Brevet FR2981611A1 — publié le 20130426

- 1 - TRANSMISSION HYBRIDE TROIS ARBRES POUR VEHICULE AUTOMOBILE ET PROCEDE DE COMMANDE La présente invention se rapporte au domaine des transmissions hybrides pour véhicules automobiles, comportant d'une part un moteur thermique d'entraînement, et d'autre part une machine électrique. Plus précisément, elle a pour objet une transmission hybride pour véhicule automobile muni d'un moteur thermique et d'une machine électrique d'entraînement, comportant deux arbres primaires concentriques portant chacun au moins un pignon de descente sur un arbre secondaire relié aux roues du véhicule. Les transmissions hybrides ont pour intérêt principal de faire bénéficier la chaîne cinématique d'entraînement d'un véhicule, de deux sources d'énergies, thermique et électrique, dont les apports de couple peuvent se cumuler dans un mode dit hybride, ou être utilisées séparément, soit dans un « mode thermique pur » où la machine électrique ne fournit pas de couple à la chaîne de traction, soit dans un mode « électrique pur », où le moteur thermique ne fournit pas de couple à la chaîne de traction. D'autres fonctionnalités sont également requises, telles que la possibilité de lancer le moteur thermique à l'arrêt ou en roulage, en utilisant la machine électrique comme démarreur, ou celle d'utiliser la machine électrique en générateur de courant, pour charger les batteries. Dans sa conception la plus simple, une transmission hybride telle que présentée ci-dessus assure l'ensemble des fonctions requises sur un seul rapport de démultiplication, c'est-à-dire sans la possibilité de bénéficier de plusieurs vitesses de marche avant, comme sur une transmission classique. Par la publication US 5 433 282, on connaît une transmission hybride pour véhicule automobile composée - 2 - essentiellement d'un train épicycloïdal simple, dont les trois sorties, porte-satellites, planétaire et couronne, sont reliées au moteur thermique, à la machine électrique et aux roues du véhicule. Le moteur thermique, la machine électrique et le train sont coaxiaux. Une roue libre est disposée entre le moteur thermique et le planétaire du train. Elle permet notamment de combiner l'apport de la machine électrique et de la machine électrique pour l'entraînement du véhicule, et de disposer de deux rapports de transmission. Cependant, ses possibilités d'adaptation à des modes de roulage spécifiques, tels qu'un roulage typiquement urbain et un roulage typiquement routier en mode électrique pur à vitesses modérées, et un roulage typiquement autoroutier à vitesse élevée, par exemple en mode thermique pur, sont limitées. La présente invention vise à réaliser une transmission hybride disposant d'au moinsdeux rapports distincts en mode électrique, deux rapports distincts en mode thermique, et plusieurs rapports hybrides. Dans ce but, elle prévoit un premier moyen de couplage entre les deux arbres primaires, pouvant occuper au moins trois positions dans lesquelles : - le moteur thermique est découplé de la chaîne cinématique reliant la machine électrique aux roues, ou 25 couplé à celle-ci par l'intermédiaire du deuxième arbre secondaire (position 1), - l'arbre primaire du moteur thermique est couplé au premier arbre secondaire pour entraîner les roues avec ou sans l'appoint de la machine électrique (position 2), et 30 - l'arbre primaire du moteur thermique est couplé à l'arbre primaire de la machine électrique, de manière à additionner leurs couples respectifs en direction des roues (position 3). De préférence, le moteur thermique est lié à un arbre 35 primaire plein, et la machine électrique est liée à un arbre primaire creux. - 3 - Dans un premier mode d'utilisation, on peut utiliser la machine électrique comme seule source d'énergie motrice sur deux premiers rapports électriques en fermant le deuxième moyen de couplage, jusqu'à un seuil de vitesse, à partir duquel on passe sur un troisième rapport thermique en ouvrant le deuxième moyen de couplage et en couplant le moteur thermique aux roues par le troisième moyen de couplage. Dans un deuxième mode d'utilisation, on utilise 10 seulement un premier rapport électrique, avant de passer successivement sur plusieurs rapports hybrides, où les deux premiers moyens de couplages sont serrés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description 15 suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'architecture de la transmission proposée au point mort, - la figure 2 correspond au démarrage et au roulage 20 en mode électrique sur un rapport « électrique ville », et en marche arrière, - la figure 3 correspond au roulage en mode électrique sur un rapport « électrique route », - la figure 4 correspond au mode de recharge de 25 batterie, - la figure 5 correspond au roulage en mode thermique sur un rapport « thermique autoroute », - la figure 6 correspond au roulage en mode hybride sur un premier rapport « hybride autoroute », 30 - la figure 7 correspond au roulage sur un mode « hybride ville court », - la figure 8 correspond au roulage sur un rapport « hybride ville long 1 », - la figure 9 correspond au roulage sur un rapport 35 « hybride ville long 2 », - 4 - - la figure 10 correspond au roulage sur un rapport « hybride route », - la figure 11 correspond au roulage sur un rapport « hybride sport » - la figure 12 correspond au roulage sur un autre mode thermique dit « thermique ville long » La transmission illustrée par les figures comporte un arbre primaire plein 1 connecté directement par l'intermédiaire d'un système de filtration (moyeu amortisseur, « damper », double volant ou autre) 2, au volant d'inertie 3 d'un moteur thermique (non représenté). L'arbre plein 1 porte un pignon fou 4 (pignon fou de deuxième R2) pouvant être connecté avec celui-ci par un premier système de couplage 5 (C1) tel qu'un crabot, synchroniseur, ou autre type de coupleur progressif ou non). Un arbre primaire creux 6 est relié au rotor d'une machine électrique 7, de préférence (mais non obligatoirement) de type machine type axial discoïde. D'autres types de machine électrique sont également utilisables dans le cadre de l'invention, par exemple des machines radiales, à aimant ou à bobine d'excitation, ou des machines à réluctance. L'arbre creux 6 porte deux pignons fixes 8, 9, de première et de troisième. L'arbre creux 6 peut être relié à l'arbre primaire plein 1 par intermédiaire du premier système de couplage 5 (C1). Un premier arbre secondaire 10 porte deux pignons fous 12(R1) et 11(R3), de première et de troisième, et un pignon fixe de deuxième 14. On peut relier les pignons fous 11, 12 à l'arbre primaire par l'intermédiaire d'un deuxième système de couplage 13 C2, tel qu'un crabot, synchroniseur, ou autre type de coupleur progressif ou non. Le premier arbre secondaire 10 porte également un pignon fixe 15 de descente vers un différentiel 16 relié aux roues (non représentées) du véhicule. A son extrémité gauche sur le schéma, l'arbre 35 primaire plein 1 porte un pignon fixe 17 de quatrième, en prise avec un pignon fou de quatrième 18 (R4), porté par un - 5 deuxième arbre secondaire 19. Le deuxième arbre secondaire 19 porte également un troisième moyen de couplage 21 (C3) du pignon fou de quatrième 18 sur celui-ci. Le mouvement du deuxième arbre secondaire 19 est renvoyé par un pignon d'attaque 22 sur le différentiel 16. Le premier moyen de couplage Cl peut occuper au moins trois positions dans lesquelles : - le moteur thermique est découplé de la chaîne cinématique reliant la machine électrique 7 aux roues, ou 10 couplé à celle-ci par l'intermédiaire du deuxième arbre secondaire (position 1), sur les figures 1, 2, 3, 5, 11, - l'arbre primaire relié au moteur thermique est couplé au premier arbre secondaire pour entraîner les roues avec ou sans l'appoint de la machine électrique (position 15 2), sur les figures 8, 9, 12, et - l'arbre primaire relié au moteur thermique est couplé à l'arbre primaire relié à la machine électrique, de manière à additionner leurs couples respectifs en direction des roues (position 3), sur les figures 4, 6, 7, 10. 20 Par ailleurs, le moteur thermique peut entraîner un alternateur (non représenté) capable d'assurer les besoins énergétiques de la machine électrique en chargeant une batterie de traction haute tension. Un premier montage consiste alors à relier la batterie de traction à la 25 batterie de bord du véhicule par un convertisseur de tension réversible. Une autre solution est que l'alternateur soit un alternateur haute tension connectable directement à une batterie d'alimentation de la machine électrique. Avec ces dispositions, le moteur thermique et l'alternateur de 30 recharge de la batterie de bord peuvent constituer un groupe électrogène à faible coût, capable d'assurer les besoins énergétiques de la machine électrique de traction en mode électrique. Sur la figure 1, les trois moyens de couplage Cl, C2, 35 C3, sont ouverts. - 6 - Sur la figure 2, Cl est ouvert (position 1), tandis que C2 est fermé de manière à solidariser le pignon fou du premier rapport 12 avec le premier arbre secondaire 10. La transmission est en mode électrique sur son premier rapport, dit rapport « électrique ville ». Le couple fourni par la machine électrique à l'arbre primaire creux descend par le premier pignon fixe R1 sur le pignon fou 12. C2 lie en rotation le pignon 12 et l'arbre 10. Le couple descend de la ligne secondaire sur le différentiel 16 par le pignon d'attaque 16. Sur la figure 3, Cl est toujours ouvert (position 1), tandis que C2 est fermé, de manière à solidariser le pignon fou de troisième R3 avec le premier arbre secondaire 10. La transmission est en mode électrique sur le troisième rapport de la transmission, dit « électrique route ». Le couple fourni par la machine électrique 7 à l'arbre primaire creux 6, descend par le pignon fixe de troisième 9 sur le pignon fou de troisième R3. Cl lie en rotation le pignon R3 et l'arbre 10. Le couple descend de la ligne secondaire sur le différentiel 16 par le pignon 15. Sur la figure 4, on est en mode de recharge de batterie. Seul Cl 5 est fermé, en position 3. Les deux arbres primaires 1, 6 sont solidaires et le moteur thermique entraîne la machine électrique, fonctionnant alors en générateur. Sur la figure 5, la transmission est sur son quatrième rapport, en mode thermique. Sur ce rapport dit rapport « thermique autoroute », Cl est ouvert (position 1). Seul C3 est fermé. Le couple fourni par le moteur thermique passe sur le deuxième arbre secondaire 19 par les pignons fixe 17 et fou R4 de quatrième, puis redescend sur le différentiel par le pignon 22. A partir de cette situation, on peut passer en mode hybride en rajoutant au moteur thermique l'appoint de la 35 machine électrique, grâce à la fermeture de Cl en position - 7 - 3. Le quatrième rapport devient alors un rapport « hybride autoroute », illustré par la figure 6. Sur la figure 7, on est en mode hybride sur le premier rapport de la transmission, qui devient dans ce cas un rapport « hybride ville court ». Cl est fermé en position 3, de manière à solidariser les deux arbres primaires 1, 6 ; C2 est fermé sur le premier rapport (pignons R1, 12). Les couples du moteur thermique et de la machine électrique sont donc additionnés sur le premier rapport. Les figures 8 et 9 illustrent deux modes hybrides intermédiaires dits « hybride ville long 1 » et « hybride ville long 2 », obtenus à partir du rapport « hybride ville court » de la figure 7. En maintenant le premier rapport engagé sur la machine électrique, on synchronise le moteur thermique sur le deuxième rapport avant de le coupler à au premier arbre secondaire 10 par le premier moyen de couplage Cl en position 2. Comme indiqué sur la figure 8, les couples s'additionnent. Sans dégager Cl, on peut dégager C2, puis synchroniser la machine électrique avec le premier arbre secondaire 10, avant d'engager C2 pour les rendre solidaires. Toujours sur le deuxième rapport de la transmission, on est ainsi passé sur le rapport « hybride ville long 2 » de la figure 9. En basculant Cl en position 3 à partir de la figure 9 après synchronisation à vide du moteur thermique, on passe sur le troisième rapport dans la situation de la figure 10 dite « hybride route », avec addition des couples thermique et électrique. On peut ensuite passer sur le quatrième rapport en mode hybride pour rejoindre la figure 11, en laissant la machine électrique maintenir la transmission sur le troisième rapport pendant le passage. Pour cela, on dégage Cl couplage (retour en position 1), puis on ferme C3, après avoir synchronisé à vide le moteur thermique. - 8 - A partir de la figure 10, si on ouvre Cl, pour fermer C3 tout en maintenant C2 fermé, on peut rejoindre un rapport « hybride sport» illustré par la figure 11, à partir duquel on peut repasser sur le rapport « hybride autoroute » de la figure 6. Enfin la figure 12 illustre un mode thermique sur le deuxième rapport, dit « thermique ville long », où seul Cl est fermé de manière à faire descendre le couple par R2 sur le rapport de deuxième. En résumé, les trois positions du premier moyen de couplage 5 et l'intervention combinée du deuxième moyen de couplage 13 et du troisième moyen de couplage assurent à la transmission au moins les modes suivants : - un mode électrique sur les deux premiers rapports de la transmission, dits « électrique ville » et « électrique court » (cf. figures 2 et 3), - un mode thermique sur le deuxième et le quatrième rapport, dits respectivement « thermique ville long et » et « thermique autoroute » (cf. figures 12 et 5), - un mode hybride sur le premier rapport, dit « hybride ville court » (cf. figure 7) - deux modes hybrides sur le deuxième rapport, dits « hybride ville 1 » et « hybride ville 2 » (figures 8 et 9), - un mode hybride sur le troisième rapport, dit « hybride route » (cf. figure 10) et sur le quatrième rapport dit « hybride autoroute » (figure 6) et « hybride sport » (figure 11), et - un mode de recharge de batterie (cf. figure 4). La transmission décrite ci-dessus trouve un intérêt 30 particulier lorsqu'elle est commandée selon les deux séquences de fonctionnement suivantes dites « utilisation semaine » et « utilisation hybride », selon que l'utilisateur souhaite privilégier le mode électrique pour une conduite principalement urbaine ou journalière, où qu'il 35 souhaite exploiter davantage les possibilités du mode hybride, pour augmenter son autonomie. Ces modes - 9 - d'utilisation sont décrits ci-dessous comme des procédés de commande particulièrement avantageux, mais non limitatifs, de la transmission décrite. L'« utilisation semaine » privilégie les deux rapports électriques, « électrique ville » et « électrique route » associés au « mode thermique autoroute » et éventuellement au mode « hybride autoroute ». Les deux rapports électriques sont alors utilisés en fermant C2 sur le pignon de première ou de troisième, jusqu'à un seuil de vitesse, où on passe sur le quatrième rapport en mode thermique, en ouvrant C2 et en couplant le moteur thermique aux roues grâce à C3. Sur le quatrième rapport, on peut aussi disposer en plus du rapport hybride en couplant le moteur thermique aux roues en fermant C3, tout en couplant les deux arbres primaires grâce à C2. L' « utilisation hybride » est enrichie par le rapport thermique intermédiaire (deuxième rapport), notamment pour les changements de rapport sous couple. On utilise seulement un seul rapport électrique (sur le pignon de première), avant de passer successivement sur plusieurs rapports hybrides, où les deux premiers moyens de couplages Cl et C2 interviennent. Le premier rapport hybride utilisé en quittant le mode électrique est le « mode hybride ville court » de la figure 7. On peut ensuite passer au premier « rapport hybrides ville long » (hybride ville long 1) de la figure 8 au deuxième (figure 9) avec la même position de fermeture de C2, en couplant l'arbre primaire creux avec le premier arbre secondaire. Si on dégage Cl, on peut bénéficier des deux rapports « hybride ville long » 1 et 2, selon que C2 engage R1 ou R3. Le « rapport hybride route » de la figure 10 est obtenu en couplant les deux arbres primaires sur le troisième rapport grâce à Cl. Comme indiqué plus haut, le passage sur le mode hybride autoroute (figure 6) peut s'effectuer en passant par l'étape intermédiaire du rapport « hybride sport » de la figure 11. - 10 - Conformément à l'invention, les passages de vitesses entre les rapports hybrides s'effectuent sous couple. En particulier, l'ensemble de la séquence « utilisation hybride » s'effectue sans rupture de couple en maintenant la traction sur chaque passage, soit par le moteur thermique, soit par le moteur électrique. C'est le cas pour les passages montants et descendants entre « hybride ville court » à « hybride ville long 1 et 2 », « hybride ville long 2 », « hybride sport » et « hybride autoroute ».10 REVENDICATIONS1. Transmission hybride pour véhicule automobile muni d'un moteur thermique et d'une machine électrique d'entraînement (7), comportant deux arbres primaires (1, 6) concentriques reliés respectivement au moteur thermique et à la machine électrique, qui portent chacun au moins un pignon de descente (4, 8, 9) sur un premier arbre secondaire (10) relié aux roues du véhicule par un différentiel (16) et un deuxième arbre secondaire (19) renvoyant le mouvement d'un arbre primaire sur le différentiel (16), caractérisée en ce qu'elle présente un premier moyen de couplage (C1) entre les deux arbres primaires (1, 6) pouvant occuper au moins trois positions dans lesquelles : - le moteur thermique est découplé de la chaîne cinématique reliant la machine électrique (7) aux roues, ou couplé à celle-ci par l'intermédiaire du deuxième arbre secondaire (position 1), - l'arbre primaire relié au moteur thermique (1) est couplé au premier arbre secondaire (10) pour entraîner les roues avec ou sans l'appoint de la machine électrique (position 2) , et - l'arbre primaire relié au moteur thermique (1) est couplé à l'arbre primaire relié à la machine électrique (6), 25 de manière à additionner leurs couples respectifs en direction des roues (position 3). 2. Transmission hybride selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moteur thermique est lié à un arbre primaire plein (1) et en ce que la machine électrique 30 (7) est liée à un arbre primaire creux (6). 3. Transmission hybride selon la revendication 2, caractérisée en ce que le premier arbre secondaire (10) porte un deuxième moyen de couplage (C2) permettant de coupler l'un ou l'autre de deux pignons de descente (8, 9) 35 du primaire creux (6) sur des pignons fous (12, 11) du premier arbre secondaire (10).- 12 - 4. Transmission hybride selon la revendication 3, caractérisée en ce que le deuxième arbre secondaire (19) porte un troisième moyen de couplage (C3) permettant de coupler l'arbre primaire plein (1) avec le deuxième arbre secondaire (19). 5. Transmission hybride selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les trois positions du premier moyen de couplage (C1) et l'intervention combinée du deuxième (C2) et du troisième (C3) moyen de couplage, lui assurent au moins : - un mode électrique sur deux rapports, un mode thermique sur un deuxième et sur un quatrième rapport, un mode hybride sur trois rapports. 6. Transmission hybride selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moteur thermique entraîne un alternateur capable d'assurer les besoins énergétiques de la machine électrique en chargeant une batterie de traction haute tension. 7. Transmission hybride selon la revendication 6, caractérisée en ce que la batterie de traction est reliée à une batterie de bord du véhicule par un convertisseur de tension réversible 8. Transmission hybride selon la revendication 6, 25 caractérisée en ce que l'alternateur est un alternateur haute tension connectable directement à une batterie d'alimentation de la machine électrique. 9. Procédé de commande d'une transmission hybride conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce 30 qu'on utilise la machine électrique (7) comme seule source d'énergie motrice sur deux rapports électriques en fermant le deuxième moyen de couplage (C2), jusqu'à un seuil de vitesse, au delà duquel on passe sur un rapport thermique en ouvrant le deuxième moyen de couplage (C2) et en couplant le 35 moteur thermique aux roues par le troisième moyen de couplage (C3).- 13 - 10. Procédé de commande selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on dispose en plus d'un rapport hybride en couplant les deux arbres primaires par le deuxième moyen de couplage (C2) tout en maintenant couplés le moteur thermique aux roues par fermeture du troisième moyen de couplage (C3). 11. Procédé de commande d'une transmission hybride conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on utilise seulement un seul rapport électrique, avant de passer successivement sur plusieurs rapports hybrides, où les deux premiers moyens de couplages (C1, C2) sont fermés. 12. Procédé de commande selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on peut obtenir deux rapports hybrides avec la même position de fermeture du deuxième moyen de couplage (C3), selon que les deux arbres primaires sont couplés ou que l'arbre primaire creux est couplé avec le premier arbre secondaire. 13. Procédé de commande selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'on peut obtenir deux rapports hybrides distincts avec la même position de fermeture du premier moyen de couplage (C1) selon que le deuxième moyen de couplage (C2) couple l'un ou l'autre des deux pignons de descente de l'arbre primaire creux sur le premier arbre secondaire, avec celui-ci. 14. Procédé de commande selon l'une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que les passages de vitesses entre les rapports hybrides s'effectuent sans rupture de couple en maintenant la traction sur chaque passage, soit par le moteur thermique, soit par le moteur électrique.