Brevet FR2720366A1 — publié le 19951201

DESCRIPTION La présente invention concerne une solution conceptuelle d'une transmission de puissance pour véhicules chenillés permettant un choix libre du nombre, des valeurs et de la répartition des rayons de virage. Pour des applications pratiques une solution cinématique rationnelle est dégagée qui satisfait les besoins des véhicules chenillés à haute puissance spécifique. Pour résoudre le problème de direction d'un véhicule chenillé et atteindre une haute manoeuvrabilité, une transmission doit satisfaire les besoins concernant les trois critères de manoeuvrabilité: pertes de puissance, performances en virage et stabilité de direction. Ces critères se manifestent par un parametre de la transmission que l'on appelle: rayon cinématique de virage. L'on utilise une diversité de solutions de transmission pour véhicules chenillés. Le nombre, les valeurs et la répartition des rayons cinématiques d'une transmission sont des paramètres qui déterminent les caractéristiques de manoeuvrabilité d'un véhicule chenillé. Une solution de transmission très utilisée à l'heure actuelle permet plusieurs rayons cinématique de virage. Une telle transmission, fig. 1, est un mécanisme complexe comprenant une boite de vitesses, un mécanisme de direction et deux trains planétaires latéraux Ces transmissions permettent un rayon cinématique de virage pour chaque rapport de vitesse, fig.2. Mais, à cause des limites conceptuelles et cinématiques, on ne peut choisir qu'une seule valeur du rayon de virage, les valeurs des autres étant imposées par ce choix; la valeur d'un rayon détermine la pente e de la droite qui lie tous les rayons de virage. Les conséquences sont telles que les pertes d'énergie en virage augmentent et la mobilité du véhicule diminue. Pour pallier cet inconvénient, il existe des solutions de transmission qui comme mécanisme de direction utilisent une boite à deux et trois rapports, permettant deux et trois rayons de virage par rapport de vitesse. Parmi les solutions de transmissions utilisées existent des transmissions à deux boites de vitesses, fig.3. Ces boites de vitesses servent d'abord à procurer au véhicule un mouvement rectiligne, et en tant que telles assurent les fonctions de direction. L' analyse cinématique d'une transmission à deux boites de vitesses disposées latéralement (fig. 3), montre que les boites de vitesses ont un étagement de rapports défini par un terme de progression géometrique q, celui ayant une valeur constante: avec 1à -les vitesses de sortie des rapports I àn. Une telle transmission fonctionne de la façon suivante: en ligne droite, les deux boites sont en prise d'un rapport quelconque. Le virage du véhicule s'éffectue de telle façon qu' avec les boites de vitesses ron assure aux chenilles des vitesses différente, c'est à dire que l'on désacouple le rapport engagé de la boite intérieure à la courbure de la trajectoire et engage le rapport inférieur. La vitesse de la chenille intérieure donc diminue pour une valeur donnée. L'engagement du rapport inférieur accompli, le véhicule tourne au rayon cinématique. Le rayon cinématique est fonction du terme de progression de la boite de vitesses: R=f(q) (2) Etant donné que le terme de progression de la boite de vitesses est constant (à peu de chose près dans les applications pratiques), la valeur du rayon cinématique est aussi constante quelque soit le rapport engagé. Cela veut dire que pratiquement il n'y a qu'une seule valeur du rayon cinématique quelque soit la vitesse du véhicule. En réalité on peut avoir une certaine variation des rayons cinématiques de virage ce qui peut améliorer la manoeuvrabilité du véhicule aux vitesses modérées. Concernant les caractéristiques de manoeuvrabilité du véhicule il faut que les valeurs des rayons cinématiques soient proportionnelles à la vitesse du véhicule d'une manière bien établie. Cela veut dire qu'on devrait pouvoir choisir hbrement les valeurs des rayons cinématiques pour chaque rapport de vitesse, comme par exemple sur la fig.4. La présente invention d'une transmission de puissance permet un tel choix des valeurs des rayons cinématiques, c'est à dire permet de soumettre librement la valeur d'un rayon cinématique de virage pour chaque rapport de vitesse aux besoins du véhicule, indépendamment des rayons d'autres rapports et sans bouleverser le mécanisme du mouvement rectiligne du véhicule. L'invention d'une transmission aux rayons de virage indépendants comprend deux solutions cinématiques et conceptuelles: La première est une transmission à deux boites de direction, fig.5. Les composants essentiels de la transmission sont: - une boite de vitesses pour satisfaire les besoins du mouvement rectiligne du véhicule et - deux boites à plusieurs étages, cinématiquement symétriques, disposées latéralement, qui assurent la fonction d'un mécanisme de direction (boites de direction). Les boites de direction on un rapport direct et plusieurs rapports inférieurs qu'on obtient avec un terme de regression variable qv de faucon que chaque rapport définit la valeur d'un rayon cinématique: R=f(qv) (3) En ligne droite les deux boites de direction sont en prise directe. En virage l'on désacouple le rapport direct de la boite interieure à la courbure de la trajectoire et engage le rapport correspondant de faucon que la vitesse de la chenille intérieure diminue pour une valeur donnée. L'engagement du rapport accompli, le véhicule tourne au rayon cinématique correspondant. De l'état du mouvement en ligne droite jusqu'au rayon cinématique, le rayon du virage diminue progressivement en faisant glisser les élements d'accouplement de la boite (suivant les lois du mouvement des véhicules chenillés ce glissement produit un changement de la force motrice ou la force freinante de la chenille intérieure et par conséquent un changement de sa vitesse). Le terme de regression d'une boite de direction est défini comme rapport des vitesses de sortie: avec: - - vitesse de sortie du rapport direct, - Q)v - vitesse de sortie en virage au rayon cinématique. Le rayon cinématique (par unité de demi-distance des chenilles) aura la valeur suivante: Les boites de direction auront autant de rapports, en plus du rapport direct, que l'on désire avoir de rayons cinématiques. L'étagement des boites de direction sera défini par les termes de regression: avec Ri à Rk - rayons cinématiques de virage (par unité de demi-distance des chenilles). I1 faut remarquer que les termes de regressions d'une boite de direction sont définis, relation (6), à la suite d'un choix libre de chaque valeur des rayons cinématiques. Donc, c'est une transmission aux rayons cinémstiques indépendants. Avec un mécanisme planétaire l'on peut facilement réaliser une boite de direction à un étagement défini par des termes de regression (6), de façon que les vitesses de sortie, conformement à la relation (4), constituent des relations suivantes: avec & 1 à à k - vitesses de sortie de la boite intérieure à la courbure de la trajectoire pendant le virage aux rayons cinématiques. En général le nombre de rayons cinématiques de virage (rapports de direction) peut être quelconque mais il doit être justifié par les besoins du vehicule. La boite de vitesses étant en amont des boites de direction, théoriquement une transmission à deux boites de direction peut avoir autant de rayons de virage qu'il y a de rapports de direction pour chaque rapport de vitesses. Toutefois, si les valeurs des rayons cinématiques correspondent aux besoins du véhicule, il suffira d'une boite de direction à quelques rayons cinématiques de virage de façon qu'un rayon de virage corresponde à un diapason de vitesses du véhicule. Ce diapason pourrait englober un à deux rapports de la boite de vitesses. La deuxième solution d'une transmission aux rayons de virage indépendants est la transmission à deux boites complexes, fig.6. Les boites dans lesquelles sont integrées une boite de vitesses et une boite de direction sont cinématiquement symétriques. L'intégration d'une boite de vitesses et d'une boite de direction s' éffectue de telle faucon qu' on fait une synthèse d'une boite intégrant des fonctions du mouvement rectiligne et du virage. Une telle boite doit avoir n rapports de vitesses avec un terme de progression q et n rapports de direction de façon que pour chaque rapport de vitesses correspond un rapport de direction obtenu avec un terme de regression qv. Suivant cela, les vitesses de sortie pour le mouvement rectiligne seront définis par les relations: Les termes de regression des rapports de direction sont déterminés par des valeurs souhaitées des rayons cinématiques de virage: avec Ri à Rn - rayons cinématiques de virage aux rapports de vitesses correspondants. Par la suite, les vitesses de sortie du coté intérieur à la courbure de la trajectoire pendant le virage au rayon cinématique seront définies par les relations: Pour chaque rapport de vitesses il y a donc un rapport supplémentaire (rapport de direction) qui aura un terme de regression défini par les relations (9) dont la valeur est déterminée par les valeurs des rayons cinématiques données. Une telle transmission sera donc aussi aux rayons de virage indépendants. Une transmission à deux boites complexes dont la cinématique est definie par les relations (8), (9) et (10) fonctionne de la façon suivante: En ligne droite un rapport de vitesses quelconque des deux boites est engagé. Pour éfectuer un virage, l'on désaccouple le rapport de vitesses engagé de la boite interieure à la courbure de la trajectoire et engage le rapport de direction correspondant. Le désacouplement et l'engagement des rapports se fait d'une façon progressive en faisant glisser les éléments d'acouplement de la boite. Une certaine simplification de la cinématique de la boite complexe peut etre faite comme suite d'une analyse des effets dynamiques du véhicule en virage et des besions réels qu'ils imposent. De cela on peut déduire que: - le virage au premier rapport peut être éffectué au rayon cinématique dont la valeur est égale à la demi-distance des chenilles (autour d'une chenille), ce qu'on peut avoir en freinant l'arbre de sortie, - pour le virage au deuxième rapport, le terme de regression qv2 correspond au terme de progression des rapports de vitesses q, ce qui signifie qu'on n'a pas besoin d'un rapport supplémentaire, le premier rapport de vitesses jouant le rôle de rapport de direction, - avec les solutions actuelles des trains de roulement et des effets dynamique qu'ils produisent à des vitesses supérieures à 45 à 50 lan/h (dernier rapport), un rayon cinématique n'a aucun rôle ce qui dit qu'on n'a pas besoin non plus d'un rapport supplémentaire. Suivant ces connaissances, une boite complexe devrait avoir n rapports de vitesses pour le mouvement rectiligne et s rapports supplémentaires pour le virage, tel que: s=n-(2à3). (11) En réalité le mouvement rectiligne peut être satisfait avec 4 à 6 rapports de vitesses et pour le virage, 2 à 3 rapports supplémentaires seront nécessaires. Une configuration de mécanisme à quatre trains planetaires et six éléments de couplage, fig. 7 (Fi à F6 sont des coupleurs dont F2 et F3 sont des embrayages et le reste sont des freins), convient parfaitement pour une solution cinématique d'une boite complexe. La cinématique d'une boite complexe est définie par le schéma de fonctionnement et de commande des coupleurs montré sur la fig. 7. Une telle boite alors fonctionne en boite de vitesses et boite de direction Deux boites complexes (gauche et droite), comme il est déjà dit, font une transmission dont le mode de fonctionnement est montré aussi sur la fig. 7. Une telle boite complexe a cinq rapports de vitesses et deux rapports suplementaires de direction permettant à la transmission cinq rapports pour le mouvement rectiligne et quatre rayons cinématiques, un rayon par rapport, le cinquième etant exclu Sur le schéma l'on voit le mode de fonctionnement pour le virage à gauche. Le virage à droite est symetrique. La transmission permet le pivotement sur place (la valeur du rayon cinématique presque nulle), qu'on peut faire lorsqu'une des boites est en marche arrière (MA) et l'autre en première (I). En première, le virage se fait autour d'une chenille, en freinant l'arbre de sortie de la boite correspondante (la valeur du rayon cinématique est égale à la demidistance des chenilles). Le rayon cinématique en deuxième est défini par le terme de progression des rapports de vitesses q (q2,i sur le schéma, puisqu'il y a toujours une petite différence), le premier rapport de vitesses jouant le rôle d'un rapport de direction; les formules sur le schéma donnent une valeur du rayon cinématique par unite de la demi-distance des chenilles du véhicule. Pour avoir une valeur réelle du rayon pour un véhicule, il faut multiplier les valeurs obtenues par la demi-distance des chenilles du véhicule. Les rayons cinématiques en troisième et quatrième sont définis par des rapports supplémentaires (rapports de direction) qu'on réalise en activant les coupleurs correspondants comme il est montré sur le schéma. Ces rayons sont définis par des termes de regression des rapports de direction - qv3 et qv4. La cinématique du mécanisme de cette boite complexe permet une liberté de choix de ces rapports, ce qui signifie un choix libre des valeurs des rayons cinématiques. Comme il est déjà dit, une transmission de ce type n'a pas besion d'un rayon cinématique au cinquième rapport de vitesses, le virage s'effectuant en faisant glisser les éléments d'accouplement du cinquième rapport. Un exemple non limitatif d'une transmission à deux boites complexes avec la cinématique des boites définie par les données de la fig. 7 et au nombre de dents de l'engrenage: Element: 1 2 4 5 6 8 9 10 11 13 14 Nomb. de dents: 40 68 15 24 27 17 64 23 30 15 58 pour la boite de vitesses donne les termes de progression suivants: q2,i = 1,765; q3,2 = 1,688; q4.3 = 1,600 et q54 = 1,517. Pour les rapports de direction, les termes de regression seront: qv2=1,765; qv3= 1,315 etqv4= 1,115. Avec les données ci-dessus, en appliquant les relations (9) (formules du schéma de la fig.?), les valeurs des rayons cinématiques seront: RU4 = I Ri=J R2 = (q2sl+l)/(q2al-l) = 3.61 R3 = (qva3+l)/(qvs3-l) = 7.34 R= (qv4+1)/(qv4-1) 18.39 Sur la fig. 8 on voit la répartition des rayons cinématiques en fonction de la vitesse du véhicule ou par rapport de vitesses. La vitesse est donnée en pourcentage de la vitesse maximale. La cinématique dune boite latérale definie sur la fig. 7 permet une hberté de choix des valeurs des rayons cinématiques au troisième et quatrième rapport sufisante pour résoudre les besoins du véhicule. Une transmission à deux boites complexes (fig. 6) est une solution rationelle destinée à l'application pour des véhicules chenillés à haute puissance spécifique. Une telle transmission à la cinématique d'une boite complexe définie sur la fig.7 est particulièrement destinée à l'application pour tous véhicules chenillés dont les besoins du mouvement rectiligne peuvent être satisfaits avec cinq rapports de vitesses au maximum. Dans certain cas il peut s'avérer plus utile de séparer la boite de vitesses des boites de direction. Dans ce cas la solution montrée sur la fig.5 et la définition cinématique des boites de direction decrite par les relations (6) et (7) permetront d'avoir une transmission à un nombre quelconque de rayons de virage indépendants. Une transmission à deux boites complexes et aux rayons de virage répartis en fonction de la vitesse du véhicule, fig.6, 7 et 8, apporte des avantages considérables aux véhicules chenillés à haute puissance spécifique: - c'est une conception unique de transmission qui permet un choix libre de la valeur du rayon cinématique de virage pour chaque rapport de vitesse, indépendamment des rayons d'autres rapports et sans bouleverser le mécanisme du mouvement rectiligne, - le mode de direction assure une stabilité en ligne droite, - c'est un système à récupération d'énergie, - avec un contrôle hydraulique des coupleurs, le véhicule peut aisément suivre une trajectoire courbe, avec une stabilité de direction grâce aux rayons cinématiques proportionnels à la vitesse du véhicule, - c'est un système mécanique avec très peu de pertes d'énergie, qui s'annulent complètement aux rayons cinématiques, ce qui contribue à une utilisation plus efficace de la puissance disponible, - grâce à l'integration des fonction (traction, direction, freinage) dans les mêmes ensembles, les gabarit et la masse d'une telle transmision sont très réduits, - c'est un dispositif qui peut parfaitement s'integrer dans un compartiment du groupe moto-propulseur, prenant très peu de place et par conséquent peut contribuer d'une maniere considérable à la diminution des gabants et de la masse du véhicule. Un modèle de transmission à deux boites complexes de dimensions réelles a été construit en utilisant la cinématique de la boite complexe définie ci-dessus pour un véhicule chenillé à la puissance spécifique de 22 kW/t et à la vitesse maximale de 75 kinili. La transmission a subie des essais sévères au banc et sur véhicule expérimental aux conditions d'exploitation et a montré d'excellentes caractéristiques de manoeuvrabilité. REVENDICATIONS 1) La solution conceptuelle et cinématique d'une transmission de puissance pour véhicules chenillés caractérisée par deux boites complexes intégrant des boites de vitesses et de direction, fig.6, de manière que celles-ci permettent plusieurs rapports de vitesses et plusieurs rayons cinématiques indépendants répartis en fonction de la vitesse du véhicule. 2) Le procédé de synteèse d'une boite complexe selon la revendication 1 caractérisé par une boite à plusieurs rapports de vitesses à l'étagement défini par les relations (8) pour le mouvement rectiligne et un certain nombre de rapports supplémentaires de direction dont l'étagement est défini par les relations (9) eut (10). 3) La solution cinématique d'une boite complexe selon les revendications 1 et 2 caractérisées par le schéma cinématique du mécanisme planétaire et le schéma de fonctionnement et de commande des coupleurs, fig.?. 4) La solution conceptuelle et cinématique d'une transmission de puissance dérivée selon la revendication 1, caractérisée par une boite de vitesses et deux boites de direction, fig. 5, permettant plusieurs rayons de virage indépendants répartis en fonction de la vitesse du véhicule. 5) Le procédé de syntèse d'une boite de direction selon la revendication 4, caractérisé par une boite à plusieurs rapports à l'étagement défini par les relations (5), (6) et (7).