraulique.
Il n'y a pas d'interaction directe avec le moteur thermique car la direction assistée électrique utilise le courant de l'alternateur (lorsque le moteur thermique tourne).

Principe de fonctionnement
La direction assistée électrique assiste les efforts de manoeuvre dès la sollicitation du volant. Le couple d'assistance est fourni à l'aide d'un moteur électrique. Ce couple est transmis au pignon de la crémaillère par un réducteur (roue + vis sans fin de rapport 1:15). Il s'additionne au couple volant appliqué par le conducteur.
La force exercée par le conducteur sur le volant est transmise mécaniquement à la crémaillère via le pignon. Ce couple conducteur est mesuré par l'intermédiaire du capteur de couple et envoyé au calculateur de direction assistée.
Le calculateur alimente le moteur en fonction :
- du couple volant ;
- de la vitesse du véhicule.

Vltesse du véhiculeNiveau
d'assistance
Remarques
Vitesse nulle ou inférieure
à 7 km/h (Parking, manoeuvre)
MaximumLe calculateur commande le moteur d'assistance uniquement en fonction du capteur de couple
Vitesse moyenne
de 8 à 152 km/h
VariableLe calculateur commande le moteur d'assistance en fonction du capteur de couple et de la vitesse véhicule.
L'assistance est d'autant plus faible que la vitesse véhicule est élevée.
vitesse supérieure
à 152 km/h
FaibleLe calculateur commande le moteur d'assistance uniquement en fonction du capteur de couple.
On dit que l'assistance est constante sur cette plage de vitesses.


Ensemble direction assistée électrique
Le système de direction assistée électrique est composé d'une direction manuelle classique avec en plus :
- un capteur de couple ;
un moteur électrique d'assistance et son réducteur ;
deux faisceaux (un faisceau signal et un faisceau puissance) ;
d'un calculateur branché sur le réseau CAN.

Les éléments constitutifs

1. Capteur de couple - 2. Moteur d'assistance - 3. Connecteur alimentation moteur d'assistance - 4. Connecteur signal du capteur de couple

Capteur de couple
Il permet de mesurer en permanence le couple que le conducteur applique au volant.
Le capteur de couple détermine le sens de rotation du volant et le couple exercé par le conducteur.
Un étage électronique intégré au calculateur empêche l'apparition d'un couple d'assistance dans un sens opposé au sens de rotation du volant et interdit l'apparition d'assistance lorsqu'il n'y a pas de sollicitation au volant.
Cette direction n'utilise pas de capteur d'angle volant.
Le capteur de couple est inséré sur l'axe du pignon entre l'arbre d'entrée (côté colonne et volant) et l'arbre de sortie (côté pignon de crémaillère).


A - Coté pignon de crémaillère ; B - Côté volant de direction
1 - Bobine de mesure fixe par rapport à la direction ; 2 - Bobine de référence fixe par rapport à la direction
3 - Arbre d'entrée côté colonne (volant) ; 4 - Barre de torsion qui relie l'arbre d'entre et l'arbre de sortie permettant un déplacement relatif entre les deux arbres de 4,5° maximum
5 - Bague de détection solidaire de l'arbre d'entrée ; 6 - Bague de détection solidaire de l'arbre d'entrée
7 - Bague de détection solidaire de l'arbre de sortie ; 8 - Arbre de sortie côté pignon de crémaillère

Ce capteur est un "couplemètre" à mesure d'angle de torsion à courant de Foucault.
Chaque bague de détection possède une série de créneaux disposés sur sa périphérie de telle manière, qu'en cas de torsion, les créneaux se décalent l'un par rapport à l'autre. Ce décalage plus ou moins important des créneaux en vis-à-vis a pour effet de modifier l'inductance des deux bobines haute fréquence.
L'électronique de traitement des signaux est placée à proximité des bobines.


1. Airbag conducteur - 2. Volant - 3. Coquilles - 4. Colonne - 5. Joint - 6. Boîtier de direction
7. Colliers - 8. Soufflets - 9. Biellettes - 10. Rotules - 11. Calculateur de direction assistée

Le capteur de couple est constitué de 3 parties :
- la partie mécanique constituée d'une barre de torsion, similaire aux barres de torsions des valves hydrauliques classiques. Le décalage angulaire entre l'arbre d'entrée et arbre de sortie est proportionnel au couple appliqué par le conducteur, Une prise "tournevis" limite ce décalage angulaire : la plage est de plus ou moins 4,5° ;
- la partie électromagnétique du capteur donne une information sur la position angulaire des bagues de détection (repère 7 par rapport au repère 6) et par conséquent de l'arbre d'entrée par rapport à l'arbre de sortie ;
- la partie électronique du captent transforme cette information de position angulaire en information de couple avec le principe suivant : la déformation angulaire de la barre de torsion est proportionnelle au couple volant.
Le capteur de couple possède un second étage de détection. Une bobine de référence, dont les caractéristiques ne sont pas modifiées par le déplacement angulaire des bagues de détections.
Elle permet de transmettre une information électrique de référence quelles que soient les conditions d'environnement (température par exemple).


Signal fourni par le capteur au calculateur. - Signal de référence du capteur de couple généré par le calculateur.


Graphe de l'intensité du courant moteur et du signal délivré par le capteur de couple.
Conditions de mesure : Départ volant en position milieu, puis rotation à droite jusqu'en butée,BR>rotation à gauche jusqu'en butée, retour en position milieu.


Capteur de vitesse véhicule


voie 1 : + 12 V ; voie 2 : masse ; voie 3 : signal

Selon la version du véhicule, un capteur vitesse peut-être utilisé pour informer le calculateur sur la vitesse du véhicule.
Si le véhicule est équipé du système ABS, l'information sera transmise directement par celui-ci sur les réseaux multiplexés (pas de capteur vitesse).
Le capteur doit fournir un signal électrique dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation de l'arbre secondaire de la boîte de vitesses, donc à la vitesse du véhicule.
Le capteur est à effet Hall : 5 "tops" par mètre ; 8 "tops" par tour.
Il est implanté sur la boîte de vitesses.
Ensemble moto-réducteur


1 - Moteur d'assistance ; 2 - Roue du réducteur ; 3 - Vis sans fin
4 - Ensemble réducteur ; 5 - Vers volant de direction ; 6 - Arbre de sortie

Le réducteur
Le réducteur est composé d'une roue et d'une vis sans fin.
La roue est solidaire de la colonne de direction;
La vis est reliée à l'arbre du moteur d'assistance.
Rapport de démultiplication du réducteur:1/15

Le moteur d'assistance
Ce moteur électrique est un moteur à balais à courant continu.
Il existe deux types de moteurs électriques, de marque Koyo, différent par leur intensité de fonctionnement :
- 60 A pour les véhicules légers (moteurs 1.4i),
65 A pour les véhicules plus lourds équipés par exemple d'option comme l'air conditionné ou d'une boîte de vitesses automatique (moteurs 1.4i avec BVA et 1.6i 16V).
Pour que le moteur fonctionne deux conditions sont nécessaires :
- tension batterie supérieure à 9 volts ;
- régime moteur supérieur à 285 tr/min.
Protection thermique du moteur :
Le calculateur limite progressivement l'assistance (diminution du courant maximal) si la direction est utilisée pendant une longue période (manoeuvre de butée à butée plusieurs fois de suite) afin d'éviter l'échauffement du moteur d'assistance et de risquer de détériorer le moteur ou le calculateur.
Le niveau de courant est rétabli au fur et à mesure du refroidissement du système.

Synoptique du module de contrôle de l'alimentation du moteur électrique d'assistance



Fonctions constitutives du module de contrôle de l'alimentation du moteur.
- Interface de puissance : Elle est constituée d'un pont en H commandé en hacheur de tension permettant de configurer le sens et l'intensité moyenne du courant traversant le moteur.
- Logique de commande de l'interface : Ce module génère le cycle de commande des transistors de l'interface de puissance à partir du signal d'horloge et en fonction du sens de rotation du moteur défini par le microprocesseur du calculateur.
- Module de modification du rapport cyclique : Il modifie le rapport cyclique du signal d'horloge en fonction de la valeur définie par le micro processeur permettant ainsi de moduler l'intensité moyenne du courant d'alimentation du moteur d'assistance.
- Horloge : Elle génère un signal carré de fréquence prédéfinie.

Schéma de principe de l'interface de puissance


L'interface de puissance est réalisée autour de 4 transistors montés en pont en H.
Q1 Q2 : Transistors de type NPN ; Q3 Q4 : Transistors de type PNP
Le moteur est branché entre les 2 branches du pont.
Le module logique de commande de l'interface commande individuellement chaque transistor afin de réaliser la configuration désirée par le microprocesseur.
La commande des transistors étant réalisée par un signal haché et le montage des diodes de roues libres permet d'obtenir un courant moyen lissé à la valeur désirée.
D3 D4 : Diodes de roue libre

Graphe caractéristique du pont en H


UA1 : Tension mesurée entre une borne du moteur électrique (point A1) et la masse.
Imot : Intensité mesurée sur l'un des 2 câbles d'alimentation du moteur par le calculateur DAE.
Conditions de mesure:
La mesure a été effectuée véhicule à l'arrêt pour une rotation complète à droite puis à gauche.
Départ volant en position milieu puis rotation à droite jusqu'en butée, rotation à gauche jusqu'en butée, retour en position milieu.



Conditions de mesure :
La direction est en butée à droite.
L'intensité nominale est atteinte, elle est limitée par le module de contrôle de l'alimentation.

Calculateur de direction assistée électrique
Le calculateur de la direction assistée électrique est implanté dans le compartiment moteur, au niveau du bac batterie.
Le calculateur reçoit le signal électrique du capteur de couple et commande le moteur d'assistance.
Le calculateur alimente le moteur d'assistance en fonction :
- de la vitesse véhicule ;
- du couple exercé au volant.
C'est le même calculateur qui est monté sur tous les véhicules, contrairement au moteur d'assistance.



Le calculateur est connecté à 3 faisceaux
1 - Alimentation du moteur d'assistance, connecteur 2 voies (bleu) ;
2 - Alimentation batterie : connecteur 2 voies (noir) ;
3 - Signaux de commande: connecteur 10 voies (noir et rouge).


VoiesAffectationVoiesAffectation
CONNECTEUR 15V NR
1Capteur de température moteur d'assistance2Capteur de couple
3Capteur de température moteur d'assistance4-
5Alimentation après contact protégée par le fusible F46Ligne multiplexée sur réseau CAN
7 à 9-10Capteur de couple
11 et 12-13Capteur de couple
14Ligne multiplexée sur réseau CAN15-
CONNECTEUR 2V NR
1Masse2Alimentation batterie protégée par le fusible MF8
CONNECTEUR 2V BE
1Commande moteur d'assistance2Commande moteur d'assistance


Synoptique


Repère - OrganesN° LiaisonSignalNature du Signal
A - Ensemble mécanique de la direction assistée électrique
Capteur de couple
Moteur d'assistance
1313 - Capteur de régime moteur
1320 - Calculateur moteur
7020 - Calculateur ABS
7126 - Calculateur de direction assistée électrique
1Information régime moteurAnalogique
2Information régime moteur
Information vitesse véhicule
(suivant version)
CAN
3Information du couple exercé sur la colonne de direction par le conducteurAnalogique
4Commande du moteur électrique de la directionNiveau de courant
5Information vitesse véhicule
(suivant version)
CAN


Lois d'assistance



Protection thermique


Evolution de l'intensité en fonction du temps.


Modes dégradés
Le calculateur possède une stratégie de gestion des défaillances du système:
- à l'extérieur de la direction (mauvaise communication CAN, information vitesse véhicule incohérente) ;
- à l'intérieur du système de direction (défaut capteur de couple, coupure d'un circuit électrique) ;
- lors de l'apparition d'un ou de plusieurs défauts le calculateur passe en mode dégradé.
Les modes dégradés sont aux nombres de deux :
- assistance de refuge (assistance fortement diminuée) ;
coupure totale de l'assistance.

DéfautMode dégradé
Mauvaise communication avec le réseau CANAssistance de refuge
Vitesse véhicule incohérente
Vitesse véhicule supérieur à 250 km/h
Absence de l'information vitesse véhicule
Assistance de refuge
Régime moteur / vitesse véhicule
Régime moteur supérieur à 7 600 tr/min
Assistance de refuge
Capteur de couple défaillantCoupure de l'assistance
Tension batterie inférieure à 7,7 VoltsCoupure de l'assistance
Moteur d'assistance bloquéCoupure de l'assistance
Problèmes de câblageSi le défaut de câblage est détecté avant le démarrage
du moteur thermique, la direction assistée électrique
n'est pas opérationnelle.


Caractéristiques mécaniques de la direction
Caractéristiques générales de la direction
Rapport de démultiplication 17,8/1 (tour de volant / tour de roue)
Crémaillère 23 dents, pignon 6 dents
3,18 tours de volant, de butée à butée, avec une course de crémaillère de 144 mm
Angle de braquage intérieur 38°, angle de braquage extérieur 32°24'
2,82 tours, de butée à butée, avec une course de crémaillère de 128 mm
Angle de braquage intérieur 32°30', angle de braquage extérieur 28°42'
Diamètre de braquage entre murs 10,45 m avec une dimension de pneumatique commençant par 165, 11,56 m avec une dimension de pneumatique commençant par 185.
Diamètre de braquage entre trottoirs 16,11 m avec une dimension de pneumatique commençant par 165, 11,29 m avec une dimension de pneumatique commençant par 185.
Caractéristiques du moto réducteur d'assistance
Tension nominale moteur courant continu 12 V
Tension d'utilisation9 à 16 V
Intensité nominale 60 A ou 65 A
Rapport de démultiplication 1/15 (roue / vis sans fin)
Rendement réducteur 0,80 mini
Caractéristiques du capteur de couple
Couple maxi mesurable au volant 10 à 11 Nm
Banc de torsion : longueur déformable 92 mm, diamètre 6,6 mm, angle de torsion +/- 4,5°; raideur angulaire 2,9 Nm/°


Schéma électrique
BB00 - Batterie ; C001 - Connecteur diagnostic ; BS.. - Boîtier Servitude ... ; PSFI - Platine Servitude
7126 - Calculateur DAE ; 7128 - Capteur de couple ; 7129 - Moteur d'assistance ; 12xx - Injection
1620 - Capteur vitesse sans ABS ; 70xx - Option ABS ; 10xx - Circuit charge

Direction assistée électrique Renault Twingo
(sources Auto Concept 5 1996, AutoVolt 811)



La petite Renault inaugure en France un système d'assistance variable de direction encore peu répandu qui fait appel uniquement à un moteur électrique, l'assistance hydraulique ou hydroélectrique n'étant pas compatible en encombrement avec le plus petit des monospaces. Disponible en option sur les Twingo "Pack", "Easy" et sur la série limitée "Benetton", voyons son fonctionnement.


Implantation dans la Twingo des composants de la direction à assistance électrique variable.

Dans son principe, cette direction assiste de manière variable les efforts dès la sollicitation du volant. Un moteur électrique s'additionne au couple appliqué au volant par le conducteur, la colonne de direction transmettant au pignon de crémaillère la somme de ces couples.


1 Moteur électrique ; 2 Embrayage ; 3 Ensemble réducteur, roue et vis sans fin , 4 Barre de torsion , 5 Capteur de couple

L'effort volant est transmis mécaniquement à la crémaillère et électriquement à un calculateur par l'intermédiaire d'un capteur de couple. Il provoque la déformation d'une barre de torsion montée sur la colonne qui est mesurée électriquement et transmise au calculateur.


1 Colonne de direction ; 2 Moteur électrique ; 3 Capteur de couple ; 4 Boîtier de direction ; 5 calculateur d'injection ; 6 Calculateur
7 Voyant de direction à assistance électrique variable ; 8 Prose diagnostic ; 9 Capteur de vitesse "Halmo"

Il est intéressant de préciser que ce n'est pas le fait que le volant tourne qui met en action l'assistance, mais la résistance exercée par les roues avant au braquage provoquant la déformation de la barre de torsion montée sur la colonne. Si les roues ne rencontrent pas de résistance (glace par exemple), l'assistance n'agit pas.
Lorsque le capteur de couple enregistre un effort au volant, 1er calculateur fournit au moteur électrique un courant d'alimentation en rapport avec le couple au volant, mais aussi en fonction de la vitesse de la voiture.
L'embrayage puis l'ensemble réducteur transmettent l'effort d'assistance du moteur électrique à la colonne et le braquage des roues est ainsi retransmis par le pignon au niveau de la barre de torsion assurant ainsi le "retour" de l'information.
Si, par la réduction de l'effort en manoeuvres de parking et à faible vitesse, l'assistance est quantitative, elle est aussi qualitative en assurant le meilleur dosage possible. En virage, à une vitesse supérieure à 10 km h, l'effort volant augmente en fonction du virage.
L'assistance donne également une information sur le caractère de la trajectoire au conducteur, c'est la notion de "clavetage". Sa loi n'est pas uniforme car il ne faut pas assister trop rapidement en début de braquage tout en limitant l'effort maximal ensuite. Mais elle doit être aussi suffisamment efficace lors des manoeuvres à l'arrêt tandis qu'elle n'est plus nécessaire à haute vitesse lorsque l'effort au volant est moindre.
A partir de 65 km/h, le moteur électrique n'est plus alimenté et débrayé de la colonne de direction. Le calculateur utilise l'information vitesse véhicule pour offrir en fonction de celle-ci l'assistance dégressive.

A partir du millésime 97, la Twingo peut recevoir une direction à assistance électrique asservie à la vitesse.
Le principe de fonctionnement de la D.A.E. est d'assister les efforts de direction dès la sollicitation du volant. Le couple d'assistance est fourni par un moteur électrique, qui s'additionne au couple volant appliqué par le conducteur. Le système est complété d'une variation de couple fourni en fonction de la vitesse du véhicule.
L'effort volant provoque la déformation d'une barre de torsion montée en série sur la colonne cette déformation est mesurée électriquement puis transmise au calculateur. Le calculateur fournit alors au moteur un courant d'alimentation en fonction du couple au volant, mais aussi de la vitesse du véhicule.
Un embrayage, puis un réducteur transmettent l'effort du moteur électrique à la colonne. Le déplacement des roues, résultant de l'effort direct et de l'effort d'assistance, est retransmis par le pignon au niveau de la barre de torsion assurant ainsi le "retour" de l'information.

COMPOSANTS

Le dispositif se compose d'un moteur électrique, d'un capteur de couple, d'un capteur de vitesse et d'un calculateur.

Moteur d'assistance

Implantation du moteur d'assistance

Le moteur électrique d'assistance est d'une part couplé mécaniquement à la colonne de direction à travers un système composé d'un embrayage et d'un réducteur, et d'autre part, piloté électriquement car l'intermédiaire d'un calculateur électronique.
Le système de direction assistée électrique se monte sur une crémaillère standard.
L'embrayage est du type électromagnétique sec à simple disque.
Le réducteur est composé d'une roue et d'une vis sans fin.

Voyant défaut

Il est incorporé à la barrette de témoins.
La mise à la masse par le calculateur de la D.A.E. provoque l'allumage du voyant défaut.
Le voyant défaut est allumé lorsque le moteur thermique est à l'arrêt ou en cas d'incident sur le système.

Le capteur de couple

Du type magnétique sans contact, c'est un ensemble constitué d'une barre de torsion montée dans la colonne, d'un capteur angulaire et d'une électronique analysant le signal.

Le capteur de vitesse

C'est un capteur électromagnétique avec électronique intégrée monté en sortie de boite de vitesses.

Le capteur de régime moteur

Permet de recevoir une information sur le régime moteur issue du calculateur d'injection.

Le calculateur

Implantation du calculateur de direction assistée
1. Calculateur de direction assistée ; 2. Moteur d'assistance de direction

Permet la commande du moteur électrique en contrôlant le sens et intensité du courant circulant dans le moteur électrique, de surveiller le bon fonctionnement du système, de gérer le système en cas de défaillance d'un organe et de faciliter sa maintenance.
Pour atteindre le calculateur, il est nécessaire de déposer la planche de bord.


AFFECTATIONS DES BROCHES DES 2 CONNECTEURS SUR LE CALCULATEUR
VoiesAffectationsVoiesAffectations
Connecteur 4 voies
1Moteur D.A.E.3Moteur D.A.E
2Alimentation permanente4Masse
Connecteur 16 voies
1Alimentation après contact9-
2Information vitesse véhicule10Information régime moteur
3Alimentation capteur de couple11Alimentation capteur de couple
4Information capteur de couple12Information capteur de couple
5Masse capteur de couple13Masse capteur de couple
6-14Ligne diagnostic - borne 8 sur prise
7Voyant défaut15-
8Embrayage D.A.E16Embrayage D.A.E