Brevet FR2952416A1 — publié le 20110513

"Procédé et système d'accouplement d'une machine électrique sur un train roulant de véhicule, notamment d'un véhicule automobile hybride". L'invention concerne un procédé et un système d'accouplement d'une machine électrique sur un train roulant d'un véhicule, notamment d'un véhicule automobile hybride, lorsque le véhicule est à l'arrêt. Le procédé et le système sont particulièrement adaptés à un véhicule hybride qui utilise par ailleurs un moteur thermique, de façon à faire contribuer la machine électrique à la traction du véhicule. Le document FR2723553 divulgue par exemple un véhicule automobile comprenant un système de commande sélective pour actionner séparément ou simultanément les chaînes de traction électrique et thermique. Le document US5403244 divulgue une chaîne de traction électrique de véhicule à couplage de transmission directe en utilisant des moyens de synchronisation basés sur des plaques de friction de type disques d'embrayage. Les accouplements de type embrayage sont générateurs de perte d'énergie. Pour augmenter le rendement, l'état connu de la technique s'oriente vers des accouplements de type crabots. Ainsi le document FR20905438 décrit un procédé de pilotage mettant en oeuvre deux crabots dans lequel un effort exercé en translation sur l'un des crabots pour l'approcher de l'autre crabot, est modulé en fonction de différentes phases d'approche. Un but de la présente invention est de réaliser un accouplement simplifié sans embrayage qui ne nécessite pas de moduler un effort en translation, particulièrement quand le véhicule est immobile. Pour atteindre ce but, l'invention a pour objet un procédé d'accouplement d'une machine électrique avec des roues de train roulant d'un véhicule lorsque le véhicule est immobile, comprenant deux étapes activées en parallèle à partir d'une demande d'accouplement : - une étape de rapprochement en translation de deux crabots le long d'un axe commun de rotation, un crabot amont étant solidaire en rotation de la machine électrique et un crabot aval étant solidaire en rotation des roues ; et une étape d'asservissement en couple de la machine électrique sur une consigne de couple de crabotage qui part d'une valeur nulle à un instant de la demande d'accouplement et qui augmente progressivement de façon à rester inférieure à une valeur de mise en rotation de la machine électrique pendant une durée suffisante à rapprocher les deux crabots en translation dans une position dans laquelle les sommets de dents des deux crabots sont coplanaires et à dépasser ladite valeur de mise en rotation au-delà de ladite durée suffisante pour réaliser le crabotage. Particulièrement, la consigne de couple de crabotage suit une rampe de coefficient directeur strictement positif et inférieur ou égal à un couple de traînée exercé sur le crabot amont divisé par ladite durée suffisante. Plus particulièrement, le coefficient directeur est 25 sensiblement égal à 4 Nm/s. Avantageusement, le procédé comprend une étape de commutation de la consigne de couple de crabotage sur une consigne de couple liée à une volonté conducteur lorsque les deux crabots sont détectés totalement engagés l'un 30 dans l'autre. De préférence, la consigne de couple de crabotage est limitée à une valeur maximale de couple de frottement dent sur dent des crabots. L'invention a aussi pour objet un système 35 d'accouplement d'une machine électrique avec des roues d'un train roulant d'un véhicule lorsque le véhicule est à l'arrêt, comprenant : un crabot amont solidaire en rotation de la machine électrique, un crabot aval solidaire en rotation des roues et un actionneur agencé pour rapprocher les deux crabots en translation le long d'un axe commun de rotation ; et - un dispositif électronique agencé pour recevoir une demande d'accouplement, pour piloter l'actionneur et pour transmettre à un générateur électrique d'alimentation de la machine électrique, une consigne de couple de crabotage qui part d'une valeur nulle à un instant de réception de la demande d'accouplement et qui augmente progressivement de façon à rester inférieure à une valeur de mise en rotation de la machine électrique pendant une durée suffisante à rapprocher les deux crabots en translation dans une position dans laquelle les sommets de dents des deux crabots sont coplanaires et à dépasser ladite valeur de mise en rotation au-delà de ladite durée suffisante pour réaliser le crabotage. Particulièrement, le dispositif électronique comporte un coefficient directeur de rampe strictement positif et inférieur ou égal à un couple de traînée exercé sur le crabot amont divisé par ladite durée suffisante de façon à faire suivre une rampe à la consigne de couple de crabotage. Plus particulièrement, le coefficient directeur est sensiblement égal à 4 Nm/s. Avantageusement, le système d'accouplement comprend un capteur de fin de course d'engagement des crabots l'un dans l'autre, et le dispositif électronique est agencé pour commuter ladite consigne de couple de crabotage sur une consigne de couple liée à une volonté conducteur lorsqu'il reçoit du capteur un signal indiquant que les deux crabots sont totalement engagés l'un dans l'autre. De préférence, le dispositif électronique comporte une limitation de la consigne de couple de crabotage à une valeur maximale de couple de frottement dent sur dent des crabots. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation particulier, actuellement préféré de l'invention, donné uniquement à titre d'exemple illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés; dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un véhicule 10 automobile hybride comportant un système d'accouplement selon l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique du système d'accouplement selon l'invention ; - la figure 3 montre les étapes d'un procédé 15 d'accouplement selon l'invention ; - les figures 4a et 4b sont des courbes qui représentent une évolution comportementale du véhicule lorsque le procédé selon l'invention est mis en oeuvre. En référence à la figure 1, un véhicule 10 de type 20 hybride, comprend un groupe motopropulseur 11 agencé pour entraîner deux roues avant 14 du véhicule 10, et un groupe motopropulseur 12 agencé pour entraîner deux roues arrière 44 appartenant à un même train roulant arrière du véhicule 10. Le groupe motopropulseur (GMP) 11 comprend 25 de façon connue en soi, un moteur thermique situé ici à titre purement illustratif à l'avant du véhicule. Le groupe motopropulseur 12 comprend une machine électrique 42 reliée aux roues 44 par un mécanisme d'accouplement 43. 30 La figure 2 représente plus en détails le groupe motopropulseur 12 de la figure 1. Pour alléger la figure de façon à en faciliter la compréhension, l'axe 15 de la machine électrique 42 et l'axe 16 des roues 44 sont schématiquement repliés sur un même axe 46 au-dessus 35 duquel sont simplement représentées les demi-parties de la machine électrique 42, du mécanisme d'accouplement 43 et d'un bloc sensé symbolisé les deux roues 44. Dans le mécanisme d'accouplement 43, un système de crabotage comprend un crabot amont 51 et un crabot aval 52. Le crabot amont 51 est solidaire en rotation d'un réducteur 45 relié à l'arbre de sortie de la machine électrique 42. Le crabot aval 52 est solidaire en rotation des roues 44 via un mécanisme différentiel pour équilibrer de manière connue en soi, le couple entre les roues 44 du train arrière, notamment lorsqu'elles roulent à des vitesses différentes, par exemple dans un virage. Le crabot 51 tourne autour de l'axe 46 à une vitesse de rotation proportionnelle ou égale à la vitesse de rotation de la machine électrique 42 et transmet un couple proportionnel au couple généré par la machine électrique 42 en conservant la puissance fournie par la machine électrique 42 à un facteur de rendement près qui résulte des pertes de transmission entre la machine électrique 42 et le crabot 51. Les pertes de transmission dans la machine électrique 42 et entre la machine électrique 42 et le crabot 51 peuvent être représentées par un couple de traînée de la partie amont du crabot 51. Le crabot 52 tourne autour de l'axe 46 à une vitesse de rotation qui est fonction de la vitesse des roues 44. Un couple appliqué sur le crabot 52 est transmis aux roues 44. Lorsque le crabot 52 est désolidarisé du crabot 51 comme cela est représenté sur la figure 2, les roues 44 peuvent tourner ou ne pas tourner indépendamment de la vitesse de rotation de la machine électrique 42. Le mécanisme d'accouplement 43 comprend un actionneur 34 agencé pour déplacer le crabot 52 en translation le long de l'axe 46. Chacune des faces en regard des crabots 51 et 52 est munie de dents et de cavités. Les dents d'un crabot sont dimensionnées pour venir se loger dans les cavités de l'autre crabot. Ainsi, lorsque les dents du crabot 52 font face aux cavités du crabot 51, comme cela est représenté sur la figure 2, l'actionneur 34 peut engager le crabot 52 en prise avec le crabot 51 de façon à rendre solidaire en rotation les crabots 51 et 52 autour de l'axe 46. Un capteur de position tout ou rien 32 est monté dans le mécanisme d'accouplement 43 pour détecter une position totalement engagée du crabot 52 dans le crabot 51. L'indépendance en rotation des crabots 51 et 52 fait que les dents du crabot 52 ne sont pas nécessairement en face des cavités du crabot 51 lorsque l'actionneur 34 déplace le crabot 52 en translation le long de l'axe 46. Une difficulté apparait lorsque le véhicule est dans une situation arrêtée, pour engager rapidement et sans à-coups les crabots dès qu'un accouplement de la machine électrique du véhicule est demandé par le conducteur. L'architecture mécanique du système de groupe motopropulseur arrière, ne comprend pas d'embrayage et ne comprend pas non plus de synchroniseur. Le seul mouvement du système est une translation d'un ou des crabots 51, 52, exercée ou activée par l'actionneur 34. On rappelle que statistiquement, les échecs d'engagement dans les systèmes de crabotage se produisent souvent à cause d'une probabilité élevée de contact dent sur dent des crabots avant engagement de ceux-ci. Pour remédier à ce problème, le groupe motopropulseur arrière comprend un dispositif électronique 40 qui permet, comme nous allons l'expliquer à présent, un pilotage fin du couple de la machine électrique 42 en combinaison avec un pilotage séquentiel de l'actionneur 34 de crabotage de façon à atteindre un crabotage rapide et sans à-coups qui limite le nombre d'échecs ou d'arrêts sur crabot. Le dispositif 40 est relié à l'actionneur 34 et au capteur 32, respectivement par une broche 33 et par une broche 31 de connecteur du mécanisme d'accouplement 43. Le dispositif électronique 40 est relié d'autre part à la machine électrique 42 par un générateur électrique 41 régulé en courant. Le générateur électrique 41 est par exemple alimenté de manière connue à partir d'une batterie, non représentée. Le dispositif 40 comprend d'autre part des circuits électroniques de traitement numérique ou analogique agencés et/ou programmés pour exécuter les étapes de procédé expliquées à présent en référence à la figure 3. Tant que le véhicule 10 est immobile, le procédé selon l'invention fige le dispositif 40 dans une étape d'attente 50. La figure 4a porte le temps t en abscisses et les vitesses de rotation Q en ordonnées, représentées respectivement par la courbe 2 pour la roue 44 et par la courbe 1 pour la machine électrique 42. Le véhicule étant immobile, la courbe 2 est constamment à zéro. Une évolution temporelle du comportement du groupe moto propulseur 12 pendant la mise en oeuvre du procédé, est représentée sur la figure 4b qui porte le temps t en abscisses et différentes valeurs V en ordonnées, parmi lesquelles une position de l'actionneur 34 de crabotage, un signal de commande de l'actionneur 34 et une consigne de pilotage en couple de la machine électrique 42, représentées respectivement en 3, 4, 5 sur les courbes de la figure 4b. Initialement, l'actionneur 33 est dans une position 3 maximale de retrait qui correspond à un état décraboté du groupe motopropulseur 12, le signal de commande 4 est nul et la consigne de pilotage en couple de la machine électrique 42 est à zéro. Le procédé valide une transition 53 suite à une demande d'accouplement de la machine électrique, par exemple de la part du conducteur et qui se traduit par un signal Dc émis vers le dispositif 40 comme représenté sur la figure 2. Une première ligne pointillée verticale représente sur les figures 4a et 4b, l'instant a auquel la transition 53 est validée. Quand le procédé valide la transition 53 suite à l'étape 50, il active en parallèle une étape 54 et une étape 55. A l'étape 54, le procédé actionne le crabot aval 52 vers le crabot amont 51. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 2, le dispositif 40 envoie un signal 4 en échelon sur la broche 33 qui met l'actionneur 34 en mouvement de translation pour engager le crabot 52 dans le crabot 51. Après un temps de réponse relativement court, l'actionneur 34 se met en mouvement et pousse le crabot 52 de sorte que la position 3 de retrait se réduit progressivement jusqu'à s'arrêter à un instant b. Le mouvement en translation s'arrête à un instant b avant d'atteindre la course totale du crabot lorsque les sommets des dents des deux crabots entrent en contact, empêchant ainsi l'introduction des dents dans les cavités du crabot opposé. La position 3 reste stationnaire au cours du temps jusqu'à un instant d qui permet aux dents de chaque crabot de pénétrer dans les cavités du crabot opposé. A l'étape 55, le procédé applique une consigne de couple suivant une rampe sur la machine électrique 42. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 2, le dispositif 40 envoie une consigne C* au générateur électrique 41 qui suit une rampe de pente suffisamment faible pour que la machine électrique 42 reste immobile en rotation jusqu'à un instant c postérieur à l'instant b. La valeur de la pente de la rampe est calibrée de façon à ce que le couple généré par la machine électrique 42 soit compensé par le couple de traînée de la partie amont du crabot 51, au moins pendant la durée nécessaire à approcher le crabot 52 du crabot 51 jusqu'à les mettre en contact. Le couple de traînée comprend typiquement le couple d'inertie de la machine électrique 42 et des transmissions jusqu'au crabot 51 et les différentes pertes par frottement sur des paliers ou dans des engrenages. Le coefficient directeur de la pente est déterminé de façon à ce que le couple généré soit insuffisant pour mettre en mouvement la machine électrique 42 au moins jusqu'à l'instant b, c'est-à-dire pour ajuster le couple sans faire tourner le crabot 51 tant qu'il n'est pas en contact avec le crabot 52. Le coefficient directeur peut être déterminé à partir d'essais sur un exemplaire prototype du groupe motopropulseur et/ou par le calcul en fonction des forces d'inertie, des pertes et des puissances mises en jeu. Une durée suffisante à rapprocher les deux crabots en translation dans une position dans laquelle les sommets de dents sont dans un même plan, est calculée en fonction de la puissance de l'actionneur 34 et de la distance qui sépare ce plan avec la position de retrait maximale, en prenant une marge de sécurité pour tenir compte de temps de réponse éventuels. On peut aussi déterminer statistiquement cette durée suffisante préalablement sur banc d'essai en mesurant sur un nombre représentatif d'essais, la durée qui sépare l'enclenchement de l'actionneur avec une collision dent sur dent dans le plan où les sommets de dents des deux crabots se rencontrent. Le coefficient directeur est ensuite obtenu en divisant le couple de traînée, mesuré ou calculé, par la durée suffisante ci-dessus mentionnée en le réduisant légèrement de façon à assurer l'absence de mise en rotation avant mise en contact. Le coefficient directeur peut aussi tout simplement être ajusté au moyen d'un potentiomètre réel ou virtuel au cours d'essais préalables sur un prototype représentatif des groupes motopropulseur produits ensuite en série. Pour donner un ordre de grandeur, une valeur du coefficient directeur de 4 Nm/s s'est avérée convenir parfaitement sur un prototype d'essai mis en oeuvre par les inventeurs. Cette valeur peut varier sensiblement en fonction du type de groupe motopropulseur mis en oeuvre. La vitesse 1 de rotation de la machine électrique 42 reste nulle ensuite bien que le couple appliqué continue à augmenter car il est alors compensé par les forces de frottement dent sur dent des crabots. A l'instant c, le couple fourni par la machine électrique 42 est suffisant pour commencer à mettre la machine électrique 42 et le crabot 51 en rotation tel que représenté par la pente ascendante de la vitesse 1 sur la figure 4a entre les instants c et d. La mise en rotation du crabot 51 à partir de l'instant c déplace les dents du crabot 51 de façon à mettre les dents du crabot 51 en vis-à-vis avec les cavités du crabot 52. La mise en vis- à-vis des dents de chaque crabot avec les cavités du crabot opposé, provoque un déplacement rapide de l'actionneur 34 et par conséquent du crabot 52 en translation de façon à mettre les dents du crabot 52 en position 3 de contact avec le fond des cavités du crabot 51. On notera que l'évolution de la position 3 n'a pas besoin d'être mesurée et il suffit que le capteur de position 32 se comporte comme un détecteur de fin de course de position du crabot 52 lorsqu'il est totalement engagé dans le crabot 51. La rampe de couple appliqué à la machine électrique 42 entre les instants a et d est particulièrement avantageuse car la valeur de couple entre l'instant a, et par mesure de sécurité généralement au-delà de l'instant b, est suffisamment faible pour ne pas mettre la machine électrique en rotation sans avoir à connaître précisément la valeur de l'instant b. En effet, l'instant b peut évoluer en fonction de l'usure des pièces ou d'autres critères événementiels non maîtrisés. L'évolution du couple entre les instants b et c permet de vaincre progressivement les forces de frottement dent sur dent des crabots jusqu'à mettre le crabot 51 en rotation lorsqu'il est en contact avec le crabot 52 sans avoir à connaître précisément la valeur de couple nécessaire pour vaincre ces forces de frottement. En effet, la position des dents du crabot 51 relativement à la position des dents du crabot 52 est parfaitement aléatoire et la surface angulaire de contact des dents l'une sur l'autre peut varier en fonction de la position angulaire relative initiale des crabots 51 et 52. Les dents de chaque crabot peuvent tout aussi bien se trouver d'emblée en face des cavités du crabot opposé sans dénaturer le procédé, superposant simplement les instants b, c et d. L'évolution de position 3 représentée sur la figure 4b, a pour unique but d'expliquer le résultat des actions du procédé sans avoir à être contrôler, la rampe de couple provoquant un effet d'auto adaptation en passant naturellement par la valeur de couple qui convient à chaque situation qui se produit parmi une multitude de situations de présentation des crabots qui peuvent se produire. Une transition 56 est validée lorsque le crabot 52 est totalement engagé dans le crabot 51. Dans l'exemple de réalisation illustré par la figure 2, le capteur 32 de type tout ou rien, permet de détecter une fin de course du mouvement en translation de l'actionneur 34 qui valide alors la transition 56 dans le dispositif 40. Le procédé active une étape 57 dès validation de la transition 56 qui suit les étapes 54 et 55 qui ont été exécutées simultanément en parallèle. L'étape 57 coupe la consigne de couple C* et provoque une commutation du couple de machine électrique sur une valeur qui résulte de la volonté conducteur. Comme représenté par la pente descendante de la vitesse de rotation 1 sur la figure 4a, le crabot 51 atteint rapidement une vitesse nulle lorsque les dents du crabot 51 entrent en contact flanc sur flanc avec les dents du crabot 52. La référence de couple de crabotage C* augmente constamment puis s'annule en échelon à partir de la valeur maximale atteinte lorsque les crabots sont engagés et en absence de demande de couple qui résulte de la volonté du conducteur. De façon à permettre un glissement des sommets de dents l'un sur l'autre lorsqu'ils sont en butée dans un même plan en évitant une vitesse de rotation excessive du crabot amont au moment où les sommets de dents arrivent en face des cavités du crabot aval, la référence de couple C* est limitée à une valeur maximale de couple de frottement dent sur dent des crabots. Il est en effet préférable d'éviter une trop forte accélération en rotation du crabot au moment de la pénétration des dents dans les cavités du crabot opposé car une telle accélération provoquerait des chocs flanc sur flanc des dents susceptibles de causer des dégradations. En termes économiques, l'exploitation des possibilités de pilotage de la machine électrique tant en couple qu'en régime, associée à un actionneur simplifié, piloté de façon simple en mode tout ou rien, permet de réduire notablement les coûts par rapport à des systèmes plus complexes. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut lui apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir de son cadre ni de son esprit. Notamment, le groupe motopropulseur électrique peut être monté aussi bien à l'avant qu'à l'arrière du véhicule, sur un train roulant identique ou différent de celui sur lequel est monté le groupe moto propulseur thermique. Bien que non représenté sur la figure 2, un réducteur peut aussi exister entre le crabot aval et les roues. Le déplacement du crabot aval peut être remplacé par un déplacement du crabot amont. REVENDICATIONS1. Procédé d'accouplement d'une machine électrique (42) avec des roues (44) de train roulant d'un véhicule lorsque le véhicule est immobile, comprenant deux étapes (54, 55) activées en parallèle à partir d'une demande d'accouplement : - une étape (54) de rapprochement en translation de deux crabots (51, 52) le long d'un axe commun (46) de rotation, un crabot amont (51) étant solidaire en rotation de la machine électrique (42) et un crabot aval étant solidaire en rotation des roues (44) ; et - une étape (55) d'asservissement en couple de la machine électrique (42) sur une consigne de couple (C*) de crabotage qui part d'une valeur nulle à un instant (a) de la demande d'accouplement et qui augmente progressivement de façon à rester inférieure à une valeur de mise en rotation de la machine électrique (42) pendant une durée suffisante à rapprocher les deux crabots en translation dans une position dans laquelle les sommets de dents des deux crabots sont coplanaires et à dépasser ladite valeur de mise en rotation au-delà de ladite durée suffisante pour réaliser le crabotage. 2. Procédé d'accouplement selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite consigne de couple (C*) de crabotage suit une rampe de coefficient directeur strictement positif et inférieur ou égal à un couple de traînée exercé sur le crabot amont (51) divisé par ladite durée suffisante. 3. Procédé d'accouplement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coefficient directeur est sensiblement égal à 4 Nm/s. 4. Procédé d'accouplement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend35une étape (57) de commutation de ladite consigne de couple (C*) de crabotage sur une consigne de couple liée à une volonté conducteur lorsque les deux crabots sont détectés totalement engagés l'un dans l'autre. 5. Procédé d'accouplement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la consigne de couple de crabotage est limitée à une valeur maximale de couple de frottement dent sur dent des crabots. 10 6. Système d'accouplement d'une machine électrique (42) avec des roues (44) d'un train roulant d'un véhicule lorsque le véhicule est immobile, comprenant : - un crabot amont (51) solidaire en rotation de la 15 machine électrique (42), un crabot aval (52) solidaire en rotation des roues (44) et un actionneur (34) agencé pour rapprocher les deux crabots (51, 52) en translation le long d'un axe commun (46) de rotation ; un dispositif électronique (40) agencé pour 20 recevoir une demande d'accouplement, pour piloter l'actionneur (34) et pour transmettre à un générateur électrique (41) d'alimentation de la machine électrique (42), une consigne de couple (C*) de crabotage qui part d'une valeur nulle à un instant de réception de la 25 demande d'accouplement et qui augmente progressivement de façon à rester inférieure à une valeur de mise en rotation de la machine électrique (42) pendant une durée suffisante à rapprocher les deux crabots en translation dans une position dans laquelle les sommets de dents des 30 deux crabots sont coplanaires et à dépasser ladite valeur de mise en rotation au-delà de ladite durée suffisante pour réaliser le crabotage. 7. Système d'accouplement selon la revendication 6, 35 caractérisé en ce que le dispositif électronique (40) comporte un coefficient directeur de rampe strictement positif et inférieur ou égal à un couple de traînée5exercé sur le crabot amont (51) divisé par ladite durée suffisante de façon à faire suivre une rampe à la consigne de couple (C*) de crabotage. 8. Système d'accouplement selon la revendication 7, caractérisé en ce que le coefficient directeur est sensiblement égal à 4 Nm/s. 9. Système d'accouplement selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (32) de fin de course d'engagement des crabots l'un dans l'autre, et en ce que le dispositif électronique (40) est agencé pour commuter ladite consigne de couple (C*) de crabotage sur une consigne de couple liée à une volonté conducteur lorsqu'il reçoit du capteur (32) un signal indiquant que les deux crabots sont totalement engagés l'un dans l'autre. 10. Système d'accouplement selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le dispositif (40) comporte une limitation de la consigne de couple de crabotage à une valeur maximale de couple de frottement dent sur dent des crabots.