Brevet FR2952336A1 — publié le 20110513

DISPOSITIF DE STOCKAGE D'ENERGIE POUR UN VEHICULE La présente invention concerne un dispositif de stockage d'énergie, en particulier pour un véhicule automobile, ainsi qu'un véhicule automobile équipé de ce dispositif. Les véhicules hybrides peuvent comporter une machine électrique reliée à des accumulateurs électriques, pouvant travailler en générateur pour récupérer l'énergie cinétique du véhicule et charger ces accumulateurs électriques, ou travailler en moteur pour délivrer une puissance mécanique aux roues motrices du véhicule en prélevant de l'énergie dans ces accumulateurs. Cette utilisation de moyens de stockage d'énergie permet d'optimiser le fonctionnement du moteur thermique, et de réduire sa consommation ainsi que les émissions polluantes. Un problème qui se pose pour ces véhicules hybrides utilisant l'énergie électrique, est que l'installation électrique comprenant notamment la machine électrique, les accumulateurs électriques et l'électronique de contrôle, représente un poids et un volume important, ainsi que des coûts élevés. Un autre type de moyen de stockage d'énergie présenté notamment dans le document WO-A1-9842550, comporte un ressort spiral de stockage d'énergie, qui peut être relié à une roue du véhicule pour être enroulé et tendu lors d'un ralentissement du véhicule. Par cette contrainte d'enroulement du ressort spiral, on stocke une énergie mécanique. Lors d'une accélération suivante du véhicule, un inverseur comprenant un train planétaire et une roue libre, permet d'inverser le sens du mouvement du ressort spiral. Le ressort spiral en se détendant, va à son tour entraîner la roue du véhicule dans le sens de la marche, pour lui restituer une énergie mécanique en accélérant ce véhicule. Le dispositif de récupération d'énergie de ce véhicule comporte un inverseur du sens du mouvement relativement complexe et onéreux. De plus en utilisant les différents pignons du train planétaire pour transmettre l'énergie dans au moins une des deux phases de freinage ou d'accélération, on a des pertes de rendement. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, et d'apporter une solution simple et efficace à la réalisation d'un moyen de récupération et de restitution d'énergie. Elle propose à cet effet un dispositif de stockage d'énergie pour un véhicule, comprenant un ressort qui est tendu ou détendu par la rotation d'un arbre d'entraînement dans un sens ou dans l'autre, pour stocker de l'énergie ou la restituer, et un moyeu disposé suivant l'axe de l'arbre d'entraînement et lié en rotation à une roue du véhicule, caractérisé en ce qu'une roue libre est disposée entre l'arbre d'entraînement et le moyeu pour transmettre un couple entre ces deux éléments en conservant un même sens de rotation, et en ce qu'un pignon conique peut être engagé sur des dentures liées au moyeu et à l'arbre d'entraînement, pour réaliser une liaison comprenant entre ces deux éléments une inversion du sens de rotation. Un avantage de ce dispositif de stockage d'énergie est que l'on peut avec un actionneur simple et économique, comprenant notamment deux positions de fin de course pour engager ou désengager le pignon conique, obtenir en engageant ce pignon conique, à partir du moyeu une inversion du sens de rotation de l'arbre d'entraînement pour stocker de l'énergie dans le ressort en freinant le véhicule, et en désengageant ce pignon conique, un relâchement du ressort qui entraîne par la roue libre le moyeu pour accélérer ce véhicule. Le dispositif de stockage d'énergie selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Le pignon conique peut coulisser axialement pour s'engager simultanément sur une couronne dentée liée au moyeu, et une autre liée à l'arbre d'entraînement. Selon un mode de réalisation, l'arbre d'entraînement forme la bague extérieure de la roue libre, et le moyeu forme la bague intérieure de cette roue libre. Avantageusement, le pignon conique peut être engagé par un électro- aimant. L'électro-aimant peut agir sur une fourchette coulissante introduite dans une gorge circulaire de l'arbre du pignon conique, pour avancer ce pignon et engager sa denture dans les dentures de l'arbre d'entraînement et du moyeu, des ressorts de rappel exerçant une force de rappel du pignon vers l'arrière pour désengager ces dentures. Selon une disposition particulière du dispositif de stockage d'énergie, le ressort comprend au moins une barre de torsion. Avantageusement, le dispositif de stockage d'énergie comporte un limiteur de couple limitant le couple maximum appliqué sur l'arbre d'entraînement. En particulier, le limiteur de couple peut comporter un doigt de blocage qui bloque la rotation d'une fixation du ressort de stockage d'énergie, ce doigt de blocage transmettant le couple appliqué sur le ressort de stockage à des ressorts de réaction qui étant suffisamment comprimés, causent un relâchement du doigt de blocage pour permettre une rotation de la fixation. L'invention a aussi pour objet un véhicule automobile comprenant une motorisation principale, et un dispositif de stockage d'énergie comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. 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 en coupe axiale un dispositif de stockage d'énergie suivant l'invention, comprenant la barre de torsion ; - la figure 2 présente en coupe axiale une vue de détail du pignon conique d'inversion de sens, dans la position désengagée ; - la figure 3 présente en coupe axiale une vue de détail du pignon conique d'inversion de sens, dans la position engagée ; - les figures 4a, 4b et 4c présentent en coupe transversale, un dispositif de limitation du niveau d'énergie stocké dans le ressort, successivement dans trois positions de fonctionnement ; et - la figure 5 présente l'intégration du dispositif de stockage d'énergie dans un train arrière de véhicule. La figure 1 présente un dispositif de stockage d'énergie 1, comprenant un moyeu 4 d'un disque de frein 2, lié en rotation à au moins une roue d'un véhicule automobile par une liaison non représentée. Le moyeu 4 et le disque de frein 2 sont disposés suivant l'axe de la roue du véhicule. En variante, le moyeu 4 pourrait être décalé par rapport à l'axe de la roue, ce moyeu et cette roue étant liés en rotation. Un arbre de torsion 10 disposé suivant l'axe du moyeu 4, comporte une extrémité éloignée de ce moyeu qui est fixée à une partie fixe 12 comme la caisse du véhicule automobile, ou à un élément du train arrière. L'autre extrémité de l'arbre de torsion 10 comporte des cannelures de liaison avec un arbre d'entraînement 6 formant une bague extérieure d'une roue libre 8, cette roue libre comprenant une bague intérieure formée par le moyeu 4. L'arbre de torsion 10 constitue un ressort qui subit une torsion en appliquant un couple suivant son axe par la bague extérieure 6, pour emmagasiner une énergie mécanique, et la restituer ensuite par une détente de ce ressort. La roue libre 8 est disposée de telle manière que l'arbre de torsion 10 peut se détendre et restituer une énergie, en entraînant le moyeu 4 et donc la roue du véhicule par cette roue libre, dans le sens d'une marche avant. En variante on peut suivant différents moyens connus, disposer plusieurs arbres de torsion en série ou en parallèle pour emmagasiner plus d'énergie en obtenant un angle de rotation plus important, ou un couple plus important. Le disque de frein 2 comporte sur une face tournée vers l'arbre de torsion 10, une couronne dentée conique centrée sur l'axe. La bague extérieure 6 comporte aussi une denture conique disposée sur son contour externe. Un pignon conique 14 dont l'axe rejoint celui de l'arbre de torsion 10, est guidé par un palier 16 comprenant un support 18 fixe par rapport au moyeu 4. Le pignon conique 14 peut être en prise à la fois avec les dentures du disque de frein 2 et les dentures disposées sur la bague extérieure 6 liée à l'arbre de torsion 10, pour relier avec une inversion de sens de rotation, le moyeu 4 et la barre de torsion 10. Les figures 2 et 3 détaillent le palier 16, qui comporte le support fixe 18 comprenant dans un alésage deux roulements à billes 36 axialement espacés. Ces roulements 36 guident dans leurs bagues intérieures l'arbre 30 du pignon conique 14, qui peut coulisser suivant une petite course axiale. L'arbre 30 du pignon conique 14 comporte entre les deux roulements 36, une gorge circulaire qui reçoit les doigts d'une fourchette 32. La fourchette 32 guidée par le support fixe 18, peut coulisser axialement pour entraîner suivant ce mouvement axial le pignon conique 14. Des ressorts de rappel 34 sont disposés entre une face radiale arrière du support fixe 18 et la fourchette 32, pour appliquer sur cette fourchette une pression continue qui en entraînant l'arbre 30, tend à faire revenir en arrière le pignon conique 14. Le maintien en arrière du pignon conique 14, dégage ses dentures de celles du disque de frein 2 et de la bague extérieure 6. Le moyeu 4 et la barre de torsion 10 sont désolidarisés. Un électroaimant 38 centré sur l'arbre 30, est disposé autour du support fixe 18, entre une face radiale avant de ce support et la fourchette 32. Quand un courant alimente l'électro-aimant 38, il attire la fourchette 32 comme représenté figure 3, qui entraîne l'arbre 30 et déplace le pignon conique 14 vers l'avant, à l'encontre des ressorts de rappel 34. Le déplacement du pignon 14 vers l'avant et l'engrènement des dentures, vient lier en rotation avec une inversion du sens de marche, le moyeu 4 et l'arbre de torsion 10. Le rapport de transmission entre le moyeu 4 et l'arbre de torsion 10 peut être adapté en modifiant les diamètres des dentures du disque de frein 2 et de la bague extérieure 6, suivant les caractéristiques que l'on veut obtenir. En complément on peut prévoir un dispositif de synchronisation, utilisant par exemple le frottement de disques ou de cônes de synchronisation, pour synchroniser les vitesses des dentures du disque de frein 2, du pignon conique 14 et de la bague extérieure 6, avant l'engrènement de ce pignon conique pour éviter des chocs et du bruit. On peut aussi en variante, utiliser d'autres technologies d'actionneurs, comportant notamment une énergie pneumatique, électrique ou hydraulique. La figure 4a présente l'extrémité de la barre de torsion 10 éloignée du moyeu 4, comprenant un limiteur de couple 51 comportant suivant une coupe transversale, un bossage 40 comprenant un côté incliné suivant une pente progressive, se terminant de l'autre côté par une face radiale d'appui. Quand la barre de torsion 10 subit un couple de torsion C suivant le sens indiqué par la flèche, la face d'appui du bossage 40 est en appui sur un doigt de blocage 42, pouvant coulisser radialement dans un anneau 44 centré sur l'axe, qui maintient et guide ce doigt de blocage. Par l'appui du doigt de blocage 42, la barre de torsion 10 ne peut pas tourner, elle conserve sa torsion et donc l'énergie stockée. Un ressort de pression 52 placé à l'extérieur de l'anneau de blocage 44, exerce une pression radiale constante vers l'axe, sur le doigt de blocage 42. De cette manière le doigt de blocage 42 reste au repos constamment en appui sur le contour extérieur de la barre de torsion 10, et vient assurer le blocage de la face d'appui du bossage 40. L'anneau 44 entourant la barre de torsion 10 peut pivoter légèrement autour de son axe en comprimant sous l'effet du couple C transmis par le doigt de blocage 42, deux ressorts de réaction 46 disposés tangentiellement, qui prennent appui sur un support fixe 48. On a de plus à l'extérieur de l'anneau 44, une came 50 comprenant une pente tournée radialement vers l'extérieur, qui est insérée dans un perçage du doigt de blocage 42. Quand la barre de torsion 10 subit un couple de torsion C du à un stockage d'énergie, comme présenté figure 4b, le doigt de blocage 42 maintenant la face d'appui du bossage 40, entraîne en rotation l'anneau 44 à l'encontre des ressorts de réaction 46, qui sont comprimés en fonction de l'intensité de ce couple de torsion C. Parallèlement la rotation de l'anneau 44 entraîne le doigt de blocage 42 qui monte progressivement sur la came 50, ce qui le soulève radialement vers l'extérieur. Quand le couple de torsion C est suffisamment élevé, les ressorts de réaction 46 sont fortement comprimés et l'angle de rotation de l'anneau 44 est important. Le doigt de blocage 42 est suffisamment soulevé par la came 50, pour passer au dessus du bossage 40 en laissant tourner la barre de torsion 10 sous l'effet du couple de torsion C, comme présenté figure 4c. La barre de torsion 10 ayant effectué un tour complet, le doigt de blocage 42 qui est retombé vers l'axe sous la charge du ressort de pression 52, vient à nouveau bloquer cette barre. Parallèlement la rotation de la barre torsion 10 entraînant une baisse du couple de torsion C, les ressorts de réaction 46 sont moins comprimés et le doigt de blocage 42 est suffisamment descendu pour maintenir à nouveau cette barre. On réalise ainsi un limiteur de couple 51 simple et économique, qui permet de limiter le couple maximum appliqué sur la barre de torsion 10, et donc le niveau d'énergie stocké dans cette barre. On peut de la même manière disposer plusieurs bossages 40 régulièrement répartis sur la barre de torsion 10, par exemple trois bossages disposés à 120°, ce qui permet de réduire l'angle de rotation de cette barre lors d'une limitation de couple, et d'obtenir des à-coups plus faible et un fonctionnement plus silencieux. On peut aussi prévoir un moyen d'amortissement du contact entre le doigt de blocage 42 et la face d'appui du bossage 40, pour réduire les bruits. Le fonctionnement du dispositif de stockage d'énergie 1 est le suivant. Au repos l'électro-aimant 38 n'est pas alimenté, et le pignon conique 14 est maintenu en arrière par les ressorts de rappel 34. La barre de torsion 10 est libre, le moyeu 4 étant découplé de cette barre de torsion par la roue libre 8, ce qui est le cas notamment lors d'un roulage du véhicule à une vitesse constante. Lors d'une demande de freinage par le conducteur du véhicule, l'électro-aimant 38 est automatiquement activé par un moyen de commande recevant l'information de cette demande de freinage, et il attire le pignon conique 14 qui en s'engrenant dans les dentures, relie avec une inversion du sens de marche le disque de frein 2 et la barre de torsion 10. La rotation de la barre de torsion 10 en arrière permise par la roue libre 8 qui est libre dans ce sens, emmagasine de l'énergie en freinant le véhicule. En complément on peut prévoir qu'une unité de contrôle des freins des roues du véhicule, module le couple de freinage de ces freins en fonction de la demande du conducteur. Ce freinage complémentaire s'adapte pour compléter la force de freinage en fonction du couple de réaction donné par la barre de torsion 10, qui va en croissant avec son angle de torsion et donc avec le niveau d'énergie accumulé par cette barre. Si le niveau d'énergie stocké dans la barre de torsion 10 atteint le maximum, le limiteur de couple 51 de l'extrémité arrière de cette barre entre en action pour limiter le niveau d'énergie. A l'arrêt du véhicule le pignon conique 14 peut rester engagé sur les dentures, ou être désengagé, le véhicule étant immobilisé par exemple, par une action du frein principal ou du frein à main. Au redémarrage suivant du véhicule, le courant dans l'électro-aimant 38 étant interrompu, le pignon conique 14 est rappelé en arrière par les ressorts de rappel 34, et la barre de torsion 10 devenant libre cherche à se détendre en appliquant un couple sur le moyeu 4 par la roue libre 8 qui est active dans ce sens. La barre de torsion 10 entraîne par le moyeu 4 la roue du véhicule, la détente de cette barre restituant de l'énergie en accélérant le véhicule. Comme pour le freinage, l'unité de contrôle de la motorisation principale du véhicule peut diminuer le couple délivré par cette motorisation en fonction de celui fourni par le moyen de stockage d'énergie, afin d'obtenir le couple d'entraînement total correspondant à celui demandé par le conducteur. On obtient ainsi un dispositif de stockage d'énergie 1 très simple et économique, qui peut fonctionner sans système de contrôle, et uniquement avec des moyens mécaniques. Le limiteur de couple 51 peut comporter en complément un moyen mécanique comme un câble 54, qui permet par une commande extérieure d'agir sur le doigt de blocage 42 pour le soulever, et libérer le bossage 40 de la barre de torsion 10 qui se détend et revient à une position de repos. Cette manoeuvre peut servir notamment pour effectuer une marche arrière, ou des opérations de maintenance. La figure 5 présente une implantation du dispositif de stockage d'énergie 1 sur un train arrière d'un véhicule automobile, présenté partiellement, comprenant une traverse 60 reliée par deux bras de suspension longitudinaux 62 à la caisse du véhicule. Des ressorts de suspension 64 posés sur la traverse 60, supportent la caisse du véhicule. Les roues arrière 66 sont reliées au train arrière par des moyeux disposés aux extrémités de la traverse 60. Le moyeu de chaque roue arrière 66 comporte de plus le disque de frein 2, disposé suivant l'axe de cette roue et entraîné en rotation par la roue. En variante on peut décaler radialement le moyeu 4 pour l'éloigner de l'axe de la roue 66, en intercalant entre eux une transmission qui peut comporter une démultiplication permettant d'optimiser la vitesse de rotation de ce moyeu, et donc le rapport entre l'angle de rotation de la barre de torsion 10 et celui de la roue. La barre de torsion 10 est disposée parallèlement à la traverse 60 du train arrière, son extrémité intérieure est avantageusement reliée à cette traverse formant une partie fixe 12, par le limiteur de couple 51, ce qui permet à cette partie fixe de suivre les débattements du train arrière. L'extrémité extérieure de la barre de torsion 10 se trouve dans l'axe de la roue 66, le pignon conique 14 avec son système de commande 38 étant en partie intégrés dans cette roue. On notera que les deux barres de torsion 10 des deux roues 66 de l'essieu arrière, sont avantageusement alignées, leurs deux limiteurs de couple 51 se rejoignant au centre du véhicule pour être reliés ensemble à la caisse du véhicule. De cette manière on obtient un dispositif de stockage d'énergie 1 peu encombrant, les deux barres de torsion 10 disposées parallèlement à la traverse 40 et proches de celle-ci, pouvant s'étendre sur toute la largeur du véhicule sans gêner. D'une manière générale, le dispositif de stockage d'énergie suivant l'invention peut comporter des types de ressorts variés pour accumuler cette énergie, comprenant notamment différentes formes, ou différentes matières comme un métal ou un élastomère. On pourrait par exemple utiliser une barre ou un anneau en élastomère, qui serait entrainé en rotation suivant son axe avec une torsion comprenant un grand nombre de tours. On peut aussi utiliser un ressort spiral, un ressort à gaz, ou un ressort à couple constant. En variante, on peut disposer un unique ressort de stockage d'énergie relié à un différentiel de répartition de la puissance de la motorisation principale vers les deux roues d'un même essieu, qui peut être l'essieu avant ou arrière du véhicule. L'invention peut s'appliquer notamment pour un véhicule à deux ou à quatre roues. REVENDICATIONS1 û Dispositif de stockage d'énergie pour un véhicule, comprenant un ressort (10) qui est tendu ou détendu par la rotation d'un arbre d'entraînement (6) dans un sens ou dans l'autre, pour stocker de l'énergie ou la restituer, et un moyeu (4) disposé suivant l'axe de l'arbre d'entraînement et lié en rotation à une roue du véhicule, caractérisé en ce qu'une roue libre (8) est disposée entre l'arbre d'entraînement (6) et le moyeu (4) pour transmettre un couple entre ces deux éléments en conservant un même sens de rotation, et en ce qu'un pignon conique (14) peut être engagé sur des dentures liées au moyeu et à l'arbre d'entraînement, pour réaliser une liaison entre ces deux éléments comprenant une inversion du sens de rotation. 2 - Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pignon conique (14) coulisse axialement pour s'engager simultanément sur une couronne dentée liée au moyeu (4), et une autre liée à l'arbre d'entraînement (6). 3 - Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'arbre d'entraînement (6) forme la bague extérieure de la roue libre (8), et le moyeu (4) forme la bague intérieure de cette roue libre. 4 - Dispositif de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pignon conique (14) peut être engagé par un électro-aimant (38). 5 - Dispositif de stockage d'énergie selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que l'électro-aimant (38) agit sur une fourchette coulissante (32) introduite dans une gorge circulaire de l'arbre (30) du pignon conique (14), pour avancer ce pignon et engager sa denture dans les dentures de l'arbre d'entraînement (6) et du moyeu (4), des ressorts de rappel (34) exerçant une force de rappel du pignon vers l'arrière pour désengager ces dentures. 6 - Dispositif de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ressort comprend au moins une barre de torsion (10). 7 - Dispositif de stockage d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un limiteur de couple (51) limitant le couple maximum appliqué sur l'arbre d'entraînement (6). 8 - Dispositif de stockage d'énergie selon la revendication 7, caractérisé en ce que le limiteur de couple (51) comporte un doigt de blocage (42) qui bloque la rotation d'une fixation du ressort de stockage d'énergie (10), ce doigt de blocage transmettant le couple appliqué sur le ressort de stockage à des ressorts de réaction (46) qui étant suffisamment comprimés, causent un relâchement du doigt de blocage pour permettre une rotation de la fixation. 9 - Véhicule automobile comprenant une motorisation principale et un dispositif de stockage d'énergie (10), caractérisé en ce que ce dispositif de stockage d'énergie est réalisé selon l'une quelconque des revendications précédentes.