Brevet FR2918435A1 — publié le 20090109

DISPOSITIF DE MAINTIEN A BILLE A EFFORT PILOTE, POUR COMMANDE DE BOITE DE VITESSES La présente invention concerne un dispositif de maintien à bille pour une commande de boîte de vitesses, en particulier pour véhicule automobile. Les boîtes de vitesses de véhicule automobile comportent des arbres parallèles supportant des couples de pignons, définissant chacun un rapport de transmission. Un des pignons de chaque couple est solidaire d'un premier arbre, l'autre pignon du couple monté libre en rotation sur un deuxième arbre, peut être rendu solidaire de son arbre par le coulissement axial d'un manchon de synchronisation. Ce coulissement réalise une synchronisation des vitesses, puis un crabotage du pignon sur l'arbre. Le manchon de synchronisation comporte une position centrale où aucun pignon n'est engagé, réalisant un point mort, et une ou deux positions axialement décalées de part et d'autre de la position centrale, pour l'engagement des pignons libres. Chaque manchon de synchronisation est commandé par une fourchette portée par un axe de fourchette, comportant deux bras se terminant par des faces d'appui axiales qui s'ajustent dans une gorge circulaire du manchon, pour le pousser axialement tout en le laissant libre en rotation. Un levier de vitesses commandé par le conducteur, permet de sélectionner une des fourchettes par l'intermédiaire d'un système de sélection qui engage un doigt de commande dans une rainure de son axe, puis de réaliser un passage vers le point mort ou vers un rapport par un coulissement axial de la fourchette. Les différents mouvements de la commande peuvent être rotatifs ou linéaires. Pour positionner et maintenir axialement les fourchettes dans une position neutre ou rapport engagé, on utilise généralement un dispositif de maintien de position à bille. Un maintien à bille de ce type est notamment décrit dans le document FR-A1-2888303, présentant un dispositif de maintien d'une pièce mobile comportant des bossages, par une bille guidée axialement dans un logement lié au carter. Cette bille poussée par un ressort vers des bossages en forme de V taillées sur l'axe de fourchette, exerce une pression sur les pentes des bossages et réalise un maintien axial de l'axe. Pour sortir de cette position, le coulissement de l'axe de fourchette impose une compression du ressort et un déplacement de la bille qui doit remonter les pentes des bossages. Un inconvénient principal de ce maintien à bille est que la charge de la bille ne pouvant varier, il assure un effort de maintien quelque soit le sens du mouvement, lors de l'engagement comme du désengagement d'un rapport. Le conducteur ou un système de pilotage dans le cas d'une boîte de vitesses automatisée, doit fournir un effort relativement important pour dégager le rapport et comprimer le ressort de pression de la bille. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, et de proposer un maintien à bille comportant une charge qui puisse être variable, de manière simple, efficace et économique. Elle propose à cet effet un dispositif de maintien à bille lié à un carter, en particulier pour boîte de vitesses de véhicule automobile, comportant un guidage suivant un axe d'une bille de maintien pressée par un ressort de compression, cette bille coopérant avec des bossages liés à une fourchette de déplacement d'un manchon de crabotage de rapports, afin de maintenir ce manchon dans différentes positions, caractérisé en ce que le dispositif de maintien comporte un dispositif piloté permettant d'exercer une charge axiale supplémentaire sur la bille. Un avantage essentiel du dispositif de maintien selon l'invention, est que le pilotage de la charge supplémentaire permet d'ajuster en permanence le niveau de pression sur la bille, en fonction des étapes du mouvement de la fourchette commandant un changement de rapport. Le dispositif de maintien selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Suivant une caractéristique de l'invention, la charge supplémentaire sur la bille peut être ajustée entre une valeur nulle et une valeur maximale. Avantageusement, le véhicule roulant sur un rapport de vitesses, aucune charge supplémentaire n'est appliquée sur la bille par le dispositif piloté quand le moteur du véhicule transmet un couple à la boîte de vitesses, et une charge supplémentaire est appliquée quand le moteur ne transmet sensiblement pas de couple. Avantageusement, lors d'un changement de rapport d'un premier à un second rapport, la charge supplémentaire est sensiblement nulle pendant les phases de décrabotage du premier rapport, et de synchronisation du deuxième rapport. Avantageusement, la charge supplémentaire est maximale pendant la phase de crabotage du deuxième rapport. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la charge supplémentaire est appliquée par la pression d'un fluide. Le dispositif de maintien à bille peut comporter un alésage recevant un piston coulissant qui presse axialement d'un côté avant sur la bille de maintien, ce piston recevant du côté arrière la pression du fluide admis dans l'alésage. L'alésage peut être fermé du côté arrière par une face d'appui sur laquelle prend appui un ressort hélicoïdal qui charge le piston. Avantageusement, la pression du fluide est pilotée par une vanne électro-hydraulique. La vanne électro-hydraulique peut fournir une pression de fluide variable, qui est réglable par le courant d'alimentation de cette vanne. Suivant un mode de réalisation particulier, un calculateur électronique pilote en fonction d'informations venant de capteurs, des actionneurs d'embrayage et de passage, ainsi que la charge variable appliquée sur la bille. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 présente un dispositif de changement de rapport comportant un maintien de l'axe de fourchette selon l'art antérieur, lors du début d'un changement de rapport ; - la figure 2 présente le même dispositif de changement de rapport, à la 10 fin du changement de rapport ; - la figure 3 présente pour ce changement de rapport, trois diagrammes montrant successivement la vitesse de l'arbre primaire de la boîte de vitesses, les positions relatives de la fourchette et de l'actionneur de passage, et la position des bossages de l'axe de fourchette par rapport à la 15 bille de maintien ; - la figure 4 présente une boîte de vitesses comportant un dispositif de maintien d'un axe de fourchette selon l'invention ; et - la figure 5 présente pour un changement de rapport avec le dispositif de maintien selon l'invention, trois diagrammes montrant successivement la 20 vitesse de l'arbre primaire de la boîte de vitesses, les positions relatives de la fourchette et de l'actionneur de passage, la pression d'un fluide exerçant une charge supplémentaire, et la position des rainures de l'axe de fourchette par rapport à la bille de maintien. Les figures 1 et 2 représentent un dispositif de changement de vitesse 1 25 comportant une fourchette 2 supportée par un axe de fourchette 4. Cette fourchette 2 comporte deux bras dont les extrémités s'ajustent par l'intermédiaire de faces d'appui axiales, dans une gorge annulaire d'un manchon de synchronisation 6 pour le déplacer axialement. Un levier de vitesses pour les boîtes manuelles, ou un actionneur pour 30 les boîtes automatisées, sélectionne l'axe de fourchette 4 en engageant un doigt dans la rainure 22 liée à l'axe 4, pour transmettre un mouvement longitudinal à la fourchette 2. Le manchon de synchronisation 6 axialement placé entre deux pignons 8, 10 montés libres en rotation sur un arbre non représenté, est centré sur l'axe 12. Ce manchon 6 peut alternativement lier en rotation avec l'arbre qui les supporte, en utilisant les dentures 16, un premier pignon 8 comme présenté figure 1 ou un deuxième pignon 10 comme présenté figure 2, pour réaliser deux rapports de transmission différents. Des cônes de synchronisation 14 réalisent en poussant axialement dessus, une synchronisation de la vitesse du pignon avec celle de l'arbre, avant l'engagement du rapport. Le manchon 6 comporte un dispositif de maintien interne 18 qui le maintient dans une position centrale correspondant à un point mort, comprenant un ressort et une bille guidés dans un perçage radial d'un moyeu central. La bille est poussée vers l'extérieur par le ressort pour s'engager dans une rainure intérieure 20 du manchon de synchronisation 6, et le maintenir en position. Un maintien externe 30 est monté sur l'axe 4 de la fourchette 2. Il comporte un ressort 32 et une bille 34 guidés axialement dans le carter de la boîte de vitesses, le ressort prenant appui sur le carter et pressant la bille sur l'axe 4 qui comporte deux bossages 36, 38. Le premier pignon 8 étant engagé comme présenté figure 1, la bille 34 est en appui sur la pente extérieure du bossage 34, et exerce une charge axiale sur l'axe 4 de la fourchette 2. Cette charge axiale est transmise au manchon de synchronisation 6, ce qui maintient le premier rapport de vitesses engagé. La charge axiale permet de maintenir ce rapport engagé dans tous les cas de fonctionnement du moteur. En particulier si l'embrayage d'entrée de boîte de vitesses est ouvert où si le moteur délivre un couple quasiment nul, la transmission ne transmet pas de couple, et le dispositif interne habituellement prévu sur les dentures 16 pour le maintien du crabotage du pignon par la transmission d'un couple moteur, n'est alors pas effectif. Pour un changement de vitesse, la fourchette 2 se déplaçant vers le pignon à engager, on a un premier effort de compression du ressort 32 pour passer le premier bossage 36. La fourchette arrive dans une position intermédiaire, la bille 34 étant placée dans le creux entre les deux bossages 36, 38, ce qui correspond à la position de point mort du manchon 6, maintenu aussi par le billage interne 18. Puis la fourchette 2 continuant sa course, on a un deuxième effort de compression du ressort 32 pour passer le deuxième bossage 38. La fourchette arrive dans sa position finale présentée figure 2, la bille se trouve en appui sur la pente extérieure du deuxième bossage 38, et exerce une charge axiale sur la fourchette 2 pour maintenir l'engagement du deuxième rapport de vitesses. La pente des bossages 34, 38 et l'effort du ressort 32 sont calculés pour maintenir dans tous les cas les positions verrouillées du manchon 6. La figure 3 présente pour un changement de vitesse décrit ci-dessus, trois diagrammes ayant pour abscisse le temps, qui montrent la vitesse 40 de l'arbre primaire de la boîte de vitesses, les positions axiales relatives 50 de la fourchette 52 et de l'actionneur de passage 54, et des positions 60 des bossages 36, 38 de l'axe de fourchette 4, par rapport à la bille de maintien 34. Avec le premier rapport engagé présenté dans l'étape A, on a une vitesse 40 d'arbre primaire de boîte sensiblement constante, une position axiale 50 de l'actionneur fixe, et la bille 34 en appui sur la pente extérieure du premier bossage 36, dans la position 62, confirme l'engagement du rapport en place. L'étape B présente le début du mouvement de passage comprenant le décrabotage du premier rapport, l'actionneur fournit une énergie pour déplacer l'axe 4 de la fourchette 2 et comprimer le ressort 32 du dispositif de maintien 30. A l'instant t1 la bille 34 passe de l'autre côté du bossage 36, dans la position 64, et en appliquant sa pression sur la pente intérieure descendante de ce bossage, apporte une force motrice à l'axe 4. L'axe 4 accélère et dans la limite des jeux de liaison, avance plus vite que l'actionneur, la position 52 de la fourchette présentée sur le diagramme 50, se détache de celle 54 de l'actionneur. On a dans cette étape B une perte de contrôle de la position de la fourchette 2. La position de l'actionneur mesurée par exemple dans une boîte automatisée, par un capteur de position lié à cet actionneur pour fournir des informations à un calculateur de gestion de la boîte de vitesses, est faussée. L'étape C présente un passage par la position point mort, et une approche du cône de synchronisation, pour réaliser d'abord un essorage de l'huile déposée sur ces cônes. L'étape D présente la phase de synchronisation active, la fourchette 2 est arrêtée en appui sur le manchon 6 pour presser sur le cône de synchronisation 14. La vitesse 40 de l'arbre primaire décroît pour ajuster la vitesse du pignon 10 avec celle de son arbre. On a à nouveau une compression du ressort 32 du dispositif de maintien 30 pour atteindre la position 66 où la bille 34 est au sommet du deuxième bossage 38, qui demande une certaine énergie à l'actionneur. L'étape suivante E est appelée vol libre , après synchronisation des vitesses, le manchon 6 peut avancer. La bille 34 passant sur la pente extérieure descendante du bossage 38, dans la position 68, on a à nouveau par la charge qu'elle applique une accélération de l'axe 4 qui avance plus vite que l'actionneur. La position 56 de la fourchette se détache de celle 58 de l'actionneur. L'étape suivante F correspond au crabotage du deuxième pignon 10 pour engager un nouveau rapport. Le dispositif de maintien 30 se trouve en position 68, en appui sur la pente extérieure descendante du deuxième bossage 38, et exerce une charge axiale sur la fourchette 2 qui aide au mouvement de crabotage. Pour l'étape G comme pour l'étape A, la pression de la bille 34 sur la pente descendante confirme l'engagement et le maintien du rapport. Ce dispositif qui convient aux boîtes de vitesses manuelles, peut en particulier pour les boîtes de vitesses automatisées, comportant en entrée un simple embrayage, ou deux embrayages liés chacun à un arbre primaire, perturber le fonctionnement. Les dispositifs de maintien liés au carter, peuvent être axialement décalés par rapport aux positions souhaitées du manchon, à cause des dispersions de fabrication des composants. Ce décalage peut perturber le fonctionnement de l'automatisme. De plus, les actionneurs ont à fournir une énergie pour comprimer deux fois le ressort 32 du dispositif de maintien lors d'un changement de rapport, alors que ces deux étapes de compression ne sont pas fonctionnelles dans ce changement. Les actionneurs consomment une énergie supplémentaire et leur dimensionnement est à prévoir pour ce travail additionnel. Par ailleurs dans les positions de maintien d'un rapport, les étapes A ou G, le dispositif de maintien applique en permanence une charge axiale de la fourchette 2 sur le manchon 6, ce qui oblige à prévoir des matériaux et des traitements de surface résistants à ce frottement continuel. La figure 4 présente une boîte de vitesses automatisée 101 comportant un arbre primaire d'entrée 120, supportant deux pignons fixes 122, 124, en prise chacun avec un pignon libre 8, 10 qui est supporté par un arbre secondaire 12. Chaque couple de pignon définit un rapport de vitesses. La vitesse de chaque arbre 120, 12 est mesurée par des capteurs 126, 128, qui transmettent les informations à un calculateur de gestion de la boîte de vitesses, non représenté. Entre les deux pignons libres 8, 10 de l'arbre secondaire 12, un manchon de synchronisation permet d'engager chaque pignon avec l'arbre 12. Ce manchon 6 est déplacé par la fourchette 2, entraînée par un actionneur non représenté agissant sur la tige de commande 110 qui se termine par un ergot s'ajustant dans une rainure 22 de l'axe 4 de la fourchette 2. Un dispositif de maintien 102 comporte un alésage 106 réalisé dans une paroi 126 liée au carter de la boîte de vitesses, recevant un piston coulissant 120 monté de manière sensiblement étanche dans l'alésage. Le piston 120 est pressé vers un côté axialement avant de la paroi, par un ressort hélicoïdal 122 logé dans l'alésage et centré par un pion de centrage du piston. Le ressort hélicoïdal 122 prend appui par ailleurs sur une face d'appui arrière de la paroi 126, qui ferme l'alésage 106. Une bille 124 maintenue dans un guidage axial non représenté, est pressée par le piston 120 contre l'axe 4 de la fourchette 2 qui comprend deux bossages 36, 38 de maintien. Le volume fermé de l'alésage 106, comporte un canal d'alimentation arrière 104 qui permet de l'alimenter à partir d'une source de fluide sous pression, par l'intermédiaire d'une vanne de commande 108 à commande électrique. Cette pression de fluide dans l'alésage 106 apporte quand la vanne de commande 108 est ouverte, une charge sur la face arrière du piston 120 qui s'ajoute à celle du ressort 122, cette charge pouvant être variable si la vanne 108 est proportionnelle. Par ailleurs, on réduit la charge du ressort 122 par rapport à un dispositif de maintien conventionnel, de manière à ce qu'avec la pression du fluide dans l'alésage 106, on obtienne une charge cumulée sur le piston 120 sensiblement équivalente à celle dans le cas du ressort seul. La source de fluide sous pression peut servir à alimenter par ailleurs des actionneurs de passage de rapports ou de commande d'embrayage, comme c'est souvent le cas dans les boîtes de vitesses automatisées. Elle peut utiliser un fluide spécifique, ou l'huile de lubrification interne de la boîte de vitesses qui permettrait d'accepter un léger débit de fuite au niveau du piston 120 du dispositif de maintien 102. La figure 5 présente pour un changement de rapport avec le dispositif de maintien 102 selon l'invention, trois diagrammes similaires à ceux de la figure 3, qui montrent la vitesse 140 de l'arbre primaire 120, les positions axiales relatives 150 de la fourchette 152 et de l'actionneur de passage 154, et des positions 160 des bossages 36, 38 de l'axe de fourchette 4, par rapport à la bille de maintien 124. On a ajouté un diagramme 180 présentant la pression de fluide dans l'alésage 106, qui est nulle au niveau 0 où seul la pression du ressort 122 s'exerce sur la bille 124, et maximum au niveau 1. Avec le premier rapport engagé présenté dans l'étape A, la bille 124 peut recevoir une pression nulle si le moteur transmet un couple qui auto-verrouille le crabotage du pignon 8, ce qui permet d'éviter un frottement de la fourchette 2 dans la rainure du manchon 6 pour limiter l'usure et les pertes d'énergie. On peut aussi appliquer une pression intermédiaire ou maximum si on a besoin de maintenir le rapport engagé, le calculateur de la boîte de vitesses ajustant en permanence la pression dans l'alésage 106, par la vanne 108. Au début du changement de rapport, pour les étapes B, C, D et E, on fait chuter cette pression à une valeur nulle pour éviter d'avoir à fournir deux fois un travail de refoulement du fluide sous pression, pour monter la bille 124 sur la pente extérieure du premier bossage 36, puis intérieure du deuxième bossage 38. II n'est pas nécessaire pour ces étapes de décrabotage, d'approche, de synchronisation et de vol libre, d'utiliser le maintien 102. On notera dans les étapes B et E où la bille est en appui sur une pente descendante d'un bossage, qu'avec uniquement la charge réduite du ressort 122, on a pas ou très peu de décollement de la position de la fourchette 152, 156 par rapport à celle de l'actionneur 154, 158. Le pilotage de la fourchette 2 par le calculateur de la boîte vitesses est facilité. Pour l'étape F de crabotage on remet la pression dans l'alésage 106, la bille se trouvant dans la position 168 en appui sur la pente extérieure du deuxième bossage 38, exerce une charge axiale sur la fourchette 2 qui ajoute une force pour aider au crabotage du pignon 10. Pour l'étape G, comme pour l'étape A, on peut mettre une pression maximale, intermédiaire ou nulle, suivant les conditions de fonctionnement du moteur. Le pilotage en courant de la vanne 108 permet à chaque instant du passage, d'ajuster précisément la charge de la bille sur les bossages 36, 38 de maintien. On peut aussi en variante utiliser une vanne plus simple qui agit en tout ou rien, sans modulation de la pression. D'une manière générale, tout autre dispositif de mise en charge de la bille 124 du dispositif de maintien 102 peut être utilisé, par exemple un dispositif électromagnétique qui ne nécessite pas de pression de fluide. Par ailleurs des profils de came liés à l'axe 4 de la fourchette 2, autre que les deux bossages 36, 38 présentés ici, peuvent être utilisés. REVENDICATIONS 1 û Dispositif de maintien à bille (102) lié à un carter (126), en particulier pour boîte de vitesses (101) de véhicule automobile, comportant un guidage (106) suivant un axe d'une bille de maintien (126) pressée par un ressort de compression (122), cette bille coopérant avec des bossages (36, 38) liés à une fourchette (2) de déplacement d'un manchon (6) de crabotage de rapports, afin de maintenir ce manchon dans différentes positions, caractérisé en ce que le dispositif de maintien (102) comporte un dispositif piloté (108) permettant d'exercer une charge axiale supplémentaire sur la bille (124). 2 û Dispositif de maintien à bille selon la revendication 1, caractérisé en ce que la charge supplémentaire sur la bille (124) peut être ajustée entre une valeur nulle et une valeur maximale. 3 û Dispositif de maintien à bille selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le véhicule roulant sur un rapport de vitesses, aucune charge supplémentaire n'est appliquée sur la bille (124) par le dispositif piloté (108) quand le moteur du véhicule transmet un couple à la boîte de vitesses (101), et une charge supplémentaire est appliquée quand le moteur ne transmet sensiblement pas de couple. 4 û Dispositif de maintien à bille selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lors d'un changement de rapport d'un premier à un second rapport, la charge supplémentaire est sensiblement nulle pendant les phases de décrabotage du premier rapport, et de synchronisation du deuxième rapport. 5 - Dispositif de maintien à bille selon la revendication 4, caractérisé en ce que la charge supplémentaire est maximale pendant la phase de crabotage du deuxième rapport. 6 - Dispositif de maintien à bille selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge supplémentaire est appliquée par la pression d'un fluide.7 - Dispositif de maintien à bille selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un alésage (106) recevant un piston coulissant (120) qui presse axialement d'un côté avant sur la bille de maintien (124), ce piston recevant du côté arrière la pression du fluide admis dans l'alésage. 8 - Dispositif de maintien à bille selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'alésage (106) est fermé du côté arrière par une face d'appui sur laquelle prend appui un ressort hélicoïdal (122) qui charge le piston (120). 9 -Dispositif de maintien à bille selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la pression du fluide est pilotée par une vanne électrique (108). 10 - Dispositif de maintien à bille selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vanne électrique (108) peut fournir une pression de fluide variable, qui est réglable par le courant d'alimentation de cette vanne. 11 - Dispositif de maintien à bille selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un calculateur électronique pilote en fonction d'informations venant de capteurs (126, 128), des actionneurs d'embrayage et de passage, ainsi que la charge variable appliquée sur la bille (124).