Brevet FR2709453A1 — publié le 19950310

DOMAINE TECHNIQUE - ENVIRONNEMENT ECONOMIQUE L'invention s'applique dans le domaine du véhicule électrique à l'usage des professionnels ou du grand public. L'invention remplace avantageusement les solutions classiques où la variation de vitesse du véhicule est électronique et/ou mécanique et où la transmission du mouvement de rotation aux roues est mécanique. La transmission peut être réalisée par assemblage de composants hydrauliques existants modifiés. Elle bénéficie de l'expéricnce acquise en hydraulique appliquée dans le domaine agricole, travaux publics et des machines industrielles. En effet les éléments retenus respectent la smille de norme de qualité ISO9000. De plus la gamme de composants offerts est très large ce qui permet à l'invention de répondre à des besoins divers. Elle peut s'utiliser : - dans les véhicules urbains à faibles performances et très faible coût - sur des véhicules haut de gamme offrant de très bonnes caractaristiques d'accélération - sur des engins utilitaires (manutention sur des sites privés, véhicules de transport pour les services publics, véhicules publicitaires,...) Le procédé de conversion et de transmission de l'énergie depuis la source d'électricité jusqu'aux roues permet un fonctionnement continu de longue durée. Seule, la capacité de la source embarquée limite l'autonomie, mais celle ci n'est pas l'objet de l'invention et pourra évoluer indépendamment de la chaîne de propulsion. Une seule commande permet de faire varier la vitesse et l'accélétion du véhicule entre 0 et la vitesse maximale ce qui rapproche sa conduite de celle d'un véhicule à moteur thermique à changement de rapport automatique. L'environnement économique de l'invention est très concurrentiel. Cette dernière doit permettre de prendre une part du marché des véhicules à moteur thermique déjà fabriqués en très grande série et elle doit offrir une alternative sérieuse à la solution électrique classique qui s'avère en 1993 encore trop chère et trop fragile. Grâce à l'utilisation de composant déjà fabriqués en grande série, la chaîne de propulsion électrique construite à l'aide de l'invention coûte en première évaluation 50 %du prix de la solution électronique classique. ETAT DE LA TECHNQUE ANTERIEURE Les systèmes de transmission hydrauliques ou hydrostatiques existent dans les domaines des travaux publics, agncoles et industriels. ns sont également utilisés pour la réalisation de remonte-pentes en montagne. ns existent beaucoup de publications sur le sujet sous forme de bxvets concernant les composants hydrauliques, de documentation de constructeurs, d'articles de presses décrivant I'utilisation de la transmission hydrostatique pour véhicules lourds sur voie ferrée ou de transport en commun à moteur diésel. Il n'existe, à notre connaissance, aucune publication décrivant un véhicule léger autonome " à propulsion électrique par source d'énergie intérieure au véhicule " dont la transmission de l'énergie aux roues est hydrostatique et constituée de composants hydrauliques, ni aucun travaux d'optimisation des performances d'une transmission à basse pression et haut débit permettant d'atteindre cet objectif. INCONVENIENTS DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les systèmes de transmission hydrostatiques usuels transmettent l'énerlpe dc rotation d'un groupe électrogène diésel ou bien d'un moteur électrique accouplé au réseau d'électricité public. Dans les deux cas la vitesse de rotation est réglable et la zone de fonctionnement courante est située près de la puissance nominale de la pompe et des moteurs hydrauliques. Le rendement est voisin de 90 %pour chaque éliment Cependant, certains inconvénients existent: I - Lorsque le fonctionnement du système de transmission sort de cette plage optimale, le rendement devient très mauvais, comme indiqué dans les documentations fournies par les constructeurs de matériels hydrauliques. Mais ceci ne représente pas un inconvénient majeur et n'a pas jusqu'ici justifié de travaux d'optimisation. 2 - Les transmissions hydrostatiques actuelles sont peu réversibles. La réversibilité n'est d'ailleurs pas utile si la puissance est fournie par un moteur diésel. 3 - Les pompes hydrauliques à piston axiaux ont un niveau de bruit élevé, qui se situe dans la plage de fréquence où l'oreille est la plus sensible. Or le régime de fonctionnement à basse pression et haut débit est justement celui le plus courant pour un véhicule. Il comspozrd à la vitesse stabilisée moyenne sur mute à pente très faible ou nulle. De même la réversibilité permet la ricupRon de l'énergie de freinage lors des décélératons du véhicule électrique ou bien en descente, pour recharger les batteries. BUT DE L'INVENwIION L'invention décrit un assemblage simple d'éléments, fiables, à bon rendement et peu ooûteux permettant de convenir l'énergie d'une souri électrique à tenson quasi consante, généralement une batterie d'accumulateurs, en un mouvement m'cantique de rotation à vitesse variable applicable à tout véhicule. Cette assemblage comporte un moteur électrique à courant continu, une pompe hydraulique à débit variable et un ou plusieurs moteurs hydrauliques. L'invention décrit le système complet de propulsion utilisant la conversion et la transmission d'énergie précédente appliqué à un véhicule électrique. Le système de propulsion décrit doit également être réversible de sorte que le véhicule électrique qui l'utilise dispose de frein moteur et que l'énergie de ralentissement ou ddcélération serve à recharger les batteries. Il doit permettre de faire varier la vitesse et l'accélération du véhicule entre 0 et une vitesse maximale à l'aide d'une seule commande m8caniclue. L'invention s'accompagne d'une réduction du niveau sonore significative par rapport à celui des véhicules à moteur thermique. MOYENS ESSENTIElS CARAClERISTIQUES DE L'INVENTION L'obtention d'une transmission hydrostatique à rendement amélioré à haut débit et basse pression peut être obtenue par modification d'une pompe à débit variable à pistons axiaux (fig 2). Les pistons (3) de la pompe sont logés dans un barrillet (7) entralnéparl'axe (8) de la pompe. Ils frottent sur un plateau inclinable (5) non entrain par l'axe (8). Le glissement est assuré par palier fluide, c'est à dire que chaque patin (4) de piston est percé d'un trou et dimensionné de façon à ce qu'à la pression maximale de la pompe, un film d'huile suffisant réduise le frottement sur le plateau. A basse pression, ce procédé est insuffisant. Pour y remédier, il est proposez de remplacer le mouvement de frottement par un roulement obtenu à l'aide d'une butée à aiguille (2) supportant les efforts axiaux et d'un roulement à bille (1) supportant les efforts radiaux et de boucher les orifices des patins de piston, le palier fluide n'ayant plus lieu d'être. D'autres améliorations peuvent être apportes: - traitement de surface des pistons et de leur logement pour réduire les frottements dus à leur mouvement alternatif. - remplacement de la pompe auxiliaire (6) d'origine assurant le gavage basse pression et intégrée à la pompe principale, par une pompe haute pression de même cylindrée offrant un meilleur rendement et plus silencieuse. - choix d'une viscosité d'huile très faible. La chaîne de propulsion de la figure 1 est obtenue par l'accouplement d'un moteur électrique (13) à courant continu à une pompe hydraulique (14) à débit variable alimentant en huile sous pression un ou plusieurs moteurs hydrauliques (15) via des conduits hydrauliques (10). Deux circuits hydrauliques sont nécessaircs: - le circuit haute pression qui transmet la puissance mécanique, et constitué de la pompe (14), des conduits (10) et d'au moins un moteur (15). - le circuit basse pression constitué de la pompe auxiliaire de gavage (17) à débit fixe du filtre (18) et d'un réservoir radiateur thermique (19) Le circuit basse pression évite toute cavitation dans le circuit haute pression, assure le refroidissement de t'huile et son filtrage. Le débit du circuit basse pression doit permettre un échange suffisant entre les deux circuits à travers la pompe pour garantir le refroidissement de l'huile donc de la pompe à débit variable et des moteurs hydrauliques. Lorsqu'il y a deux moteurs hydrauliques, un dispositif distributeur d'huile (16), inséré dans le circuit hydraulique haute pression, permet de les mettre en série, obtention de la vitesse maximale, ou en parallèle, obtention du couple maximal. Si les moteurs entrainent deux roues opposées d'un véhicules, la vitesse de rotation peut être différente dans les courbes, En parallèle le débit d'huile se répartit automatiquement entre les moteurs. En série, L'huile étant un fluide incompressible, le dispositif susdit (19) compense l'effet différentiel en sura)umentant le moteur le plus rppide et en limitant l'excès d'huile sur l'autre. Ledit dispositif (16) permet également d'obtenir une position neutre permettant de pousser le vehicule en roue libre en cas de panne de la chaîne de propulsion. En effet, en l'absence de cette position neutre, les moteurs hydrauliques présentent une résistance à la rotation très importante. Cette position neutre peut également être obtenue à l'aide de robinets hydrauliques simples. La pompe hydraulique (14) permet de faire varier le débit d'huile et d'en inverser le sens ce qui inverse le sens de rotation des moteurs hydrauliques et rend possible la marche avant et arrière du véhicule sans dispositif additionnel. Le moteur électrique tourne à vitesse quasi constante. Les variations de vitesse sont dues à celles de la tension d'alimentations et la puissance électrique absorbée. Le groupe motopompe peut être réalisé par un assemblage indissociable d'élément électnque et hydraulique, en ce sens que l'axe de la pompe et du moteur électrique est commun. Cette disposition limite le nombre de pièces mécaniques et simplifie le montage: palier et roulement de rotation en nombre réduit, accouplement. supprimé, alignement et centage automatique. Un silencieux hydraulique peut être intallé dans le ciuuit haute pression en sortie de pompe. n a pour rôle d'amortir les fluctations de débit inhérentes à ce type de pompe, et d'éviter leur trnnsmission dans tout le circuit hydraulique, voire au chassis du véhicule. Un accumulateur olbpneumatique peut également être ajouter en dérivation sur le circuit hydraulique haute pression pour récupérer une partie de l'énergie de ralentissement du véhicule et la restituer au démarrage. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure I représente le synoptique général de la chaîne de propulsion d'un véhicule électrique décrite dans ce brevet. La figure 2 représente en coupe les modifications caractéristiques de l'invention apportées sur une pompe hydraulique à pistons axiaux à débit variable. Description de la figure 1: Chaîne de propulsion hydraulique optimisée pour véhicule électrique La batterie (11) alimente le moteur électrique (13) via un circuit de protection et démarrage (12). Le moteur électrique entrave à vitesse quasi constante la pompe (14) à débit variable. L'huile sous pression est fournie à deux moteurs (15) mis en parallèle ou en série par le distributeur d'huile (16). La position neutre de (16) court-circuitant le débit des moteurs et de la pompe est également représentée. Le circuit auxiliaire de la pompe comporte la pompe auxiliaire (17), le filtre à huile (18) et le réservoîriradiateur (19). Une configuration à un seul moteur est possible, dans ce cas la fonction parallèle! série du distributeur (16) est inutile. Seul la position neutre peut être utile pour pouvoir pousser le véhicule sans résistance de la part du moteur hydraulique en cas de panne. Les limiteurs de pression (9) de la pompe hydraulique (14) existant par construction sont représentés. Description de la figare2: pompe hydranoqne optimiste pour l'application au vélucale électrique Le dessin de la figure 2 est une coupe suivant l'arbre (8) d'une pompe hydraulique à débit variable à pistons axiaux. Les pistons (4) entraînés par le barillet tournant (7) solidaire de l'arbre (8) exerce une pression sur le plateau incliaable (5) Celui pivote autour de l'axe A mais n'est pas en rotation. Le barillet entraîne les pistons dont les patins roulent sur la butée à aiguille (2) supportant les efforts auaux et maintenue radialement par le roulement à bille (1). La pompe auxiliaire de gavage (6) est également représentée. Situation avant modification: Les têtes des pistons (3) sont en bronze et montés sur rotule. Eues sont percées d'un trou qui débouche dans le corps du piston plein d'huile et sur une cavité du peton (4), l'ensemble dimensionné pour se comporter en pallier fluide à haute pression, c'est à dire réduire le frottement par un mince film d'huile entre le bronze et la piste en fonte rectifiée du plateau. Modifications: Un alésage est pratiqué dans le plateau de façon à loger sous les patins (4) des pistons (3) un roulement à bille (1) supportant les efforts radiaux et une butée à aiguille (2) supportant les efforts axiaux. La pompe auxiliaire (6) à engrenage basse pression est remplacée par un modèle de pompe à engrenage externe de même cylindrée mais haute pression, et également accouplée sur l'arbre (8). Cette modification n'est pas représentée. DESCRITION DE QUELQUES MODES PARTlCUlRS DE REALISATION La chaîne de traction objet de ce brevet est utilisée sur un petit véhicule urbain. Elle se compose d'un moteur électrique accouplé à une transmission hydrostatique constituée d'une pompe et de deux moteurs hydrauliques. Elle comporte d'autre part un circuit hydraulique basse pression qui assure le gavage en huile, le refroidissement, le filtrage. Moteurs hydrauliques Deux moteurs hydrauliques en parallèle portent les roues arrière (propulsion). L'utilisation du moteur hydraulique est une solution simple, permettant: - Une simplification du montage, les moteurs peuvent porter les roues, leur appelation courante est alors moteur-roue. - Une réduction des coûts, les nombreux organes utilisés par la transmission m8canique (fusée, roulements, cardans, différentiel) étant supprimés. Des flexibles hydrauliques remplacent donc les cardans ménisques, ce qui rend beaucoup plus libre, la localisation du groupe motopompe que celle d'un système mécanique. Les moteurs hydrauliques peuvent être à cylindrée fixe ou variable. Leur accouplement mécanique aux roues est directe en ce sens qu'ils portent les roues ou bien peut se faire via tout dispositif mécanique (cardans, boite d'engrenage, etc...) Tranatission Les moteurs sont alimentés en huile sous pression par un groupe motopompe, constitué d'un moteur électrique et d'une pompe. Le moteur entraine une pompe hydraulique, à pi$ons axiaux et à Dlateau inclinable, à vitesse de rotation constante. La variation du débit d'huile s'effectue en inclinant plus ou moins le plateau par l'intermédiaire d'une manette (avec assistance ou non), sur lequel s'appuient les pistons: la course, axiale, de ceux-ci determine la cylindrée de la pompe, c.à.d. le débit d'huile à vitesse de rotation donnée; et cette course est d'autant plus grande que le plateau est incliné. Cette solution comprend: - un moteur à courant continu, utilise en vitesse constante - une pompe à plateau à débit variable, accouplée au moteur - un éventuel dispositif stoppant le moteur électrique lorsque le véhicule est à l'arrêt - un dispositif de protection et démarrage du moteur électrique Le dispositif de protection et démarrage peut être éIectromé:mique. n est constitué d'un sectionneur fusible en sortie de batterie, d'un premier contacteur dit de démarrage insérant entre la batterie et le moteur électrique une résistance ayant pour effet de limiter le courant de démarrage du moteur à l'arrêt et d'un deuxième contacteur dit de marche dont la montée est temporisé de quelques secondes par rapport au premier et qui courtcircuite la résistance. Ledit dispositif peut être électronique et constitué d'un interrupteur semiconducteur de puissance piloté par un circuit de commande à découpage de manière à obtenir une montée progressive de la tension aux bornes du moteur. La pompe à débit variable peut être obtenue par assemblage et commutation hydraulique judicieuse de plusieurs pompes à cylindrée fixe à engrenage par exemple. Les pompes sont toutes entraînées par le même axe accouplé au moteur électrique et chacune peut débiter en courtcircuit sur elle-même ou dans le circuit haute pression qui alimente le ou les moteurs hydrauliques. REVENDICATIONS 1 Chaîne de propulsion hydraulique optimisée pour véhicule électrique autonome actionné par batterie caractérisée en ce qu'elle comporte un ensemble d'éléments constitués de: - un moteur hydraulique (15) fournissant un couple mécanique sur son axe à vitesse variable - une pompe hydraulique à débit variable (14) recevant un couple mécanique sur son axe à vitesse de rotation variable ou non - des conduits hydrauliques (10) reliant le dit moteur hydraulique à la dite pompe - un moteur électrique (13) alimenté par la batterie (ll) via le dispositif de protection et démarrage (12) 2 Chaîne de propulsion selon la revendication 1 caractérisée en ce que la pompe hydraulique à dit variable peut être une pompe hydraulique à pistons axiaux (14) comportant un roulement à bille (1) et une butée à aiguille (2) placés entre les patins des pistons en rotation (4) et le plateau inclinable (5) et que les patins des pistons ne comportent aucun orifices. 3 Chaîne de propulsion, selon la revendication I comportant un moteur électrique (13) qui peut être un moteur à courant continu tournant à vitesse quasi constante. 4 Chaîne de propulsion selon les revendications I et 3 caractérisée en ce que le dispositif de protection et démarrage (12) peut être électromécanique. 5 Chaîne de propulsion selon la revendication I caractérisée en ce qu'elle peut comporter plusieurs moteurs hydrauliques (15) branchés en parallèle ou en série 6 Chaîne de propulsion selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que la pompe auxiliaire de gavage est une pompe à engrenage haute pression accouplée à l'arbre (6). 7 Chape de propulsion selon les revendications I et 2 cararérisée en ce qu'elle peut comporter un ciuuit basse pression comprenant une pompe auxiliaire (17), un réservoir d'huile (19) et un filtre (18). 8 Chaîne de propulsion selon la revendication I caractérisée en ce que la pompe à débit variable est constituée d'un assemblage de plusieurs pompes à cylindrée fixe, et d'un dispositif de commutation hydraulique pour les filaire débiteur ou non en parallèle dans le circuit haute pression qui alimente le ou les moteurs hydrauliques.