Brevet FR2923879A1 — publié le 20090522

DISPOSITIF DE COUPLAGE PAR CONE DE FRICTION POUR BOITE DE VITESSES La présente invention est relative aux dispositifs de couplage par friction multi cônes, notamment ceux permettant la synchronisation et/ou la transmission de couple dans une boîte de vitesses mécanique de véhicule automobile. De tels dispositifs sont très utilisés, notamment pour la synchronisation des boîtes de vitesses, qui consiste en l'égalisation par frottement de la vitesse d'un arbre de la boîte avec celle d'un pignon fou tournant autour de celui-ci, lors d'un changement de rapport de vitesse. Le principal dispositif connu est le synchroniseur de type multi- cônes, comportant trois anneaux coniques, respectivement un anneau supérieur, intermédiaire et inférieur, ces anneaux étant de diamètre décroissant dans cet ordre de manière à pouvoir être arrangés les uns à l'intérieur des autres, de manière concentrique. Les anneaux supérieur et inférieur sont liés en rotation à un moyeu solidaire de l'arbre tournant, tandis que l'anneau intermédiaire est lié en rotation au pignon fou. Les anneaux intermédiaire et inférieur comportent tous deux une surface de frottement interne et une surface de frottement externe. L'anneau supérieur ne comporte lui qu'une surface de frottement interne. Le pignon fou est pourvu d'un flasque comportant une surface de frottement conique destinée à coopérer avec la surface de frottement interne de l'anneau inférieur. La mise en service d'un tel dispositif de couplage est réalisée par déplacement axial des anneaux et la mise en contact des surfaces coniques en vis-à-vis, à l'aide d'un manchon en liaison glissière avec le moyeu. On génère ainsi un couple de friction qui est transmis du moyeu au pignon fou via les surfaces de frottement coniques de l'ensemble des anneaux. De manière connue, la liaison entre, d'une part, les anneaux coniques supérieur et inférieur et le moyeu, et, d'autre part, l'anneau intermédiaire et le pignon fou, est réalisée au moyen de � tocs � d'entraînement, ou crans, présents sur l'ensemble des anneaux coniques, et coopérant avec des cavités du moyeu dans le premier cas et du pignon fou dans le second cas. Il est connu, notamment par le document FR 2846 061, de prévoir à la périphérie de chaque anneau conique des tocs à flancs parallèles à l'axe du cône, ces tocs coopérant avec des cavités, également à flancs parallèles du moyeu, ou du pignon fou selon le type d'anneau. Lorsque le dispositif est sollicité, un couple est donc transmis du moyeu vers les anneaux supérieur et inférieur via des forces de direction tangentielle exercées au point de contact entre les flancs des cavités du moyeu et les flancs des tocs d'entraînement. De même, l'anneau conique intermédiaire transmet un couple au pignon fou, via des forces de direction tangentielle exercées au point de contact entre les flancs des tocs de cet anneau et les flancs des cavités présentes dans le pignon fou. Les forces tangentielles ainsi générées sont cependant à l'origine d'une perte de rendement du dispositif : en effet, pour que le dispositif transmettre un couple par friction, il est nécessaire de mettre en contact les surfaces coniques en vis-à-vis. Cette mise en contact est réalisée sous l'action d'un effort axial exercé par le manchon et, plus encore, le couple transmis par le dispositif est directement lié à l'effort axial exercé. Or, lorsqu'on applique cet effort axial, les forces tangentielles décrites plus haut génèrent, aux points de contact entre les différents tocs et les cavités associées, des forces de frottement de direction axiale et de sens opposé à l'effort axial de commande (exercé par le manchon), du fait du déplacement relatif des tocs par rapport au moyeu ou au pignon fou. Ainsi, les frottements dus aux tocs réduisent l'effort axial de commande initial, induisant une perte de rendement. De plus, les forces de frottement générées étant proportionnelles aux forces tangentielles (le coefficient pondérateur étant le coefficient de frottement entre les surfaces des tocs et des cavités), on comprend donc que plus le couple transmis par le moyeu est important, plus les forces tangentielles et donc les forces de frottement aux points de contact sont grandes, plus la perte de rendement est importante. Il est également connu un coupleur conique dit � auto-assisté �, reposant sur un principe de fonctionnement identique, mais pourvu de tocs inclinés, ou rampes. Ces rampes inclinées génèrent une poussée axiale induite qui s'ajoute à la force exercée par l'actionneur, cette force supplémentaire permettant notamment d'utiliser des actionneurs de plus faible capacité. Cependant, cette assistance crée des difficultés supplémentaires, et notamment celle de contrôler finement le couple transmis par le coupleur. Le but de l'invention est donc de fournir un dispositif de couplage de friction dans lequel les tocs d'entraînement sont conçus pour éliminer cette perte de rendement, en minimisant ou supprimant la composante axiale de la force de frottement générée par les tocs, mais sans toutefois générer d'auto-assistance. Ainsi, l'invention concerne un dispositif de couplage par friction d'un pignon fou avec un arbre de boîte de vitesses comportant un moyeu solidaire en rotation de cet arbre, un manchon libre de glisser axialement par rapport au moyeu, des anneaux coniques disposés de manière concentrique entre le moyeu pignon fou, les anneaux coniques étant alternativement liés en rotation au moyeu et au pignon fou au moyen de tocs d'entraînement, coopérant avec des cavités, complémentaires présentes sur le moyeu et le pignon fou, les anneaux coniques, étant aptes à être mis en contact sous l'action d'un effort axial de commande exercé par le manchon, de façon à transmettre par friction au pignon fou un couple de rotation reçu du moyeu, le dispositif étant caractérisé en ce que le flanc de chaque toc, en contact avec le flanc en vis-à-vis de la cavité lors de la transmission de couple est incliné d'un angle a non nul par rapport à la direction de l'axe, cet angle a étant tel que la tangente de cet angle est strictement inférieure à la valeur du coefficient de frottement entre les surfaces des flancs du toc, et de la cavité, . Dans une réalisation, les cavités, coopérant avec les tocs, présente un profil complémentaire, leurs flancs en contact avec les tocs, étant également inclinés d'un angle sensiblement égal à a. Dans une réalisation, les tocs, présentent un profil symétrique par rapport à l'axe, notamment un profil trapézoïdal. Dans une réalisation, les tocs liés en rotation au pignon fou présente un profil évasé. Dans une réalisation, les tocs, présentent deux flancs parallèles, inclinés respectivement d'un angle a et d'un angle ù a. Dans une réalisation, la valeur de a est telle que sa tangente est proche de �. Dans une réalisation, les tocs, sont disposés à la périphérie des 10 anneaux coniques, chaque anneau comportant plusieurs tocs, Dans une réalisation, le dispositif comporte au total au moins cinq anneaux coniques. Un exemple de réalisation de l'invention est décrit ci-après de manière non limitative en relation avec les figures parmi lesquelles : 15 - la figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'invention, - les figures 2a et 2b montrent des tocs selon l'invention pour des anneaux coniques coopérant respectivement avec un pignon fou et avec un moyeu, -les figures 3a et 3b montrent une variante de réalisation des tocs 20 des figures 2a et 2b, - la figure 4 montre les forces exercées au point de contact entre les flancs d'un toc et d'une cavité associée lorsque le dispositif transmet un couple, - La figure 5 montre la variation de la force axiale induite par les tocs 25 en fonction de la valeur de l'inclinaison des tocs. La figure 1 montre un dispositif de transmission de couple par friction d'architecture classique : le dispositif comprend un moyeu 22 solidaire d'un arbre 10, par exemple un arbre de boîte de vitesses mécanique. L'arbre 10 porte également un pignon fou 20, en vis-à-vis du moyeu 22. Entre le moyeu 22 30 et le pignon fou 20 est disposé un empilement d'anneaux coniques 261, 262, 263, 281, 282 tels que décrits plus haut. Ces anneaux coniques sont alternativement liés en rotation au moyeu 22 et au pignon 20 au moyen de tocs d'entraînement 30, 32 coopérant avec des cavités 34, 36 pratiquées dans le moyeu et le pignon fou. Le dispositif décrit à la figure 1 comporte au total cinq anneaux coniques, soit trois anneaux 261, 262, 263 liés au moyeu 22, un anneau supérieur, un anneau intermédiaire et un anneau inférieur. Le pignon fou est lié quant à lui à deux anneaux intermédiaires 281, 282 et comporte une surface conique apte à coopérer avec une surface conique interne de l'anneau inférieur 263. Enfin, un manchon 24 est en liaison glissière ou pivot glissant avec le moyeu 24 et est apte à venir exercer un effort axial sur l'anneau conique supérieur 261 afin de mettre en contact les surfaces des anneaux coniques en vis-à-vis, générant ainsi un couple de friction. Les anneaux coniques, comme expliqué plus haut, sont tous pourvus de tocs d'entraînement afin d'être lié au moyeu 22 ou au pignon fou 20 selon le type d'anneau. Les figures 2a et 2b montrent la forme des tocs selon l'invention respectivement pour un anneau conique lié au pignon fou 20 et un anneau conique lié au moyeu 22. La figure 2b montre un anneau conique 26 muni d'un toc d'entraînement 32 coopérant avec une cavité 34 du moyeu 22. L'axe XX' représente l'axe de l'arbre portant le dispositif de couplage. On voit donc que le toc 32 comporte des flancs qui ne sont pas parallèles à l'axe XX', mais inclinés par rapport à celui-ci. Le toc 32 est donc sensiblement de profil trapézoïdal, et la cavité 34 présente un profil complémentaire. Selon l'invention, l'angle a que forme le flanc du toc 32 avec l'axe XX' est tel que tan a est inférieur ou égal au coefficient g de frottement entre le flanc de la cavité 34 et le flanc du toc 32. La figure 4 représente schématiquement les forces qui s'exercent au point de contact entre le flanc40 d'un toc, par exemple un toc du cône 261, et d'une cavité lorsque le dispositif 1 transmet un couple.. L'anneau conique subit deux forces de même direction mais de sens opposé, Factionn (exercée par l'actionneur via le manchon 24) et Fsynchro (exercée par l'anneau conique contigu 281). Ces deux forces ne sont cependant pas d'intensité égale, la différence étant égale à l'intensité de la force Ftoc générée par les tocs. Si l'on observe maintenant les forces exercées au point de contact entre le toc et la cavité, le moyeu exerce en ce point une force F, que l'on peut décomposer en une force Fa normale au plan de contact, et une force F6 parallèle au plan de contact.. Cette force F peut être également décomposée en une force Ftang, normale à l'axe XX', et la force Ttoc parallèle à l'axe XX'. L'intensité de la force Ftang est proportionnelle au couple c transmis par le moyeu et au bras de levier, ou rayon moyen r. Si l'on se place dans des conditions théoriques à la limite du glissement entre le toc et la cavité, la force de frottement F6 est égale à Fa.tan R, où 13 = arctan �, g étant le coefficient de frottement au niveau des faces en contact. On a également : Fa = F.cos (3 F6 = F.sin R Avec : Ftang = c/r = F.cos(Rûa) Fto~ = F.sin(Rûa) On a finalement : Fsynchro = Factionn - Ftoc = Factionn - F.sin(Rûa) On voit donc que la composante axiale due aux tocs est fonction de la différence (13ûa) soit (arctan � û a). Selon l'invention, ce terme doit être négatif mais aussi proche de zéro que possible. En effet, le but est de réduire au maximum la force axiale s'opposant à l'effort axial imposé par le manchon 24, mais cette force ne doit surtout pas s'ajouter à l'effort axial (ce qui serait le cas si a > R), car alors le dispositif de couplage serait auto-assisté, et la moindre impulsion fournie par le manchon 24 aboutirait à un serrage supplémentaire du dispositif. De préférence, cette force axiale de retenue ne doit pas être nulle non plus, c'est-à-dire que a est strictement inférieur à R, tout en étant le plus proche possible de R. La figure 5 représente la variation de la force Fto~ en fonction de la valeur de l'angle a. Cette variation est linéaire et la force Fto~ atteint logiquement la valeur zéro lorsque a = R. Cette représentation permet de distinguer deux domaines selon que a soit inférieur ou supérieur à R, correspondant respectivement à une perte d'efficacité de la force d'actionnement (domaine B) et à l'auto-assistance (domaine A). Comme expliqué ci-dessus, la valeur de a doit permettre de ne pas générer d'auto-assistance (donc de ne pas être dans le domaine A), tout en minimisant la perte d'efficacité. La figure 2a montre un anneau conique 28 coopérant avec le pignon fou 20. On remarque que, l'angle a étant défini par rapport au sens du glissement du toc par rapport à la cavité du moyeu ou du pignon fou, la forme du toc 30 est, contrairement à la figure 2b, de forme évasée. Ainsi, le toc 30 présente également un profil trapézoïdal d'angle a, avec a REVENDICATIONS 1. Dispositif (1) de couplage par friction d'un pignon fou (20) avec un arbre (10) de boîte de vitesses comportant un moyeu (22) solidaire en rotation de cet arbre d'axe (XX'), un manchon (24) libre de glisser axialement par rapport au moyeu (22), des anneaux coniques (261, 262, 263, 281, 282) disposés de manière concentrique entre le moyeu (22) pignon fou (20), les anneaux coniques étant alternativement liés en rotation au moyeu (22) et au pignon fou (20) au moyen de tocs d'entraînement (30, 32) coopérant avec des cavités (34, 36) complémentaires présentes sur le moyen (22) et le pignon fou (20), les anneaux coniques (261, 262, 263, 281, 282) étant aptes à être mis en contact sous l'action d'un effort axial de commande exercé par le manchon (24), de façon à transmettre par friction au pignon fou (20) un couple de rotation reçu du moyeu (22), le dispositif (1) étant caractérisé en ce que le flanc de chaque toc (30, 32) en contact avec le flanc en vis-à-vis de la cavité lors de la transmission de couple est incliné d'un angle a non nul par rapport à la direction de l'axe (XX'), cet angle a étant tel que la tangente de cet angle est strictement inférieure à la valeur du coefficient de frottement (�) entre les surfaces des flancs du toc (30, 32) et de la cavité (34, 36). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les cavités (34, 36) coopérant avec les tocs (30, 32) présente un profil complémentaire, leurs flancs en contact avec les tocs (30, 32) étant également inclinés d'un angle sensiblement égal à a. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les tocs (30, 32) présentent un profil symétrique par rapport à l'axe (XX'), notamment un profil trapézoïdal. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les tocs (30) liés en rotation au pignon fou (20) présente un profil évasé. 5. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les tocs (30, 32) présentent deux flancs parallèles, inclinés respectivement d'un angle a et d'un angle (û a). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la valeur de a est telle que sa tangente est proche de �. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les tocs (30, 32) sont disposés à la périphérie des anneaux coniques (261, 262, 263, 281, 282), chaque anneau comportant plusieurs tocs (30, 32). 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant au total au moins cinq anneaux coniques (261, 262, 263, 281, 282).