Brevet FR2986749A1 — publié le 20130816

La présente invention se rapporte à un ensemble d'entraînement et de direction pour un véhicule notamment de type électrique ou hybride combinant l'utilisation d'un moteur électrique et d'un moteur thermique. On connaît de nombreux systèmes dits de moteurs-roue visant à 5 intégrer le maximum de fonctionnalités dans la roue elle-même, ceci afin de réduire les éléments de transmission et l'encombrement général du système d'entraînement. On pourra notamment se reporter aux systèmes Active Wheel développés par la société Michelin ou au système eCorner ® développé par la 10 société Siemens VDO par exemple. Bien que présentant des avantages indéniables connus, ces systèmes présentent toutefois quelques inconvénients, et notamment quant à l'augmentation de la masse non suspendue et l'augmentation de l'inertie de la roue, ce qui impacte généralement sur la tenue de route du véhicule. 15 Plus généralement, l'augmentation de la masse non suspendue a un effet négatif sur le confort, la tenue de route, la sécurité et la fiabilité du véhicule. Un autre inconvénient réside dans les efforts que le moteur électrique d'entraînement doit fournir. 20 En effet, en étant situé au plus près de la roue, et sur son moyeu, le couple que doit développer directement l'arbre du moteur électrique d'entraînement s'avère extrêmement important, ce qui entraîne de fait un dimensionnement important dudit moteur électrique et des moyens de transmission associés. Bien évidemment, des ensembles de réduction peuvent 25 être prévus. Ils devront alors être logés dans l'espace réduit de la roue et viendront augmenter la masse non suspendue. Des systèmes répondant à ces problèmes ont été développés et visent notamment des systèmes d'entraînement d'une roue d'un véhicule comprenant au moins un moteur électrique destiné à être rattaché à un châssis 30 dudit véhicule et un dispositif de transmission entre un arbre dudit moteur et un moyeu de la roue, le dispositif de transmission comprenant au moins un arbre de transmission et au moins un réducteur destiné à être lié au moyeu. En prévoyant un moteur d'entraînement destiné à être rattaché au châssis et associé à un dispositif de transmission à la roue, il est possible 35 d'utiliser un moteur électrique à haute vitesse pour lequel la réduction, et donc la transmission d'un couple élevé, s'effectuera au plus proche de la roue. Il est ainsi possible de mettre en oeuvre des arbres de transmission relativement fins. L'arbre pourra ainsi être introduit à l'intérieur de tubes (arbres tubulaire, par exemple) et traverser un autre système, par exemple un système de jambe de direction. Par ailleurs, le fait de pouvoir rattacher le moteur électrique au châssis limite les masses non suspendues du véhicule. Des tels systèmes d'entraînement sont décrits dans les documents WO 2008/138346, EP 2 199 137, WO 2007/009623, DE 198 60 562, DE 10 2008 015825, DE 10 2006 061770. Chacun de ces documents décrit un système d'entraînement comprenant un moteur électrique destiné à être monté sur un châssis du véhicule et un dispositif de transmission entre un arbre dudit moteur et un moyeu de la roue, le dispositif de transmission comprenant au moins un arbre de transmission et au moins un réducteur destiné à être lié au moyeu. Dans de tels systèmes, l'arbre de transmission du dispositif de transmission peut-être télescopique, c'est-à-dire de longueur variable, et ainsi permettre au système d'être associé à une suspension pour prendre en compte les variations de distance entre le châssis et le moyeu de la roue. L'arbre de transmission télescopique peut encore comprendre un 20 arbre au moins partiellement cannelé, apte à coulisser à l'intérieur d'un arbre au moins partiellement creux de forme correspondante. Une douille à billes facilitera sa translation et son guidage. Le réducteur permet de fournir un couple suffisant à la rotation de la roue tout en gardant une vitesse correcte. L'ensemble garanti une meilleure 25 optimisation de la puissance et de l'encombrement du moteur. Le système d'entraînement peut également être associé à un système de direction, le système de direction constituant également l'un des systèmes embarqués pouvant faire l'objet d'une optimisation. Dans un système de direction classique, il existe une liaison 30 mécanique entre une commande de direction (volant et colonne de direction) et un actionneur de direction (boîtier de direction - crémaillère - porte-moyeu). Cette liaison entraîne la présence d'arbres d'entraînement et d'engrenages traversant plusieurs zones du véhicule. Le système de direction nécessite en outre généralement 35 l'utilisation de biellettes de direction entre la crémaillère et le porte-moyeu 2 986 749 3 permettant d'orienter ce dernier et occupe donc un espace important à l'avant du véhicule. Certains systèmes cités précédemment associent un tel système de direction au système d'entraînement, l'intégration du système électrique de 5 direction pose toutefois de nombreuses difficulté, notamment en terme de dimensionnement. En effet, au niveau de la roue, la distance de levier disponible pour orienter la roue est extrêmement réduite. Dans le cas des moteurs-roues, il convient en outre de faire pivoter l'ensemble du bloc moteur-roue, ce qui 10 représente un poids plus important à faire pivoter. Il s'ensuit qu'en termes de puissance, au niveau de la roue, un moteur électrique de direction devra pouvoir développer un couple moteur élevé et aura une vitesse de rotation relativement faible par rapport à la roue. Il s'ensuit qu'un moteur électrique relativement important, encombrant et lourd 15 est nécessaire. On notera également que la mise en place d'un tel moteur augmentera de manière non négligeable la masse non suspendue. En outre, la plupart des moteurs électriques présentent un rapport vitesse/couple qui n'est pas approprié et doit être réduit par l'intermédiaire d'un réducteur. La présence de ce réducteur augmente la masse et l'encombrement 20 de l'ensemble. Les systèmes décrits dans les documents WO 2008/138346, DE 198 60 562, DE 10 2008 015825 cités précédemment associent entraînement et direction de la roue. Dans le document WO 2008/138346, le changement de direction 25 s'effectue par l'intermédiaire d'un plateau tournant faisant pivoter l'ensemble de l'arbre d'entraînement et de la roue. Dans le document DE 198 60 562, le changement de direction des roues s'effectue à l'aide d'un plateau pivotant par rapport auquel l'arbre de transmission est excentré. 30 Pour chacun de ces trois documents, il convient de noter que l'axe de direction est distinct de l'axe d'entraînement de la roue. L'encombrement du système n'est donc pas optimisé. Dans le document DE 10 2008 015825 un changement de direction à l'aide d'une roue de direction faisant tourner le moyeu autour de l'axe de 35 l'arbre de transmission. La roue de direction est entraînée par un deuxième moteur. Un tel système permet un axe de direction confondu avec l'axe d'entraînement de la roue. La roue de direction et son moteur sont toutefois des masses non suspendues. La présente invention vise à proposer un système d'entraînement et de direction pour roue de véhicule électrique répondant en tout ou partie aux 5 problèmes précédemment évoqués. Pour ce faire, la présente invention se rapporte à un système d'entraînement et de direction d'une roue d'un véhicule comprenant au moins un moteur électrique destiné à être rattaché à un châssis dudit véhicule et un dispositif de transmission entre un arbre dudit moteur et un moyeu de la roue, 10 le dispositif de transmission comprenant au moins un arbre de transmission et au moins un réducteur destiné à être lié au moyeu, caractérisé en ce qu'il est associé à un système de direction comprenant au moins un dispositif de liaison entre un châssis dudit véhicule et un porte-moyeu de ladite roue, le dispositif de liaison comprenant au moins un arbre de liaison au châssis et au moins une 15 jambe de direction, destinée à être reliée audit porte-moyeu de la roue, et montée mobile en rotation autour d'un axe sensiblement longitudinal dudit arbre de liaison. La liaison de la roue au châssis au moins partiellement rotative, permet d'orienter la roue directement depuis sa jambe de liaison sans avoir 20 besoin de recourir à une liaison excentrée de bielles sur le porte-moyeu. En l'associant au système d'entraînement de la roue, le système s'en trouve grandement optimisé. L'axe de rotation se confond avec l'axe d'entraînement et le maximum d'éléments sont suspendus. Avantageusement, le dispositif de liaison forme une jambe de 25 suspension. De manière avantageuse, l'arbre de liaison est équipé d'un moyen de liaison cardan au châssis. Préférentiellement, la jambe de direction est associée à un moteur électrique d'entraînement en rotation autour de l'axe de l'arbre de liaison. 30 Préférentiellement encore, le moteur d'entraînement est associé à un capteur de position permettant son pilotage. Avantageusement, le dispositif de liaison est au moins partiellement creux de manière à permettre le passage d'au moins un arbre de transmission pour l'entraînement de la roue. 35 Avantageusement l'arbre de transmission du dispositif de transmission est télescopique. Avantageusement encore, un dispositif de renvoi d'angle est disposé entre l'arbre de transmission et le réducteur. Préférentiellement, le dispositif de transmission est débrayable de manière à permettre un entraînement de la roue par un autre moteur, notamment thermique dans le cas de véhicules hydrides. Par débrayable, on entend que le dispositif de transmission peut être rendu inactif. Il pourra notamment s'agir d'un débrayage par déconnexion de l'arbre d'entraînement, mais également par inactivation du moteur électrique qui tournera à vide ou en mode générateur le cas échéant. De manière avantageuse, le moteur électrique est un moteur - générateur et le dispositif de transmission est réversible. Cela permet notamment de récupérer de l'énergie cinétique du véhicule, par exemple lors des freinages, ou lors de descentes. La présente invention se rapporte également à un véhicule, 15 notamment de type électrique ou hybride, comprenant au moins une roue, caractérisé en ce que ladite roue est équipée d'un système d'entraînement et de direction selon l'invention. Bien que particulièrement destinée aux véhicules automobiles terrestres, il convient de noter que la présente invention n'est pas limitée à un 20 type de véhicule en particulier et vise tout entraînement d'une roue. Elle peut ainsi trouver application pour des véhicules motorisés à deux roues, par exemple, ou encore pour des trains motorisés pour avions, entre autres. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description détaillée qui suit en regard du dessin annexé dans lequel : 25 - la figure 1 est une vue générale d'un système d'entraînement d'une roue, - la figure 2 est une représentation schématique de la roue d'un véhicule électrique équipée d'un système de direction selon l'invention, 30 - la figure 3 est une représentation schématique en coupe transversale du système de la figure 2, - la figure 4 est une vue éclatée du système de la figure 2, - la figure 5 est une vue schématique en coupe transversale de l'ensemble motoréducteur du système de la figure 2. 35 La figure 1 représente un système d'entraînement d'une roue 104 de véhicule électrique. Plus précisément, le système de d'entraînement s'appuie sur une architecture de suspension de la roue 104 de type McPherson, comprenant une jambe de suspension assurant la liaison de la roue à un châssis. L'objet dudit système d'entraînement est de fournir une puissance 5 suffisante à la roue 104 lui permettant de mouvoir un véhicule. Le système est alimenté par une source d'énergie électrique (batteries du véhicule, non visibles). Le dispositif d'entraînement représenté comprend un moteur électrique 29 comprenant un stator, maintenu fixe dans un carter moteur 24 10 (fermé par un capot 25) et destiné à être rattaché à un châssis d'un véhicule, et un rotor portant un arbre d'entraînement dudit moteur. Des roulements à billes guident la rotation du rotor par rapport au carter 24 du moteur 29 et son capot 25. Afin de pouvoir transmettre la force motrice du moteur 29 à la roue 15 104, le dispositif d'entraînement comprend un dispositif de transmission entre l'arbre du moteur 29 et un moyeu de la roue. Conformément à l'invention, ce dispositif d'entraînement comprend un arbre de transmission, lié à l'arbre moteur, et un réducteur destiné à être lié au moyeu. 20 L'arbre de transmission se compose d'un arbre cannelé 5, entraîné en rotation par l'arbre moteur, et d'une douille à billes 7 montée sensiblement au niveau du moyeu de la roue 104 et à laquelle il transmet son mouvement de rotation par l'intermédiaire de ses cannelures. Afin de pouvoir prendre en compte les variations de hauteur dans 25 la suspension du véhicule, l'arbre cannelé 5 est monté coulissant à l'intérieur de ladite douille à billes 7, l'ensemble formant ainsi un arbre de transmission de longueur variable, télescopique. Il convient de noter que le moteur 29 pourra être équipé d'un amortisseur de rotation permettant de limiter voire d'empêcher les vibrations en 30 rotation du rotor du moteur 29 et de supprimer les pics de couple transmis de l'arbre cannelé 5 à la douille 7. Il assure également la transmission du couple du rotor moteur de traction à l'arbre cannelé 5. Afin d'assurer un guidage en translation optimal de l'arbre cannelé 5, on prévoira l'installation de cages à aiguilles visant à assurer ce guidage par 35 rapport à un tube de guidage et permettant également de limiter les vibrations de l'arbre cannelé 5. L'arbre cannelé 5 sera cannelé seulement sur une partie de sa longueur afin de permettre l'usinage des chemins de roulement des cages à aiguilles. La réduction de vitesse est effectuée en aval de la transmission de 5 l'arbre de transmission entre la douille 7 et le moyeu, afin de minimiser le couple transmis à travers le dispositif de transmission 5, 7. Ainsi, il est possible de minimiser le diamètre de l'arbre cannelé 5 et du dispositif de transmission. La réduction de vitesse s'effectue à l'aide d'un réducteur de type à train épicycloïdal. 10 Afin de permettre la transmission du mouvement de la douille 7 au réducteur épicycloïdale, il est prévu un dispositif de renvoi d'angle comprenant un pignon conique et une roue conique. Ce renvoi d'angle permet de transmettre la puissance de la direction de l'axe de l'arbre cannelé 5 à l'axe de la roue 104. 15 La douille à billes 7 permet de transmettre le couple de l'arbre cannelé 5 au pignon conique. Elle permet également, comme mentionné précédemment, de garder un mouvement de translation axial entre l'arbre cannelé 5 et le pignon conique. La liaison glissière entre l'arbre cannelé 5 et le renvoi d'angle permet d'intégrer un système de suspension de roue. 20 La liaison ainsi réalisée entre l'arbre cannelé 5 et la douille à billes 7 permet de placer le moteur de traction 29 en masse suspendue et d'obtenir le débattement du système de suspension. Le train épicycloïdal est composé d'un planétaire central arbré, de trois satellites, d'une couronne, et d'un porte-satellites en deux parties, noté 25 porte-satellites 1 et porte-satellites 2. Le train épicycloïdal permet de réduire la vitesse de rotation en sortie du renvoi d'angle et d'augmenter le couple de cette même sortie au niveau du moyeu de la roue 104. Les deux étages de réduction sont placés à l'intérieur de la roue 30 104 afin d'optimiser l'encombrement de la chaîne de traction. Le moyeu est directement relié à la sortie du train épicycloïdal par une liaison complète, à savoir le porte-satellites 2. Sur la partie porte-moyeu réducteur, le carter de la partie est composé de deux pièces : carter de renvoi d'angle et carter de sortie train 35 épicycloïdal. Une jambe de force 105 composée d'une structure située autour de l'arbre cannelé permettra d'assurer la cinématique du demi-train du véhicule et la reprise des efforts appliqués à ce demi-train du véhicule. En fonctionnement, le stator du moteur 29 entraîne en rotation l'arbre cannelé 5 pour transmettre le couple à travers la douille 7. Le renvoi d'angle est assuré par le pignon conique pour permettre le passage du couple à la roue conique. Le train épicycloïdal assure alors le passage du couple vers le moyeu. Le couple est alors transmis au moyeu, puis à la roue 104. Conformément à l'invention, le système d'entraînement est associé 10 à un système de direction tel que représenté sur les figures 2 à 5. Le but du système de direction selon l'invention est d'orienter la roue 104 par pivotement autour de son axe de suspension à partir d'une source d'énergie électrique et permettant une gestion électronique. Un tel système permet de diriger un véhicule en actionnant 15 indépendamment les roues et en supprimant toute liaison mécanique entre une commande de direction et l'actionneur de direction (moteur électrique). Par ailleurs, un tel contrôle de la direction des roues permet une amplitude de direction, ou braquage, extrêmement importante, potentiellement de 360°. 20 On notera qu'en outre, il est bien évidemment possible d'équiper chaque roue du véhicule d'un tel système de direction, et non seulement les roues avant comme sur la plupart des véhicules actuels. Cela peut être particulièrement intéressant pour permettre un stationnement facilité du véhicule en milieu urbain en orientant simplement les roues dans une direction 25 sensiblement perpendiculaire à un axe longitudinal du véhicule. Plus précisément, le système de direction selon l'invention permet un mouvement de rotation entre une jambe de direction 100 reliée à la roue 104, et plus particulièrement à un porte-moyeu 103 de ladite roue 104, et un arbre cannelé 67 en liaison cardan avec le châssis du véhicule et pouvant être 30 actionné par l'intermédiaire d'un motoréducteur situé dans la jambe de direction 100 à l'intérieur d'un carter de support 101. La jambe de direction est creuse et est traversée par l'arbre d'entraînement disposé à l'intérieur de la jambe. Conformément au mode de réalisation représenté, l'ensemble 35 motoréducteur comprend un moteur de direction 50 composé classiquement d'un stator 52 et d'un rotor 51, et un réducteur 53 composé d'un arbre d'entrée 54, d'une sortie 55 et d'un support 56. Le stator 52 du moteur de direction 50 est en liaison complète avec le carter de support 101 motoréducteur et un carter 102 de support moteur. Le rotor 51 du moteur de direction 50 est en liaison complète avec un arbre d'entrée 54 du réducteur 53. Le support 56 du réducteur 53 est fixe en rotation par rapport au support de liaison cardan, lui-même lié au châssis du véhicule. La sortie 55 du réducteur 53 est en liaison complète avec le carter 10 de support 101 motoréducteur, ce qui permettra la rotation de la jambe de direction. Par ailleurs, une pièce fusible 63 est prévue pour protéger le groupe motoréducteur 50, 53 dans le cas de couples crête critiques issus d'un choc ou d'un blocage entre la roue 104 et un obstacle de la route. 15 Afin de permettre l'amortissement et la suspension du véhicule, on notera que l'arbre cannelé 67 est monté mobile en translation à l'intérieur de la jambe de direction 100. Une douille à billes 64 permet un guidage fiable en translation. La douille à billes 64 est en liaison glissière avec l'arbre cannelé 67, lui-même en liaison complète avec le support de liaison cardan. 20 Le support 56 du réducteur 53 est en liaison complète avec la pièce fusible 63, elle-même en liaison complète avec une douille à bille 64 de la jambe de direction 100. L'ensemble constitué de la pièce fusible 63 et de la douille à billes 64 est guidé en rotation par rapport au carter de liaison glissière de la jambe de 25 direction 100 et au carter de support 101 motoréducteur par un palier lisse 69 et un roulement 65. Les cannelures aménagées sur la surface extérieure de l'arbre cannelé 67 permettent de bloquer la rotation de la pièce fusible 63 et du support du réducteur 56, tout en permettant la translation de la jambe de 30 direction 100 et de la roue 104. L'ensemble constitué du rotor 51 de moteur de direction 50, de l'arbre d'entrée 54 du réducteur 53 et d'une bague 59 est guidé en rotation par rapport aux carters de support 101 motoréducteur et de support moteur 102 par un roulement 61 et par un roulement interne du réducteur (non représenté). 35 Ainsi, comme mentionné précédemment, le système selon l'invention permet de réaliser la direction des roues sans utiliser de biellettes de direction comme c'est l'usage dans l'art antérieur et, par voie de conséquence, de libérer l'espace qui leur est usuellement dédié. Afin de pouvoir piloter la direction de la roue 104, le système comporte un codeur 57 de moteur de direction et un codeur 66 5 d'asservissement de position de la roue 104. Le codeur du moteur de direction 57 permet de mesurer la position angulaire absolue du rotor 51 par rapport au stator 52. Le codeur 66 d'asservissement de la position de la roue permet de mesurer la position angulaire du carter de liaison glissière de la jambe de 10 direction 100 par rapport à une douille à billes 64 de ladite jambe de direction 100. Le codeur du moteur de direction 57 est composé d'une partie fixe 57a liée au carter de support 102 moteur par l'intermédiaire d'une bague 58 et d'une rondelle 60, et d'une partie rotative 57b liée à la bague 59. 15 Un capteur de couple (non représenté ici) mesure le couple entre la jambe de direction 100 et l'arbre cannelé 67 relié au châssis. Il est utilisé pour remonter l'information de ressenti de la route à l'utilisateur, ainsi qu'à prévenir d'un fort couple. Le réducteur 53, l'arbre cannelé 67, les codeurs 57 et 66, ainsi que 20 le moteur de direction 50 utilisés dans ce système, peuvent être pleins ou à arbre creux pour permettre éventuellement le passage de câbles, d'arbres tournants, de systèmes de suspensions ou de structures, non représentés ici. Bien que l'invention ait été décrite avec un exemple particulier de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle 25 comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Système d'entraînement et de direction d'une roue (104) d'un 5 véhicule comprenant au moins un moteur électrique (29) destiné à être rattaché à un châssis dudit véhicule et un dispositif de transmission entre un arbre dudit moteur et un moyeu de la roue, le dispositif de transmission comprenant au moins un arbre de transmission (5, 7) et au moins un réducteur destiné à être lié au moyeu, caractérisé en ce qu'il est associé à un système de 10 direction comprenant au moins un dispositif de liaison entre un châssis dudit véhicule et un porte-moyeu (103) de ladite roue, le dispositif de liaison comprenant au moins un arbre de liaison (67) au châssis et au moins une jambe de direction (100), destinée à être reliée audit porte-moyeu de la roue, et montée mobile en rotation autour d'un axe sensiblement longitudinal dudit 15 arbre de liaison. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de liaison forme une jambe de suspension. 20 3. Système selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'arbre de liaison (67) est équipé d'un moyen de liaison cardan au châssis. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 25 caractérisé en ce que la jambe de direction (100) est associée à un moteur électrique (50) d'entraînement en rotation autour de l'axe de l'arbre de liaison (67). 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le 30 moteur d'entraînement (50) est associé à un capteur de position (57) permettant son pilotage. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de liaison (67, 100) est au moins 35 partiellement creux de manière à permettre le passage d'au moins un arbre de transmission pour l'entraînement de la roue. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'arbre de transmission (5, 7) du dispositif de transmission est télescopique. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un dispositif de renvoi d'angle (102) est disposé entre l'arbre de transmission (5, 7) et le réducteur (31. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de transmission est débrayable de manière à permettre un entraînement de la roue (104) par un autre moteur, notamment thermique dans le cas de véhicules hydrides. 10. Véhicule, notamment de type électrique ou hybride, comprenant au moins une roue (104), caractérisé en ce que ladite roue est équipée d'un système d'entraînement et de direction selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.