Brevet FR3098452A1 — publié le 20210115

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF DE TRACTION HYBRIDE DE VEHICULE AUTOMOBILE A DOUBLE CHEMIN DE PUISSANCE ELECTRIQUE [0001] L'invention concerne un dispositif de traction hybride pour véhicule automobile comportant un moteur thermique avec sa boîte de vitesses manuelle ou robotisée, et une machine électrique connectée à la boîte de vitesses. [0002] Plus précisément, elle a pour objet un dispositif de traction hybride à double chemin de puissance entre une machine électrique et les roues d'un véhicule, composé d'une boîte de vitesses à arbres parallèles, dont un arbre primaire qui transmet la puissance d'un moteur thermique d'entraînement à un arbre secondaire relié aux roues du véhicule, et d'une machine électrique. [0003] Dans les véhicules hybrides comportmt une double motorisation, thermique et électrique, la machine électrique est parfois liée au moteur thermique sur sa face dite « accessoires », comme l'alternateur. Pour augmenter la puissance électrique installée et l'efficacité des échanges d'énergie de stockage en batterie et de restitution, il est plus avantageux de connecter la machine électrique à la boîte de vitesses. Cette disposition permet d'ouvrir ces véhicules à des possibilités nouvelles, en particulier le roulage en mode électrique, et de réduire leur consommation. [0004] La publication DE 10 2016 120 010, décrit un groupe motopropulseur comportant un moteur thermique, une boîte de vitesses, et une machine électrique agencée à l'intérieur de la boîte, dans une disposition dite « add-in ». L'arbre du rotor de la machine électrique porte un premier pignon, qui met en mouvement un premier arbre comportant deux pignons fixes, à l'aide d'un pignon intermédiaire. Un deuxième arbre porte deux pignons fous, un groupe de crabotage, et possède à son extrémité un pignon fixe qui engrène avec la couronne du différentiel. Une seconde boîte à deux rapports dédiés à la machine électrique, est ainsi adossée à la boîte de vitesses principale, qui est dédiée au moteur thermique. [0005] Dans un groupe motopropulseur hybride, la machine électrique peut être connectée à l'un ou à l'autre des arbres de la boîte de vitesses, ou aux deux, comme dans publication FR 2 787 395. Celle-ci décrit une transmission hybride, dans laquelle la machine électrique est agencée entre le moteur et la boîte de vitesses. La machine électrique se connecte par un crabot, soit à l'arbre primaire, soit à l'arbre secondaire de la boîte. [0006] La connexion de la machine électrique à l'arbre primaire, présente certains avantages. On dispose en particulier d'une capacité de démarrage du moteur 2 thermique, lorsque le véhicule est à l'arrêt. De plus, on peut associer à cette hybridation légère, un alterno-démarreur agencé sur la face « accessoires », qui assure le démarrage du moteur, dans presque toutes les situations, sauf par grand froid, où la courroie peut ne pas être assez efficiente. [0007] Lorsque la machine électrique est liée avec l'arbre primaire, elle bénéficie des rapports de réduction de la boîte, et donne tout son potentiel de traction et de brio. Toutefois, elle perturbe l'inertie, et augmente la traînée équivalente de la boîte. Dans une boîte à commande manuelle, il faut donc découpler rapidement la machine électrique, avant la phase de synchronisation du rapport en cours d'engagement. Dans le cas d'une boîte robotisée, cc découplage n'est pas indispensable, car un superviseur pilote la machine électrique pendant les changements de rapport, de manière à limiter ou à supprimer, les effets indésirables d'inertie et de traînée. Dans certains cas, la machine électrique peut réaliser à elle seule la synchronisation. Les synchroniseurs classiques sont alors supprimés. Toutefois, pour une plus grande rapidité d'exécution, il est préférable d'ajouter un système de découplage de la machine électrique. [0008] Par ailleurs, si la machine électrique est coaxiale à l'arbre primaire, l'absence de dé- multiplication lui permet difficilement d'assurer le démarrage du moteur thermique. [0009] La présente invention vise à introduire une démultiplication entre la machine électrique et l'arbre primaire de la boîte, tout en pouvant la coupler sélectivement avec l'arbre primaire, ou avec l'arbre secondaire. [0010] Dans ce but, elle propose que la machine électrique transmette sa puissance sur un rapport unique à un arbre de couplage avec la boîte, puis à partir de celui-ci, sélectivement sur l'arbre primaire, ou sur l'arbre secondaire de la boîte. [0011] Dans un mode de réalisation particulier, l'arbre de couplage porte deux pignons fous, transmettant respectivement la puissance de la machine électrique vers l'arbre primaire, et vers l'arbre secondaire. [0012] Dans ce cas, l'arbre de couplage porte avantageusement un dispositif de couplage, pour chacun de ces deux pignons fous. [0013] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation non limitatif de celle-ci, en se reportant aux dessins annexés. [0014] [fig.1] est une vue en coupe longitudinale du dispositif complet. [0015] [fig.lbis] est une vue en coupe longitudinale du dispositif sans la machine électrique. [0016] [fig.2] est une vue en coupe transversale du dispositif, en situation de couplage vers l'arbre secondaire. [0017] [fig.3] est une vue en coupe du dispositif de couplage vers l'arbre primaire. [0018] [fig.4] est une vue en coupe longitudinale du dispositif complet, montrant le chemin de transmission de puissance vers le différentiel par l'arbre primaire et sur le rapport de deuxième. 3 [0019] [fig.5] est une vue en coupe longitudinale du dispositif complet montrant le chemin de transmission de puissance vers le différentiel par l'arbre secondaire. [0020] [Tableaux 1] Repères 1 Dispositif de traction hybride 10 Carter d'embrayage 11 Carter de mécanisme 20 Arbre primaire 21 Pignon fixe du rapport de quatrième 22 Pignon fou de cinquième 30 Arbre secondaire 31 Pignon fixe de cinquième 40 Différentiel 50 Leviers de commande des vitesses 51 Axe ce commande des vitesses 52 Mécanismes de commande des vitesses 60 Machine électrique 61 Manchon d'accouplement avec l'arbre entrée 70 70 Arbre entrée de la machine électrique 71 Pignon fixe de descente 72 Pignon fixe intermédiaire 73 Axe support pignon fixe 72 80 Arbre dc couplage 81 Pignon fixe sur arbre de couplage 82 Premier pignon fou sur arbre de couplage 83 Second pignon fou sur arbre de couplage 90 Coupleur conique 91 Flasque d'entrainement des cônes 91, a Crans entraînement flasque 92, a Anneau conique inférieur 92, b Anneau intermédiaire supérieur 92, c Anneau intermédiaire inférieur 92, d Anneau supérieur 93 Ressort d'ouverture coupleur 94 Moyeu dc coupleur 95 Axe dc Fourchette 96 Fourchette dc commande coupleur 97 Dispositif de couplage du pignon fou 83 96, a Roulement de fourchette de commande coupleur 100 Actionneur de commande [0021] Sur la figure 1, on a représenté en coupe longitudinale, un mode de réalisation du dispositif de traction hybride pour véhicule automobile 1, faisant l'objet de l'invention. Ce dispositif est composé essentiellement d'une boîte dc vitesses à arbres parallèles 20, 30, dont un arbre primaire 20 transmet la puissance d'un moteur thermique d'entraînement à un arbre secondaire 30 relié aux roues du véhicule, et d'une machine électrique 60, qui transmet sa puissance sur un rapport unique à un arbre de couplage 80 portant deux pignons fous 82, 83, puis à partir de celui-ci, sélectivement sur l'arbre primaire, ou sur l'arbre secondaire de la boîte. [0022] L'arbre de couplage 80 porte deux pignons fous 82, 83, transmettant respectivement la puissance de la machine électrique vers l'arbre primaire 20, et vers l'arbre secondaire 30. Le dispositif dc traction hybride comporte un premier dispositif dc couplage 90 assurant le couplage, du premier pignon fou 82 avec un pignon fixe 21 de l'arbre primaire, et un deuxième dispositif de couplage 97 assurant le couplage du deuxième pignon fou 83 avec un pignon fixe 31 de l'arbre secondaire 30, par l'intermédiaire d'un pignon fou 22 porté par l'arbre primaire 20. [0023] Grâce au premier dispositif de couplage 90, la puissance de la machine électrique passe du premier pignon fou 82 à un pignon fixe 21 de l'arbre primaire 20 de la boîte [0024] Grâce au deuxième dispositif de couplage 97, elle passe du deuxième pignon fou 83, à un pignon fixe 31 de l'arbre secondaire 30 par l'intermédiaire d'un pignon fou 22 porté par l'arbre primaire. Les deux dispositifs de couplage sont commandés par le même actionneur 100, qui agit sur un axe commun 95 portant deux fourchettes dc commande. Lorsque l'axe 95 se déplace dans un premier sens, le dispositif de couplage vers l'arbre primaire est verrouillé, et le dispositif de couplage vers l'arbre secondaire est ouvert. En se déplaçant dans l'autre sens, le dispositif de couplage vers l'arbre primaire est ouvert, et le dispositif de couplage vers l'arbre secondaire est verrouillé. Enfin dans une position centrale, les deux dispositifs de couplage sont ouverts. 6 [0025] Le dispositif proposé, constitue un dispositif d'hybridation électrique ou de traction hybride complet. Ce dispositif est une extension d'une boîte de vitesses mécanique classique à arbres parallèles. Dans l'exemple de réalisation non limitatif illustré par les figures, c'est une boîte de vitesses manuelle. Elle peut aussi être équipée d'un embrayage automatisé, ou même être entièrement robotisée. Sans sortir du cadre de l'invention, le dispositif peut aussi être réalisé avec une transmission automatique, notamment à double embrayage. [0026] La boîte de vitesses à laquelle on vient rapporter un module d'électrification est composée de deux carters, le carter d'embrayage 10 et le carter de mécanisme 11. A l'intérieur des carters 10, 11, on trouve l'arbre primaire 20, un arbre secondaire 30, un différentiel complet 40, un dispositif de changements de rapports composé de leviers de sélection et passage 50 agencés en extérieur de la boite, et de moyen de commande des fourchettes 52 reliés par un axe de commande 51 traversant la boîte de vitesses. [0027] L'hybridation, ou l'électrification de la boîte, consiste à rapporter à l'extérieur de celle-ci une machine électrique 60, dont le rotor entraine le manchon cannelé 61. L'arbre rotor de la machine électrique 60 entraine une descente de pignons commune vers l'arbre de couplage 80. L'arbre rotor de la machine électrique, entraîne d'abord l'arbre d'entrée 70 supportant une seule denture fixe, puis le pignon 71 solidaire du pignon 72 supporté par l'axe 73, qui à son tour entraine l'arbre de couplage 80 par sa denture fixe 81. Le mécanisme d'entraînement commun aux deux chemins de puissance, comprend au moins un arbre intermédiaire de renvoi 73 entre l'arbre de la machine électrique et l'arbre de couplage 80. [0028] De l'arbre de couplage 80 au différentiel 40, deux chemins de puissance sont possibles. [0029] Le premier chemin de puissance relie l'arbre 80 à l'arbre primaire 20 par le moyen de couplage 90 d'un premier pignon fou 82 en engrènement permanent avec un pignon fixe 21 de l'arbre primaire 20. Le premier pignon fou 82 engrène de manière permanente avec le plus grand pignon fixe 21 de l'arbre primaire. De préférence, le premier dispositif de couplage 90 est un dispositif sans crabotage. [0030] Selon ce premier chemin (voir figure 4) la transmission de puissance de la machine électrique aux roues, est assurée, de la même manière que pour le moteur thermique, c'est-à-dire par tout ou partie des rapports de la boîte de vitesses. Pour les changements de rapports, le découplage de la machine électrique 60 est nécessaire. Son inertie est trop génératrice d'énergie pour les synchroniseurs normaux d'une boîte de vitesses. Les systèmes sans crabots, du type embrayage, sont plus rapides à ouvrir que les coupleurs à crabots. De nombreux systèmes d'embrayage sont capables en principe, d'assurer le découplage de la machine électrique, notamment des systèmes à commande hydraulique. Toutefois, leur intégration dans une boîte de vitesses 7 manuelle, dépourvue à l'origine de système à pression hydraulique, génère un surcoût important. De plus, les embrayages hydrauliques sont actifs en permanence, si bien qu'ils dégradent sensiblement le rendement mécanique de la transmission. [0031] Sans sortir du cadre de l'invention, différents types de dispositifs de couplage peuvent être utilisés. Dans un mode de réalisation non limitatif, le dispositif de couplage 90 est un coupleur conique auto-assisté, notamment du type décrit dans la publication FR 2 890 426. Il s'agit d'un système de couplage électromécanique à cônes équipés de rampes d'auto-assistance. Il est capable de développer le couple transmissible requis, et ne nécessite qu'une faible poussée axiale. Son actionneur est stable dans toute ses positions. Il ne dépense de l'énergie que lors les manoeuvres. Enfin, ce système de couplage est suffisamment capacitif en dissipation d'énergie, pour rendre possible le couplage d'une machine électrique, avec un écart de régimes important. [0032] Le coupleur conique 90 illustré par la figure 3 est composé d'un flasque 91 rapporté sur le pignon fou 82, entraînant en rotation un cône inférieur 92,a et un cône intermédiaire supérieur 92,b , et d'un cône supérieur 92,d solidaire d'un moyeu 94 fixés sur l'arbre de couplage 80, entraînant aussi en rotation un cône intermédiaire inférieur 92,e. [0033] Le flasque 91 est par exemple en tôle, et rapporté sur le pignon fou 82, par soudure ou par un autre moyen. Ce flasque entraîne en rotation un premier cône inférieur 92,a et le second cône intermédiaire supérieur 92,b, grâce aux crans 91,a dans sa périphérie extérieure. Le cône intermédiaire inférieur 92,c, est solidaire en rotation avec le moyeu 94, par une cannelure dans sa périphérie intérieure. Enfin le cône supérieur 92,d est également solidaire du moyeu par l'intermédiaire de dents. [0034] Ce coupleur est auto-assisté, car le couple de glissement et d'adhérence amplifie le serrage et la pression sur les faces de frottement. Le contact des dents du cône supérieur 92,d avec le moyeu 94 est oblique, de sorte que le couple de frottement crée une force axiale induite de serrage des cônes les uns sur les autres. Le couple de frottement des dents du cône supérieur 92,d sur le moyeu 94, crée une force axiale induite de serrage des cônes 92,d ,92,c ,9,b et 92,a les uns sur les autres, en phase de synchronisation ou d'adhérence pendant la phase couplée. La force de serrage des cônes s'ajoute à celle fournie par l'actionneur 100, agissant sur une fourchette de commande 96 du dispositif de couplage 90. [0035] L'effort transmis par la fourchette 96 à l'anneau supérieur 92,d, transite par un roulement 96,a monté dans la fourchette 98. Un ressort 93 repousse l'anneau supérieur 92,d et assure la désactivation complète du coupleur conique lors du recul de la fourchette 96 pour le découplage. Le pignon 82 reprend les efforts axiaux appliqués à la fourchette 98 et induits dans le système pendant la phase de synchronisation. Il prend appui sur une butée à aiguilles. 8 [0036] La figure 4 montre un exemple de chemin de puissance de la machine électrique 60 au différentiel 40, en passant par la deuxième engagée. Ce premier chemin de puissance entre la machine électrique, est préférentiellement utilisé sur les rapports de première et de deuxième. La démultiplication totale pour la machine électrique en passant par le rapport de première, peut dépasser la valeur de 40. Cela permet alors des décollages et le roulage en électrique, ensuite prolongé sur le rapport de deuxième. La puissance limitée d'une machine alimentée en 48V, restreint la vitesse du véhicule. [0037] A partir d'une certaine vitesse, ou lorsque l'accélération demandée par le conducteur est trop forte, le moteur thermique est mis en action. Le groupe motopropulscur fonctionne alors en mode hybride, avec une machine électrique connectée par le deuxième chemin de puissance mieux adapté pour réaliser des gains en consommation. Le premier chemin de puissance est destiné à l'agrément de roulage en électrique, et pour les manoeuvres à faible vitesse. [0038] Combinée à la démultiplication du rapport de première, la démultiplication entre la machine électrique et l'arbre primaire, permet d'atteindre, par la traction électrique, un niveau de couple à la roue suffisant pour déplacer le véhicule en toutes situations. Les éléments de transmission spécifiques à la marche arrière, peuvent être supprimés si l'on utilise le rapport de première en inversant le sens de rotation de la machine électrique. Enfin, l'association de la machine dc traction à un alterno-démarreur, permet un fonctionnement en hybride série, et une utilisation de durée indéterminée, de la marche arrière. [0039] Le second chemin de puissance relie l'arbre 80 à l'arbre secondaire 30, par un moyen de couplage 97 d'un pignon fou 83 en engrènement permanent avec un pignon fixe 31 porté par l'arbre secondaire 30, par l'intermédiaire du pignon fou 22 porté par l'arbre primaire 20. [0040] Dans ce second chemin de puissance (voir figure 5), la transmission de puissance de la machine électrique aux roues, est assurée sur un unique rapport, qui est utilisable sur toute la plage de vitesses de véhicule. La connexion ou la déconnexion de la machine ont lieu en roulant avec le moteur thermique allumé. La machine n'impacte pas l'inertie à synchroniser. Ll n'a pas lieu de la déconnecter lors des changements de rapports. Dans ces conditions, le simple dispositif de synchronisation et de crabotage classique 97 suffit. [0041] L'intérêt de ce deuxième type d'électrification est de pouvoir utiliser la machine électrique pour fournir ou pour prélever de l'énergie délivrée parie moteur thermique, de manière à le placer sur un meilleur point de fonctionnement à faible charge. Au lever de pied, la boîte de vitesses peut être découplée du moteur thermique, grâce à un embrayage automatisé, en arrêtant le moteur, dans un mode dit de « sailing stop ». La machine électrique peut éventuellement maintenir la vitesse du véhicule, ou simuler un 9 frein moteur pour récupérer une partie de l'énergie cinétique du véhicule, ou pour accentuer la récupération, si la pédale de frein est activée. [0042] Les deux types d'électrification disponibles sont complémentaires : le premier est performant pour les prestations roulage et performances en roulage en électrique, et le second pour réduire la consommation. [0043] Le dispositif de traction hybride qui est proposé, présente de nombreux avantages : - la démultiplication globale entre l'arbre rotor de la machine électrique et r arbre primaire, permet d'assurer le couple nécessaire au démarrage du moteur ; - lorsque la démultiplication entre la machine électrique et l'arbre primaire est choisie pour assurer le couple nécessaire au démarrage du moteur, le démarrage est possible en mettant la boîte de vitesses au point mort, et en fermant l'embrayage, si bien que le démarreur classique à pignon peut être supprimé ; - en fermant l'embrayage avec la boîte de vitesses au point mort, la machine électrique peut recharger les batteries du véhicule à l'arrêt lorsqu'elle est entraînée par le moteur thermique ; - combinée à la démultiplication du rapport de première, la démultiplication entre la machine électrique et l'arbre primaire, permet d'atteindre, par la traction électrique, un niveau de couple à la roue suffisant pour déplacer le véhicule en toutes situations ; - la boîte n'a pas besoin de mécanisme spécifique de marche arrière ; - l'association de la machine de traction à un alterno-démarreur permet un fonctionnement en hybride série, et un roulage de durée indéterminée en marche arrière. 10 REVENDICATIONS[Revendication I] Dispositif de traction hybride à double chemin de puissance entre une machine électrique et les roues d'un véhicule, composé d'une boîte de vitesses (1) à arbres parallèles (20, 30), dont un arbre primaire (20) qui transmet la puissance d'un moteur thermique d'entraînement à un arbre secondaire (30) relié aux roues du véhicule, et d'une machine électrique (60), caractérisé en ce que la machine électrique (60) transmet sa puissance sur un rapport unique à un arbre de couplage (80) avec la boîte (1), puis à partir de celui-ci, sélectivement sur l'arbre primaire, ou sur l'arbre secondaire de la boîte. [Revendication 2] Dispositif de traction hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'arbre de couplage (80) porte deux pignons fous (82, 83), transmettrait respectivement la puissance de la machine électrique vers l'arbre primaire (20), et vers l'arbre secondaire (30). [Revendication 3] Dispositif de traction hybride selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte un premier dispositif de couplage (90)assurant le couplage, du premier pignon fou (82) avec un pignon fixe (21) de l'arbre primaire (20) de la boîte (1), et un deuxième dispositif de couplage (97) assurant le couplage du deuxième pignon fou (83) avec un pignon fixe (31) de l'arbre secondaire (30), par l'intermédiaire d'un pignon fou (22) porté par l'arbre primaire (20). [Revendication 4] Dispositif de traction hybride selon la revendication 3, caractérisé en ce que le premier dispositif de couplage (90) est un dispositif sans crabotage. [Revendication 5] Dispositif de traction hybride selon la revendication 4, caractérisé en ce que premier pignon fou (82) engrène de manière permanente avec le plus grand pignon fixe de l'arbre primaire. [Revendication 6] Dispositif de traction hybride selon l'une des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que le premier dispositif de couplage (90) est composé d'un flasque (91) rapporté sur le premier pignon fou (82) entraînant en rotation un cône inférieur (92,a) et un cône intermédiaire supérieur (92,b), et d'un cône supérieur (92,d) solidaire d'un moyeu (94) fixé sur l'arbre de couplage (80), entraînant en rotation un cône intermédiaire inférieur (92,c). [Revendication 7] Dispositif de traction hybride selon l'une des revendications 3 à 6, ca- ractérisé en ce que les deux dispositifs de couplage sont commandés par le même actionneur (100) qui agit. sur un axe commun (95) portant deux 11 [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] fourchettes de commande. Dispositif de traction hybride selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en cc qu'il comprend au moins un arbre intermédiaire de renvoi (73) entre l'arbre de la machine électrique et l'arbre de couplage (80). Dispositif de traction hybride selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en cc que la démultiplication globale entre l'arbre rotor de la machine électrique et l'arbre primaire permet à celle-ci d'assurer le couple nécessaire au démarrage du moteur thermique,lorsque la boîte de vitesses est au point-mort. Dispositif de traction hybride selon la revendication 9, caractérisé en ce que la machine électrique assure la recharge des batteries du véhicule à l'arrêt lorsqu'elle est entraînée par le moteur thermique.