Brevet FR2548320A1 — publié le 19850104

L'invention concerne une installation de propulsion et de freinage pour véhicules comportant un changement de vitesse et un frein hydrodynamique. I 1 est connu d'utiliser, dans des installations de propulsion pour véhicules, des freins hydrodynamiques, aussi appelés ralentisseurs, comme freins continus, ou, en combinaison avec des freins à friction, comme freins de service Dans l'une des espèces connues, le frein hydrodynamique est entrainé par l'arbre de sortie du changement de vitesse Dans une autre espèce connue d'installation de propulsion de ce genre, le frein hydrodyna10 mique, en tant que ralentisseur dit primaire, est entraîné par le moteur de propulsion du véhicule Dans la première espèce, o le frein hydrodynamique est entraîné par l'arbre de sortie du changement de vitesse, l'inconvénient est qu'il faut donner au frein hydrodynamique des dimensions relativement grandes pour pouvoir appliquer le couple de freinage nécessaire 15 dans une assez grande gamme de vitesse de rotation (gamme de vitesse de propulsion du véhicule) Un frein hydrodynamique de si grande dimension engendre, même à vide, par suite de l'écoulement d'air, un couple relativement grand et donc une perte de puissance relativement grande, de sorte que des mesures spéciales deviennent nécessaires pour diminuer cette perte 20 de puissance, par exemple l'incorporation de diaphragmes qui barrent la ventilation Dans l'autre espèce connue, o le ralentisseur dit primaire est entraîné par l'arbre moteur du moteur de propulsion du véhicule, il se produit un effet analogue à celui qui se produit dans les freins-moteurs, c'est-à-dire qu'à chaque rapport du changement de vitesse, la puissance 25 de freinage du ralentisseur primaire augmente fortement avec la vitesse de rotation et qu'à la vitesse de rotation nominale du moteur de propulsion, elle atteint la même valeur à tous les rapports Cependant, les couples de freinage à la sortie de la transmission sont très différents aux différents rapports de vitesse, étant donné les démultiplications différentes 30 et de grands couples de freinage ne sont atteints qu'aux rapports inférieurs. Les ralentisseurs, dans la plupart des cas, ne sont pas réglés de façon ontinue Etant donné que le plus souvent les ralentisseurs primaires ne présentent pas non plus de dispositifs spéciaux permettant d'éviter les pertes à vide à l'état inactif, donc, par exemple, qu'ils ne comportent 35 pas les diaphragmes de barrage de ventilation mentionnés, ils causent, en particulier lorsque leur dimension est prévue pour des couples de freinage suffisants, des pertes de puissance relativement grandes, qui se pro- duisent avec toute leur ampleur à tous les rapports de la transmission. Le problème que l'invention vise à résoudre est de fournir, dans une installation de propulsion et de freinage de l'espèce indiquée, un système de freinage aussi puissant et économique que possible qui conviennent en particulier aux véhicules routiers et ferroviaires lourds à moteur diesel ou à propulsion par turbine à gaz, comportant une transmission automatique à plusieurs vitesses pouvant être manoeuvrée en charge Il faut que le système de freinage soit conçu sous forme de composant intégré du système de propulsion comprenant le moteur, la transmission et le système de refroi10 dissement et présente un encombrement aussi réduit que possible et un poids réduit En même temps, il faut éviter dans une large mesure les pertes de puissance lors de la propulsion normale, donc même lorsqu'on ne freine pas Le système de freinage doit convenir aussi bien à des ralentissements normaux et modérés de 0,05 G à 0,5 G qu'à des freinages continus à vitesse 15 approximativement constante, sur tous les parcours en pente pour lesquels le véhicule est admis Un but important est de soulager largement les freins mécaniques à friction du véhicule, qui doivent être conservés pour des raisons de sécurité, en particulier pour les freinages d'urgence et comme frein de stationnement. Le problème ainsi posé fait apparaître des exigences en partie contradictoires, qui sont, d'une part, une grande puissance de freinage, exigeant normalement un grand frein hydrodynamique, et, d'autre part, de faibles pertes de puissance, ce qui n'est possible qu'avec de petits freins hydrodynamiques ou, dans le cas de grands freins hydrodynamiques, seulement avec 25 des mesures supplémentaires pour éviter les pertes de couple par ventilation. Le problème est résolu, selon l'invention, par le fait qu'avant le changement de vitesse est interposé un convertisseur de couple et que le rotor du frein hydrodynamique peut être entraîné par la chaîne de transmission entre la turbine et l'entrée de la transmission à changement de vitesse. 30 Du fait que le frein hydrodynamique est interposé entre le convertisseur de couple et le changement de vitesse, on peut, pour le freinage, rétrograder le changement de vitesse d'un ou plusieurs rapports et par suite, le rotor du frein hydrodynamique peut être entraîné notablement plus vite par les roues du véhicule par l'intermédiaire du changement de 35 vitesse, à des vitesses de rotation qui sont notablement supérieures à la vitesse de rotation permise du moteur de propulsion Cela est dû au fait que par suite du patinage dans le convertisseur de couple, il se produit une différence de vitesse de rotation entre le côté secondaire, en- traîné pendant le processus de freinage, et le côté primaire du convertisseur de couple qui, pendant ce freinage, entraîne le moteur Le couple de freinage du frein hydrodynamique augmente en fonction du carré et la puissance de freinage du frein hydrodynamique en fonction du cube de la 5 vitesse de rotation du rotor du frein hydrodynamique Par suite, on peut donner au frein hydrodynamique une grandeur notablement moindre que dans les installations connues Toutefois, un frein hydrodynamique plus petit engendre, en l'absence de freinage, lorsqu'il est vidé, un couple notablement moindre à cause de l'air emprisonné et donc des moindres pertes par 10 ventilation, même sans qu'il soit nécessaire de prendre à cet effet des mesures spéciales, par exemple, dans les petits freins hydrodynamiques, on n'a pas besoin de clapets de ventilation pouvant se fermer lorsque le frein est vidé On obtient donc une perte de puissance notablement moindre à l'état vidé, c'est-à-dire en l'absence de freinage Selon l'invention, 15 au début d'un processus de freinage, le changement de vitesse rétrograde au moins d'un rapport avant que le frein hydrodynamique ne soit entièrement rempli, de manière à ménager les éléments de manoeuvre du changement de vitesse Cela est rationnel même dans le cas o le changement de vitesse est une transmission pour véhicules lourds permettant le changement en 20 charge. Grâce à l'invention, l'énergie de freinage est répartie de façon optimale entre plusieurs composants, qui ne sont pas prévus en supplément, mais existent de toute façon sur tout véhicule pour le fonctionnement normal de propulsion et de freinage: par rétrogradation à un plus petit rapport 25 de vitesse, ce qui peut s'effectuer manuellement ou, de préférence, automatiquement, une partie de l'énergie de freinage est engendrée par le changement de vitesse Par suite de la rétrogradation, le rotor du frein hydrodynamique rempli pour le processus de freinage ou se remplissant pendant le processus de freinage amorcé est mis en rotation à une vitesse accrue, 30 de sorte que le frein hydrodynamique engendre un grand couple de freinage. Par suite de la vitesse de rotation accrue du rotor du frein hydrodynamique, la turbine du convertisseur de couple est entraînée plus vite que la roue de pompe du convertisseur de sorte que de l'énergie de freinage est engendrée aussi dans le convertisseur Ainsi, la vitesse de rotation du moteur 35 est aussi accrue, de sorte que le moteur engendre aussi de l'énergie de freinage Le patinage existant entre roue de turbine et roue de convertisseur de couple évite que le moteur ne prenne une vitesse excessive Par suite, selon l'invention, l'énergie de freinage à appliquer au total est L 4 répartie de façon optimale sur tous les composants Ces composants peuvent être chargés jusqu'à leur maximum permis. Pour dissiper la chaleur engendrée lors de processus de freinage, on n'a pas besoin de moyens de refroidissement supplémentaires mais les moyens 5 de refroidissement des unités mentionnées suffisent car ils ne sont pas surchargés. Les différents groupes, changement de vitesse, frein hydrodynamique, convertisseur de couple, moteur de propulsion et freins mécaniques de véhicule peuvent, selon l'application visée, être chaque fois actionnés simul10 tanément ou avec décalage dans le temps pour engendrer un counple de freinage. Le circuit de commande nécessaire est, de préférence, sous forme électronique, analogique ou numérique et comporte, de préférence, un microprocesseur. L'invention est particulièrement avantageuse dans son application à une installation munie d'un changement de vitesse commandé automatiquement 15 en fonction de la charge et précédé d'un convertisseur de couple Selon un mode d'exécution préférentiel, il est assuré que lors de processus de freinage à grand couple de freinage, le changement de vitesse rétrograde automatiquement d'un ou plusieurs rapports et qu'un accouplement de pontage du convertisseur de couple, de préférence prévu, s'ouvre en même temps, 20 de sorte que la vitesse de rotation de la turbine du convertisseur de couple et celle du rotor du frein hydrodynamique sont accrues en conséquence mais que la vitesse de rotation du moteur reste dans la gamme permise, car il se produit dans le convertisseur de couple un patinage négatif qui peut encore être accru par un frein-moteur adjoint au moteur de propulsion. Dans cette installation selon l'invention, il est particulièrement avantageux que la puissance du frein hydrodynamique augmente de la façon indiquée en fonction du cube de l'augmentation de vitesse de rotation, qu'une puissance supplémentaire de freinage soit engendrée par le patinage négatif dans le convertisseur de couple et que la puissance de freinage 30 du moteur et éventuellement du frein-moteur apporte une contribution supplémentaire à l'effet de freinage. Un autre avantage de l'invention est que la chaleur engendrée par la puissance de freinage est répartie sur trois composants de la transmission, à savoir le changement de vitesse, le frein hydrodynamique et le 35 convertisseur de couple, et sur le moteur, de sorte que cette chaleur peut être dissipée relativement bien par l'huile de la transmission et l'eau de refroidissement du moteur, sans qu'il apparaisse localement des tempéra- tures extrêmement élevées. Dans un mode d'exécution préférentiel de l'invention, un réglage du couple de freinage à la valeur chaque fois désirée par le conducteur du véhicule s'effectue par combinaison d'un frein hydrodynamique réglable et d'un programme de manoeuvre d'un circuit de commande de l'installation, influencé par le coupe de freinage exigé. Selon l'invention, pour engendrer le couple de freinage total ou pour absorber la puissance de freinage, on utilise les éléments suivants de l'installation: une rétrogradation commandée automatiquement, d'un ou plusieurs rapports au choix du changement de vitesse pouvant être manoeuvré en charge; un frein hydrodynamique réglable intégré entre le changement de vitesse et le convertisseur de couple; un convertisseur de couple joint à une transmission automatique, dans dif15 férentes positions de manoeuvre pendant le processus de freinage; le moteur de propulsion, de préférence avec frein sur échappement ou frein Jacobs dans le cas d'un moteur diesel et dans le cas de turbines à gaz, par une action de freinage engendrée par une variation de réglage des aubes de guidage de la turbine de travail; l'installation de refroidissement du moteur et l'installation de refroidissement de la transmission, par mise en action complète de tous les ventilateurs de refroidissement. L'élément le plus important est le frein hydrodynamique entraîné par le côté d'entrée du changement de vitesse et qui est, de préférence, en25 traîné à une vitesse de rotation accrue par l'intermédiaire d'un train multiplicateur. Dans le cadre de l'invention, il suffit que le frein hydrodynamique soit concu, au remplissage maximal d'huile, pour seulement 25 à 200 % de la puissance nominale du moteur de propulsion, donc qu'il soit notablement 30 plus petit que dans les installations connues La perte de puissance dans le fonctionnement normal, quand le frein hydrodynamique est vidé, représente ainsi, à la vitesse de rotation nominale du moteur de propulsion, seulement 0,05 à 0,4 % de la puissance nominale du moteur d'entraînement, sans que des mesures supplémentaires coûteuses soient nécessaires pour réduire la 35 perte de puissance, par exemple des diaphragmes de ventilation dans le frein hydrodynamique ou des moyens similaires En vertu de la vitesse de rotation relativement grande de son rotor, le frein hydrodynamique peut êtr très petit et très léger. L'effet nouveau selon l'invention, à savoir un effet de freinage suffisamment grand avec utilisation des avantages décrits, est obtenu par rétrogradation d'un, deux ou plusieurs rapports du changement de vitesse et s'il existe un accouplement de pontage du convertisseur du couple, on 5 ouvre cet accouplement Par suite de la rétrogradation du changement de vitesse, la vitesse de rotation de la turbine du convertisseur de couple et du rotor du frein hydrodynamique augmente d'un ou plusieurs degrés conformément aux rapports rétrogradés, ce qui signifie normalement que la vitesse de rotation est multipliée par 1,25 à 1,5, ou, dans le cas de 10 deux rapports, par 1,6 à 2,25 Toutefois, la vitesse de rotation du moteur de propulsion n'est pas accrue au-délà de la limite permise lorsque l'accouplement de pontage est en même temps mis hors d'action et qu'on utilise un convertisseur de couple approprié. Etant donné que l'absorption de puissance d'un frein hydrodynamique 15 augmente en fonction du cube de la vitesse de rotation, lors de la rétrogradation d'un rapport, la puissance de freinage est multipliée par 1,95 à 3,57 et lors de la rétrogradation de deux rapports, par 4,1 à 11,4 Ainsi, la puissance de freinage peut, selon la dimension donnée au frein hydrodynamique et le choix du programme de manoeuvre, être conçue pour une plus 20 large gamme et aussi être réglée entre de larges limites pendant le processus de freinage La puissance de freinage maximale réalisable d'environ 50 à 1000 % de la puissance nominale du moteur de propulsion est sûrement suffisante, même pour des freinages à grande vitesse. Plusieurs modes d'exécution de l'invention sont expliqués plus précisé25 ment ci-après, à titre d'exemples, à propos des dessins, dans lesquels: la figure 1 montre schématiquement une installation de propulsion et de freinage selon l'invention, et la figure 2 représente schématiquement un autre mode d'exécution d'une installation de propulsion et de freinage selon l'invention. La figure 1 montre schématiquement la constitution d'un changement de vitesse 12 sous la forme d'un changement de vitesse en charge à 6 rapports muni d'éléments de manoeuvre 13 et un frein hydrodynamique (ralentisseur) 14, qui est entraîné par l'arbre de turbine 16 d'un convertisseur de couple 18, ainsi que les dispositifs de commande et capteurs nécessaires. 35 L'arbre de turbine 16 forme en même temps l'entrée 17 du changement de vitesse 12 Un moteur d'entraînement 24, par exemple un moteur à combustion interne ou une turbine à gaz, est accouplé de façon solidaire en rotation à la partie primaire ou roue de pompe 26 du convertisseur de couple 18. La roue directrice 28 du convertisseur de couple est retenue dans le fonc.onnement du convertisseur par un frein à roue libre 30 La turbine de convertisseur 32, qui est reliée à l'arbre de turbine 16 et à une partie intérieure 34 d'un accodplement de pontage 36, entraîne aussi bien le chan5 gement de vitesse 12 que, par l'intermédiaire d'un entraînement à roues droites 38 qui assure de l'arbre de turbine 16 au frein hydrodynamique 14 une augmentation de vitesse de rotation, le rotor 40 du frein hydrod:-,amique. Au frein hydrodynamique 14 appartiennent, en outre, un aubage de stator 42, un clapet d'entrée 44 avec vérin d'actionnement 46 et électrovalve corres10 ponda-t Le 48, ainsi qu'une valve de réglage de sortie 50 avec électrovalve proportionnelle correspondante 52. Dans un circuit électronique de commande 54 sont réunies les fonctions de commande et les fonctions de surveillance du changement de vitesse à manoeuvre automatique 12, du réglage du frein hydrodynamique 14 et de la manoeuvre d'un frein-moteur 58 Le circuit électrique de commande 54 peut 4 tre conçu sous forme analogique ou numérique Il comporte, de préférence, un microprocesseur et des programmes mémorisés pour les fonctions indiquées. Au circuit électronique de commande 54 sont transmis continuellement les signaux de capteurs de vitesse de rotation 60 d'un élément 62, 15 de 20 la turbine 32 du convertisseur de couple, entraîné par le moteur de propulsion 24, et 64 de l'arbre de sortie 66 du changement de vitesse. Les états de marche désirés par le conducteur du véhicule sont convertis en signaux proportionnels par des capteurs électromécaniques 68 de la pédale de gaz 70, par des capteurs 72 de la pédale de frein 74 et par 25 des capteurs 76 d'un sélecteur de programme 68 et également amenés au circuit électronique de commande 54 Par la pédale de gaz 74 sont, en outre, actionnés des freins mécaniques 75 des roues du véhicule. Le changement de vitesse 12 est, de préférence, un changement de vitesse dit en charge, pouvant être manoeuvré en charge, de façon que des proces30 sus de manoeuvre puissent s'effectuer sans interruption de la liaison entre le moteur de propulsion 24 et les roues du véhicule La commande du changement de vitesse 12 s'effectue par l'intermédiaire d'électrovalves 80 La manoeuvre et le réglage du frein hydrodynamique 14 s'effectuent par l'intermédiaire des valves 48 et 52 La mise en action et hors d'action du frein35 moteur 58 s'effectue par l'intermédiaire d'une électrovalve 82 Ces processus de manoeuvre, de commande et de réglage s'effectuent sous la dépendance des données introduites par le conducteur du véhicule, des vitesses de rotation du moteur de propulsion, du frein hydrodynamique et de l'arbre de sortie 66 du changement de vitesse, ainsi que sous le dépendance du programme de manoeuvre et de freinage choisi du sélecteur de programme 78. Une seule pompe à huile 84 fournit l'huile au convertisseur de couple 18, au frein hydrodynamique 14 et au changement de vitesse 12. La figure 2 montre une autre variante de l'installation de propulsion et de freinage selon l'invention Les mêmes références que sur la figure 1 sont utilisées sur la figure 2 pour des parties correspondantes Le frein hydrodynamique 14, dans ce mode d'exécution, est disposé directement sur 10 l'arbre de turbine 16 du convertisseur de couple 18 Par suite de cette disposition, on économise une transmission 38 augmentant la vitesse de rotation du frein hydrodynamique Toutefois, étant donné la moindre vitesse de rotation d'entrée, les dimensions du frein hydrodynamique doivent dans la plupart des cas être prévues plus grandes. Le roue directrice 28 du convertisseur de couple 18 peut être retenue, dans ce mode d'exécution, par un frein 86 pouvant être commandé Ainsi, pendant le processus de freinage, la roue directrice 28 aussi peut être retenue, de sorte que dans le convertisseur de couple 18, une action supplémentaire de freinage est engendrée et on évite une vitesse de rotation 20 excessive du moteur d'entraînement 24 La commande de tous les éléments de frein et du changement de vitesse automatique 12 est assurée, comme sur la figure 1, par un circuit électronique de commande 14 dans lequel sont mémorisés les programmes de manoeuvre et de freinage désirés - Revendications 1) Installation de propulsion et de freinage pour véhicules, comportant un changement de vitesse et un frein hydrodynamique et caractérisée en ce qu'avant le changement de vitesse ( 12) est interposé un convertisseur de couple ( 18), et en ce que le rotor ( 40) du frein hydrodynamique ( 14) 5 peut être entraîné par la chaîne de transmission ( 32, 16, 17) entre la turbine ( 32) du convertisseur du couple ( 18) et l'entrée ( 17) de la transmission à changement de vitesse ( 12). 2) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le changement de vitesse ( 12) rétrograde automatiquement d'au moins un rapport en vue du freinage ou lors du freinage avec le frein hydrodynamique( 14). 3) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'un accouplement de pontage ( 36) est prévu pour ponter le convertisseur de couple ( 18), et en ce que l'accouplement de pontage s'ouvre automatiquement en vue du freinage ou lors du freinage avec le 15 frein hydrodynamique ( 14). 4) Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que lors de processus de freinage o l'accouplement de pontage ( 36) est ouvert, un frein-moteur ( 58) et/ou un frein de roue directrice ( 30; 86) du convertisseur de couple ( 18) sont mis automatiquement en action pour engendrer 20 un couple de freinage supplémentaire avec un patinage négatif relativement grand dans le convertisseur de couple ( 18). ) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les processus de commande et de réglage du changement de vitesse ( 12) et du frein hydrodynamique ( 14) sont commandés, par l'inter25 médiaire d'un circuit électrique de commande ( 54), sous la dépendance du couple de freinage total désiré du véhicule, chaque fois fixé par le conducteur au moyen d'un dispositif d'actionnement de frein ( 74). 6) Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que dans le circuit électronique de commande ( 54) sont prévues des mesures de sécuri30 té sous la forme de circuits de sécurité ou de programmes de manoeuvre de sécurité, qui empêchent des vitesses de rotation excessives du moteur d'entraînement, sur le côté primaire du convertisseur de couple ( 18) et le frein hydrodynamique ( 14) en renforçant automatiquement l'action de freinage de freins mécaniques ( 75) du véhicule et/ou en déclenchant automa35 tiquement des processus de manoeuvre correspondants dans le changement de vitesse ( 12). O 10 7) Installation selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que le couple de freinage du frein hydrodynamique ( 14) est réglable entre de larges limites par une électrovalve de réglage proportionnel ( 50, 52) placée dans le canal de sortie d'huile du frein hydrodyna5 mique, et en ce que cette valve de réglage ainsi que les processus de manoeuvre du changement de vitesse ( 12) et le frein-moteur ( 18) sont commandés par le circuit électronique de commande ( 54) de telle sorte que le couple de freinage total de l'installation reste approximativement constant dans une gamme de vitesse de rotation aussi grande que possible ou, si cela 10 est avantageux, augmente légèrement à mesure que la vitesse de rotation augmente. 8) Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que pendant la commutation des rapports du changement de vitesse ( 12), le couple de freinage du frein hydrodynamique ( 14) diminue 15 automatiquement pendant peu de temps, mais non jusqu'à zéro, de sorte que les éléments de manoeuvre ( 13) du changement de vitesse sont soulagés et que les à-coups de manoeuvre sont largement évités.