Brevet FR2913474A1 — publié le 20080912

Boîte de vitesses pilotée pour véhicule hybride et procédé de changement de vitesse mettant en oeuvre une telle boîte de vitesses L'invention concerne une boîte de vitesses pilotée pour véhicule hybride et un procédé de passage de vitesse mettant en oeuvre une telle boîte de vitesses. L'invention a notamment pour but d'optimiser le pilotage des changements de vitesse en mode hybride et/ou électrique. L'invention io trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine des véhicules hybrides mais elle pourrait aussi être utilisée dans le domaine des véhicules tout électriques. Les véhicules hydrides connus comportent des boîtes de vitesses à trains parallèles. Ces boîtes de vitesses comportent des crabots munis 15 chacun d'un synchroniseur. Ces crabots permettent de lier en rotation un pignon fou d'un engrenage de la boîte à un arbre de cette boîte afin d'assurer un passage de vitesse. A cet effet, le crabot est lié en rotation à son arbre mais est mobile latéralement pour permettre un accrochage avec un pignon fou. On parle de 20 crabotage lorsque le crabot entre en coopération avec le pignon fou de sorte qu'un rapport de vitesse est engagé, et de décrabotage lorsque le crabot se dégage du pignon fou de sorte que le rapport est dégagé. Les synchroniseurs montés sur chaque crabot ont pour rôle d'amener le crabot et le pignon fou à engrener à des vitesses de rotation identiques 25 avant de réaliser le crabotage. Les synchroniseurs connus ne permettent pas de garantir un fonctionnement optimal de la boîte de vitesses en cas de panne de la machine électrique car ils ne sont pas dimensionnés pour dissiper l'énergie liée à la rotation de cette machine qui présente une grande inertie. 30 De plus, les ensembles synchroniseur-crabot, qui sont normalement conçus pour une architecture de type BVM (Boîte de Vitesses Manuelle), sont très sollicités par l'adjonction de la machine électrique. En effet, si la machine électrique permet de piloter la phase de synchronisation par un pilotage direct de la vitesse de l'arbre sur lequel elle est montée, cette 2 machine induit également un couple qui perturbe fortement la synchronisation (dévirage et crabotage). L'invention permet notamment de garantir un passage de rapport sans perte de prestation lorsque la machine électrique ne peut pas assurer la prestation des rapports. A cet effet, on dissocie la fonction de synchronisation de celle du crabotage en utilisant des crabots dépourvus de synchroniseur et on associe un synchroniseur aux rapports extrêmes. Ainsi, la boîte de vitesses comporte un synchroniseur associé au rapport de vitesse le plus élevé et un io synchroniseur associé au rapport de vitesse le plus petit. Dans le cas d'un changement de rapport en mode normal du véhicule, après un décrabotage du rapport initial, la machine électrique est pilotée en régime afin de synchroniser la boîte de vitesses au régime d'arbre final. Et une fois que la vitesse de la boîte a été synchronisée, un deuxième crabot 15 est actionné de manière à craboter le nouveau rapport. Dans ce cas, les deux synchroniseurs associés aux rapports extrêmes ne sont pas sollicités. Ainsi, dans le cas de passage de rapport avec synchronisation par pilotage du moteur électrique, la boîte de vitesses selon l'invention permet de 20 ne pas solliciter inutilement un synchroniseur pouvant générer des problèmes de bruits dus à des chocs ou des impossibilités de dévirage en fin de synchronisation (imputable au couple résiduel du moteur électrique). Dans le cas d'un changement de rapport lorsque la machine électrique ne peut pas assurer la synchronisation (en cas de dysfonctionnement de la 25 machine électrique), l'inertie supplémentaire due à l'ajout de la machine électrique sur l'arbre primaire est alors prise en charge par la stratégie de pilotage des synchroniseurs. La fonction synchronisation est réalisée par le synchroniseur positionné sur le rapport le plus grand pour les passages de rapports 30 montants et par le synchroniseur positionné sur le rapport le plus petit pour les passages de rapport descendants. Lors d'un changement de rapport en cas de panne de la machine électrique, on peut faire fonctionner les crabots et le synchroniseur en parallèle, c'est-à-dire que lorsqu'un changement de rapport est commandé, il 35 est possible de décraboter le rapport initial durant l'approche du 3 synchroniseur vers le pignon fou du rapport extrême et de craboter le rapport final après synchronisation durant l'éloignement de ce synchroniseur. Les synchroniseurs sont dimensionnés pour supporter l'inertie supplémentaire du moteur électrique. Un autre intérêt de l'invention est le gain en couple de traînée imputable au faible nombre de synchroniseurs de la boîte de vitesses. L'invention concerne donc une boîte de vitesses pilotée pour véhicule hybride comportant : - un arbre primaire destiné à être relié à une machine tournante du io véhicule, et - un arbre secondaire destiné à être relié à un arbre (8) de roues du véhicule, - ces deux arbres étant reliés entre eux par l'intermédiaire d'au moins trois engrenages, 15 - chaque engrenage étant formé par un pignon fixe monté sur un des arbres et un pignon monté fou sur l'autre arbre, ces engrenages ayant des rapports de démultiplication différents, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre : - des crabots dépourvus de synchroniseur aptes à assurer 20 l'accouplement sélectif entre l'arbre sur lequel ils sont montés et un pignon fou d'un engrenage pour permettre les changements de rapport de vitesse, - un premier synchroniseur associé à l'engrenage présentant le rapport de démultiplication le plus petit, et - un deuxième synchroniseur associé à l'engrenage présentant le 25 rapport de démultiplication le plus grand. Selon une réalisation, un crabot est associé à chaque engrenage. Selon une réalisation, les crabots sont liés en rotation à l'arbre sur lequel ils sont montés et comportent une couronne mobile axialement, cette couronne étant apte à engrener avec le pignon fou auquel elle correspond. 30 Selon une réalisation, la boîte de vitesses comporte des actionneurs aptes à déplacer les crabots et les synchroniseurs. Selon une réalisation, la boîte de vitesses comporte six engrenages ayant des rapports de démultiplication différents. Selon une réalisation, les deux engrenages ayant les rapports de 35 démultiplication les plus petits comportent un pignon fou monté sur l'arbre 4 secondaire, et les autres engrenages comporte un pignon fou monté sur l'arbre primaire. L'invention concerne en outre un procédé de changement de rapport de vitesse dans un véhicule hybride comportant : - une chaîne de traction formée par un moteur thermique, un embrayage relié d'une part à ce moteur thermique et d'autre part à une machine électrique, ainsi qu'une boîte de vitesses selon l'invention reliée à la machine électrique et à l'arbre de roues, - dans lequel, lorsqu'on effectue un changement de rapport pour io passer d'un rapport initial à un rapport final, et que la machine électrique ne peut pas assurer la synchronisation de la boîte de vitesses, - on décrabotte le rapport initial et en parallèle avec ce décrabotage on actionne un des synchroniseurs de manière à synchroniser la boîte de vitesses avec le régime du rapport final, et 15 - lorsque la boîte de vitesses est synchronisée avec le régime du rapport final, on crabotte le rapport final et en parallèle avec ce crabotage, on éloigne le synchroniseur de l'engrenage auquel il est associé. Dans une mise en oeuvre de ce procédé, l'actionnement du synchroniseur est effectué en fonction du changement de rapport demandé, 20 - le premier synchroniseur associé à l'engrenage présentant le rapport de démultiplication le plus petit étant actionné en cas de changement de rapport descendant, et - le deuxième synchroniseur associé à l'engrenage présentant le rapport de démultiplication le plus grand étant actionné en cas de 25 changement de rapport montant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : - figure 1 : une représentation schématique d'un véhicule hybride 30 équipé d'une boîte de vitesses à 6 rapports selon l'invention ; - figure 2 : des courbes montrant la commande des éléments de la boîte de vitesses selon l'invention lors d'un changement de rapport montant lorsque la machine électrique fonctionne ; - figure 3 : des courbes montrant la commande des éléments de la boîte de vitesses selon l'invention lors d'un changement de rapport montant lorsque la machine électrique ne fonctionne pas correctement. Les éléments identiques conservent la même référence d'une figure à 5 l'autre. La figure 1 montre un véhicule 1 hybride comportant une chaîne de traction formée par un moteur 2 thermique, un embrayage 3 relié d'une part à ce moteur 2 thermique par son disque 3.1 et d'autre part à une boîte 7 de vitesses par son disque 3.2. La boite 7 de vitesses est reliée à l'arbre 8 de io roues par l'intermédiaire d'un pont différentiel 9. La machine 4 électrique est solidaire de l'arbre 11 primaire. La boîte 7 de vitesses comporte une suite d'engrenages élémentaires montés sur un arbre 11 primaire et un arbre 12 secondaire parallèles entre eux. L'arbre 11 primaire est relié à la machine 4 électrique tandis que l'arbre 15 12 secondaire est relié au différentiel 9 lui-même relié au roues. Chaque engrenage correspond à un rapport de vitesse (ici il y a six rapports indiqués par des chiffres encadrés sur la figure) et comporte un pignon monté fou sur un des arbres et un pignon lié à l'autre arbre. Plus précisément, l'engrenage de première et l'engrenage de seconde 20 comporte chacun un pignon 13, 14 lié à l'arbre 11 primaire qui engrène respectivement avec un pignon fou 15, 16 monté sur l'arbre 12 secondaire. Tandis que les engrenages de la troisième à la sixième comporte chacun un pignon fou 17-20 monté sur l'arbre 11 primaire qui engrène respectivement avec un pignon 21-24 monté sur l'arbre 12 secondaire. 25 En variante, tous les pignons fous 15-20 sont montés sur un même arbre et les pignons 13, 14, 21-24 engrenant avec ces pignons fous sont tous liés à l'autre arbre. Chaque pignon fou 15-20 comporte une première couronne 35-40 qui engrène avec le pignon 13, 14, 21-24 appartenant à l'engrenage de ce 30 pignon fou et une deuxième couronne 43-48 apte à engrener avec un crabot. Plus précisément, à chaque pignon fou est associé un crabot 27-32 à couronne. Chaque crabot 27-32 est lié en rotation à l'arbre sur lequel il est monté et comporte une couronne 50-55 mobile axialement. Lors d'un crabotage, la couronne 50-55 mobile se déplace vers la 35 couronne 43-48 du pignon fou 17-20 auquel elle correspond et engrène avec 6 elle, de sorte que le pignon fou 17-20 se lie en rotation à l'arbre sur lequel le crabot est monté. Lors d'un décrabotage, la couronne 50-55 mobile se dégage de la couronne 43-48 du pignon fou de sorte que ce pignon fou n'est plus lié en rotation avec l'arbre du crabot. Lorsque le rapport de troisième est engagé par exemple, la couronne 52 est crabotée avec la couronne 45, tandis que tous les autres crabots sont dégagés de leur pignon fou respectif. La chaîne cinématique 59 montre alors la transmission du mouvement de rotation allant des éléments de traction vers l'arbre 8 de roues. Cette chaîne 59 cinématique passe par l'arbre 11 io primaire, l'engrenage de 3ème, l'arbre 12 secondaire, et le pont différentiel 9. En variante, on pourrait utiliser des crabots à dents latérales liés en rotation à l'arbre sur lequel ils sont montés et mobiles en translation. Par ailleurs, le véhicule 1 comporte deux synchroniseurs 63 et 64, montés respectivement avec l'engrenage du rapport de vitesse le plus petit 15 (ici le rapport 1), et avec l'engrenage du rapport de vitesse le plus élevé (ici le rapport 6). Ces synchroniseurs 63 et 64 sont mécaniquement indépendants des crabots 27 et 32 associés à ces engrenages, c'est-à-dire que la fonction de synchroniseur n'est pas intégrée à ces crabots qui ne réalisent qu'une fonction de crabotage. 20 Lorsque le synchroniseur 64 s'approche du pignon fou 20 et commence à l'entraîner par frottement, l'arbre primaire 11 est ralenti. Tandis que lorsque le synchroniseur 63 s'approche du pignon fou 15 et commence à l'entraîner par frottement, l'arbre primaire 11 est accéléré. Ainsi, comme on va le voir, en cas de dysfonctionnement de la 25 machine 4 électrique, le synchroniseur 63 peut être utilisé pour passer les rapports descendants, tandis que le synchroniseur 64 peut être utilisé pour passer les rapports montants. Les synchroniseurs 63, 64 sont dimensionnés en fonction de l'inertie de la boîte 7 de vitesses et de la machine 4 électrique. 30 Pour assurer les déplacements axiaux des crabots 27-32 à couronne et des synchroniseurs 63, 64, la boîte de vitesses 7 comporte des actionneurs 67-74, commandés par un calculateur 76 de boîte de vitesses. Le calculateur 76 commande également l'ouverture et la fermeture de l'embrayage 3. 7 En outre, un capteur 78 de vitesse mesurant la vitesse de rotation de l'arbre 11 primaire, est relié au calculateur 76. Ce capteur 78 permet notamment de détecter la synchronisation de l'arbre primaire 11 avec un régime cible autorisant le changement de rapport de vitesse. Le véhicule hybride 1 comporte également un superviseur 80 de chaîne de traction qui commande le moteur 2 thermique, la machine 4 électrique ainsi que le calculateur 76 de boîte de vitesses. La figure 2 montre des représentations graphiques de l'évolution de la vitesse de rotation de l'arbre 11 primaire (courbe 83) et de l'évolution de la io position des crabots du rapport initial (courbe 84) et du rapport final (courbe 85) en fonction du temps, lors d'un changement de rapport montant. Ce changement de rapport est effectué lorsque la machine 4 électrique fonctionne correctement et peut assurer la synchronisation de la boîte 7 de vitesses. 15 Dans les conditions initiales, l'embrayage 3 est ouvert et la machine 4 électrique présente une vitesse de rotation VI. A l'instant t1, le superviseur 80 reçoit une instruction I de changement de rapport montant et la transmet au calculateur 76. Entre les instants t1 et t2, le calculateur 76 commande l'actionneur du 20 rapport initial de manière à décraboter ce rapport. La courbe 84 montre ainsi le déplacement du crabot qui engageait le rapport initial. Dès que le rapport initial est décraboté, à l'instant t2, la machine 4 électrique est pilotée en régime afin de synchroniser la boîte 7 de vitesses au régime VF d'arbre final après le passage de vitesse. Ce régime VF est 25 inférieur au régime VI puisque le rapport de démultiplication final visé est plus grand que le rapport de démultiplication initial. Le pilotage de la machine 4 est effectué en fonction des informations délivrées par le capteur 78 de vitesse d'arbre primaire, du rapport de démultiplication du rapport final ainsi que la vitesse du véhicule (non 30 représentée ici). A l'instant t3, lorsque le régime VF a été sensiblement atteint par l'arbre 11, le calculateur 76 pilote l'actionneur du rapport final de manière à craboter ce rapport comme montré par la courbe 85. A l'instant t4, le changement de rapport a été effectué. 8 Dans ce procédé, le crabot qui engage le rapport final peut se rapprocher du pignon fou de ce rapport (mais sans le craboter) en parallèle avec le décrabotage du rapport initial afin de limiter le temps du changement de rapport. Lors d'un changement de rapport descendant, mis à part le fait que la machine 4 serait pilotée pour atteindre un régime final VF supérieur au régime initial VI, la succession des étapes de crabotage et de décrabotage des rapports serait identique à celle qui vient d'être décrite. La figure 3 montre des représentations graphiques de l'évolution de la io vitesse de rotation de l'arbre 11 primaire (courbe 87), de l'évolution de la position du synchroniseur (courbe 88), et de l'évolution de la position des crabots du rapport initial (courbe 89) et du rapport final (courbe 90) en fonction du temps, lors d'un changement de rapport montant. Ce changement de rapport est effectué lorsque la machine 4 15 électrique ne fonctionne pas correctement et ne peut pas assurer la synchronisation de la boîte 7 de vitesses. Dans les conditions initiales, l'arbre 11 primaire présente une vitesse de rotation VI et le moteur 2 thermique est accouplé à la boîte 7 de vitesses via l'embrayage 3 qui est fermé. 20 A l'instant t1, le superviseur 80 reçoit une instruction I de changement de rapport montant et la transmet au calculateur 76. Le superviseur 80 informe également le calculateur 76 de l'impossibilité de piloter la machine 4 électrique. Entre les instants t1 et t2, le calculateur 76 commande l'ouverture de 25 l'embrayage 3. Une fois l'embrayage 3 ouvert, à l'instant t2, le calculateur 76 commande l'actionneur du rapport initial de manière à décraboter ce rapport (voir courbe 89). En parallèle, le calculateur 76 commande l'actionneur du synchroniseur 64 de sorte que ce dernier s'approche du pignon fou du 30 rapport de 6ème (voir courbe 88). Lorsque le synchroniseur 64 entre en contact de ce pignon fou et l'entraîne par frottement, l'arbre 11 ralentit. Le synchroniseur 64 est actionné entre t2 et t3 jusqu'à ce que le régime de l'arbre 11 primaire soit synchronisé au régime VF d'arbre final associé au rapport final. A l'instant t3, lorsque le capteur 78 détecte que le régime VF est atteint, le calculateur 76 pilote l'actionneur du rapport final de manière à craboter ce rapport. En parallèle avec ce crabotage, le calculateur 76 commande l'actionneur du synchroniseur 64 de sorte que ce dernier s'éloigne du rapport de 6ème A l'instant t4, le rapport final est craboté et le synchroniseur n'est plus en contact avec le pignon fou du rapport de 6ème Dans le cas d'un changement de rapport descendant, la fonction de synchronisation est allouée au synchroniseur 63 monté avec le rapport de 1 ère REVENDICATIONS 1 - Procédé de changement de rapport de vitesse dans un véhicule hybride comportant : - une chaîne de traction formée par un moteur (2) thermique, un embrayage (3) relié d'une part à ce moteur (2) thermique et d'autre part à une machine (4) électrique, ainsi qu'une boîte (7) de vitesses selon l'une des revendications 3 à 8 reliée à la machine (4) électrique et à l'arbre (8) de roues, io - dans lequel, lorsqu'on effectue un changement de rapport pour passer d'un rapport initial à un rapport final, et que la machine (4) électrique ne peut pas assurer la synchronisation de la boîte (7) de vitesses, - on décrabotte le rapport initial et en parallèle avec ce décrabotage on actionne un des synchroniseurs (63, 64) de manière à synchroniser la boîte 15 (7) de vitesses avec le régime (VF) du rapport final, et - lorsque la boîte (7) de vitesses est synchronisée avec le régime (VF) du rapport final, on crabotte le rapport final et en parallèle avec ce crabotage, on éloigne le synchroniseur (63, 64) de l'engrenage auquel il est associé. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que : 20 -l'actionnement du synchroniseur (63, 64) est effectué en fonction du changement de rapport demandé, - le premier synchroniseur (63) associé à l'engrenage présentant le rapport de démultiplication le plus petit étant actionné en cas de changement de rapport descendant, et 25 - le deuxième synchroniseur (64) associé à l'engrenage présentant le rapport de démultiplication le plus grand étant actionné en cas de changement de rapport montant. 3 - Boîte (7) de vitesses pilotée pour véhicule (1) hybride comportant : -un arbre (11) primaire destiné à être relié à une machine tournante 30 (4, 2) du véhicule, et - un arbre (12) secondaire destiné à être relié à un arbre (8) de roues du véhicule, - ces deux arbres (11, 12) étant reliés entre eux par l'intermédiaire d'au moins trois engrenages, 11 - chaque engrenage étant formé par un pignon fixe (13, 14, 21-24) monté sur un des arbres (11, 12) et un pignon (15-20) monté fou sur l'autre arbre (11, 12), ces engrenages ayant des rapports de démultiplication différents, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre : - des crabots (27-32) dépourvus de synchroniseur aptes à assurer l'accouplement sélectif entre l'arbre (11, 12) sur lequel ils sont montés et un pignon fou (15-20) d'un engrenage pour permettre les changements de rapport de vitesse, io - un premier synchroniseur (63) associé à l'engrenage présentant le rapport de démultiplication le plus petit, et - un deuxième synchroniseur (64) associé à l'engrenage présentant le rapport de démultiplication le plus grand. 4 - Boîte de vitesses selon la revendication 3, caractérisée en ce 15 qu'un crabot (27-32) est associé à chaque engrenage. 5 - Boîte de vitesses selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que : - les crabots (27-32) sont liés en rotation à l'arbre sur lequel ils sont montés et comportent une couronne (50-55) mobile axialement, cette 20 couronne (50-55) étant apte à engrener avec le pignon fou (15, 16, 17-20) auquel elle correspond. 6 - Boîte de vitesses selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte des actionneurs (67-74) aptes à déplacer les crabots (27-32) et les synchroniseurs (64, 65). 25 7 - Boîte de vitesses selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte six engrenages ayant des rapports de démultiplication différents. 8 - Boîte de vitesses selon la revendication 7, caractérisée en ce que : -les deux engrenages ayant les rapports de démultiplication les plus 30 petits comportent un pignon fou (15, 16) monté sur l'arbre (12) secondaire, et - les autres engrenages comporte un pignon fou (17-20) monté sur l'arbre (11) primaire.