Brevet FR2851311A1 — publié le 20040820

I La présente invention concerne un dispositif de freinage d'arbre de transmission utilisant un moyen électromagnétique à temps de réponse court, associé à un capteur d'angle de rotation de l'arbre freiné. Actuellement les freins électromagnétiques sont généralement lourds, coteux 5 et encombrants, car ils utilisent des matériaux magnétiques feuilletés, qui ne peuvent générer que des champs magnétiques ce qui les alourdit par présence de matière inutilisée et en accroît les volumes. Leur utilisation en technique automobile est donc souvent impossible soit par manque de place soit parce que le cot de la solution est trop élevé. L'invention, est caractérisée en ce qu'elle exploite les performances d'un 10 électroaimant de forme générale axisymétrique utilisant des matériaux magnétiques aux caractéristiques isotropes et peu conducteurs de l'électricité. Elle apporte une solution peu coteuse, peu encombrante et de temps de réponse optimal tout en fournissant à peu de frais une fonction supplémentaire de mesure précise de la vitesse de rotation de l'arbre freiné, toujours nécessaire en cas d'utilisation en robotique. L'invention s'applique partout o un arbre doit subir un ralentissement contrôlé, précis et rapide, en particulier dans les systèmes robotisés, la technique automobile, et tous mécanismes nécessitant des actionneurs rapides. La description suivante, non limitative concerne une application particulièrement bien adaptée à l'invention, qui est utilisée pour ramener la vitesse de 20 rotation de l'arbre primaire des boîtes de vitesse mécaniques des véhicules à moteurs thermiques à une valeur telle que la vitesse de rotation de l'engrenage tourillonnant sur l'arbre secondaire (ou tout autre arbre), entraîné par l'arbre primaire, atteigne une vitesse identique à la vitesse de l'arbre secondaire, qui est imposée par la vitesse du véhicule, afin de solidariser cet engrenage avec l'arbre secondaire par crabotage. Actuellement, cette 25 fonction est assurée par des synchroniseurs, petits embrayages en nombre identique au nombre de rapports que comporte la boîte. Cette technique, bien adaptée à une commande manuelle, donc relativement lente, qui préserve la durée de vie des synchroniseurs, ne convient pas à la robotisation des commandes des boites de vitesse, car la lenteur de la synchronisation provoque une secousse par rupture du couple moteur très 30 mal acceptée des passagers. Une solution consiste à augmenter la vitesse de synchronisation, mais cette pratique a pour effet de réduire la durée de vie des synchroniseurs et est donc inadaptée. L'invention apporte de nombreux avantages: elle réduit considérablement la durée de la rupture de couple, elle rend inutile les svnchroniseurs et donc raccourcit les 35 dimensions axiales de la boite, ce qui est recherché par les constructeurs automobiles utilisant les groupes moteurs en position transversale, les dimensions axiales étant toujours limitées par la largeur du véhicule. Les figures I à 4 visualisent l'intérêt du dispositif selon l'invention: La figure 1 représente une séquence de changement de rapport en montée de vitesse (par exemple du rapport 2 au rapport 3), pour un véhicule équipé d'une boite de vitesse manuelle ou robotisée. Cette séquence comprend plusieurs phases, un débrayage, suivi d'un décrabotage, d'une synchronisation, d'un crabotage et d'une phase 5 d'embrayage. La synchronisation s'effectuant lentement la durée de la rupture de couple est importante. La figure 2 représente la même séquence, mais la boîte est équipée du dispositif revendiqué: Les phases sont alors différentes: phase de débrayage, puis décrabotage, puis équilibrage de la vitesse par mise en fonction du dispositif selon l'invention, puis 10 crabotage et enfin embrayage. Le temps d'équilibrage est alors réduit à quelques dizaines le millisecondes alors qu'il était de plusieurs centaines de millisecondes. La figure 3 représente une séquence de changement de rapport en descente de vitesse (par exemple du rapport 3 au rapport 2), pour un véhicule équipé d'une boite de vitesse manuelle ou robotisée. Les phases de cette séquence sont identiques aux phases 15 énumérées pour la figure 1. La figure 4 représente la même séquence, mais boîte équipée du dispositif revendiqué. La phase de débrayage est suivie d'une phase de décrabotage associée à une montée en vitesse du moteur thermique, suivie d'une phase d'embrayage et d'une continuation de la montée en vitesse, suivie d'une phase de débrayage lorsque la vitesse 20 du moteur donc de l'arbre primaire de boite est supérieure à la vitesse de synchronisation et d'arrêt de l'accélération de la vitesse moteur, suivie d'une phase d'équilibrage de la vitesse par mise en fonction du dispositif selon l'invention, d'un crabotage et d'un embrayage. Cette stratégie est connue sous le nom de double débrayage. Le gain sur la durée de rupture de couple est important, malgré le nombre de phases, dont la durée 25 unitaire peut être très petite. L'ensemble de la séquence est de l'ordre de la centaine de millisecondes. La figure 5 représente un groupe de 2 engrenages (1), (2) séparés par les crabots (3) et (4) et le synchroniseur (5). La figure 6 représente ces même engrenages, mais sans synchroniseurs, 30 remplacés par la partie femelle des synchroniseurs et la gorge destinée à la fourchette de crabotage. La variation des dimensions (A) correspond à la place gagnée par l'adoption du dispositif selon l'invention. Les figures 7 à 13 décrivent plusieurs versions de l'invention. Les figures 7, 9. sont des demi-coupes. Le dispositif selon l'invention ne se limite pas à des volumes à 35 symétries axiales, les pièces référencées 22, 23, 42 ne présentent pas souvent d'axe de symétrie, mais leur représentation complète n'apporte rien aux revendications et pour une meilleure compréhension, n'a donc pas été dessinée. La figure 8 est une coupe selon AA de la figure 7, la figure 1 1 est une représentation de la culasse d'un électroaimant (d'autres formes sont possibles et dépendent de l'environnement), la figure 12 est une représentation d'une pièce de forme (d'autres formes sont possibles et dépendent de l'environnement), la figure 13 décrit un procédé d'élaboration revendiqué. La figure 7 décrit une version non limitative de l'invention. L'équipage mobile de l'embrayage est constitué, dans ce mode de réalisation, d'un disque (6) en tôle raidie 5 par emboutissage et découpée ou réalisé par tout autre moyen telle que moulage (figure 10), frittage etc. qui comporte une couronne en matériau de friction connu appelé aussi garniture de friction (7) fixée par des moyens connus tel que rivets. Ce disque et, fixé soit par brasure, soit par tout autre moyen, une couronne (8) en matériau magnétique doux, fer doux ou poudre de fer pressée et agglomérée à haute température, et ne nécessitant 10 pas d'usinage, la forme définitive étant obtenue au pressage. Ce disque (6) est fixé soit par brasure, sertissage ou tout autre moyen mécanique à un moyeu cannelé (9), qui peut donc coulisser sur l'arbre cannelé (10) mais en est solidaire en rotation. Le débattement axial de ce moyeu est limité par la butée (I 1), bague d'arrêt, circlips ou tout autre dispositif d'immobilisation axiale. Ce moyeu (9) est repoussé vers la 15 butée (Il) par un ou plusieurs ressorts (12), (13) constitués soit par un empilage de rondelles belleville, soit par un ressort hélicodal (14) figure 10, pressés entre le moyeu (9) et un second moyeu cannelé (15) qui comporte, lorsque le dispositif d'embrayage est équipé d'un capteur de vitesse intégré (16), d' une roue dentée (17). Ce moyeu (15) s'appuie axialement sur, soit une autre butée soit, comme sur la figure 3, sur la cage 20 intérieure du roulement (18). L'arbre (10) est par exemple, l'arbre de boîte primaire d'une boite de vitesses, tourillonnant sur les roulements (18) et (19). Le repère (20) représente la partie d'un engrenage solidaire de l'arbre. Une pièce de forme adaptée aux volumes libres (21), ici cylindrique, fixée au bâti (22) par un moyen connu, sert d'une part d'appui à la couronne de friction (7) par l'intermédiaire du décrochement torique (23) et de blocage de 25 la culasse de l'électroaimant de commande (24) constitué par la culasse d'électroaimant (25) réalisée en poudre de fer pressée et agglomérée à haute température qui lui confère d'excellentes caractéristiques électromagnétiques, et qui ne nécessite que peu ou pas d'usinage, la forme définitive étant obtenue au pressage et par une bobine inductrice torique (26) constituée soit de fils de cuivre ronds ou de feuillards isoles et de la couronne 30 (8). Des alvéoles (27) et (28) visibles figure 11 élaborées simultanément pendant l'opération de pressage, servent de sortie de fils. Les découpes (29) et (30) de la pièce de forme (21) visibles figure 12 servent de rainures de passage des fils. Souvent les formes du bâti 22 permettent le passage des fils et ces découpes sont inutiles. La culasse (25) visible figure 1 1 comporte une ou plusieurs proéminences (3 1), (32), 35 (33), (34) destinées à servir de cornes polaires à un ou deux capteurs d'angle de rotation (16) et (35). Chacun de ces capteurs est constitué de l'ensemble roue dentée (17), de 2 cornes polaires (31) et (32) qui forme un circuit magnétique à réluctance variable selon que une dent de la roue dentée est en regard des cornes polaires ou ne l'est pas. Cette variation est mesurée par une bobine (36) dont la self induction varie de manière très importante, et est mesurée par un des nombreux moyens électroniques connus de mesure de réluctance variable. Cette configuration géométrique génère une variation de réluctance très importante, ce qui rend le capteur très peu sensible aux perturbations électromagnétiques extérieures. Le deuxième capteur (35) est identique au premier (16), mais sa position angulaire par rapport aux dents de la roue (17) est décalée selon un angle égal à n pas dentaires diminués d'un quart de pas. Cette disposition est nécessaire lorsque des vibrations de torsion de grandes amplitudes sont présentes, pour lever le doute sur le sens de la rotation 10 et éviter toute erreur de mesure, et est traité selon des procédés et des composants électroniques connus. La culasse (25) est placée en vis à vis de la couronne (8). Lorsque la bobine (26) est parcourue par un courant électrique, il y a apparition d'une induction magnétique circulant par le chemin constitué de la culasse (25), l'entrefer (37) et la couronne (8) comme l'indique la boucle dessinée figure 7. Pour un courant d'intensité 15 suffisante le disque (6) se déplace et la garniture de friction (7) vient au contact du décrochement (23). La forme du circuit magnétique de l'électroaimant constitué par la culasse (25), la bobine torique (26) et la couronne (8) ainsi que l'entrefer (37) confère à l'ensemble une inductance propre minimale, l'inductance de fuite de cette configuration étant elle même 20 très réduite., l'optimisation définitive du circuit s'effectuant par une méthode basée sur les éléments ou les différences finies. Ceci se traduit par une constante de temps électrique de l'ordre de la milliseconde, donnée nécessaire pour l'application envisagée. Ce choix est optimisé par l'adoption de matériaux magnétiques aux caractéristiques isotropes. La force d'attraction de l'électroaimant est équilibrée par la force opposée par les ressorts (12) et 25 (13) et la pression sur la garniture de friction (7). Le couple de freinage est assuré par le moment généré par cette force de pression et le coefficient de frottement. Selon l'invention, l'épaisseur de l'entrefer (37) est supérieure à l'épaisseur du jeu de fonctionnement (38) entre garniture (7) et décrochement (23) additionné de l'accroissement de ce jeu (7) atteint en fin de vie du dispositif par usure et des variations 30 de cotes dues aux dilatations thermiques. Afin d'assurer un fonctionnement en mode dégradé en cas d'atteinte prématurée de la limite d'usure, la bobine (26) est placée en retrait de la face active de la culasse. Le frottement principal peut alors être encore assuré sans qu'il y ait apparition d'une avarie électrique, l'usure des faces de la couronne (8) et de la culasse (25). en frottant l'une contre l'autre, augmentant l'épaisseur de l'entrefer 35 (37). Un autre mode de réalisation de la fixation de la culasse sur la pièce de forme est représenté figure 9 la culasse (39) est solidaire de la pièce de forme (40) par l'intermédiaire d'un joint brasé (41)' l'ensemble ainsi constitué étant fixé sur la pièce d'appui (42) qui est ajustée à la forme du bâti (22). Un troisième mode de réalisations revendiquée est décrit figure 1 0: la pièce de forme et la culasse sont fusionnées en une seule pièce fixe (43) en poudre de fer pressée et agglomérée à haute température. La résistance mécanique des objets réalisés avec ces poudres de fer sont toujours médiocres et impropres à une utilisation sous contrainte importante. Pour améliorer de manière très 5 importante ces caractéristiques, (figure 13) une brasure à basse température, par exemple à l'argent est donc ensuite déposée sur les parties non magnétiquement utiles, désignées par une zone plus foncée visible figures 10 et 13 c. Cette brasure est déposée en utilisant, par exemple, des feuilles d'alliage de brasure préformées (44) et (45) figure 13 a, placées sur les pièces à renforcer puis à chauffer l'ensemble à la température de fusion pour 10 obtenir une pièce renforcée: figure 13 b. La quantité de brasure diffusée (49) est alors constante et régulière. Selon ce procédé, la brasure pénètre les pores du matériau de base et multiplie la résistance mécanique de la zone externe par un facteur de l'ordre de 10, valeur alors acceptable et dépendant de la qualité de la brasure utilisée. L'équipage mobile (46) est constitué d'une pièce en alliage d'aluminium ou de 15 magnésium. Un insert en acier (48) peut être nécessaire pour assurer un bon coulissement sur l'arbre (10). L'équipage mobile (46), de même que les pièces (6),(7), (8), (9) figure 7 sont conçues pour que la masse de cet équipage mobile soit minimale, tout en maintenant un taux de contrainte acceptable, afin de réduire la constante de temps mécanique. A cet effet, et quelle que soit le mode de conception de l'équipage mobile, la forme de couronne 20 (8) en poudre de fer pressée et agglomérée est conçue pour que tout son volume soit utilisé à l'induction la plus élevée afin d'en diminuer la masse. Un exemple de résultats de dimensionnement, calculé pour des ordres de grandeurs vraisemblables suit Les données sont: Arbre primaire de boite de moment d'inertie égal à 0.0 lNm2 (véhicule de 200 chevaux) Temps de ralentissement: 0. 1 seconde Echelon de vitesse 4500 t/mn à 2760 t/mn (plus grande variation possible) Résultats: Diamètre moyen de la garniture disque 120 mm Diamètre extérieur de la culasse de l'électroaimant: 70 mm Diamètre intérieur de la culasse de l'électroaimant: 28 mm Section de la bobine 12x12 mm Nombre de conducteurs 30 Courant d'appel 160 A Constante de temps électrique 3 millisecondes Constante de temps mécanique 2 milliseconde (environ) pour une course de 2 mm Cet exemple démontre que l'invention, par ses dimensions réduites s'adapte parfaitement aux exigences de la construction automobile. REVENDICATIONS 1) Dispositif de freinage d'arbre de transmission utilisant un moyen électromagnétique, à temps de réponse court, associé à un capteur d'angle 5 de rotation de l'arbre freiné caractérisé en ce qu'il exploite les performances d'un électroaimant (8), (25), (26), (37) de forme générale axisymétrique utilisant des matériaux magnétiques de caractéristiques isotropes, peu conducteurs de l'électricité, et dont la culasse (25) comporte des cornes polaires (31), (32), (33), (34) utilisées comme pièces polaires de 10 un ou deux capteurs d'angle de rotation (16), (35) à réluctance variable. 2) Dispositif selon revendication l caractérisé en ce qu'il comprend un équipage mobile constitué d'un disque (6), d'une couronne en matériau de friction (7), d'une couronne en poudre de fer (8) pressée et agglomérée à haute température, fixée à un moyeu cannelé (9) coulissant sur un arbre 15 cannelé (10), et repoussé par un ou plusieurs ressorts (12), (13), (14) s'appuyant sur un autre moyeu (15) comportant une roue dentée (17), et une partie fixe constituée d'une pièce de forme (21) fixée au bâti (22) sur laquelle vient s'appuyer la couronne de friction (7) et qui immobilise la culasse de l'électroaimant de commande (25). 20 3) Dispositif selon revendication i caractérisé en ce que le matériau magnétique constituant les pièces (8) et (25) de l'électroaimant est de préférence de la poudre de fer pressée et agglomérée à haute température, ne nécessitant pas d'usinage, la forme définitive étant obtenue au pressage. 4) Dispositif selon revendication l caractérisé en ce que le ou les capteurs (16) 25 et (35) sont constitués d'un circuit magnétique à réluctance variable comprenant les cornes polaires (31), (32), (33). (34) et les dents d'une roue dentée (17), et d'une bobine (36) peu sensible aux perturbations électromagnétiques extérieures. 5) Dispositif selon revendication 3 caractérisé en ce que les cornes polaires 30 (31), (32), (33), (34) des 2 capteurs (16) et (35) sont disposées selon un angle égal à n pas dentaires diminués d'un quart de pas de manière à lever le doute sur le sens de rotation et éviter toute erreur de mesure. 6) Dispositif selon revendication l caractérisé en ce que la culasse (25), la bobine torique (26), la couronne constituant le circuit magnétique (8), sont 3 5 optimisés pour obtenir une inductance propre minimale. 7) Dispositif selon revendication 2 caractérisé en ce que la fixation de la culasse (25) s'effectue par une pièce de forme (21) ou (40) soit directement fixée sur le bâti (22), soit par l'intermédiaire d'une pièce d'appui ajustée au bâti (42), soit encore directement sur le bâti (22), la pièce de forme et la culasse étant fusionnées et en une seule pièce fixe (43) en poudre de fer pressée et agglomérée à haute température sur laquelle est déposée sur les parties non magnétiquement utiles une brasure à basse température, par exemple à l'argent, en utilisant des feuilles d'alliage de brasure préformées (44) et (45). 8) Dispositif selon revendication 2 caractérisé en ce que le procédé de fabrication de l'équipage mobile, emboutissage, moulage ou forgeage et le choix des matériaux, alliages légers, alliage de magnésium, tôle raidie, sont sélectionnés pour réduire la masse totale et la constante de temps I10 mécanique. 9) Dispositif selon revendication 2 conçu de façon à ce que l'épaisseur de l'entrefer (37) séparant la culasse de la couronne soit supérieur à la somme des jeux de fonctionnement de l'embrayage (38), augmenté de l'épaisseur de l'usure et des variations de longueurs dues aux dilatations thermiques. 15