X by Wire

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Description détaillée

« By-wire » ou « système à commande uniquement électrique », donc sans lien mécanique !

Cette petite révolution au sein du monde automobile est venue progressivement. D'abord en remplaçant des petites fonctions mécaniques par des systèmes électriques comme les vitres ou les sièges.

Mais l'automatisation ou « mécatronic » supplémente de plus en plus les systèmes classiques. Ainsi, depuis de nombreuses années, pratiquement tous les conducteurs accélèrent en faisant confiance à l'électronique ! Grâce à un accélérateur  « by-wire », donc sans câble : un capteur prend l'information de la position de la pédale et un moteur électrique ouvre le papillon des gaz du moteur de la même proportion.

Ce système apporte une sensibilité à la pédale différente, permet une gestion plus fine de la conduite et une meilleure gestion de l'antipollution. On peut ainsi par un simple « clic » passer en mode confort ou sport, gérer le ralenti et le régulateur de vitesse sans que le conducteur ne ressente de fluctuations.

D'autres fonctions sont déjà sur le marché en « by-wire » : les boîtes de vitesses, le frein de parking électrique. Et d'autres fonctions ont pu voir le jour grâce à l'utilisation de ces technologies : régulateur de vitesse 2ème génération, stationnement automatisé, etc.

Les fonctions « by-wire » peuvent ainsi s'étendre à des commandes bien plus sensibles : freinage (brake-by-wire) que l'on peut trouver sur l'Alfa Roméo Giulia 2018 et le système IBS (Integrated Braking System) et direction (steer-by-wire) que  l'on peut trouver sur les Infiniti Q50 ou 60 de 2017 et le système DAS 2.0 (Direct Adaptative Steering). La version 1.0 était sortie en 2014 mais de nombreux problèmes survenaient. Les constructeurs travaillent sur ce sujet depuis de nombreuses années.

Par exemple la Saab 9000 présentée en 1997 (Projet Prometheus), la BMW Z22 en 2000, la Citroën C-Croser en 2001 ou la Mercedes F 500 en 2004, de même qu'un grand nombre de prototypes propulsés par pile à combustible. On peut en outre parler du système Mercedes "sensotronic" qui était sortie en 2001 sur la R320 SL mais suite à de nombreux dysfonctionnements et rappels, Mecedes avait arrêté la production de ce système.

Siemens VDO à dévoilé son frein électrique : EWB ou Electronic Wedge Brake, est arrivé sur le marché vers 2010 mais l'automobile ne l'exploite toujours pas.

Bien qu'initialement la législation imposait la présence  obligatoire d'un  système mécanique pour relier le volant et les roues, les nouvelles normes internationales ISO et IEC relatifs à la sécurité de fonctionnement des applications électroniques ayant un impact sur  la  sécurité, et les règlements européens ECE R79 et 13-H sur la direction et les contrôles de stabilité, permettent de voir l'homologation de systèmes drive by wire et brake by wire.

Voici quelques exemples de systèmes existants :

Papillon motorisé:

Les évolutions des normes de pollution ont amené les constructeurs à rompre la liaison mécanique entre la pédale d'accélération et le papillon et l'ont remplacé par une liaison électrique double entre la pédale et le calculateur moteur.

De ce fait, lorsque le conducteur appuie sur la pédale d'accélération, il ne fait que transmettre une demande d'accélération au calculateur. Celui-ci peut tenir compte de tous les paramètres instantanés pour commander par des tensions électriques le papillon motorisé et obtenir une accélération linéaire, avec un mélange air/essence maîtrisé afin de répondre aux normes de dépollution.

Exemple de boîtier papillon BOSCH :

Boîtes de vitesses :

Les diverses appellations : DSG, tiptronic, select speed, proactive, sensodrive, etc. désignent toutes des boîtes de vitesses nouvelle génération qui s'adaptent aux conducteurs.

Pour les boîtes dites automatiques, la nouveauté n'est pas dans la suppression de la pédale d'embrayage mais dans la rupture de la liaison mécanique entre le levier des vitesses et la boîte proprement dite, y compris pour sélection de la position parking.

Sur certains modèles le levier de vitesses a même disparu (Picasso C4 boîte MCP).

Pour les boîtes dites robotisées, l'embrayage et le passage des rapports sont gérés électroniquement. La pédale d'embrayage est supprimée et le levier de sélection de vitesse, bien qu'étant toujours présent, n'a plus aucune liaison mécanique avec la boîte.

Voici un exemple PSA :

La gestion est assurée par un calculateur qui pilote deux actionneurs : un pour le passage des rapports, et l'autre, équipé d'un système de compensation d'usure de la garniture, qui pilote l'embrayage.

Le calculateur de la boîte dialogue également avec celui qui contrôle le moteur afin d'adapter son fonctionnement au besoin de puissance.

Le calculateur contrôle l'ensemble des fonctions liées à la boîte robotisée : mise en route, mode automatique, sécurité, affichage.

Frein de parking automatique :

La voie est ouverte au contrôle du démarrage pour les voitures. Monté en série sur la Renault Vel Satis et généralisé à une partie de sa gamme, le frein de parking éléctromécanique c'est généralisé sur les segments moyens et haut de gamme.

L'intérêt de remplacer les freins de stationnement (généralement entièrement mécaniques) par un système by-wire réside principalement dans la flexibilité d'intégration de la commande intérieure. On lui prête également les vertus de la standardisation entre les plates-formes.

On distingue deux grandes familles : les freins de parking automatiques à commande câblée (Renault, Citroën) et les systèmes éléctromécaniques (VW, Audi ...)

- Les freins de parking automatiques à commande câblée :

Un moteur électrique associé à un mécanisme à vis sans fin qui produit l'effort nécessaire au serrage des étriers arrière via une tension par câbles.

 

Fonctions assurées :

Frein de stationnement
Frein de secours (freinage dynamique)
Serrage automatique après coupure du contact
Desserrage automatique dès que la pédale d'accélérateur est actionnée
Surveillance de l'immobilisation véhicule stationné


- Systèmes électromécaniques :

Le serrage mécanique des garnitures de frein est assuré par un mécanisme à arbre autobloquant. L'entraînement du mécanisme est assuré par un moteur à courant continu. Mécanisme et moteur sont bridés sur l'étrier de frein.

La commande de ces systèmes s'effectue par un bouton situé sur la console centrale et plusieurs calculateurs participent à la fonction frein de parking : le calculateur de frein de parking automatique, le calculateur ABS / ESP, le combiné etc.

Direction électrique:

Bien qu'encore marginal, Infiniti a mis en oeuvre le système "Direct Adaptive Steering" sur la Q50 en 2014 et l'a amélioré sur les Q60 en 2017.

Le volant, via un calculateur de gestion, émet des informations qui vont piloter un moteur électrique inséré dans la colonne de direction. De plus, en mode "régulateur de vitesse avancé avec maintien de voie" le volant bougera tout seul pour piloter le véhicule. Il y a de plus un retour de force adaptable selon le mode de conduite utilisé. La colonne mécanique est encore présente pour réaliser "le mode dégradé" en cas de défaillance de l'électronique de pilotage.

Autres exemples:

Voici un exemple du prototype de « drive by wire » qui a été utilisé sur une C5 :

1- Calculateurs redondants
2- Réseau de communication sécurisé
3- Retour d'effort redondant
4- Réseau d'alimentation électronique redondant
5- Actionneur crémaillère redondant

Et un autre exemple d'une direction By-wire du prototype Mercedes F400  :

 



Le système de direction est muni d'une crémaillère actionnée par un double moteur électrique. Le volant est équipé d'un capteur de position angulaire et d'un moteur électrique pour simuler un « retour de force » correspondant à celui normalement engendré par les roues. Le conducteur conserve artificiellement un ressenti de la route.

La direction étant un domaine ultrasensible en terme de sécurité, tous les éléments sont doublés : calculateurs, batteries, circuits électriques, moteurs de crémaillère et retours d'effort au volant.

Ces systèmes permettent une démultiplication variable sur une plus grande plage que celles actuellement commercialisées. De butée en butée, la démultiplication passe ainsi d'un maximum de 540° à seulement 120° pour les très basses vitesses, ce qui permet des manœuvres en parking d'une très grande rapidité.

Freinage électrique:

Egalement marginal, Alfa Roméo a déployé une solution depuis 2018 nommé Integrated Braking System avec Continental. La liaison entre la pédale de frein et le bloc hydraulique est remplacé par un système de détection de demande et un retour de force. Par contre la liaison reste hydraulique vers les étriers de frein.

L'électronique de commande intègre les fonctions d'ABS, ESC, amplificateur, maître cylindre et actionneurs dans un seul organe "mécatronic" avec ensemble électrique et hydraulique, moteur électrique DC sans balais pour piloter la pression de freinage, et le réservoir de liquide de frein.

La pédale est reliée à la pompe mais ne réalise pas la montée en pression directement. L'électronique va analyser et réaliser un retour de force adapté à la demande sans les "chocs en cas d'enclenchement ABS". Cette liaison avec la pompe permet d'obtenir un mode dégradé de pilotage de la pression de freinage en direct en cas de non fonctionnement de l'électronique.

Autre exemple :

L'Electronic Wedge Brake ou EWB de Siemens VDO :

On peut traduire ce concept par « freinage électronique à coin », où deux moteurs électriques fonctionnant sous 12 V permettent de réaliser un freinage contrôlé en permanence par une électronique de pilotage pour chaque roue.

Le disque de frein est ralenti par une plaquette mise en mouvement par des moteurs électriques par l'intermédiaire de plusieurs rouleaux le long de plaques à surfaces ondulées en biseau inclinées.

- En résumé, direction et freinage électrique peuvent permettre les avancées suivantes :

• Plus de sécurité passive : pas de colonne de direction, ni de pédales
• Plus de sécurité active :

Possibilité de corriger l'angle de braquage lors de freinage sur faible adhérence,
Freinage différencié roue par roue,
Stratégies différentes de couplage entre les systèmes de direction, frein et suspension.

• Plus de confort : direction à démultiplication variable
• Facilité d'adaptation des commandes : conducteur assis à gauche ou à droite, commandes différentes pour chaque carrosserie, voire pour une série limitée
• Facilité mécanique : plus grande liberté de positionnement de la crémaillère, pas de canalisation hydraulique
  

Pour conclure:

Quelques avantages des technologies « X-by Wire » :

• Le nombre de pièces mécaniques en mouvement diminue.
• La disparition des contraintes d'assemblages mécaniques permet de s'attacher  au perfectionnement des commandes conducteur.
• Le gain de place est significatif.
• Il octroie plus de souplesse pour la conception de l'habitacle.
• Le volant est plus petit. L'accès dans le véhicule est plus aisé.
• Parfois le gain de place est tel qu'il est possible de mettre une rangée supplémentaire de sièges.
• Il permet aussi de développer des initiatives visant à accroître la résistance aux chocs.
• La diminution du nombre de composants facilite le montage.
• La gestion électronique améliore la précision et facilite l'interactivité des systèmes ou l'intégration de nouvelles fonctions, car il suffit de développer la partie logicielle.
• Ainsi une direction à gauche peut-être facilement transformée en direction à droite.
• Le fait d'être entièrement programmable procure un gain de temps dans la mise au point des systèmes et améliore leur précision.

Inconvénients :

L'aspect sécuritaire prédomine :

Depuis que l'électronique et la mécatronique envahissent l'automobile y compris dans des domaines engageant la sécurité, la question évidente est : que se passe-t-il en cas de panne électrique ? Jusqu'à quelles limites dans les systèmes sensibles tels que le freinage ou la direction, peut-on faire confiance à l'électronique et aux actionneurs électriques ?

Il est possible d'apaiser les craintes en sachant que l'aéronautique a adopté cette technologie depuis près de vingt ans. Néanmoins il est difficile de comparer les risques et les budgets engagés. Un avion en panne ne peut pas se garer sur le bas côté !

Un des moyens utilisés par les développeurs est de faire appel à de nouveaux réseaux multiplexés plus rapides et plus sécurisés que ceux existants, tel le « flexray » ainsi que de doubler tous les équipements principaux : capteur, réseau électrique d'alimentation, réseau de communication, calculateur, et actionneur. Bien sûr le tout au détriment du coût.

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Méthodes et pratiques

Généralités:


 Par exemple pour :

- les freins à main électriques, on peut avoir les possibilités suivantes :
Possibilités avec l'outil de diagnostic :
- Lecture défauts
- Tests actionneurs
- Mesure paramètres
- Effort de serrage mesuré / consigne
- Vitesse de serrage mesuré / consigne
- État du bouton
- Tension d'alimentation
- État de serrage
- Nombres de cycles effectués (groupe FSE prévu pour 100 000 cycles)



- Pour les boîtes de vitesses, on peut avoir les possibilités suivantes:

Le calculateur de commande électrique a son software qui peut être téléchargé et mis à jour.

Menus principaux à l'outil de diagnostic:

– Apprentissages des positions de l'actionneur.
– Mise au neutre avec l'outil de diagnostic.
– Lecture des compteurs de passage.
– Lecture des positions de fond de billage.
– Écriture des compteurs de passage.
– Test des actionneurs.
– Journal des défauts.

Les techniciens peuvent quelque soit le système:

• Réaliser des mises à jour des données lors d'une évolution des fonctions
• Réaliser des diagnostic-Remplacement suite à un dysfonctionnement
• Réaliser l'apprentissage et/ou un test routier après le remplacement ou dépose/repose.

Tous les intervenants (techniciens comme non techniciens) peuvent quelque soit le système:

• Contrôler l'état des éléments
• Réaliser la procédure d'apprentissage après le remplacement d'un élément
• Descriptif de l'entretien :
  • Remplacement du liquide de frein.
  • Purge du système.
  • Désactivation du système lors d'intervention sur les organes de freinage.

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Impact sur les compétences en atelier

Les techniciens doivent être en mesure de:

• connaître la structure des réseaux multiplexés
• connaître les protocoles et leurs modes dégradés
• maîtriser la lecture des schémas électriques.
• maîtriser toutes les fonctions de l'outil de diagnostic.
• maîtriser toutes les fonctions de l'oscilloscope et du multimètre
• connaître les procédures de configuration et de paramétrage.
• tester, initialiser et installer calculateurs et des capteurs

Les non techniciens doivent être en mesure de:

• connaître les procédures de configuration et de paramétrage.
• avoir des notions du  fonctionnement des capteurs et actionneurs
• déposer et reposer les éléments en respectant les procédures
• réaliser les étapes de calibration et de test
• Pour les opérateurs service rapide, des connaissances liées au freinage, liquide de frein et précaution d'intervention sur le système sont nécessaires. Des compétences liées à l'utilisation simplifiée d'un outil diagnostic pour les opérations de purge et remplacement d'élément sont indispensables.

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Exemple d’outillage approprié

Outil de diagnostic
Multimètre
Manomètre
Maintien de tension homologué (à forte capacité)