Brevet FR2287801A1 — publié le 19760507

La présente invention concerne une transmission rotative de puissance destinée à être reliée d'une part à un moteur primaire, d'autre part à un recepteur mécanique. La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le cas où le recepteur mécanique est un véhicule terrestre automoteur (voiture de tourisme, camion, tracteur agricole...) et où le moteur primaire est à combustion interne (à essence, à gaz, diesel, turbine...). On sait que dans l'état actuel de la technique, les transmissions sont la plus souvent réalisées par des boites mecccmques à plusieurs rapports de vitesse. Cea boites présentent des inconvinients bien connus:: -contraintes imposées par leur manipulation -temps morts lors des changements de vitesse -limitation importante de la puissance utilisable en moyenne et corrélativement facteur de pollution du fait que les mot cura qui les entrainent ne tournent qu'épisodiquement an régime optimum correspondsnt à la puis sance appelée. Si lton a réussi à automatiser le fonctionnement de telles boites mécaniques, c'est toujours su détriment des performances et da ment.D'autre part, il exista des transmissions continues à variante mécani- que (par exemple à courroie), mais par le w nature me elles ne résolvent qu'imparfaitement le probleme de l'adaptation du rapport de désultiplica- tion, car elles sont préréglées pour fonctionner correctement dans mna plage relativement limitée des régimes du moteur.En astre type de transmission continue est réalisée par le système ddnommé groupe WARD-LEONARD, mais si une telle transmission offre la souplesse désirée, elle est encombrante et pe-- sante, car la génératrice et lea moteurs associés doivent être tous capables respectivement de fournir ou d'absorber tout la puissance du moteur primaire. Elle a en outre de ce fait un rendement global (environ 80%) insuffisant pour qu'elle soit utilisable avec profit dans beaucoup d'applications. Les coupleurs, en particulier les coupleurs électromagnétiques, qui transmettent un couple avec une liaison souple permettant au recepteur de glisser par rapport au moteur, ne sont pas des adaptateurs de puissance, car ils ne restituent pas sous forme de multiplication du couple la partie de la puissance perdue par le glissement et il est nécessaire de ce fait de les sssocier à des boites de démultiplication (boites de vitesse mécaniques par exemple). Enfin les transmissions dynamo-électriques, caractérisées essentiellement par le fait que la puissance de glissement de la partie coupleur (constituée par une génératrice électromagnétique) est récupérée par un moteur électrique lié à 1' arbre de sortie vers le recepteur mécanique, présentent deux incon vénients majeurs, à savoir la nécessité de disposer d'une génératrice dont inducteur et induit tournent par rapport au bâti du moteur primaire et aussi la capacité pour chacun des deux éléments, génératrice et moteur, de transmet- tre en régime nominal le couple du moteur primaire, d'où un poids relativement élevé. Le procédé de transmission selon l'invention répond au problème de la variation continue du rapport de transmission sans perte de puissance entre la sortie du moteur primaire et le récepteur mécanique et, tout en offrant d'autres avantages, ne présente pas les inconvénients des réalisations antérieures. Le procédé de transmission selon l'invention utilise un différentiel mécanique. Un tel différentiel comportant trois arbres tournants, le procédé de transmission selon l'inventior consiste à relier l'arbre du moteur primaire à un des arbres du différentiel appelé arbre d'entrée, et le récepteur mécanique à un autre arbre du différentiel appelé arbre de sortie.Le troisième arbre du différentiel appelé arbre de couplage, est solidaire d'un transducteur de puissance relié lui-même à un transducteur inverse solidaire de l'arbre de sortie. 50ute la puissance du moteur primaire est transmise aux pertes près, au récepteur mécanique: une fraction de cette puissance est transi mise directement sous forme mécanique entre les arbres d'entrée et de sortie du différentiel, l'autre fraction de cette puissance est récupérée sur l'arbre de couplage et transmise au récepteur mécanique par l'intermédiaire des deux transducteurs. Pour éclairer la description, on convient de traiter ici l'exem- ple d'un dispositif utilisant des transducteurs électromagnétiques. La transmission ainsi réalisée est appelée transmission électro-différentielle. La transmission selon l'invention est composée d'un ensemble constitué d'un différentiel mécanique, d'une génératrice ( à courant continu ou à courant alternatif avec un redressement par semi-conducteurs ) et d'au moins un moteur électrique ( à courant continu ou alternatif provenant d'un ondulateur ). Cet ensemble relie la rotation de l'arbre du moteur primaire à celle d'au moins un arbre du récepteur mécanique, dénommé par la suite récepteur.Ce qui caractérise le procédé de transmission selon l'invention ce sont les liaisons mécaniques et électriques entre l'arbre de sortie du moteur primaire, la partie tournante de la génératrice, celle du moteur électrique et l'arbre de sortie vers le récepteur.L'arbre de sortie du moteur primaire est relié mécaniquement à l'arbre d'entrée du différentiel, le rotor de la génératrice est relié mécaniquement d l'arbre de couplage du différentiel, l'arbre du récepteur est relié à l'arbre de sortie du différentiel ainsi qu'au rotor du moteur électrique.Les induits de la génératrice et du moteur électrique forment un circuit électrique fermé, avec toutefois interposition d'un redresseur Si la génératrice est un alternateur et d'un ondulateur si le moteur électrique est à courant alternatif. enfin génératrice et moteur électrique sont à excitation séparée et on fait varier le rapport de démultiplication de la transmission en modifiant les flux inducteurs des deux machines.Indépendaient des variantes obtenues en modifiant le nombre et l'emplacement des moteurs électriques et le nombre des arbres du récepteur, les caractéristiques principales de la transmission selon l'invention permettent d'établir la liste de plusieurs variantes distinguées les unes des autres par le choix des arbres d'entrée, de sortie et de couplage du différentiel, le choix d'une génératrice à courant continu ou d'un alternateur et dans ce cas celui d'un alternateur à induit fixe ou tournant et le choix d'un moteur à courant con- tinu ou alternatif et dans ce cas celui d'un moteur à induit fixe ou tournuant Les choix de la génératrice et du moteur n'étant pas déterminants, nous conviendrons d'examiner les trois variantes qui découlent du choix des arbres d'entrée, de couplage et de sortie du différentiel. La première variante est dite symétrique surmultipliante; l'ar bre d'entrée est celui qui entrains les satellites du différentiel. La deu xième variante est dite asymétrique directe; c'est l'arbre de couplage qui entraine les satellites du différentiel. La troisième variante dite asymdtri- que sous-multipliante est celle dans laquelle 1 'arbre de sortie entraine les satellites du différentiel. La variante symétrique surmultipliante est plus spécialement adaptée aux moteurs primaires à régime relativement lent ( en dessous de 4000 à 5000 t/mn ). En effet, au régime nominal, l'arbre de couplage ayant une vitesse presque nulle, l'arbre de sortie tourne deux fois plus vite que l'arbre d'entrée Par rapport à tous les systèmes électromagnétiques exis- tants, cette variante- présente l'avantage suivant: génératrice et moteur doivent être dimensionnés pour absorber ou fournir la moitié du couple maximum dw moteur primaire d'où une diminution de moitié, grosso mode, des pertes électriques et du poids La variante asymétrique directe est plutôt adaptée aux moteurs primaires à régime de rotation compris entre 5000 et IQ.OOO t/mn. Au régime nominal la vitesse de rotation de l'arbre de sortie est egale å celle de 1 'ar- bre d'entrée. On peut au moyen d'engrenages, augmenter la vitesse de rotation de la génératrice par rapport à celle de 1' arbre de couplage dans un facteur deux ou plus sans entrniner de pertes supplémentaires an régime nominal puisque l'arbre de couplage a une vitesse alors presque nulle. La variante asymétrique sous multipliante trouve des applica tions intéressantes quand le moteur primaire tourne à régime élevé ( plus de I0,000 t/-mn ) comme une turbine à gaz par exemple. Au régime nominal L'arbre de sortie tourne deux fois moins vite que l'arbre d'entrée. La ginvratrice a une vitesse élevée durant les phases transitoiresr mais en l'état aotwel de la technique, on sait réaliser des alternateurs capables de supporter de telles - t vitesses de rotation. ous allons décrire maintenant les échanges de puissance entre las divers éléments de la transmission, et la procédure de commande des flux inducteurs dans la génératrice et le moteur électrique pour ajuster le rapport de démultiplication. Cette procédure de commande des flux peut facilement titre automatisée comme il sera dit plus loin. On ogvient de ne faire porter la description que sur la première rari--nte symétrique surmultipliante, les bilans de puissance et les procédures de réglage étant les mêmes pour les trois va- riantes. Au démarrage 1 'arbre de sortie a une vitesse nulle et l'arbre de couplage tourne deux fois plus vite que l'arbre d'entrée. On règle le flux à sa valeur maximum dans le moteur électrique tandis qu'on fait augmenter le flux à partir de zéro jusqu'à sa valeur maximum dans la génératrice. La vitesse de rotation de l'arbre de sortie augmente et la vitesse de rotation de l'arbre de couplage diminue jusqu'd être égaies toutes deux à la vitesse de l'arbre d'entrée. La puissance, transmise intégralement entre génératrice et moteur électrique au démarrage, est transmise par moitié sous forme électrique et Foi- tié sous forme mécanique dans le différentiel lorsque les deux flux sont égaux. Partant de là, lorsque le flux dans le moteur électrique diminue jusqu'à etre nul, la vitesse de l'arbre de couplage diminue jusqu'à être nulle, la vitesse de l'arbre de sortie augmente jusqu'$ être le double de la vitesse de l'arbre d'entrée et la puissance se transmet progressivement par le différentiel seul. On fait varier ainsi le rapport de transmission de O à 2. Les valeurs négatives du flux dans le moteur électrique correspondent alors à des rapports de transmission supérieurs à 2. La procédure de marche arrière est presque identique Fol suffit par exemple de changer le sens du flux dans le moteur électrique. Le rendement en marche arrière est moins bon qu'en marche avant puisque le couple transmis par le différentiel s'oppose au couple transmis par le moteur électri- que. Pour réaliser une adaptation aussi parfaite que possible du rapport de démultiplication, suivant les valeurs du couple résistant, de la vitesse de l'arbre de sortie et de la puissance que l'on désire transmettre de fa çon optimale, c' est-à-dire en faisant tourner le moteur primaire au régime correspondant au plus haut rendement pour cette puissance là on pourra faire ap pel à l'automatisme conçu ainsi: un capteur pré-étalonné traduit la position de la pédale de l'accélérateur ( ou de la manette des gaz ) en une grandeur proportionnelle au régime optimal correspondant, c 'est-à-dire au régime fournissant la plus grande puissance pour cette position.Un élément de calcul compare cette grandeur avec celle que lui fournit un autre capteur qui traduit la vitesse de rotation du moteur dans la même grandeur et selon la même proportion que le premier, cet élément de calcul est dit comparateur. Un automate informe en permanence le dispositif de modulation des flux, ctest-à-dire le dispositif qui fournit les coU0ants d'excitation à la génératrice et au moteur électrique, dans quelle phase se trouve la transmission, à savoir, phase d'embrayage, phase de fonctionnement normal, phase de surmultiplication, ou phase de marche arrière; ce dispositif sera appelé dispositif de commande intégrateur.Suivant le signal fourni par le comparateur et l'information disponible sur la sortie de l'automate, le dispositif de commande intégrateur détermine quelle machine, g6- nératrice ou moteur, doit recevoir son excitation maximum et modifie de façon continue le courant d'excitation de l'autre jusqu'à ce que le régime du moteur primaire soit égal au régime optimum déterminé par le premier capteur; lorsque ce régime optimum est atteint, le comparateur fournit un signal nul et l'intégration de ce signal cesse. Comme le courant d'excitation de la machine dont le flux est modulé est directement proportionnel à l'intégrale du signal fourni par le comparateur, le flux en question se stabilise alors. Le régime transitoire correspondant à la modification de la puissance appelée est terminé.On conçoit que, l'inertie magnétique des circuits d'excitation étant très faible , c'est essentielement l'inertie mécanique du moteur primaire qui déterminera la durée de ce régime transitoire, laquelle sera en tout état de cause très courte. Quelques dispositifs très simples permettent de détecter que l'on veut freiner le véhicule et peuvent, selon l'urgence de l'arrêt désiré, provoquer un frein moteur passif au régime maximum. Dans ces conditions la transmission électro-différentielle selon l'invention, qui ne présente pas les inconvénients des réalisations antérieures apporte d'autres avantages importants et notamment: - elle réalise la fonction d'embrayage; - elle réalise la fonction de transmission continue optimale; - elle absorbe les vibrations dues aux irrégularités du couple du moteur primaire; - Si la génératrice est à courant continu, elle réalise la fonction de démarreur, un frein bloquant l'arbre de sortie; - la génératrice peut assurer la fonction de chargeur de batterie moyennant un régulateur de tension approprié et branché en parallèle sur son induit;; - les accélérations du véhicule ainsi équipé sont très supérieures à celles obtenues avec tout autre dispositif Ainsi, à conditions dynamiques égales, l'arbre de sortie atteint la vitesse de rotation désirée en un temps beaucoup plus court ( gain en temps de l'ordre de 40% entre l'arr8t et les 2/3 de la vitesse maximum possible ); - la consommation de carburant sera plus faible pour deux raisons, à savoir, premiErement que la transmission a un rendement propre très élevé, il peut atteindre 97 à 98% en phase dite normale, et deuxièmement que le régime de rotation du moteur primaire est optimisé en permanence.Pour un véhicule routier roulant aux quatre cinquièmesde sa vitesse maximum, l'écono- mie ainsi permise, par rapport à une botte mécanique classique, devrait atteindre sinon dépasser 25%; - corrélativement la pollution occasionnée par une mauvaise adaptation du régime du moteur primaire à la position de l'accélérateur est supprimée; - la transmission permettant d'utiliser un frein moteur passif maximum, à toutes les vitesses, le système de freinage ordinaire sera très peu sollicité d'où une très grande sécurité et surtout une moindre pollution par la poussière d'amiante; - le bilan constructif, au vu de toutes les fonctions remplies et des avantages quand à l'économie de carburant et à la sécurité, est très favorable malgré un coût de réalisation plus élevé que celui des solutions mécaniques traditionnelles. Lorsque la transmission est utilisée sur un véhicule terrestre automoteur, elle présente en plus des avantages précités, les sui vants: - meilleures performances en côte, en particulier pour les camions; - meilleures performances sur le plat par le passage en phase de surmultiplication dès que c'est possible; - suppression du risque de patinage, par la diminution immédiate du couple transmis dès qu'il se manifeste; - sécurité plus grande grâce aux meilleures reprises, au frein moteur et à la suppression du risque de patinage. Les cinq descriptions qui vont suivre, sont relatives aux trois variantes exposées ci-dessus, et à l'automatisme chargé d'assurer en permanence l'adaptation du rapport de démultiplication à la charge et à la puissance appelée. La première, relative à la première variante, dite symétrique surDultipliante, est référencée selon la coupe axiale schematique de la figure I. Sur cette coupe ne figurent aucun des accessoires tels que dispositif de compensation de la réaction magnétique d'induit, roulements, ventilateurs, joints d'étanchéitéJetc. il en est de même pour les figures Set 3. - le bâti (1) supporte la transmission et le moteur primaire dont l'arbre de sortie (2) est aussi l'arbre d'entrée du différentiel. - cet arbre (2) entra & e les satellites (3) qui engrènent sur les pignons de l'arbre de couplage (4) et de l'arbre de sortie du différèntiel (5). - pour cette description on a choisi co":me génératrice un alternateur à induit fixe (. et à indwateur tourrant(7). - le courant magnétisant de l'alternateur entre par le contact glissant (8) et ressort vers la masse par l'autre contact (9). - le redresseur est symbolisé en (IO) et permet la fourniture d 'un courant redressé au collecteur (li) du moteur électrique dont l'induit (12) est fixé sur l'arbre de sortie (I3) de la transmission. - l'inducteur (I4) de ce moteur électrique est fixe, le courant magnétisant entrant en 15 et ressortant en La deuxième, relative à la deuxième variante, dite asymétrique directe, est référencée selon la coupe schématique simplifiée de la figure 2. $hyposant qu. les machines électriques sont identiques à celles de la figure I, nous réduisons la description de cette deuxième variante; il en sera de même pour celle de la troisième. - les éléments non cités ci-dessus sont référencés comme dans la description de la première variante ci-dessus; - l'arbre d'entrée (2) engaine sur les satellites (3) du différentiel; - les satellites transmettent le mouvement de rotation de leur axe- commun à la génératrice par le truchement du multiplicateur de vitesse composé de la couronne (20), des pignons intermédiaires (2I) dont les axes sont fixés au stator (6) de la génératrice et du pignon d'axe (22) lié au rotor de la génératrice: ainsi l'arbre de couplage nta-t-il pas de réalité physique; - le pignon (5) entraîne l'arbre de sortie du différentiel auquel est lié l'induit (ils) du moteur électrique; - l'arbre de sortie de la transmission est sa prolongation en (13). La troisième description relative à la troisième variante dite asymétrique sous-multipliante est référencée selon la coupe schématique sim- plifiée de la figure 3: - par rapport au deux descriptions précédentes on note l'inversion de la position des génératrice et moteur électrique; - L'arbre de sortie de la transmission ( I3 ) engrène par l'intermédiaire @ Crues pignons (32) et (3I) sur l'arbre de sortie iu differentiel qui est entraî- né 7Sar les satellites (3). - L'arbre de couplage est référencé (30). La quatrième description est relative à l'automatisme susceptible d'optimiser le fonctionnement de la transmission électro-différentielle selon l'invention. selle est référencée par la figure 4 où toutes les variables sont nommées. Les principes de la description par shéma-bloc étant classiques, on va expliciter le sens des variables. - Le moteur primaire (I) fournit un couple r selon une vitesse de rotation N sur l'arbre d'entrée du différentiel (2). - La génératrice (3) est exitée par le flux et son arbre animé d'une vitesse de rotation N' est relié à l'arbre de couplage du différentiel. - Le moteur électrique (4) est excité par le flux #, son arbre aimé d'une vitesse de rotation N" est relié à l'arbre de sortie du différentiel et transmet le couple r de sortie au véhicule (5). - L'amplificateur intégrateur (6) intègre et amplifie la différence entre la vitesse de rotation désirée pour le moteur, #4, et la vitesse réelle mesurée par le capteur (7). a sortie produit un courant d'excitation qui selon la phase de fonctionnement parcourera soit l'inducteur de la géné ratrice, soit celui du moteur électrique, pendant que l'autre sera parcouru par le courant iMax de saturation. Le boitier des commutateurs (8) qui re çoit ses informations de l'automate par deux variables logiques S et T assure l'orientation de ce courant i#. La vitesse. désirée pour le moteur primaire, #d, est soit la vitesse #'d correspondant à la position de la pédale de l'accélérateur lorsque celle-ci est sollicitée, soit la vitesse #"d correspondant à une action sur la pédale de frein lorsque celle-ci commence à être enfoncée. - #'d est obtenu par le capteur (IO) et 4 par le détecteur d'action (II) - Pour accroitre la souplesse de fonctionnement, le levier de sélection de marche avant et arriere (I2) permet en autre le choix du régime maximum pour le moteur, un circuit associé permettant alors de limiteur 9 à la va leur par par un processus de saturation du signal. - La sortie logique L du capteur (IO) informe le boitier des commutateurs (8) d'une action ou de l'absence d'action sur la pédale d'accélérateur. - La sortie logique S'T du levier de commande informe l'automate du choix entre la marche avant et la marche arrière. - Pour choisir convenablement le sens des courants d'excitation et leur distri bution entre génératrice et moteur, l'automate (9) a besoin de trois informa tions supplémentaires, à savoir ra - si le moteur tourne à une vitesse inférieure ou supérieure à sa vitesse de ralenti ) cette information m lui est fournie par le comparateur (13) 20 - Si le courant magnétisant it a atteint la valeur iMax ou non; l'infor mation correspondante RMax lui est furnie par le comparateur (I4) 30 - si le courant magnétisant j est nul ou non ; cette dernière informa tion lui est dispensée par le comparateur (I6) Avec toutes ces informations l'automate est capable, à chaque instant, compte tenu de l1histoire, de choisir la façon appropriée d'exciter le moteur électrique et la génératrice. La cinquième et dernière description, référencée selon la figure (5) est le shama logique de l'automate selon la quatrième description. - Si on fait l'analyse de l'influence des entrées, on remarque que e ont une influence prioritaire sur Ro et - Une synthèse systématique utilisant des bascules de comptage à entrèes auxi- liaires prioritaires (I) et des portes ET. complémentaires (2) conduit au schéma de la figure (5) dont la simplicité ( trolls circuits intégrés en logique TTL ) laisse bien augurer du prix particulièrement bas de sa réalisation. REVENDICATIONS I. Procédé de transmission de puissance,réliant la rotation de l'arbre de sortie d'un moteur primaire à la rotation d'un arbre d'entrée d'un récepteur mécanique par l'intermédiaire d'un différentiel mécanique, dont un arbre, appelé arbre d'entrée du différentiel, est relié mécaniquement à l'arbre de sortie du moteur primaire, dont un autre arbre, appelé arbre de couplage du différentiel, est relié mécaniquement à un ensemble de transducteurs de puissance dits de couplage, et dont le troisième arbre, appelé arbre de sortie du différentiel, est relié mécaniquement d'une part à l'arbre d'entrée du récepteur mécanique et d'autre part à un ensemble de transducteurs de puissance,dits de sortie, qui reçoivent de l'ensemble des transducteurs de couplage la fraction de la puissance du moteur primaire transmise par l'arbre de couplage, pour la restituer sous forme mécanique à l'arbre d'entrée du récepteur mécanique. 2. Transmission selon le procédé de la revendication I, caractérisée en ce que l'arbre d'entrée du différentiel entraine les satellites, en ce que les arbres de couplage et de sortie sont les deux autres arbres du différentiel, en ce que l'ensemble des transducteurs de couplage se compose d'un générateur électro-ma gnétique à excitation réglable, qui est relié électriquement, Q;;entuellement par l'intermédiaire de redresseurs, à l'ensemble des transducteurs de sortie composé d'un moteur électrique à courant continu et à excitation réglable. 3. Transmission selon le procédé de la revendication I, et utilisant les transducteurs de couplage et de sortie selon la revendication Z, caractérisée en ce que l'arbre de couplage entraîne les satellites du différentiel, en ce que les arbres d'entrée et de sortie sont les deux autres arbres du différentiel. 4. Transmission selon le procédé de la revendication I, et utilisant les transducteurs de couplage et de sortie selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'arbre de sortie entraine les satellites du différentiel, en ce que les arbres d'entrée et de couplage sont les deux autres arbres du différentiel. 5. Automatisme de la variation du rapport de la transmission selon le procédé de la revendication I, et selon les revendications 2, 3.et 4, destiné à asservir la vitesse de rotation du moteur primaire à être égale à une vitesse de rotation désirée, caractérisé en ce que la mesure du signal d'erreur est utilise pour modifier les excitations desatransducteurs électromagnétiques.