Brevet FR3115240A1 — publié le 20220422

Boîte de vitesses hybride à trains d’engrenage, comprenant : - un premier arbre primaire (1) et un deuxième arbre primaire (2) concentrique au premier arbre primaire (1), - une première machine électrique (11) couplée en permanence au premier arbre primaire (1), - une deuxième machine électrique (22) dimensionnée pour une puissance maximale supérieure à la première machine électrique (11) et couplée en permanence au deuxième arbre primaire (2), le premier arbre primaire (1) comprenant une première extrémité (3) destinée à être couplée à un vilebrequin d’un moteur à combustion, et la deuxième machine électrique (22) comprenant un rotor (5) concentrique au premier arbre primaire (1), ce rotor (5) étant positionné du côté de la première extrémité (3). Figure 1. BOITE DE VITESSES COMPRENANT UNE MACHINE ELECTRIQUE MOTRICE L’invention concerne une boîte de vitesses hybride, et notamment un véhicule à propulsion hybride comprenant une telle boîte de vitesses. On comprendra par boîte de vitesses hybride, dans tout le texte de ce document, une boîte de vitesses comprenant : - un moyen de couplage à un moteur à combustion et - au moins une machine motrice électrique couplée à l’un des arbres de la boîte de vitesses. Il existe différentes architectures de boites de vitesses hybrides, notamment comprenant deux machines électriques. Ces solutions sont avantageuses car elles permettent de diminuer les émissions polluantes du moteur à combustion, et sont intéressantes en terme de coût lorsqu’elles sont associées à un moteur à combustion ayant un faible couple, comme les moteurs à combustion atmosphériques. Par exemple, la partie mécanique de la boite de vitesses hybride est un simple train épicycloïdal, mais l’agrément et la consommation de carburant sur autoroute ne sont pas satisfaisantes. On connait du document de brevet EP-A1-3160786 une boîte de vitesses hybride à rapports discrets comprenant deux machines électriques : - une première machine électrique est couplée au moteur à combustion et se charge de la génération de courant, du redémarrage moteur à combustion, et de la synchronisation des arbres de la boîte de vitesses avec le moteur à combustion pour les changements de rapports, - une deuxième machine électrique est couplée aux roues et assure la traction du véhicule en mode de roulage entièrement électrique, le décollage du véhicule en marche avant et en marche arrière, et fourni du couple à la roue lorsque le moteur à combustion change de rapports pour éviter une rupture de couple. Il n’y a pas d’embrayage ni de synchronisateurs, la première machine électrique assurant la synchronisation des rapports en venant aligner le régime du moteur à combustion à celui de la boîte de vitesses. Le moteur à combustion bénéficie de 4 rapports de réduction, et la deuxième machine électrique de 2 rapports de réduction. Malheureusement l’architecture présentée est encombrante, notamment du fait que la deuxième machine électrique est à une extrémité de la boîte opposée à celle couplée au moteur à combustion. Le but de l’invention est de diminuer l’encombrement d’une telle boîte de vitesses. A cet effet, l’invention a pour objet une boîte de vitesses hybride à trains d’engrenage, comprenant : - un premier arbre primaire et un deuxième arbre primaire concentrique au premier arbre primaire, - une première machine électrique couplée en permanence au premier arbre primaire, - une deuxième machine électrique dimensionnée pour une puissance maximale supérieure à la première machine électrique et couplée en permanence au deuxième arbre primaire, le premier arbre primaire comprenant une première extrémité destinée à être couplée à un vilebrequin d’un moteur à combustion, et la deuxième machine électrique comprenant un rotor concentrique au premier arbre primaire tel que ce rotor est positionné du côté de la première extrémité. Ainsi cette deuxième machine électrique peut être agencée autour du moteur à combustion, ou de l’un des éléments du moteur à combustion, diminuant ainsi l’encombrement de la boîte de vitesses selon l’axe du premier arbre primaire. On comprendra par arbre primaire dans tout le texte de ce document, un arbre de la boîte de vitesses recevant un couple d’un ou plusieurs moteurs, par exemple à combustion ou électriques, avant que ce couple ne soit redistribué à un arbre secondaire via les différents trains d’engrenage correspondants aux différentes vitesses de la boîte. Le terme « avant » se comprendra par rapport à un sens de distribution de ce couple de la machine vers l’arbre secondaire. On comprendra par couplage en permanence, dans tout le texte de ce document, une transmission de couple qui ne peut être interrompue. Par exemple, ce couplage permanant est réalisé par un moyen de couplage dépourvu de dispositif de découplage, par exemple sans embrayage, sans crabot. Ce moyen de couplage est par exemple un train de deux pignons fixes, ou une liaison cannelée ou soudée ou frittée ou vissée ou rivetée de pièces tournant autour d’un même axe. Selon un mode de réalisation de l’invention, le deuxième arbre primaire est un arbre creux dans lequel tourne coaxialement le premier arbre primaire. Selon un mode de réalisation de l’invention, la deuxième machine électrique est une machine motrice. On comprendra par machine motrice, dans tout le texte de ce document, une machine apte à transmettre une puissance suffisante à l’un des arbres primaires pour que l’arbre secondaire puisse entrainer l’organe auquel il est raccordé, par exemple le différentiel d’un train de roues d’un véhicule. Par exemple, le maximum de cette puissance est supérieur ou égale à 30 KW, notamment supérieur à 35 KW, ou encore 80 KW voire 100 KW. Par exemple, cette puissance maximale ne sera pas inférieure à 20 KW. Selon un mode de réalisation de l’invention, la première machine électrique est une génératrice réversible apte à redémarrer le moteur à combustion. Par exemple la puissance maximale de la première machine électrique est inférieure à 35 KW, notamment 30 KW voire 20 KW. Par exemple cette puissance maximale de la première machine électrique ne sera pas inférieure à 3 KW. Par exemple, en variante, la première machine électrique a sa puissance maximale entre 2 à 7 fois inférieure à la puissance maximale de la deuxième machine électrique. Selon un mode de réalisation de l’invention, cette boîte comprend : - un arbre secondaire, - un ensemble de premiers trains d’engrenage crabotables et un ensemble de deuxièmes trains d’engrenage crabotables couplant l’arbre secondaire respectivement au premier et deuxième arbre primaire, et le deuxième arbre primaire comprend deux pignons fixes de deux deuxièmes trains d’engrenage. Selon une première variante de réalisation de l’invention, le premier arbre primaire comprend quatre pignons fous de quatre premiers trains d’engrenage. Selon une deuxième variante de réalisation de l’invention, le premier arbre primaire comprend deux pignons fous et deux pignons fixes de quatre premiers trains d’engrenage. On comprendra par pignon fixe, dans tout le texte de ce document, un pignon qui ne peut pas tourner par rapport à l’arbre qui le porte. Au contraire, un pignon fou est un pignon tournant par rapport à l’arbre qui le porte, et éventuellement crabotable à cet arbre. Selon un mode de réalisation de l’invention, le rotor comprend un évidement apte à loger un élément du moteur à combustion. L’invention a également pour objet un groupe motopropulseur comprenant un moteur à combustion et une boîte de vitesses hybride telle que précédemment décrite, le moteur à combustion étant couplé de façon permanente à la première extrémité. Selon un mode de réalisation de l’invention, le moteur à combustion comprend un élément de filtration des acyclismes de combustion, l’évidement logeant en partie l’élément de filtration. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles : : La figure 1, représente une vue en coupe longitudinale d’une boîte de vitesses selon la première variante de l’invention, dans un plan passant par l’axe du premier arbre primaire et de l’arbre secondaire. : La figure 2, représente une vue en coupe longitudinale d’une boîte de vitesses selon la deuxième variante de l’invention, dans un plan passant par l’axe du premier arbre primaire et de l’arbre secondaire. Il est à garder à l’esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l’invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En outre, dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en combinaison. Quand il est fait référence à une ou des figures spécifiques, ces figures sont à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées. Les références des éléments inchangés ou ayant la même fonction sont communes à toutes les figures, et les variantes de réalisation. Les figures divulguent une boîte de vitesses hybride à trains d’engrenage 7, 8, 9, 10, 12, 13, comprenant : - un premier arbre primaire 1 et un deuxième arbre primaire 2 concentrique au premier arbre primaire 1, - une première machine électrique 11 couplée en permanence au premier arbre primaire 1, - une deuxième machine électrique 22 dimensionnée pour une puissance maximale supérieure à la première machine électrique 11 et couplée en permanence au deuxième arbre primaire 2, le premier arbre primaire 1 comprenant une première extrémité 3 destinée à être couplée à un vilebrequin d’un moteur à combustion, et la deuxième machine électrique 22 comprenant un rotor 5 concentrique au premier arbre primaire 1. Ce rotor 5 est positionné du côté de la première extrémité 3. Ce rotor 5 est par exemple solidarisé au deuxième arbre primaire 2 de sorte à réaliser l’accouplement permanant de la deuxième machine motrice 22 au deuxième arbre primaire 2. La boîte de vitesses comprend un carter 4 délimitant un espace interne contenant les trains d’engrenage 7, 8, 9, 10, 12, 13. La première extrémité 3 est par exemple une partie du premier arbre primaire 1 sortant de cet espace interne. Cette première extrémité 3 traverse le rotor 5. Ce carter 4 comprend en outre une interface de fixation 19 apte à fixer la boîte de vitesses à un carter du moteur à combustion. Cette interface de fixation 19 est par exemple porté par une paroi 20 issue du carter 4 se prolongeant jusqu’au carter du moteur à combustion. En variante, cette interface 19 est un carter rapporté. Cette paroi 20 forme par exemple une cloche. Les stators des premières et deuxièmes machines électriques sont fixés sur ce carter 4 de la boîte de vitesses. Par exemple, le stator de la deuxième machine 22 est fixé à l’intérieur de la cloche, sur la paroi 20. Par exemple, le stator de la première machine 11 est fixé sur le carter 4 dans l’espace interne. Par exemple, le stator de la première machine 11 est fixé sur le carter 4 à l’extérieur de l’espace interne. Le deuxième arbre primaire 2 est un arbre creux dans lequel tourne coaxialement le premier arbre primaire 1. Par exemple la boîte de vitesses comprend deux roulements a aiguilles insérés entre le premier arbre primaire 1 et le deuxième arbre primaire 2. Ainsi le premier arbre primaire 1 guide en rotation le deuxième arbre primaire 2. Les deux roulements à aiguilles forment ainsi deux paliers pour le deuxième arbre primaire 2. Ce deuxième arbre primaire 2 comprend une deuxième extrémité du même côté que la première extrémité 3, cette deuxième extrémité sortant de l’espace interne en traversant la paroi du carter 4, cette paroi comprenant un palier de guidage en rotation du deuxième arbre primaire 2, et qui, via l’un des deux roulements à aiguilles en vis-à-vis de ce palier de guidage, guide également en rotation le premier arbre primaire 1. La deuxième machine électrique 22 est une machine motrice, dont la puissance maximale est, par exemple, supérieure ou égale à 30 KW, notamment supérieur à 35 KW, ou encore 80 KW voire 100 KW. Par exemple, cette puissance maximale ne sera pas inférieure à 20 KW. Cette deuxième machine électrique 22 est par exemple réversible et peut se transformer en génératrice, notamment pour une application pour un véhicule avec un système de freinage à récupération d’énergie cinétique. Cette deuxième machine électrique 22 est en outre apte à changer de sens de rotation, et peut donc entrainer le deuxième arbre primaire 2 en marche avant et en marche arrière, pour un véhicule automobile. Cette boîte de vitesses n’a donc pas besoin d’avoir un train d’engrenage spécifique pour inverser le sens de rotation d’un arbre primaire pour la marche arrière d’un véhicule, contrairement à une boîte de vitesses non hybride, c’est-à-dire ne comprenant pas de machines électriques et couplée à un unique moteur à combustion. La première machine électrique 11 est une génératrice réversible apte à redémarrer le moteur à combustion. Par exemple la puissance maximale de la première machine électrique 11 est inférieure à 35 KW, notamment 30 KW voire 20 KW. Par exemple cette puissance maximale de la première machine électrique ne sera pas inférieure à 3 KW. Par exemple, en variante, la première machine électrique 11 a sa puissance maximale entre 2 à 7 fois inférieure à la puissance maximale de la deuxième machine électrique 22. La boîte de vitesses comprend : - un arbre secondaire 6, - un ensemble de premiers trains d’engrenage crabotables 7, 8, 9, 10 et ensemble de deuxièmes trains d’engrenage crabotables 12, 13, couplant l’arbre secondaire 6 respectivement au premier 1 et deuxième 2 arbre primaire. On notera que les première et deuxième machines électriques 11, 22, sont couplées chacune à un arbre primaire distinct. Ainsi ces machines électriques 11, 12, sont aptes à synchroniser la vitesse de rotation de l’un et l’autre des deux arbres primaires 1, 2 avec la vitesse en rotation de l’arbre secondaire 6. Ainsi un simple crabot suffit pour engager une vitesse de la boîte de vitesses, c’est-à-dire craboter l’un des trains de la série de premiers 7, 8, 9, 10 ou deuxièmes 12, 13 trains d’engrenage. Avantageusement, cette boîte de vitesses n’aura donc pas de moyens de synchronisation autre que le pilotage de la première et deuxième machine électrique 11, 22, et donc pas de cône de synchronisation, ni d’embrayage de synchronisation. Comme explicité précédemment, cette boîte de vitesses n’a pas de train d’engrenage spécifique pour inverser le sens de rotation d’un arbre primaire pour la marche arrière d’un véhicule. Ses trains d’engrenage 7, 8, 9, 10, 12, 13 correspondent donc chacun à un rapport de marche avant du véhicule, la marche arrière étant réalisée par l’inversion du sens de rotation de la deuxième machine motrice 22. Cette boîte de vitesses illustrée sur les figures 1 et 2, comprend : - quatre vitesses dites « vitesses du moteur thermique » correspondant à quatre premiers trains 7, 8, 9, 10, ces trains 7, 8, 9, 10 transmettant un couple moteur du premier arbre primaire 1 à l’arbre secondaire 6 selon qu’ils sont crabotés ou décrabotés, - et deux vitesses dites « vitesses électriques » correspondant aux deux deuxièmes trains 12, 13, ces trains 12, 13 transmettant le couple moteur du deuxième arbre primaire 2 à l’arbre secondaire 6 selon qu’ils sont crabotés ou décrabotés. On notera que parmi l’ensemble des premiers trains 7, 8, 9, 10, un seul train à la fois sera craboté. On notera également que parmi l’ensemble des deuxièmes trains 12, 13, un seul train à la fois sera craboté. Cependant, il est avantageux de craboter un des premiers trains 7, 8, 9, 10 en même temps que l’un des deuxièmes trains 12, 13, ceci permettant de transmettre à l’arbre secondaire 6 le couple issu de la deuxième machine électrique 22 en plus du couple issu du moteur à combustion. Mais d’autres architectures plus simples sont envisageables. Par exemple, on peut envisager un unique premier train, qui est craboté uniquement lorsque le véhicule roule au-delà d’un seuil de vitesse, par exemple 50 Km/h, ou encore 70 Km/h. Cet unique premier train peut être envisagé en combinaison avec les deux deuxièmes trains 12, 13, la deuxième machine électrique 22 entrainant le véhicule sur une plage de vitesses plus grande, partant de 0 Km/h. Chaque premier ou deuxième train d’engrenage comprend un pignon fixe sur un arbre primaire 1, 2 ou l’arbre secondaire 6, et respectivement engrené par un pignon fou crabotable sur l’arbre secondaire 6 ou un arbre primaire 1, 2. La boîte de vitesses comprend donc des moyens de crabotages pour craboter ces premiers et deuxièmes trains, connus de l’homme du métier : par exemple chaque pignon fou comprend une couronne dentée sur un côté, le moyen de crabotage étant une bague intérieurement cannelée et coulissant en prise sur une cannelure de l’arbre qui lui est associé et qui porte le pignon fou, cette bague venant en prise avec la couronne dentée lorsqu’elle est dans une position extrême. Sur les exemples illustrés, le deuxième arbre primaire 2 comprend deux pignons fixes 14, 15 de deux deuxièmes trains 12, 13 d’engrenage. Ces deux pignons fixes 14, 15 sont donc associés (engrenés) chacun à un pignon fou porté par l’arbre secondaire 6. La figure 1 illustre une première variante, le premier arbre primaire 1 comprenant quatre pignons fous de quatre premiers trains d’engrenage 7, 8, 9, 10. Ainsi ces quatre pignons fous sont associés chacun à un pignon fixe porté par l’arbre secondaire 6. La figure 2 illustre une deuxième variante, le premier arbre primaire 1 comprenant deux pignons fous et deux pignons fixes de quatre premiers trains d’engrenage 7, 8, 9, 10. Ainsi ces deux pignons fous portés par l’arbre primaire 1 sont associés chacun à un pignon fixe porté par l’arbre secondaire 6, et les deux pignons fixes portés par l’arbre primaire 1 sont associés chacun à un pignon fou porté par l’arbre secondaire 6. Avantageusement, chaque train des premiers trains aura un rapport de réduction ou de démultiplication distinct des autres. De même pour les deuxièmes trains. Cette boîte de vitesses comprend en outre un train d’engrenage supplémentaire 21, réalisant le couplage permanant entre la première machine électrique 11 et le premier arbre primaire 1. Ce train supplémentaire 21 comprend un premier pignon fixe par rapport à un arbre de sortie de la première machine électrique 11, par exemple l’arbre de son rotor, et un deuxième pignon fixe par rapport au premier arbre primaire 1, engrené en permanence par le premier pignon fixe. Ce train supplémentaire 21 est par exemple disposé au centre du premier arbre primaire 1, mais ce n’est pas obligatoire. Comme l’illustre la figure 1, ce train supplémentaire 21 est par exemple disposé entre l’ensemble des premiers trains 7, 8, 9, 10 et l’ensemble des deuxièmes trains 12, 13. Mais en variante, et comme illustré sur la figure 2, le deuxième pignon fixe peut être en commun avec l’un des premiers trains 7, 8, 9, 10, notamment le train 10 le plus proche du deuxième arbre primaire 2. Ainsi, ce deuxième pignon fixe est également le pignon fixe de l’un des premiers trains, notamment le train 10. Le rotor de la première machine électrique 11 forme un axe X11. Le premier arbre primaire 1 et le deuxième arbre primaire 2 forment un axe commun X12. L’arbre secondaire 6 forme un axe XS. Ces trois axes X11, X12, XS sont parallèles. La boîte de vitesse comprend par exemple un différentiel 23 comprenant une grande couronne tournant autour d’un axe XD, cette grande couronne étant elle-même engrenée par un pignon fixe de différentiel solidaire de l’arbre secondaire 6. Cet axe XD est également parallèle aux axes X11, X12, XS, mais ce n’est pas obligatoire. Selon l’invention, le rotor 5 comprend un évidement 18 apte à loger un élément du moteur à combustion. Cette invention s’applique avantageusement à un groupe motopropulseur comprenant le moteur à combustion, et comprenant la boîte de vitesses hybride telle que précédemment décrite. Le moteur à combustion est couplé de façon permanente à la première extrémité 3. En effet, cette architecture de boîte de vitesses hybride permet de supprimer l’embrayage habituellement utilisé entre un moteur à combustion et sa boîte de vitesses : pour découpler le moteur à combustion de l’arbre secondaire 6, il suffit que les premiers trains 7, 8, 9, 10 ne soient pas crabotés, la première machine électrique 11 peut alors démarrer le moteur à combustion. Le décollage du véhicule se fait en outre par crabotage de l’un des deuxièmes trains 12, 13 et l’action de la deuxième machine électrique 22. Une fois le véhicule décollé au-dessus d’une vitesse seuil, par exemple 10 Km/h, la synchronisation du premier arbre primaire 1 avec le second arbre primaire 2 sera toujours possible par l’action en combinaison ou séparément de la première machine électrique 11 et du moteur à combustion, il est alors possible de craboter l’un des premiers trains 7, 8, 9, 10 et donc de coupler le moteur thermique à l’arbre secondaire 6 sans utiliser d’embrayage. Le moteur à combustion comprend un élément de filtration des acyclismes de combustion 16, 17. Cet élément comprend par exemple un volant moteur à inertie16 centré sur l’axe X12, et un amortisseur d’oscillations radiales 17 de type ressort également centré sur l’axe X12 et dont une bague interne cannelée est en prise permanente avec une cannelure correspondante sur la première extrémité 3. L’évidement 18 loge en partie l’élément de filtration 16, 17, notamment l’amortisseur d’oscillations radiales 17. Ce rotor 5 comprend par exemple un moyeu autour duquel sont disposés des aimants permanents ou des bobinages selon la technologie de la deuxième machine électrique 22, le moyeu formant une cloche, et le creux de la cloche le logement 18. Ainsi, on peut constater que cette boîte de vitesse hybride peut être conçue à partir de l’architecture d’une boîte de vitesses manuelle à trains d’engrenage et arbres parallèles, sans grandes modifications : L’arbre intermédiaire de marche arrière est physiquement remplacé par la première machine électrique 11, la deuxième machine électrique 22 est insérée à la place de l’embrayage, et le deuxième arbre primaire 2 creux et rajouté en chaussant le premier arbre primaire 1. Cette nouvelle architecture permet de concevoir une boîte de vitesses hybride compacte, à moindre coût, sans sacrifier aucune des fonctions d’une boîte de vitesses hybride. Boîte de vitesses hybride à trains d’engrenage, comprenant : - un premier arbre primaire (1) et un deuxième arbre primaire (2) concentrique au premier arbre primaire (1), - une première machine électrique (11) couplée en permanence au premier arbre primaire (1), - une deuxième machine électrique (22) dimensionnée pour une puissance maximale supérieure à la première machine électrique (11) et couplée en permanence au deuxième arbre primaire (2), le premier arbre primaire (1) comprenant une première extrémité (3) destinée à être couplée à un vilebrequin d’un moteur à combustion, et la deuxième machine électrique (22) comprenant un rotor (5) concentrique au premier arbre primaire (1), caractérisé en ce que ce rotor (5) est positionné du côté de la première extrémité (3). Boîte de vitesses selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le deuxième arbre primaire (2) est un arbre creux dans lequel tourne coaxialement le premier arbre primaire (1). Boîte de vitesses selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la deuxième machine électrique (22) est une machine motrice. Boîte de vitesses selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première machine électrique (11) est une génératrice réversible apte à redémarrer le moteur à combustion. Boîte de vitesses selon l’une des revendications précédentes, cette boîte comprenant : - un arbre secondaire (6), - un ensemble de premiers trains d’engrenage crabotables ( 7, 8, 9, 10 ) et un ensemble de deuxièmes trains d’engrenage crabotables (12, 13) couplant l’arbre secondaire (6) respectivement au premier (1) et deuxième (2) arbre primaire, caractérisée en ce que le deuxième arbre primaire (2) comprend deux pignons fixes (14, 15) de deux deuxièmes trains (12, 13) d’engrenage. Boîte de vitesses selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier arbre primaire (1) comprend quatre pignons fous de quatre premiers trains d’engrenage (7, 8, 9, 10). Boîte de vitesses selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier arbre primaire (1) comprend deux pignons fous et deux pignons fixes de quatre premiers trains d’engrenage (7, 8, 9, 10). Boîte de vitesses selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rotor (5) comprend un évidement (18) apte à loger un élément du moteur à combustion. Groupe motopropulseur comprenant un moteur à combustion, caractérisé en ce qu’il comprend une boîte de vitesses hybride selon l’une des revendications précédentes, le moteur à combustion étant couplé de façon permanente à la première extrémité (3). Groupe motopropulseur selon la revendication 9 en combinaison avec la revendication 8, le moteur à combustion comprenant un élément de filtration des acyclismes de combustion (16, 17), caractérisé en ce que l’évidement (18) loge en partie l’élément de filtration (16, 17).