Brevet FR2913225A1 — publié le 20080905

Procédé de changement de rapport dans une boîte de vitesses équipant un véhicule La présente invention concerne un procédé de changement de rapport dans une boîte de vitesses. Elle concerne également une boîte de vitesses, notamment pour véhicule hybride. Plus généralement, elle s'applique à des véhicules équipés d'une machine électrique. Actuellement, certains véhicules hybrides utilisent une ou plusieurs machines électriques participant à la traction du véhicule et une boîte de vitesses pilotée pour transmettre un couple déterminé aux roues motrices du véhicule. Une boîte de vitesses permet d'obtenir plusieurs rapports de démultiplication entre le moteur thermique et les roues. La chaîne de traction comporte donc un mécanisme de changement de rapport qui permet soit d'obtenir un couple important au niveau des roues motrices, soit d'atteindre la vitesse maximale. Se pose alors le problème d'effectuer le changement de rapports d'une façon aussi imperceptible que possible. Plus particulièrement, se pose le problème de s'affranchir au maximum de l'inertie de la machine électrique mise en série avec le moteur thermique sur la chaîne de traction, au moment des changements de rapports, c'est-à-dire des changements de vitesses, dans le contexte d'un véhicule hybride. Ainsi, pour assurer un passage de rapport dans les meilleures conditions, l'invention a notamment pour but de réduire le temps de passage des rapports et de limiter les efforts mécaniques empêchant la fluidité du passage des rapports. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de changement de rapport dans une boîte de vitesses équipant un véhicule entraîné par une chaîne de traction comportant au moins une machine électrique apte à entraîner un arbre primaire, la machine électrique étant solidaire mécaniquement de l'arbre primaire, une roue motrice étant entraînée par un arbre secondaire couplé mécaniquement à l'arbre primaire via la boîte de vitesses, ledit procédé comportant une phase de dévirage suivie d'une phase de crabotage dans laquelle un manchon lié à un arbre secondaire s'engrène dans des crabots récepteurs liés à l'arbre, lesdits crabots comportant une dent biseautée dont au moins un premier secteur de dent forme un premier angle avec l'axe du manchon et un second secteur de dent forme un second angle avec l'axe du manchon inférieur au premier angle. Avantageusement, au moins dans la phase de crabotage la machine électrique est commandée pour induire sur l'arbre primaire un couple produisant une rotation de même sens que le vecteur résultant du couple de traînée naturel de l'arbre primaire. Avantageusement, la valeur du couple de traînée induite par la machine électrique est déterminée en fonction de la vitesse de l'arbre primaire et de la vitesse de l'arbre secondaire. Avantageusement, la somme des valeurs du couple de traînée induite par la machine électrique et le couple de traînée naturel de l'arbre 15 primaire est constant. Avantageusement, la boîte de vitesses selon l'invention équipant un véhicule entraîné par une chaîne de traction comporte au moins une machine électrique entraînant un arbre primaire, la machine électrique étant solidaire mécaniquement de l'arbre primaire, une roue motrice étant 20 entraînée par un arbre secondaire, couplé mécaniquement via la boîte de vitesses à l'arbre primaire un moyen de synchronisation des arbres primaire et secondaire apte à mettre en oeuvre une phase de dévirage suivie d'une phase de crabotage, ledit moyen de synchronisation comportant un manchon lié à l'arbre secondaire engrenant dans des crabots récepteurs liés à l'autre 25 arbre, lesdits crabots comportant une tête biseautée dont au moins un premier secteur de dents forme un premier angle avec l'axe du manchon et un second secteur de dents forme un second angle avec l'axe du manchon inférieur au premier angle. Avantageusement, la boîte comporte une unité de commande qui, 30 au moins dans la phase de crabotage commande la machine électrique pour induire sur l'arbre primaire un couple produisant une rotation de même sens que le vecteur résultant du couple de traînée naturel de l'arbre primaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent : • la figure 1, un schéma fonctionnel d'un exemple de chaîne de traction d'un véhicule hybride ; la figure 2, la position du manchon au début de la phase de crabotage ; la figure 3, la position du manchon à la fin de la phase de crabotage ; la figure 4, une vue de coupe du manchon s'engrenant dans une couronne de crabotage ; la figure 5, une vue de dessus du manchon s'engrenant dans une couronne de crabotage ; • la figure 6, le contact entre le manchon et une dent symétrique de crabot de la couronne de crabotage ; • la figure 7, le contact entre le manchon et une dent dissymétrique de crabot de la couronne de crabotage ; La figure 1 présente un schéma fonctionnel d'un exemple de 20 chaîne de traction d'un véhicule hybride. Elle comporte un moteur thermique 1 couplé par exemple à une machine auxiliaire électrique 2, au moyen d'une courroie 3 entraînée par des poulies 3', 3" solidaires l'une du moteur l'autre de la machine auxiliaire, cette machine auxiliaire permettant le redémarrage du moteur dans un mode dit stop and go . Cette dernière ne participe pas 25 directement à la traction du véhicule. Un volant d'inertie 4 est fixé sur l'arbre de sortie 5 du moteur thermique 1. L'arbre de sortie est de son côté couplé au vilebrequin du moteur. L'arbre de sortie est ensuite relié à l'embrayage 6. Ce dernier 30 effectue un mouvement de glissement 7 dans la direction de l'arbre de sortie pour passer d'une position ouverte à une position fermée ou vice-versa. L'embrayage est par ailleurs relié à l'arbre primaire 8. Cet arbre primaire 8 relie l'arbre de sortie moteur 5 à une boîte de vitesses mécanique pilotée 9, lorsque l'embrayage est en position fermée. Cette boîte mécanique assure la 35 transmission de la puissance motrice aux roues 10, dont une seule est 5 10 15 représentée sur la figure 1. Plus particulièrement la boîte de vitesses 9 transmet, après démultiplication, la puissance de sortie aux roues 10 par l'intermédiaire d'un arbre de sortie 11, ou arbre secondaire, couplé à un arbre de transmission non représenté. Dans l'exemple décrit, une machine électrique de traction 12 est insérée en série entre l'embrayage 6 et la boîte mécanique pilotée 9. Cette machine électrique de traction 11 comporte un rotor 13 et un stator 14. Le rotor 13 est solidaire de l'arbre primaire 8 et le stator 14, fixe, est par exemple solidaire du carter du moteur. Une batterie 15 ou un ensemble de batteries, de forte puissance, alimente en énergie électrique la machine de traction 12 via un onduleur 16. Ce dernier permet de transformer la tension continue en sortie de batterie en tension alternative apte à entraîner le rotor 13 en rotation. Une unité de commande 20 associée à des capteurs, non représentés, pilote la chaîne de traction associée à la roue 10. L'unité de commande pilote notamment la machine électrique 12. Les capteurs permettent notamment de mesurer les différentes vitesses de rotation en jeu dans la chaîne de traction. Avec une telle architecture de chaîne de traction, le véhicule peut notamment fonctionner selon les modes suivants : • le véhicule roule en mode thermique pur lorsque l'embrayage 6 est fermé et que la machine électrique de traction 12 n'est pas alimentée ou commandée, le moteur thermique 1 assurant seul la traction ; • le véhicule roule en mode électrique pur lorsque l'embrayage 6 est ouvert et que la machine électrique 12 est alimentée ou commandée pour assurer seule la traction du véhicule ; le véhicule roule en mode mixte lorsque le moteur thermique 1 assure la traction du véhicule assisté par la machine électrique 12, l'embrayage 6 étant fermé. La machine électrique 12 disposée en série sur l'arbre primaire 8 35 de la boîte de vitesses 9 impose une contrainte importante. En effet, la contrainte de la machine électrique 12 est son inertie importante. Cette inertie supplémentaire équivaut, par exemple, à rajouter une douzaine d'embrayages. De ce fait, pour engrener les pignons lors d'une phase de crabotage notamment, il est nécessaire de fournir des efforts très importants par rapport à une architecture classique. Ce surcroît d'effort peut conduire à des pertes de performance, notamment à des impossibilités de changements de rapport ou à des temps de passage trop longs d'un rapport à l'autre. L'invention permet d'optimiser le changement de rapports, en 10 réduisant les pertes de performance précitées, malgré l'inertie importante de la machine électrique 12. La figure 2 illustre par une vue à plat, un dispositif de synchronisation, ou synchroniseur, disposé sur un tronçon d'arbre 15 secondaire supportant dans l'ordre, de gauche à droite : un pignon fou de 2nde, une bague de synchronisation de 2nde, un manchon 27 lié à un dispositif d'armement 22 de synchronisation, une deuxième bague de synchronisation de 1 ère et un pignon fou de 1 ère Les pignons fous de 2nde et de 1 ère sont désignés également par le 20 terme de pignonnerie folle. Selon la représentation de la figure 2, le manchon 27 se déplace selon un sens de translation 25', c'est à dire vers la droite sur la figure, entre la bague de synchronisation de lère et venant en contact avec les crabots 28' de la couronne de crabotage 21 du pignon fou de 1 è' pour engager le 25 rapport de lé'. La couronne de crabotage 21 tourne autour de l'arbre secondaire 11 selon un sens de rotation 29. La bague de synchronisation de 1 ère 23 permet d'aborder la phase de crabotage entre le manchon 27 et les crabots 28' de la couronne de crabotage 21. 30 Lors d'un engagement d'un rapport, le manchon 27 s'insère dans les crabots 28' de la couronne de crabotage 21 et peut rentrer en contact de manière aléatoire avec un des crabots 28'. Dans ce dernier cas, étant donné la géométrie de la dent du crabot 28', une composante 26 de la force résultante de l'effort appliquée par le manchon 27 sur le crabot 28' est 35 orientée par exemple selon le sens de rotation 29 de la couronne de crabotage 21. La figure 3 représente le manchon 27 entre deux crabots 28' de la couronne de crabotage 21. La composante 26 de la force d'application du manchon sur le crabot engage une rotation de la couronne de crabot par rapport au manchon 27 selon le sens de rotation 29. La poussée appliquée au manchon 27 lors d'un passage de rapport permet audit manchon 27 de s'insérer dans l'espace libre entre deux crabots 28'. Les vitesses du manchon 27 et du pignon du rapport engagé sont alors égalisées au jeu près. Le rapport engagé dans l'exemple illustré par la figure est le rapport de 10 lère La figure 4 illustre les différentes pièces mises en jeu par un synchroniseur de la boîte de vitesses 9 lors d'une phase de crabotage. La phase de crabotage fait suite à une phase de vol libre et à une phase de 15 dévirage de synchronisation. Le dévirage est la phase au cours de laquelle une bague de synchronisation se déverrouille après égalisation des vitesses entre l'arbre primaire 8 et l'arbre secondaire 11, ce dernier n'étant pas représenté sur la figure. 20 Le manchon 27 coopère avec la bague de synchronisation 23 ayant un diamètre interne sensiblement conique, cette bague étant encore appelée bague de dévirage. Le manchon 27 est fixé sur un moyeu 43 lié à l'arbre secondaire 11. Le mouvement de translation du manchon 27 sur le moyeu 43 est produit par un actionneur non représenté, via une fourchette 25 située dans la boîte de vitesses, également non représentée. La bague de synchronisation 23 possède une surface de contact 46 sur sa face interne conique qui permet de transmettre par frottement ou par friction un couple entre la bague 23 et le pignon fou de 1 è' 45 lors de 30 l'application de l'effort du manchon 27 sur les dents de la bague de synchronisation 23. Ce pignon fou 45 est alors solidarisé en rotation avec l'arbre secondaire 11 lorsque le manchon 27 est complètement engagé dans les dents de la couronne de crabotage du pignon fou 45 de 1 e . Suite à ce crabotage, l'engrènement du pignon fou de 1 ère 45 de l'arbre secondaire 11 35 avec le pignon de lère , ce dernier n'étant pas représenté, de l'arbre primaire, ce dernier n'étant également pas représenté, permet de transmettre le couple issu du moteur thermique aux roues avec le rapport de démultiplication souhaité. La bague de synchronisation 23 joue un râle de tampon dans la mesure où elle permet au manchon 27 d'appliquer un couple lié au différentiel de vitesse entre les arbres primaire 8 et secondaire 11. En effet, lors d'un changement de rapport, il est prévu de réajuster la vitesse de rotation des arbres primaire 8 et secondaire 11 à un niveau compatible de la vitesse de la roue 10, entraînée par l'arbre secondaire, lorsque la chaîne de traction utilisera le rapport que l'on envisage de sélectionner. C'est l'opération de synchronisation. Lors de cette synchronisation la différence de régime entre l'arbre primaire et l'arbre secondaire crée un couple qui s'oppose à l'avancée du manchon, ce couple est appelé couple de synchronisation. L'effort axial produit par le manchon, encore appelé effort menant, crée un couple qui tend à faire tourner la bague de synchronisation 23 pour libérer le passage du manchon. Ce couple, appelé couple de dévirage, est lié à la géométrie des dents du manchon et de la bague. La phase de vol libre correspond au déplacement du manchon 20 sans effort résistant avant que celui-ci ne rencontre les crabots du pignon fou 45. Lors d'un changement de rapport, est prévu de réajuster la vitesse de rotation de l'arbre primaire 8 à un niveau compatible de la vitesse de la roue 10, entraînée par l'arbre secondaire, lorsque la chaîne de traction 25 utilisera le rapport que l'on envisage de sélectionner. La phase de crabotage correspond à la solidarisation du manchon 27 et du pignon fou 45 pour relier l'arbre primaire 8 à la roue 10 du véhicule avant ré-embrayage ou passage de couple par la machine électrique 12. La figure 5 représente une coupe, vue de dessus, du manchon 27 et de la bague de synchronisation 23. Le manchon 27 s'engrène dans les crabots de la couronne de crabotage 40. 30 La figure 6 illustre le cas où le manchon 61 rentre en contact avec une dent de crabot 60 de la couronne de crabotage. La dent de crabot 60 de la couronne de crabotage est biseautée et forme sensiblement deux sections symétriques. Un premier angle 65 définit une première orientation d'une première section de la dent de crabot de la couronne de crabotage avec l'axe 68 du crabot de la couronne de crabotage et un second angle 64 définit une seconde orientation de la seconde section avec l'axe 68 du crabot de la 0 10 couronne de crabotage. Lors de la phase de crabotage les dents du manchon et des crabots rentrent en contact créant une force résultante de l'effort appliqué dont une composante 62, selon l'axe 68 du pignon, s'oppose à l'engrenage des pignons et une composante 63 perpendiculaire à l'axe 68 du crabot 15 génère un mouvement de rotation de la couronne de crabotage dans un sens dépendant de la section de contact de la dent de crabot de la couronne de crabotage. La rotation s'effectue dans le même sens que la composante 63 perpendiculaire à l'axe 68 du crabot. Un couple d'effort résultant est ainsi crée par la poussée du manchon rentrant en contact avec la dent de crabot 20 de la couronne de crabotage. Selon la section de contact des dents des crabots de la couronne de crabotage avec celles du manchon, le couple généré par la poussée du manchon, appelé couple de crabotage, peut soit engendrer un couple d'efforts dans le même sens que le couple de traînée de l'arbre primaire, soit 25 s'y opposer. Dans l'exemple de la figure 6, le couple de traînée 67 généré par la machine électrique MEL s'oppose alors au couple de crabotage 66 induit par le contact entre le manchon et la couronne de crabotage. 30 La figure 7 représente le cas d'une dent 70 d'un crabot de la couronne de crabotage dont la tête est biseautée de manière dissymétrique. Une première section FI forme un premier angle 64' avec l'axe 68 du crabot et une seconde section F2, plus grande que la section précédente, forme un angle 65' avec l'axe 68 du crabot. L'invention propose de piloter, par le biais de la MEL, un couple de traînée sur l'arbre primaire, lors du contact des dents du manchon et de la couronne de crabotage, généré dans le même sens que le couple de traînée naturel de l'arbre primaire. Des capteurs électromécaniques placés dans la boîte de vitesses permettent de mesurer l'effort de l'actionneur et d'asservir la MEL par une consigne. La MEL est en mesure de fournir un couple d'effort à l'arbre primaire dans un sens de rotation privilégié. Deux cas se présentent, alors : Si les dents du manchon rentrent en contact sur les flancs F1, le couple de traînée 67 généré par la MEL vient s'opposer au couple de crabotage 66, induit par le contact entre le manchon et le crabot. Le premier angle 64' étant petit, le couple de crabotage est élevé. Le crabotage se réalise plus facilement que dans le cas d'une dent à tête symétrique, malgré le couple de traînée 67 qui s'oppose au déplacement. L'effort à fournir par le manchon est moins important que dans le cas où les dents de crabots sont symétriques. Si les dents du manchon rentrent en contact sur les flancs F2, le couple de crabotage 66, peu élevé puisque le second angle 65' est grand, et le couple de traînée 67 sont dans le même sens. Le crabotage est alors facilité par rapport au cas d'utilisation de dents de crabots symétriques. L'invention permet d'associer des dents de crabots de la couronne de crabotage dont la tête biseautée comporte des sections dissymétriques avec un pilotage de la MEL d'une consigne générant un couple d'efforts sur l'arbre primaire dans le même sens que le couple de traînée naturelle. Lorsque la MEL est pilotée de manière à créer un couple de traînée à l'arbre primaire dans le même sens que le couple de traînée naturel, le crabotage est facilité par l'architecture dissymétrique des dents des crabots quelle que soit la section de la dent de crabot en contact avec manchon. Dans un cas de réalisation, la valeur du couple de traînée sur l'arbre primaire induit par la MEL est avantageusement calculée en fonction du différentiel de vitesse des arbres primaire et secondaire. Le couple de traînée induit sur l'arbre primaire est donc calculé selon le rapport engagé. Avantageusement le couple de traînée global de l'arbre primaire comprenant le couple de traînée naturel de l'arbre, celui-ci étant dépendant des rapports engagés, et le couple de traînée induit par la MEL peut être constant dans un cas de réalisation. Dans l'exemple d'une architecture comprenant des crabots symétriques, dans une configuration où le couple de traînée de l'arbre primaire n'a pas été modifié par le pilotage de la MEL, pour différents angles de crabotage possibles, un calcul à titre d'exemple de l'impulsion de crabotage moyenne est de 17,17 N.s avec un écart-type de 16,53 N.s. Ces 15 valeurs sont liées au couple de traînée de l'arbre primaire qui évolue en fonction du passage d'un rapport. En revanche pour une architecture de crabots dissymétriques et un couple de traînée global de l'arbre primaire de l'ordre de 1 N.m suite à la génération d'un couple de traînée de la MEL sur l'arbre primaire, pour 20 différents angles de crabotage possibles, un calcul à titre d'exemple de l'impulsion de crabotage moyenne est de 12,11 N.s avec un écart-type de 11,64 N.s. Ces valeurs sont sensiblement identiques pour tous les passages de rapports avec un pilotage de la MEL identique avec un même couple de 25 traînée. L'architecture dissymétrique des dents de crabots combinée avec la génération d'un couple de traînée par le pilotage de la MEL permet de faciliter le crabotage pour tous les passages de rapports. Dans les exemples 30 précédents l'impulsion moyenne de crabotage est diminuée de 40 %. L'invention a pour principal avantage de réduire l'effort de crabotage et de réduire le temps de crabotage. De surcroît la fiabilité est accrue car la force de résistance s'opposant à l'actionneur est réduite, l'usure des pièces mécaniques est donc réduite, REVENDICATIONS 1. Procédé de changement de rapport dans une boîte de vitesses (9) équipant un véhicule entraîné par une chaîne de traction (8, 12, 9, 11) comportant au moins une machine électrique (12) apte à entraîner un arbre primaire (8), la machine électrique (12) étant solidaire mécaniquement de l'arbre primaire (8), une roue (10) motrice étant entraînée par un arbre secondaire (11) couplé mécaniquement à l'arbre primaire via la boîte de vitesses, ledit procédé comportant une phase de dévirage suivie d'une phase de crabotage dans laquelle un manchon (21) lié à un arbre secondaire (11) s'engrène dans des crabots récepteurs (41) liés à l'arbre (8), lesdits crabots comportant 15 une dent biseautée dont au moins un premier secteur de dent forme un premier angle avec l'axe du manchon et un second secteur de dent forme un second angle avec l'axe du manchon inférieur au premier angle, caractérisé en ce qu'au moins dans la phase de crabotage la machine électrique (12) est commandée pour induire sur 20 l'arbre primaire (8) un couple produisant une rotation de même sens que le vecteur résultant du couple de traînée naturel de l'arbre primaire (8). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur du 25 couple de traînée induite par la machine électrique (12) est déterminée en fonction de la vitesse de l'arbre primaire (8) et de la vitesse de l'arbre secondaire (11). Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la 30 somme des valeurs du couple de traînée induite par la machine électrique (12) et le couple de traînée naturel de l'arbre primaire (8) est constant. 4. Boîte de vitesses (9) équipant un véhicule entraîné par une chaîne de 35 traction (8, 12, 9, 11) comportant au moins une machine électrique (12) entraînant un arbre primaire (8). la machine électrique (12) étantsolidaire mécaniquement de l'arbre primaire (8), une roue motrice (10) étant entraînée par un arbre secondaire (11), couplé mécaniquement via la boîte de vitesses à l'arbre primaire (8) un moyen de synchronisation des arbres primaire et secondaire apte à mettre en oeuvre une phase de dévirage suivie d'une phase de crabotage, ledit moyen de synchronisation comportant un manchon (21) lié à l'arbre secondaire (11) engrenant dans des crabots récepteurs (41) liés à l'autre arbre (8), lesdits crabots comportant une tête biseautée dont au moins un premier secteur de dents forme un premier angle avec l'axe du manchon et un second secteur de dents forme un second angle avec l'axe du manchon inférieur au premier angle, caractérisé en ce que ladite boîte comporte une unité de commande qui, au moins dans la phase de crabotage commande la machine électrique (12) pour induire sur l'arbre primaire (8) un couple produisant une rotation de même sens que le vecteur résultant du couple de traînée naturel de l'arbre primaire (8). 5. Boîte de vitesses (9) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la valeur du couple de traînée induite par la machine électrique (12) est déterminée en fonction de la vitesse de l'arbre primaire (8) et de la vitesse de l'arbre secondaire (11). 6. Boîte de vitesses (9) selon les revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la somme des valeurs du couple de traînée induite par la machine électrique (12) et le couple de traînée naturel de l'arbre primaire (8) est constant.