Brevet FR2900373A1 — publié le 20071102

Domaine de l'invention La présente invention concerne un entraînement électrohydrostatique comportant un circuit hydraulique avec une pompe hydraulique et au moins un moteur hydraulique ainsi qu'un moteur élec-trique relié à un accumulateur d'énergie électrique qui fournit la puissance au moteur hydraulique. Etat de la technique Un entraînement du type défini ci-dessus est décrit dans le document DE-35 01 608-Al. Dans cet entraînement en forme d'entraînement de roulage, le circuit hydraulique comporte une ligne d'entraînement principale et une ligne d'entraînement auxiliaire. La ligne d'entraînement principale conçue pour la pleine puissance du véhicule se compose de la pompe hydraulique entraînée par le moteur à combustion interne et le moteur hydraulique relié à la pompe par des conduites de pression. Les conduites de pression de l'entraînement auxiliaire branchées en parallèle, et conçues pour une puissance plus faible du véhicule sont raccordées aux conduites de pression de la transmission principale ; cette transmission auxiliaire comporte une seconde pompe hydraulique entraînée par le moteur électrique. Le moteur électrique est alimenté en énergie électrique à partir d'un accumulateur d'énergie constitué par une batterie ; cette batterie se charge à l'aide d'un générateur couplé sur le moteur à combustion interne. Cela permet pour certains états de fonctionnement (par exemple lorsque le moteur est utilisé dans une halle fermée) de couper le moteur à combustion et d'entraîner le véhicule à vitesse réduite à l'aide du moteur électrique alimenté par la batterie. De plus à l'aide du moteur électrique on peut augmenter la vitesse du moteur hydraulique alimentant la pompe hydraulique de la transmission principale en lui fournissant de la puissance supplémentaire sous la forme d'un débit volumique hydraulique sous pression venant de la pompe hydraulique de la ligne de transmission auxiliaire. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un en-traînement électro-hydrostatique du type défini cidessus qui soit de construction plus simple et offre d'autres avantages. Exposé et avantages de l'invention A cet effet l'invention concerne un entraînement électrohydrostatique du type défini ci-dessus caractérisé en ce que le moteur électrique est relié au moteur hydraulique par une transmission méca- nique. Ainsi l'idée essentielle de l'invention consiste à fournir la puissance à injecter par le moteur électrique dans le moteur hydraulique non sous la forme de puissance hydraulique mais sous la forme de puissance mécanique. Par rapport à l'entraînement électrohydrostatique de l'état de la technique évoqué ci-dessus, on supprime ainsi la transmission auxiliaire hydraulique c'est-à-dire la seconde pompe hydraulique, les conduites de liaison et les branchements hydrauliques sur l'entraînement principal. L'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention 15 peut s'utiliser à la fois en mode purement hydraulique ou en mode purement électrique ou encore en mode combiné électro-hydraulique. On réalise des vitesse de rotation élevées (pour un couple relativement faible) de préférence par la seule puissance fournie par le moteur hydraulique permanent. Il est avantageux que les pertes dépen- 20 dant de la vitesse de rotation du moteur hydraulique relativement petit et du moteur électrique relié mécaniquement à celui-ci, soient globale-ment plus faibles que les pertes d'un grand moteur hydraulique. S'il faut un couple important que le seul moteur hydraulique ne peut fournir à partir de la puissance hydraulique à injecter, on 25 branche le moteur électrique alimenté à partir de l'accumulateur d'énergie. Dans ces conditions, il n'est pas nécessaire d'avoir une boîte de vitesses commutable pour augmenter le couple. L'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention est particulièrement avantageux si le moteur électrique peut être surchargé 30 brièvement pour fournir un couple maximum. Dans cette plage transi- toire le moteur électrique n'a pas à être d'une fiabilité permanente. Dans l'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention, on peut dimensionner à la fois le moteur hydraulique et le moteur électrique plus petit que dans un seul entraînement hydrostati- 35 que ou dans un seul entraînement électrique. Selon un développement préférentiel de l'invention, le moteur électrique peut fonctionner comme générateur et l'énergie électrique ainsi fournie est injectée dans l'accumulateur d'énergie. Contrairement à un entraînement exclusivement hydro- statique classique, cela permet de réinjecter de l'énergie du côté de l'utilisateur vers l'accumulateur d'énergie et par exemple les opérations de temporisation ou lors de l'abaissement de charge, suivant le cas selon le but de la mise en oeuvre de l'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention. L'énergie ainsi réinjectée est ensuite disponible pour alimenter comme décrit ci-dessus, le moteur électrique ou l'utiliser en complément du moteur hydraulique. Comme accumulateur d'énergie on peut utiliser par exemple plusieurs batteries, condensateurs et/ou accumulateurs à volant d'inertie électrique isolément ou en combinaison. Le moteur électrique est installée de préférence coaxiale- ment sur le moteur hydraulique pour avoir une construction peut encombrante. Entre le moteur hydraulique et le moteur électrique on peut brancher une boîte de vitesses pour adapter la vitesse de rotation. Dans la mesure où le moteur électrique et/ou un module de puissance associé sont refroidis par du liquide notamment par de l'agent de pression venant du circuit hydraulique, on évite en sécurité toute surchauffe de ces composants avec une mise en oeuvre de moyens réduits et de plus on aura une densité de puissance plus élevée. En outre, la brève surcharge du moteur électrique est bien traitée thermi- quement. Selon le développement avantageux de l'invention, la pompe hydraulique est reliée à une machine électrique par une transmission mécanique. La machine hydraulique peut être alimentée à par-tir de l'accumulateur d'énergie lorsqu'elle fonctionne comme moteur et la pompe hydraulique sera entraînée seule ou (suivant un développe-ment préférentiel de l'invention) en liaison avec le moteur à combustion interne. L'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention permet, par rapport à un entraînement classique purement hydrostati- que ou purement électrique, d'utiliser des moteurs à combustion in- terne plus petits ayant une puissance permanente plus faible et fonctionnant dans une plage de rendement optimal ce qui se traduit par une réduction de la consommation de carburant. La machine électrique reliée par une transmission mécanique à la pompe hydraulique peut fonctionner comme générateur et l'énergie électrique est alors fournie à l'accumulateur d'énergie. Pour cela on a deux possibilités : La machine électrique peut être entraînée par le moteur à combustion interne en même temps que la pompe hydraulique et ainsi fonctionner comme générateur pour fournir de l'énergie à l'accumulateur d'énergie. Ce mode de fonctionnement est par exemple intéressant si la partie hydrostatique ne demande pas de puissance ou qu'une faible puissance à l'entraînement. Mais on peut également fournir de l'énergie en retour dans l'accumulateur d'énergie à partir du côté utilisateur par exemple au freinage ou dans les descentes, le véhicule étant équipé d'un entraînement électro-hydrostatique selon l'invention réalisé comme entraînement de roulage. Le moteur hydraulique fonctionne alors comme pompe et entraîne la pompe hydraulique de sorte que la machine électrique reliée mécaniquement à la pompe passe en mode générateur et l'énergie récupérée est injectée dans l'accumulateur d'énergie. En parallèle, comme déjà décrit, on peut également faire fonctionner le moteur électrique relié mécaniquement au moteur hydraulique et chargé de l'accumulateur d'énergie. De façon avantageuse, le moteur à combustion interne, la pompe hydraulique et la liaison d'entraînement mécanique reliée à la pompe hydraulique ont des machines électriques installées coaxiale-ment les unes par rapport aux autres (disposition en ligne). La pompe hydraulique est installée de préférence axiale- ment entre le moteur à combustion interne et la machine électrique qui coopère dans le sens de l'entraînement mécanique avec la pompe hydraulique. Pour le fonctionnement en parallèle de la pompe hydraulique avec le moteur à combustion interne et la machine électrique fonctionnant en mode moteur, aux deux extrémités d'un arbre d'entraînement traversant la pompe hydraulique, on a relié solidairement de manière à transporter le couple, par rapport au moteur à combustion interne et à la machine électrique. Selon un développement de l'invention, un embrayage et/ou un dispositif à roue libre est prévu entre le moteur à combustion interne et la pompe hydraulique. Cela permet de couper de temps en temps le moteur à combustion interne ou de le faire fonctionner au ralenti pour faire fonctionner l'entraînement électro-hydrostatique dans un environnement ne permettant pas les émissions de gaz d'échappement ou seulement très peu. De façon analogue à un développement avantageux de l'invention décrit en liaison avec le moteur hydraulique, on peut égale-ment refroidir par du liquide la machine électrique reliée par une transmission mécanique à la pompe hydraulique et/ou refroidir par du liquide un module de puissance associé notamment par un agent sous pression venant du circuit hydraulique. L'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention est utilisé de préférence comme entraînement de roulage notamment comme entraînement de déplacement d'une machine de travail de préférence d'un chariot transporteur (par exemple un chariot élévateur à fourche). Il est avantageux que l'entraînement de roulage comporte au moins deux entraînements de roue ayant chacun un moteur hydraulique et un moteur électrique relié par une transmission mécanique. Par une commande appropriée des deux on peut avoir une régulation anti-patinage avec une mise en oeuvre de moyens réduits pour chaque moteur électrique associé à un entraînement de roue. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre la partie de sortie d'un entraînement électrohydrostatique selon l'invention ; - la figure 2 montre la partie d'entrée de l'entraînement de la figure 1 ; - la figure 3 montre le diagramme de puissance de l'entraînement ; - la figure 4 montre l'entraînement appliqué à un entraînement de roulage ; - la figure 5 montre une variante de l'entraînement de roulage. L'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention appliqué dans le présent exemple de réalisation comme entraînement de roulage, dispose du côté de sortie d'au moins un moteur hydraulique 1 par exemple d'un moteur hydrostatique à pistons axiaux à débit réglable, suivi d'une transmission 2, d'un entraînement d'essieu ou d'un en-traînement de roue. Le moteur hydraulique 1 du présent exemple de réalisation est branché dans le circuit d'une pompe hydraulique 3 (figure 2). Le moteur hydraulique 1 est également relié par une transmission mécanique à un moteur électrique 4 ; une boîte de vitesses 5 est interposée pour adapter les vitesses de rotation. La puissance fournie par le moteur électrique 4 est corn- mandée par un module de puissance, associé 6 relié à un accumulateur d'énergie électrique 7 par exemple à une batterie ou à un condensateur. La présente invention n'est pas limitée à la disposition en ligne du moteur hydraulique 1 et du moteur électrique 4 relié mécaniquement comme cela est représenté à la figure 1. On peut également prévoir d'autres dispositions par exemple un montage en parallèle du moteur hydraulique 1 et du moteur électrique 4. Le moteur hydraulique 1 peut être entraîné dans un premier mode de fonctionnement (plage B1 de la figure 3 qui sera décrite ci-après) exclusivement par la pompe hydraulique 3 et dans ce mode de fonctionnement, le moteur électrique 4 n'est pas alimenté et ainsi il tourne pratiquement en roue libre. On peut également envisager de découpler le moteur hydraulique 4 dans ce mode de fonctionnement dans la mesure où il y a un embrayage approprié. En branchant le moteur électrique 4 relié mécaniquement au moteur hydraulique 1 (plage B2 de la figure 3) en plus de la puissance mécanique d'origine électrique qui s'ajoute à la puissance hydraulique, cette puissance est injectée dans le moteur hydraulique 1 de façon que du côté de sortie on dispose d'un couple plus important. C'est pourquoi il n'est pas nécessaire de dimensionner le moteur hydraulique 1 de façon plus importante que pour le fonctionnement normal, pour répondre de brèves augmentations de couple. Enfin il est également possible de régler le moteur hydraulique 1 sur un débit nul ou de le couper hydrauliquement de la pompe hydraulique 3 de façon à ne pas fournir de puissance hydraulique au moteur hydraulique 1 mais uniquement de la puissance mécanique venant du moteur électrique 4. Le moteur hydraulique 1 est ainsi seulement entraîné et sert d'élément de transmission vers la sortie. En cas d'inversion de charge par exemple au freinage ou en descente, un véhicule équipé d'un entraînement selon l'invention comme entraînement de roulage, peut faire fonctionner le moteur électrique 4 comme générateur à partir du moteur hydraulique 1 et de sa liaison mécanique avec le moteur électrique pour récupérer de l'énergie fournie à l'accumulateur d'énergie 7. Côté entrée, la pompe hydraulique 3 par exemple une pompe à pistons axiaux à débit réglable et réversible, est entraînée par un moteur à combustion interne 8. Un embrayage 9 relie la pompe hydraulique 3 au moteur à combustion interne 8. La pompe hydraulique 3 est en outre reliée par une liaison de transmission mécanique à une machine électrique 10 qui dans le présent exemple de réalisation est installée coaxialement au moteur à combustion interne 8 et à la pompe hydraulique 3. La pompe hydraulique 3 est de préférence installée axialement entre le moteur à combustion interne 8 et la machine électrique 10 pour que l'arbre de transmission 3a de la pompe hydraulique 3 soit relié par une extrémité au moteur à combustion interne 8 et par l'extrémité opposée à la machine électrique 10 (montage en ligne). La machine électrique 10 est associée à un module de puissance 11 relié à l'accumulateur d'énergie 7. La machine électrique 10 peut fonctionner dans diffé- rents modes de fonctionnement : ainsi la liaison mécanique entre la machine électrique 10 et la pompe hydraulique 3 couplée au moteur à combustion interne 8 permet d'injecter par le moteur à combustion in-terne 8 de la puissance à la fois dans la pompe hydraulique 3 et dans la machine électrique 10 fonctionnant alors comme générateur et char- geant l'accumulateur d'énergie 7. Il est également possible inversement d'entraîner la pompe hydraulique 3 non pas uniquement par le moteur à combustion interne 8 mais en parallèle également par la machine électrique 10 fonctionnant comme moteur alimenté à partir de l'accumulateur d'énergie 7. Enfin la pompe hydraulique 3 peut être en-traînée uniquement par la machine électrique 10 fonctionnant comme moteur dans la mesure où l'embrayage 9 est ouvert ou qu'il y a à cet endroit un dispositif à roue libre permettant au moteur à combustion interne 8 d'être à l'arrêt ou au ralenti. On peut également envisager de supprimer le moteur à combustion interne dans la mesure où l'accumulateur d'énergie 7 peut être chargé de façon externe et qu'il dispose d'une densité d'énergie et d'une capacité d'accumulation suffisamment importante. On peut également envisager des variantes du mode de réalisation décrit de l'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention ; dans ces variantes, il n'y a pas de machine électrique 10 reliée mécaniquement à la pompe hydraulique 3. L'accumulateur d'énergie 7 peut se charger à partir d'un générateur distinct du moteur à combustion interne 8 ; ce générateur peut également être réalisé comme générateur démarreur. Dans le diagramme de puissance présenté à la figure 3 de l'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention, en abscisses on a représenté la vitesse de déplacement V et en ordonnées on a représenté la force de traction, chaque fois en pourcentage par rapport à la puissance maximale disponible comme celle installée de façon classique dans un entraînement exclusivement hydrostatique ou exclusivement électrique. La ligne en trait interrompu H représente l'hyperbole de la puissance d'un moteur à combustion interne approprié c'est-à-dire une courbe de puissance constante fournie en mode de roulage comme force de traction et/ou comme vitesse de déplacement. Le point d'extrémité El représente la force de traction maximale possible pour le moteur à combustion interne et le point d'extrémité E2 représente la vitesse de roulage ou de déplacement maximale possible. Un entraînement de roulage hydrostatique se règle en continu ; il est compact et fiable à la fois pour la pression maximale et la vitesse de rotation maximale. Il peut en outre fonctionner très lente- ment (possibilité de rouler lentement). De plus, le refroidissement par liquide est inhérent. L'entraînement de roulage électrique se règle en continu et est pratique avec un faible bruit et de faibles pertes. En outre un tel entraînement peut également être sollicité de façon excessive pendant un bref instant. Enfin il est possible de récupérer de l'énergie. Pour arriver d'une part à la force de traction la plus grande possible et d'autre part à une vitesse de déplacement aussi grande que possible, il faut que l'entraînement exclusivement hydrostatique ou exclusivement électrique soit conçu pour de telles situations extrêmes c'est-à-dire qu'il est compliqué et coûteux. Dans le cas de l'entraînement selon l'invention qui, comme décrit, est une combinaison d'unités d'entraînement hydrostatique, électrique, la surface qui se trouve sous l'hyperbole de puissance H 15 peut se diviser en trois zones B1, B2, B3. Dans la zone B1 on utilise uniquement l'entraînement hydraulique ; la force de traction est par exemple limitée à environ 50 % du niveau 1 alors que la vitesse de dé-placement n'est que légèrement en dessous de 100 % du niveau E2 avec toutefois une force de traction légèrement réduite. Dans la zone B1 le 20 moteur à combustion interne 8 ne doit pour cela, fournir qui une puissance disponible en permanence, légèrement plus faible qu'un moteur à combustion interne ayant une puissance comme celle donnée par l'hyperbole de puissance H. Dans la zone B2, on branche l'entraînement électrique. 25 La force de traction peut être augmentée significativement par rapport à la zone B1, au démarrage et à vitesse de déplacement plus lente elle peut pratiquement être doublée. Dans cette zone, l'alimentation en énergie de l'entraînement électro-hydrostatique est assurée par le moteur à combustion interne 8 et par l'accumulateur d'énergie 7. 30 Par une surcharge brève de l'entraînement électrique on peut augmenter la force de traction pour chaque vitesse de roulage : cette zone dans laquelle comme dans la zone B2 on a une alimentation en énergie à partir du moteur à combustion interne 8 et de l'accumulateur d'énergie 7 porte la référence B3. Ainsi comme repré- 35 senté on a différents degrés de surcharge possibles. Dans le cas ex- trême, l'entraînement électro-hydrostatique peut fournir une puissance correspondant à l'hyperbole de puissance ou même la dépasser en partie. Dans ce contexte il est avantageux que le ou les moteurs électriques et le ou les modules de puissance soient refroidis par du liquide de pré- férence par le liquide sous pression du circuit hydraulique. Il est avantageux dans l'entraînement électrohydrostatique selon l'invention, dans son application comme entraîne-ment de roulage, d'avoir une résistance à long terme des composants en général seulement en cas d'excès de vitesse (vitesse de déplacement élevée) et pour des opérations (force de traction élevée et faible vitesse de déplacement par exemple pour des machines agricoles telles que des tracteurs, etc...). Les composants hydrostatiques fonctionnant à des vitesses de déplacement élevées c'est-à-dire dans la zone B1 sont conçus pour être très résistantes en limite d'endurance ou de fatigue ou aux 15 efforts répétés. L'entraînement électrique appliqué en plus pour augmenter la force de traction au démarrage ou à des faibles vitesses de déplacement est également endurant ou résistant à la fatigue dans ce mode de fonctionnement (plage B2). Comme il ne faut une force de traction importante en dehors de la plage de déplacement lent que de 20 façon exceptionnelle, il suffit que l'entraînement électrique branché à ce moment ne soit résistant en durée que dans ce mode de fonctionnement (qui correspond également à la plage B3). Les figures 4 et 5 montrent deux variantes de l'entraînement électro-hydrostatique selon l'invention réalisé comme 25 entraînement de roulage. Dans la variante de la figure 4, l'entraînement de roulage se compose de quatre entraînements de roue séparés 12, 13, 14, 15 formés chaque fois d'un moteur hydraulique 1, d'un moteur électrique 4 et d'une transmission intermédiaire 5 ; tous les moteurs hydrauliques 1 sont reliés à une pompe hydraulique 3. Dans ce mon-30 tage, pour chaque essieu on réalise une régulation anti-patinage avec des moyens faibles. L'accumulateur d'énergie 7 relié aux moteurs électriques 4 et à la machine électrique 10 ne sont pas représentés dans la figure. Dans la variante de la figure 5, on a un entraînement 35 central pour deux essieux de roue 16, 17. Le moteur à combustion in- terne 8 est relié à une transmission distributrice 18 entraînant la pompe hydraulique 3 et la machine électrique 10 fonctionnant comme générateur. La pompe hydraulique 3 est bloquée sur le moteur hydraulique 1. La machine hydraulique 10 est bloquée sur le moteur électrique 4 et est reliée par transmission électrique à celui-ci. La transmission d'addition 19 réalise la liaison mécanique entre le moteur hydraulique 1 et le moteur électrique 4 ; en sortie, elle est reliée à une transmission d'extrémité 20 installée entre les essieux de roue 16, 17 ; les arbres à cardan 21, 22 relient cette transmission 20 aux essieux de roue 16, 17. La machine électrique 10 et le moteur électrique 4 sont reliés à l'accumulateur d'énergie électrique 7 non représenté dans cette figure.15 REVENDICATIONS 1 ) Entraînement électro-hydrostatique comportant un circuit hydraulique avec une pompe hydraulique et au moins un moteur hydraulique ainsi qu'un moteur électrique relié à un accumulateur d'énergie électri- que et qui fournit la puissance au moteur hydraulique, caractérisé en ce que le moteur électrique (4) est relié au moteur hydraulique (1) par une transmission mécanique. 2 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur électrique (4) peut fonctionner comme générateur et l'énergie électrique ainsi générée se stocke dans l'accumulateur d'énergie (7). 3 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur électrique (4) est installé coaxialement sur le moteur hydraulique (1). 4 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 1, caractérisé par une boîte de vitesses (5) entre le moteur hydraulique (1) et le moteur électrique (4). 5 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur électrique (4) et/ou un module de puissance (6) associé sont refroidis par du liquide notamment par du liquide sous pression du circuit hydraulique. 6 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe hydraulique (3) est reliée à une machine électrique (10) par une transmission mécanique.35 13 7 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pompe hydraulique (3) est entraînée par un moteur à combustion interne (8). 8 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la machine électrique (10) reliée à la pompe hydraulique (3) par une transmission mécanique peut fonctionner comme générateur et l'énergie 10 électrique est fournie à l'accumulateur d'énergie (7). 9 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le moteur à 'combustion interne ( 8 ), la pompe hydraulique (3) et la ma-15 chine électrique (10) reliés par une transmission mécanique à la pompe hydraulique (3) sont installés coaxialement. 10 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 9, caractérisé en ce que 20 la pompe hydraulique (3) est installée axialement entre le moteur à combustion interne (8) et la machine électrique (10) reliée à la pompe hydraulique (3) par une transmission mécanique. 11 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 7, 25 caractérisé par un embrayage (9) et/ou une roue libre entre le moteur à combustion interne (8) et la pompe hydraulique (3). 12 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 6, 30 caractérisé en ce que la machine électrique (10) reliée par une transmission à la pompe hydraulique (3) et/ou à un module de puissance associé (11) peuvent être refroidis par du liquide notamment par du liquide sous pression venant du circuit hydraulique. 3513 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 1, caractérisé par son application comme entraînement de roulage notamment une ma-chine de travail. 14 ) Entraînement électro-hydrostatique selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'entraînement de roulage comporte au moins deux entraînements de roue (12, 13 ou 14, 15) ayant chacun un moteur hydraulique (1) et un 10 moteur électrique (4) relié à celui-ci par une transmission mécanique. 15