Brevet FR2788028A1 — publié le 20000707

L'invention concerne un dispositif d'entraînement d'un véhicule et notamment d'un véhicule ferroviaire. L'invention s'applique également à l'entraînement des véhicules routiers. On connaît des véhicules, notamment ferroviaires qui comportent une structure montée sur au moins un essieu moteur muni de roues qui est en- traîné en rotation par un moteur électrique tel qu'un moteur à flux radial. Le moteur, qui est fixé à la structure du véhicule et éventuellement supporté par l'essieu par l'intermédiaire d'un palier, comporte un stator et un rotor monté rotatif par rapport au stator. L'entraînement de l'essieu en rota- tion par le rotor du moteur peut être réalisé par l'intermédiaire d'engrenages constituant un réducteur. L'un des engrenages, qui est solidaire de l'essieu, constitue un élément d'entraînement s'étendant radialement autour de l'essieu et comporte une denture avec laquelle engrène le pignon qui peut être solidaire du rotor. Dans un tel dispositif d'entraînement, le moteur est intercalé entre la structure du véhicule et l'essieu, dans la direction verticale, ce qui nécessite de placer la structure du véhicule à une certaine hauteur audessus de l'essieu. En outre, I'utilisation d'un réducteur présente certains inconvé- nients, puisqu'il augmente l'encombrement du dispositif d'entraînement et absorbe difficilement des déplacements en service entre la structure du vé- hicule et l'essieu. On a proposé d'utiliser des dispositifs d'entraînement de véhicules ferroviaires ou routiers comportant un moteur électrique entourant l'essieu du véhicule, ou disposé à la partie centrale d'une roue. Dans le cas de tels dispositifs d'entraînement, le rotor peut être en prise directe avec l'essieu ou avec la roue. L'entraînement direct de l'essieu ou de la roue est généralement réalisé par une partie interne du moteur et généralement par une partie interne du rotor. Le rotor peut également constituer une partie de la roue. Dans tous les cas, il ne subsiste que des possibilités réduites de dé- battement entre l'essieu et le moteur d'entraînement. Dans certains cas, on assure l'entraînement de l'essieu ou de la roue par un réducteur ou un différentiel mais, dans ce cas, on retrouve les incon- vénients déjà mentionnés dans le cas des véhicules ferroviaires dont le dis- positif d'entraînement comporte un réducteur. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif d'entraînement d'un véhicule comprenant une structure montée sur au moins un essieu moteur muni de roues, comportant au moins un moteur électrique porté par la structure du véhicule, ayant un stator et un rotor monté rotatif par rapport au stator, entourant l'essieu et sans contact avec l'essieu, et un élément d'entraînement solidaire de l'essieu s'étendant ra- dialement à partir de l'essieu, ce dispositif permettant de réaliser I'entraînement du véhicule dans de très bonnes conditions, avec des possi- bilités de débattement entre l'essieu et le moteur. Dans ce but, I'élément d'entraînement de l'essieu est disposé latéra- lement par rapport au moteur électrique, dans la direction axiale de l'essieu, et le rotor est solidaire de moyens d'entraînement destinés à venir directe- ment en prise avec l'élément d'entraînement de l'essieu en rotation. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple, un dispositif d'entraînement suivant l'art antérieur et un dis- positif d'entraînement suivant l'invention et suivant plusieurs modes de réali- sation. La figure 1 est une vue schématique en élévation et en coupe par- tielle d'un dispositif d'entraînement suivant l'art antérieur. La figure 2 est une vue en élévation et en coupe partielle d'un dispo- sitif d'entraînement suivant l'invention et suivant un premier mode de réali- sation. La figure 3 est une vue en élévation et en coupe partielle d'un dispo- sitif suivant l'invention et suivant un second mode de réalisation. La figure 4 est une vue en élévation et en coupe partielle d'un dispo- sitif d'entraînement suivant l'invention et suivant un troisième mode de réali- sation. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif d'entraînement d'un vé- hicule ferroviaire qui comporte un essieu 1 sur lequel sont montées des roues 3 destinées à se déplacer sur des rails 4. L'essieu 1 est fixé sous la structure 2 du véhicule ferroviaire par l'intermédiaire d'éléments de suspension connus et non représentés sur la figure. Le dispositif d'entraînement comporte un moteur électrique 6 à flux radial qui est fixé à la structure 2 du véhicule par l'intermédiaire de moyens de fixation connus 5 et qui est supporté par l'intermédiaire d'un palier 8 par l'essieu 1 du véhicule. L'essieu 1 est solidaire d'un engrenage 10 qui en- toure l'essieu et qui s'étend en direction radiale autour de l'essieu. L'engrenage 10 comporte une denture sur sa surface périphérique avec laquelle engrène un pignon 9 solidaire de l'axe 7 du moteur 6. L'utilisation d'un dispositif d'entraînement tel que représenté sur la figure 1 nécessite de disposer la structure 2 du véhicule à une distance importante au-dessus de l'essieu 1, pour pouvoir le loger le moteur 6 et le réducteur constitué par les engrenages 9 et 10. De plus, I'ensemble constitué par le moteur et le ré- ducteur repose partiellement sur l'essieu, de sorte que les déplacements et vibrations de l'essieu sont transmis au réducteur et au moteur. Sur les figures 2, 3 et 4, on a représenté un dispositif d'entraînement suivant l'invention et suivant plusieurs modes de réalisation. Les éléments correspondants sur les figures 2, 3 et 4 sont affectés des mêmes repères. La figure 2 est relative à un premier mode de réalisation d'un disposi- tif d'entraînement suivant l'invention utilisé pour l'entraînement d'un véhicule ferroviaire, et désigné de manière générale par le repère 10. On a repré- senté la structure 12 du véhicule ferroviaire et un essieu 13 solidaire de roues 1 1 destinées à se déplacer sur des rails 14. La structure 12 du véhicule est reliée à l'essieu 13, par l'intermédiaire de supports élastiques 15 dans lesquels l'essieu 13 est monté rotatif, par l'intermédiaire de paliers 16. - Le dispositif d'entraînement 10 comporte un moteur électrique 17 entourant l'essieu et un élément d'entraînement 18 constitué par un disque solidaire de l'essieu et disposé latéralement par rapport au moteur 17. Le moteur 17 est un moteur du type discoide qui comporte un stator 19 et un rotor 20 monté rotatif à l'intérieur du stator, par l'intermédiaire de paliers 21 et 21'. Le stator et le rotor sont symétriques de révolution et présentent des sections méridiennes qui sont visibles sur la figure 2. Le stator 19 présente la forme d'un disque 22 solidaire à sa périphérie d'une virole 23 par l'intermédiaire de laquelle le stator et l'ensemble du mo- teur 17 sont suspendus à la structure 12 du véhicule, par l'intermédiaire d'éléments de support 24. Le disque 22 du stator porte, sur chacune de ses faces, des bobina- ges engendrant un champ magnétique tournant de direction axiale, c'est-à- dire dirigé suivant l'axe 25 commun au moteur 17 et à l'essieu 13. Le rotor 20 comporte deux disques de rotor 26 et 26' disposés de part et d'autre du disque de stator 22, qui portent des aimants permanents ou des bobinages sur leurs faces en vis-à-vis des faces du disque de stator 22 portant les enroulements. Le rotor peut être réalisé en deux parties assemblées entre elles sui- vant la zone de jonction 27. La partie interne du rotor est réalisée sous la forme d'une virole 28 dont le diamètre intérieur est supérieur au diamètre de l'essieu 13. Du fait de la présence d'un jeu radial entre l'essieu 13 et la partie interne du moteur 17 constituée par la virole 28 du rotor, le moteur 17, suspendu à la structure 12 du véhicule, est sans contact avec l'essieu qui peut présenter un certain dé- battement à l'intérieur de la structure du moteur, lorsque le véhicule circule sur les rails 14. Le disque 26 du rotor 20 constitue, du côté latéral du moteur situé en vis-à-vis du disque d'entraînement 18 solidaire de l'essieu, la partie mâle d'un accouplement à griffes dont les griffes 29 en saillie vers l'extérieur du moteur dans la direction axiale sont engagées dans des encoches (ou une denture) de direction radiale 30, usinées à la périphérie du disque 18. L'accouplement à griffes, constitué par les griffes 29 et les encoches 30 du disque 18, qui réalise une liaison à attaque directe entre le rotor et le disque 18 solidaire de l'essieu 13, peut comporter cependant un système d'amortissement qui permet d'absorber les accélérations transmises à l'essieu par le rotor 20 ou les roues 11 circulant sur les rails 14. Du fait que le couple est transmis par le rotor 20 à l'essieu 13, dans une zone du disque 18 éloignée radialement de l'axe 25 de l'essieu, la transmission du couple est améliorée. De plus, un accouplement tel qu'un accouplement à griffes permet d'assurer à la fois une très bonne transmis- sion du couple, avec un certain débattement dans la direction radiale de l'essieu. Le moteur 17 peut être réalisé sous une forme entièrement fermée, comme représenté sur la figure 2, la virole 23 du stator fermant le moteur vers l'extérieur, la virole 28 du rotor fermant le moteur vers l'intérieur et des éléments complémentaires de fermeture 31 et 31', obturant pratiquement l'espace entre le stator ou le rotor, dans lequel sont disposés les paliers à roulement 21 et 21'. Cette réalisation fermée du moteur présente un avantage dans le cas o le véhicule doit circuler sur des voies polluées. De plus, le moteur peut comporter un circuit de refroidissement à col- lecteurs 32 et 32' qui permet, au moment du démarrage, de dégivrer éven- tuellement le moteur. On fait circuler pour cela un fluide préalablement chauffé à l'intérieur du circuit de refroidissement. Sur la figure 3, on a représenté un second mode de réalisation d'un dispositif d'entraînement suivant l'invention utilisé pour l'entraînement d'un véhicule ferroviaire comportant une structure 12 de véhicule et un essieu 13 entraîné par le dispositif d'entraînement désigné de manière générale par le repère 40; les éléments correspondants sur les figures 2 et 3 sont désignés par les mêmes repères. Le dispositif d'entraînement 40 selon le mode de réalisation repré- senté sur la figure 3 comporte un moteur électrique 33 et le disque d'entraînement 18 solidaire de l'essieu 13 disposé latéralement, dans la di- rection de l'axe 25 de l'essieu 13, par rapport au moteur 33. Le mode de réalisation du dispositif d'entraînement représenté sur la figure 3 ne diffère du mode de réalisation représenté sur la figure 2 que par la forme de réalisation du moteur électrique 33. Le moteur 33 est constitué par deux ensembles 34 et 35 réalisés cha- cun de manière analogue au moteur électrique 17 du premier mode de réali- sation représenté sur la figure 2 et placés en série dans la direction de l'axe commun à l'essieu et au moteur 33. Chacun des ensembles 34 et 35 comporte une partie de stator et une partie de rotor, sensiblement analogues au stator et au rotor du moteur 17 du premier mode de réalisation. Chacune des parties de stator comporte un disque de stator sur cha- cune des faces duquel sont disposés des bobinages engendrant un champ magnétique tournant et une virole externe solidaire de la partie périphérique du disque de stator. Les viroles externes des parties de stator des ensembles 34 et 35 sont assemblées bout à bout dans une zone de jonction 37, pour constituer la virole externe 36 du moteur 40 par l'intermédiaire de laquelle le moteur est suspendu à la structure 12 du véhicule ferroviaire, par l'intermédiaire d'éléments de suspension 38. Les parties de rotor des ensembles 34 et 35 sont constitués par trois éléments assemblés bout à bout dans la direction de l'axe 25 commun au moteur et à l'essieu 13, l'élément central qui est relié aux éléments d'extré- mité dans des zones 39 et 39' étant commun à la partie de rotor de l'ensemble 34 et à la partie de rotor de l'ensemble 35. Le rotor du moteur 40 comporte, dans son ensemble, une virole interne 41 et trois disques de rotor dont les faces sont placées en regard des faces des disques de stator pour- vues de bobinages. Les faces des disques de rotor en vis-à-vis des faces des disques de stator portent des aimants permanents ou des bobinages. Le rotor est monté rotatif à l'intérieur de la virole de stator 36, par I'intermédiaire de paliers 42 et 42'. La virole 41 du rotor présente un diamètre intérieur supérieur au dia- mètre de l'essieu 13, de sorte qu'il existe un jeu radial entre l'essieu 13 et la virole du rotor, permettant un débattement de l'essieu 13 par rapport au moteur 40, au cours de la circulation du véhicule ferroviaire. Le disque d'entraînement 18 solidaire de l'essieu 13 est disposé laté- ralement par rapport au moteur 40, dans la direction de l'axe 25 du moteur et de l'essieu, du côté de l'ensemble 34. Le disque d'entraînement 18 com- porte, dans sa partie périphérique, des encoches ou une denture d'entraîne- ment dans laquelle sont engagées des griffes 43 solidaires du rotor du mo- teur 40. Comme dans le cas du mode de réalisation représenté sur la figure 2, I'accouplement à griffes, constitués par les griffes 43 et la partie périphéri- que du disque 18, constitue une transmission à prise directe entre le rotor du moteur 40 et l'essieu 13. La zone de transmission des efforts est également reportée à une certaine distance radiale de l'axe 25 commun au moteur et à l'essieu. La transmission à griffes permet également un certain débattement radial entre le disque d'entraînement 18 solidaire de l'essieu et le moteur suspendu à la structure 12 du véhicule automobile. Dans le cas du dispositif d'entraînement selon le premier mode de réalisation représenté sur la figure 2 ou dans le cas du second mode de réa- lisation représenté sur la figure 3, le disque d'entraînement 18 peut être pla- cé latéralement, d'un côté ou de l'autre du moteur ou encore un disque d'entraînement peut être placé sur chacun des côtés du moteur, le rotor du moteur comportant, dans ce cas, des parties d'entraînement direct telles que des griffes, à chacune de ses extrémités axiales. La réalisation d'un moteur tel que le moteur 40 à partir de plusieurs ensembles modulaires permet de réaliser des moteurs de puissances diffé- rentes par assemblage de modules qui peuvent être identiques. Comme représenté sur la figure 3, le moteur 40 comportant deux en- sembles 34 et 35 peut être réalisé sous forme totalement fermée, de même que le moteur 17 du premier mode de réalisation. Sur la figure 4, on a représenté un troisième mode de réalisation du dispositif d'entraînement suivant l'invention appliqué à l'entraînement d'un véhicule ferroviaire comportant une structure de véhicule et au moins un es- sieu moteur. Dans le cas des dispositifs d'entraînement selon le premier et selon le second modes de réalisation, le moteur électrique d'entraînement 17 ou 40 est un moteur discoïde. Le dispositif d'entraînement selon le troisième mode de réalisation, représenté sur la figure 4, ne diffère du premier et du second modes de réa- lisation que par la réalisation du moteur d'entraînement 45 qui est un moteur à structure cylindrique. Le moteur 45 est réalisé et disposé de manière à entourer l'essieu 13, sans contact avec l'essieu. Le moteur à structure cylindrique 45 comporte un stator 46 et un rotor 48 monté rotatif dans le stator, autour de l'axe 25 com- mun à l'essieu et au moteur, par l'intermédiaire de paliers 47 et 47'. Le stator 46, qui présente une forme annulaire cylindrique, est sus- pendu à la structure 12 du véhicule ferroviaire, par l'intermédiaire d'éléments de fixation 49 et 49' reliés à la surface latérale cylindrique du stator 46. Le rotor 48 présente la forme d'une virole cylindrique solidaire, à l'une de ses extrémités, d'un disque annulaire 48'. Le stator 46 porte, sur sa surface interne cylindrique, des bobinages 44 engendrant un champ magnétique tournant autour de l'axe 25 du moteur. Le rotor 48 porte, sur la surface externe de sa partie cylindrique, des ai- mants permanents ou bobinages 50 en regard des bobinages 44 du stator. La partie cylindrique du rotor 48 présente un diamètre intérieur supérieur au diamètre de l'essieu 13, de sorte qu'il existe un jeu radial entre la surface externe de l'essieu et la surface interne du rotor. La partie d'extrémité 48' en forme de disque du stator porte des grif- fes d'entraînement 51 venant s'engager dans des encoches ou dans une denture de la partie périphérique du disque d'entraînement 18. On réalise ainsi un entraînement direct du disque 18 et de l'essieu par le rotor 48. Ce- pendant, comme dans le cas du premier et du second modes de réalisation, on peut prévoir d'associer à l'accouplement à griffes, constitué par les griffes 51 et la partie périphérique de l'élément d'entraînement 18, un système d'amortissement permettant d'absorber les efforts d'entraînement et d'éviter des à-coups lors des accélérations ou freinages du véhicule ferroviaire. Comme dans le cas du premier et du second modes de réalisation, la transmission des efforts est reportée à une certaine distance radiale de l'axe 25 de l'essieu et un débattement entre l'essieu et le moteur est possible malgré l'engrènement des griffes de l'accouplement à griffes, dans les enco- ches de réception des griffes de la partie périphérique du disque d'entraîne- ment 18. Le dispositif d'entraînement suivant l'invention présente tout d'abord les avantages obtenus dans tous les cas o l'on utilise un moteur entourant l'essieu, cette disposition du moteur permettant en particulier de rapprocher la structure du véhicule de l'essieu et donc d'abaisser le véhicule et d'augmenter sa stabilité en cours d'utilisation. De manière à obtenir une dis- position la plus compacte possible, on utilise un moteur électrique dont le diamètre extérieur hors tout est inférieur au diamètre des roues du véhicule. Dans ce cas, le moteur est entièrement logé à l'intérieur du train de roues. Le moteur électrique du dispositif d'entraînement suivant l'invention est entièrement suspendu à la structure du véhicule, ce qui permet d'améliorer les performances en traction du dispositif d'entraînement et de limiter la transmission des vibrations, du fait que l'essieu n'est pas en con- tact avec le moteur. La transmission des efforts est réalisée à une distance radiale de l'axe de l'essieu qui peut être optimisée en choisissant les dimensions du disque ou autre élément de transmission solidaire de l'essieu. En outre, du fait de l'existence d'un jeu entre le rotor et l'essieu et de l'utilisation d'un accouplement ayant une certaine latitude de débattement radial, I'essieu est pratiquement libre par rapport au moteur d'entraînement. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été dé- crits. L'attaque directe de l'élément d'entraînement solidaire de l'essieu par le rotor peut être réalisée latéralement, d'un côté ou l'autre du moteur ou des deux côtés. Dans le cas d'un accouplement à griffes, les griffes peuvent être solidaires d'une partie du rotor en forme de disque placée à l'une au moins des extrémités axiales du moteur. Le moteur électrique, lorsqu'il est de type discoïde peut comporter deux disques de stator ou plus et trois disques de rotor ou plus, disposés de manière que chaque disque de stator soit intercalé dans la direction axiale du moteur entre deux disques de rotor. Au lieu d'un seul moteur ou d'un seul ensemble moteur, on peut utili- ser plusieurs moteurs ou plusieurs ensembles moteurs dont les rotors assu- rent chacun une transmission en prise directe d'un couple d'entraînement à un élément d'entraînement solidaire de l'essieu. Dans ce cas, on peut utiliser à la fois tous les moteurs ou ensembles moteurs ou, éventuellement, seule- ment certains de ces moteurs ou ensembles moteurs. Le ou les moteurs ou ensembles moteurs peuvent être placés dans des dispositions centrées ou symétriques, dans la direction axiale de l'essieu ou encore dans des dispositions décentrées ou non symétriques. Lorsque le moteur est de type discoïde, il comporte de manière géné- rale au moins un disque de stator et un disque de rotor présentant des faces en vis-à-vis, une pluralité de bobinages électriques étant fixés sur la face du disque de stator et une pluralité d'aimants permanents ou de bobinages étant fixés sur la face en vis-à-vis du disque de rotor. L'accouplement entre le rotor et l'élément d'entraînement de l'essieu peut être réalisé non seulement sous la forme d'un accouplement à griffes mais encore sous une autre forme telle qu'un accouplement à lamelles. Dans tous les cas, I'accouplement entre le rotor et l'élément d'entraînement doit être un accouplement direct permettant un certain débattement perpen- diculairement à l'axe de l'essieu. Le dispositif d'entraînement suivant l'invention peut s'appliquer non seulement à l'entraînement de véhicules ferroviaires mais encore dans le cas de véhicules routiers ou de véhicules tout terrain. REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'entraînement d'un véhicule comprenant une structure (12) montée sur au moins un essieu moteur (13) muni de roues (11), com- portant au moins un moteur électrique (10, 40, 45) ayant un stator (19, 46) et un rotor (20, 48) monté rotatif par rapport au stator entourant l'essieu (13) sans contact avec l'essieu, et un élément d'entraînement (18) solidaire de l'essieu (13) s'étendant radialement à partir de l'essieu (13), caractérisé par le fait que l'élément d'entraînement (18) de l'essieu (13) est disposé latéra- lement par rapport au moteur électrique (10, 40, 45), dans la direction axiale (25) de l'essieu, et que le rotor (20, 48) est solidaire de moyens d'entraînement (29, 43, 51) destinés à venir directement en prise avec l'élément d'entraînement (18) de l'essieu (13) en rotation. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor (20, 48) est solidaire de griffes (29, 43, 51) en saillie vers l'extérieur du moteur dans la direction axiale engagées dans des encoches ou une den- ture de la partie périphérique de l'élément d'entraînement (18) réalisé sous la forme d'un disque, les griffes (29, 43, 51) du rotor et la partie périphérique de l'élément d'entraînement (18) constituant un accouplement à griffes. 3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un système d'amortissement est associé à l'accouplement à griffes (29, 43, 51, 18), de manière à éviter des à-coups, lors d'accélérations ou freinages du véhicule. 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le moteur (10, 40) est un moteur de type discoïde comportant au moins un disque de stator et un disque de rotor présentant des faces en vis-à-vis, une pluralité de bobinages électriques étant fixés sur la face du disque de stator et une pluralité d'aimants permanents ou de bo- binages étant fixés sur la face en vis-à-vis du disque de rotor. 5.- Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que le stator(19) du moteur électrique (10) comporte un disque de stator (22) por- tant des bobinages électriques sur chacune de ses faces et que le rotor (20) du moteur comporte deux disques de rotor (26, 26') placés de part et d'autre du disque de stator et comportant chacun sur l'une de leurs faces en visà- vis d'une face du disque de stator (22), des aimants permanents ou des bo- binages. 6.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, ca- ractérisé par le fait que le stator du moteur électrique (40) comporte au moins deux disques de stator munis de bobinages électriques sur leurs deux faces et que le rotor du moteur électrique (40) comporte au moins trois dis- ques de rotor disposés de manière qu'un disque de stator soit intercalé, dans la direction axiale (25) du moteur, entre deux disques de rotor. 7.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le moteur électrique (45) est un moteur électrique à structure cylindrique, le stator (46) et le rotor (48) placés coaxialement comportant des surfaces cy- lindriques en vis-à-vis, la surface cylindrique du stator portant des bobinages électriques et la surface cylindrique du rotor en vis-à-vis, des aimants per- manents ou des bobinages électriques. 8.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, ca- ractérisé par le fait que les griffes (29, 43, 51) de l'accouplement à griffes sont solidaires d'au moins un disque (26, 48') du rotor placé à une extrémité axiale du moteur (10, 40). 9.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le rotor du moteur est en prise avec l'élément d'entraînement (18) de l'essieu (13), par l'intermédiaire d'un accouplement à lamelles.