Brevet FR2926256A1 — publié le 20090717

CHAINE CINEMATIQUE ELECTRIQUE ET GROUPE D'ENTRAINEMENT POUR VEHICULE AUTOMOBILE HYBRIDE COMPRENANT UNE TELLE CHAINE La présente invention concerne une chaîne cinématique électrique pour véhicule automobile, en particulier cette chaîne cinématique peut être combinée avec une chaîne cinématique à moteur thermique pour un véhicule à motorisation hybride. Les véhicules automobiles conventionnels utilisent comme groupe propulseur des moteurs à essence ou des moteurs diesel. Ces véhicules automobiles à moteurs thermiques ont pour principal inconvénient, la pollution de l'environnement. Pour palier cet inconvénient, outre l'utilisation de carburant de substitution, on se dirige de plus en plus vers des concepts d'entraînement de types nouveaux. A ce propos, on connaît de l'état de la technique des dispositifs d'entraînement purement électriques pour véhicule automobile, dont une chaîne cinématique comprenant une machine électrique alimentée par des batteries électriques, l'arbre moteur de la machine entraînant directement les roues du véhicule. Un tel système permet une conduite sans émissions, mais les performances possibles et la distance pouvant être parcourue sont toutefois limitées. Il est uniquement adapté pour une circulation à faible vitesse véhicule, par exemple en ville. Pour contourner le problème d'insuffisance de puissances de la machine électrique, ainsi que le problème d'autonomie dans le cas d'un système d'entraînement purement électrique, les constructeurs d'automobiles se sont orientés vers des dispositifs d'entraînement à motorisation hybride qui combine un moteur thermique avec une machine électrique dans la même chaîne cinématique. Le moteur thermique offre une puissance importante et une grande 2 autonomie et la machine électrique permet une conduite sans émissions. Ainsi, lors de trajets sur des voies rapides ou des autoroutes, sur une pente ou lors d'une phase d'accélération, le véhicule est propulsé par le moteur thermique et les batteries se chargent tandis qu'en circulation urbaine, c'est-à-dire à faible vitesse, le véhicule est entraîné par la machine électrique alimentée par les batteries. L'architecture d'un tel dispositif hybride est relativement complexe, il comprend généralement un moteur thermique relié par l'intermédiaire d'un vilebrequin et d'un embrayage à l'arbre d'entrée d'une boîte de vitesses, et un moteur électrique étant monté en parallèlement à l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses. Cet agencement parallèle du moteur électrique nécessite la prévision d'un espace structurel plus important que dans le cas d'un dispositif conventionnel. En outre, un véhicule équipé d'un tel dispositif ne permet pas une utilisation en mode 4x4. On connaît également de l'état de la technique un groupe d'entraînement comprenant une chaîne cinématique comportant un moteur thermique pour entraîner un train de roues et une deuxième chaîne comportant un moteur électrique entraînant un autre train de roues. Un tel groupe d'entraînement est décrit dans le document FR2 723 553. Toutefois ces dispositifs hybrides de l'état de la technique ne permettent pas de résoudre le problème de limitation en puissance rencontré par l'utilisation du moteur électrique. Le couple de rotation à la sortie du moteur électrique n'est pas adapté en fonction du besoin du véhicule automobile, en effet il y a qu'un seul rapport de réduction. Pour pouvoir obtenir des puissances de propulsion suffisantes et pour pouvoir parcourir l'ensemble de la plage de vitesse du véhicule, il est alors nécessaire d'utiliser des machines électriques surdimensionnées afin de couvrir toute la plage de vitesses véhicules, qui nécessite un encombrement spatial plus élevé et qui en outre augmente le poids du véhicule et par conséquent les forces résistantes, induisant alors une consommation plus importante en énergie. A titre d'illustration, pour un véhicule dont la vitesse maximum est 200 km/h, soit environ 1666 tr/mn, et une machine électrique dont le régime maximum est de 12 000 tr/mn, le rapport de démultiplication est alors de 7,2. Or si on considère un besoin de 1500 Nm de couple moteur à la roue pour réaliser un décollage 3 satisfaisant, la machine électrique correspond alors à une machine devant avoir au moins un couple de 208 Nm. En outre, l'utilisation d'une machine électrique plus puissante augmenterait également de manière significative le coût de fabrication d'un véhicule automobile 5 hybride. La présente invention a pour but de réaliser une chaîne cinématique électrique pour véhicule automobile en mode 4x4 ou en mode 4x2 qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. En particulier la chaîne cinématique est capable de fournir un couple moteur suffisant pour réaliser un décollage 10 satisfaisant et permettre de balayer l'ensemble de la plage de vitesses véhicules, tout en permettant des frais de production réduits par comparaison à des dispositifs d'entraînement comparables. Ainsi l'un des intérêts techniques de la solution est lié à un dimensionnement plus faible des éléments constituant la chaîne électrique 15 (machine électrique, électronique de puissance, batterie de puissance) qui est la part la plus importante dans le surcoût d'un véhicule automobile hybride. En outre l'architecture de la chaîne cinématique de l'invention doit être réalisée de façon à prendre particulièrement peu de place et permettre une mise en oeuvre relativement simple. 20 On atteint ces buts de l'invention avec une chaîne cinématique électrique pour entraîner en rotation les roues motrices d'un véhicule automobile, comprenant une source d'énergie électrique destinée à alimenter une machine électrique, la machine électrique comprenant un arbre moteur la reliant à un différentiel destiné à distribuer le couple moteur aux roues motrices par 25 l'intermédiaire des arbres de transmission, caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens de variation de couple interposés entre la machine électrique et le différentiel. Grâce à la chaîne cinématique électrique réalisée selon l'invention, il devient possible de contourner les inconvénients décrits ci-dessus. Il est possible 30 d'obtenir un comportement cinématique comparable par comparaison à l'entraînement avec une machine électrique de grande taille ou avec un moteur thermique. L'idée de base de la présente invention est que la machine électrique se trouve en liaison avec l'arbre d'entrée du différentiel par l'intermédiaire des 35 moyens de variation de couples. Ces moyens permettent de multiplier le couple 4 moteur à la sortie d'une machine de petite taille de sorte que le couple soit suffisant pour assurer la prestation du décollage. En outre la variation du rapport de réduction en fonction de la vitesse véhicule permet d'adapter le régime de la machine de telle sorte qu'il ne se produit aucun dépassement de la vitesse de rotation maximum admissible pour la machine électrique. L'utilisation d'un variateur centrifuge comme moyens de variation de couples s'est avérée particulièrement avantageuse. Un tel variateur utilise les forces centrifuges pour faire le rapport de réduction, sans utiliser d'actionneurs. Avantageusement, en fonction du couple nécessaire à la roue et des performances de la machine électrique, une transmission à démultiplication supplémentaire peut être couplée au variateur centrifuge, l'ensemble étant interposé entre la machine électrique et le différentiel. Une telle transmission à démultiplication peut être agencée coaxialement à l'arbre d'entrée du différentiel. En règle générale, le variateur centrifuge comprend une transmission à courroie entre une poulie motrice et une poulie réceptrice, la poulie motrice comprenant un flasque fixe solidaire de l'arbre moteur de la machine électrique et un flasque mobile susceptible de coulisser longitudinalement selon l'axe dudit arbre, la poulie réceptrice comprenant un flasque fixe solidaire de l'arbre d'entrée du différentiel et un flasque mobile susceptible de coulisser longitudinalement selon l'axe de l'arbre d'entrée du différentiel. En fonction de l'écartement des parois des flasques, la courroie pénètre plus ou moins près du centre et change le rapport de réduction en conséquence. Selon une caractéristique de la présente invention, la chaîne cinématique entraîne les roues motrices du premier train ou du second train d'un véhicule automobile 4x2, les roues motrices étant alors celles du train arrière ou du train avant d'un véhicule automobile. L'objet de la présente invention concerne encore un groupe d'entraînement hybride électrique/thermique pour véhicule automobile, comprenant une chaîne cinématique à moteur thermique entraînant un premier train de roues comportant un moteur thermique muni d'un vilebrequin relié à l'arbre d'entrée d'une transmission à boîte de vitesse par l'intermédiaire d'un embrayage interposé, et une chaîne cinématique électrique telle que décrite ci-dessus entraînant un second train de roues. Selon l'invention, les deux chaînes sont reliées à un système de commande permettant d'activer sélectivement la chaîne cinématique à moteur ou la chaîne cinématique électrique ou les deux simultanément pour que le véhicule automobile puisse fonctionner respectivement en mode d'entraînement électrique, en mode d'entraînement par le moteur thermique, ou en mode mixte. Un tel groupe d'entraînement est particulièrement adapté pour véhicule automobile hybride 4x4. 5 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture la description détaillée qui va suivre en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue schématique d'une chaîne cinématique électrique comprenant un variateur centrifuge interposé entre la machine électrique et le 10 différentiel selon l'invention ; en figure 2: un vue schématique d'une chaîne cinématique électrique de la figure 1, comprenant en plus une transmission à démultiplication couplée à la sortie du variateur centrifuge ; en figure 3.A et 3.B : une vue schématique de section de la configuration du 15 variateur centrifuge correspondant à la phase de décollage véhicule (figure 3.A) et une vue de face du variateur centrifuge (figure 3.B) ; en figure 4.A et 4.B : une vue schématique de section de la configuration du variateur centrifuge correspondant à la phase de roulage à haute vitesse (figure 4.A) et une vue de face du variateur centrifuge (figure 4.B); 20 en figure 5: une vue schématique d'un groupe d'entraînement comprenant une chaîne cinématique à moteur thermique et une chaîne cinématique électrique. La figure 1 représente un mode de réalisation de la chaîne cinématique selon l'invention qui comprend d'amont en aval vers un train de roues motrices 2 25 une source d'énergie électrique 24 destinée à alimenter une machine électrique 3. Entre la machine électrique 3 et le différentiel 5 relié aux arbres de transmissions transversaux 6 du train est interposé un variateur centrifuge 4 qui permet de faire varier le couple moteur à la sortie de la machine. Dans le mode de réalisation représenté, le variateur centrifuge 4 comprend 30 une transmission à courroie 10 entre une poulie motrice 17 montée sur l'arbre moteur de la machine électrique 3 et une poulie réceptrice 20 montée sur l'arbre d'entrée 9 du différentiel 5. L'arbre moteur 8 de la machine électrique 3 s'étend parallèlement à un axe commun aux arbres de transmission 6 du train des roues motrices, l'axe portant la 6 transmission à courroie 10 du variateur centrifuge 4 étant transversal par rapport à l'axe commun. De manière générale, la source d'alimentation en énergie électrique 24 est un ensemble de batteries électriques, telles que des batteries d'accumulateur qui sont destinées à alimenter la machine électrique 3. La machine électrique 3 peut fonctionner en moteur ou en générateur d'énergie électrique. Ainsi lors d'une phase de freinage, l'énergie de freinage peut être récupérée et transformée en énergie électrique par la machine électrique afin de recharger les batteries qui jouent alors le rôle de stockage d'énergie électrique. Les figures 3 et 4 représentent plus en détail la structure du variateur centrifuge 4. La poulie motrice 17 comprend deux flasques, un flaque fixe 18 solidaire de l'arbre de sortie 8 de la machine électrique 3, et un deuxième flasque 19 mobile susceptible de coulisser longitudinalement le long de l'axe de l'arbre de sortie 8 de la machine électrique 3. Le mouvement de translation du flasque mobile 19 est obtenu par la force centrifuge au moyen des masselottes 23 interposées entre le flanc du flasque mobile 19 et une pièce d'appui 31 à action axiale qui est solidaire de l'arbre moteur. La poulie réceptrice 20 comprend également un flasque fixe 21 solidaire de l'arbre d'entrée du différentiel 5 et un flasque mobile 22 susceptible de coulisser le long de l'axe de l'arbre d'entrée du différentiel 5. Un ressort de compression 13 est interposé entre les flancs du flasque mobile 22 de la poulie réceptrice et une pièce d'appui 32 à action axiale qui est solidaire de l'arbre d'entrée du différentiel. La fonction de ce ressort est de maintenir serrés les deux flasques de la poulie réceptrice 20 lorsque la machine électrique est arrêtée. Les figures 3.A et 3.B représentent le variateur centrifuge sur son rapport de réduction le plus élevé. Lors du démarrage de la machine électrique et à faible vitesse véhicule, la poulie motrice est ouverte au maximum, c'est-à-dire l'écart entre les deux flasques de la poulie motrice 17 est au maximum, et la courroie se trouve au fond de la gorge crée par les deux flasques 18, 19. Le variateur assure alors un rapport de réduction relativement élevée, permettant de bénéficier un couple important aux roues. Le véhicule est en régime de faible vitesse véhicule, par conséquent la force centrifuge n'est pas encore suffisante pour faire déplacer les masselottes 23, la courroie 10 se trouve alors au fond de la gorge de la poulie motrice 17 et sur le plus grand diamètre de la poulie réceptrice 20. 7 Au fur à mesure de l'augmentation de la vitesse de rotation, la force centrifuge devient suffisante pour pousser les masselottes 23 vers l'extérieur, l'écartement entre les flasques de la poulie motrice 17 se rétrécit tandis les deux flasques 21, 22 de la poulie réceptrice 20 s'écartent sous la contrainte de la courroie 10 en comprimant le ressort de compression 13, de telle sorte que le dispositif centrifuge diminue progressivement le rapport de réduction afin d'atteindre la vitesse véhicule maximale sans dépasser le régime maxi de la machine électrique. Les figures 4.A et 4.B représentent le variateur en configuration de vitesse véhicule élevée, la courroie 10 se retrouvant sur le plus grand diamètre possible de la poulie motrice 17 et au fond de la gorge de la poulie réceptrice 20 dont le ressort de compression 13 est comprimé au maximum. Si l'on reprend l'exemple d'application précédent dans lequel le véhicule automobile est muni d'une machine électrique à 12000 tr/mn et peut atteindre une vitesse maximum de 200 km à l'heure sur le plat correspondant environ à 1666 tr/mn, en absence du variateur centrifuge, la machine doit avoir un couple maxi de 208N.m pour assurer la prestation du décollage. En présence du variateur centrifuge interposé entre la machine électrique et le différentiel, et si on considère un rapport de multiplication de couple de 2 pour un variateur standard, le couple maxi à fournir par la machine est seulement de 104N.m. La figure 2 montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le variateur centrifuge 4 est relié à une transmission à démultiplication telle qu'un étage de pignons, l'ensemble étant interposé entre la machine électrique 3 et le différentiel 5. Dans ce mode de réalisation, l'organe d'entraînement 33 sur lequel est monté la poulie réceptrice 20 est reliée par exemple à la transmission à démultiplication 7 par l'intermédiaire d'un pignon moteur et engrène avec un pignon récepteur lui-même relié à l'arbre d'entrée du différentiel 5. La présence de cette transmission à démultiplication supplémentaire permet de démultiplier la vitesse de rotation tout en transmettant un couple plus élevé. Dans un autre mode de réalisation, il est possible d'interposer la transmission à démultiplication entre la machine électrique et le variateur centrifuge. Dans les modes réalisations représentés sur les figures 1 et 2, la chaîne cinématique électrique peut entraîner toute seule les roues du train avant ou celles 35 du train arrière pour véhicule automobile en fonctionnement tout électrique 4x2. Il est également possible d'envisager un groupe d'entraînement comprenant une première chaîne cinématique électrique entraînant un premier train de roues et une deuxième chaîne électrique entraînant un second train de roues pour un véhicule automobile en fonctionnement tout électrique 4x4. La figure 5 montre un groupe d'entraînement hybride électrique/thermique 101 pour véhicule automobile, comprenant une chaîne cinématique à moteur thermique 30 entraînant un premier train de roues et une chaîne cinématique électrique 1 telle que décrite ci-dessus et représentée sur la figure 1 ou 2 entraînant un second train. La chaîne cinématique comporte d'amont en aval vers les arbres de transmission de roues un moteur thermique 27 muni d'un vilebrequin accouplé à l'arbre primaire d'une transmission à boîte de vitesse 29 par l'intermédiaire d'un embrayage interposé 26. L'arbre secondaire de la boîte de vitesses entraîne les arbres de transmission du premier train. Les deux chaînes 1, 30 sont reliées à un système de commande 25 qui permet d'activer sélectivement la chaîne cinématique à moteur 30 ou la chaîne cinématique électrique 1 ou les deux simultanément pour que le véhicule automobile puisse fonctionner respectivement en mode d'entraînement électrique, ou en mode hybride. Un tel système de commande permet d'adapter avantageusement les modes de fonctionnement en fonction du besoin en couple moteur demandé par le conducteur du véhicule, en fonction de l'état de charge des batteries. A titre d'exemple de fonctionnement tel qu'illustré sur la figure 5, le système de commande 25 relie une pédale d'accélérateur 34 et un commutateur 35 du véhicule automobile aux différents éléments constituant la chaîne à moteur thermique 30 et aux différents éléments constituant la chaîne cinématique électrique 1. Ainsi le système de commande peut agir directement sur le moteur thermique 27, la machine électrique 1 et l'embrayage 26 via des éléments de 30 commande. Par exemple, l'état de charge des batteries étant jugé satisfaisant, pour minimiser les émissions nocives, le moteur thermique étant maintenu à l'arrêt par le système de commande de manière automatique ou à la demande du conducteur, et l'embrayage étant débrayé, seule la machine électrique 3 alimentée 35 par les batteries entraîne les roues motrices du véhicule. 9 Lorsque l'état des batteries est jugé mauvais ou lorsque le couple demandé par le conducteur est trop élevé, le système de commande active alors le fonctionnement du moteur thermique pour compenser la perte de couple ou le manque de puissance du moteur électrique. Dans un autre mode de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, la chaîne cinématique électrique comporte en amont un générateur d'énergie électrique 28 entraîné par le moteur thermique 27 de la chaîne cinématique. De cette façon, lorsque les batteries 24 sont déchargées, l'entraînement du générateur 28 via le moteur thermique permet d'assurer la recharge des batteries 24. Dans ce mode de réalisation représenté, l'énergie de freinage peut être également récupérée par la machine électrique 3 pour recharger les batteries 24. REVENDICATIONS 1. Chaîne cinématique électrique (1) pour entraîner en rotation les roues motrices (2) d'un véhicule automobile, ladite chaîne comprenant une source d'énergie électrique (24) destinée à alimenter une machine électrique (3), la machine électrique (3) comprenant un arbre moteur (8) la reliant à un différentiel (5) destiné à distribuer le couple moteur aux roues motrices par l'intermédiaire des arbres de transmission (6), caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de variation de couple interposés entre la machine électrique (3) et le différentiel (5). 2. Chaîne cinématique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de variation continue de couple comprennent un variateur centrifuge (4). 3. Chaîne cinématique électrique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de variation continue de couple comprennent en outre une transmission à démultiplication (7) couplé à la sortie du variateur centrifuge (4), l'ensemble étant interposé entre la machine électrique (3) et le différentiel (5). 4. Chaîne cinématique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la transmission à démultiplication (7) est constituée par un étage à pignons. 5. Chaîne cinématique selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le variateur centrifuge comprend une transmission à courroie entre une poulie motrice (17) et une poulie réceptrice (20), la poulie motrice (17) comprenant un flasque fixe (18) solidaire de l'arbre moteur (8) de la machine électrique (3) et un flasque mobile (19) susceptible de coulisser longitudinalement selon l'axe dudit arbre (8), la poulie réceptrice (20) comprenant un flasque fixe (21), solidaire de l'arbre d'entrée du différentiel (5) et un flasque mobile (22) susceptible de coulisser longitudinalement selon l'axe de l'arbre d'entrée du différentiel (5). 6. Chaîne cinématique selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'arbre moteur (8) de la machine électrique (3) s'étend parallèlement à un axe commun aux arbres de transmission (6) du train des roues motrices, l'axe portant la transmission à courroie (10) étant transversal par rapport à l'axe commun. 7. Chaîne cinématique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les roues motrices sont celles du train arrière ou du train avant d'un véhicule automobile. 11 8. Groupe d'entraînement hybride électrique/thermique pour véhicule automobile, comprenant une chaîne cinématique à moteur thermique (30) entraînant un premier train de roues comportant un moteur thermique (27) muni d'un vilebrequin relié à l'arbre d'entrée d'une transmission à boîte de vitesse (29) par l'intermédiaire d'un embrayage interposé (26), et une chaîne cinématique électrique (1) selon l'une des revendications 1 à 7 entraînant un second train de roues, caractérisé en ce que les deux chaînes (1, 30) sont reliées à un système de commande (25) permettant d'activer sélectivement la chaîne cinématique à moteur (30) ou la chaîne cinématique électrique (1) ou les deux ensemble pour que le véhicule automobile puisse fonctionner respectivement en mode d'entraînement électrique, en mode d'entraînement par le moteur thermique, ou en mode hybride. 9. Groupe d'entraînement hybride électrique/thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système de commande (25) relie la pédale d'accélérateur (34) et un commutateur (35) du véhicule automobile aux éléments constituant la chaîne à moteur thermique (30) et aux éléments constituant la chaîne cinématique électrique (1). 10. Groupe d'entraînement hybride électrique/thermique selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la chaîne cinématique électrique comporte un générateur d'énergie électrique (28), ledit générateur étant entraîné par le moteur thermique (27) de la chaîne cinématique à moteur, ledit générateur étant destiné à alimenter la source en énergie électrique (24).