Brevet FR3135766A1 — publié le 20231124

L’invention concerne un dispositif de couplage d’arbres, comportant un arbre principal orienté selon un axe principal (A1), deux pignons fous (22) montés libres en rotation sur l’arbre principal, et un système de couplage (50) interposé entre les deux pignons fous. Selon l’invention, le système de couplage comporte : - un moyeu (540) qui tourne avec l’arbre principal, - un baladeur de sélection (520) monté coulissant par rapport au moyeu entre une position couplée à l’un des pignons fous et une position couplée à l’autre des pignons fous, et - un baladeur de verrouillage (530) monté coulissant par rapport au moyeu entre une position couplée à l’un des pignons fous et une position couplée à l’autre des pignons fous, qui comprend un moyen d’éjection adapté à automatiquement déplacer le baladeur de verrouillage d’une position à l’autre après que le baladeur de sélection a été déplacé d’une position à l’autre. Figure pour l’abrégé : Fig.5 Dispositif de couplage pour réducteur à deux rapports de vitesses Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale les systèmes de couplage d’arbres, permettant de transmettre un couple d’un arbre à l’autre, et notamment les systèmes de réduction de vitesses à prise constante et à deux rapports de vitesses. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de couplage d’arbres, comportant : - un arbre principal orienté selon un axe principal, - deux pignons fous montés libres en rotation sur l’arbre principal autour de l’axe principal, et - un système de couplage interposé entre les deux pignons fous. L’invention concerne également un réducteur de vitesses comportant un dispositif de couplage d’arbres tel que précité, et un véhicule automobile équipé d’un tel réducteur. Elle trouve une application particulièrement avantageuse dans la transmission d’un couple issu d’une machine électrique. Etat de la technique Un moteur à combustion interne développe un couple qui varie avec la vitesse de rotation du vilebrequin. Un tel moteur présente donc une plage d’utilisation restreinte. Dans un véhicule automobile équipé d’un tel moteur, il est alors nécessaire d’associer au moteur une boîte de vitesses. Dans ce domaine, de nombreux systèmes de boîtes de vitesses ont été développés. Généralement, une telle boîte comporte deux arbres pourvus de pignons en vis-à-vis de diamètres différents qui s'engrènent les uns avec les autres, les pignons d'un des arbres étant par exemple montés fou sur cet arbre (c’est-à-dire étant laissés libres en rotation sur cet arbre) alors que les autres sont montés fixes sur l’autre arbre. Afin de passer un rapport de vitesse, ces boîtes de vitesses utilisent des dispositifs de couplage conçus pour coupler l'un des pignons fous avec l'arbre de la boîte de vitesses sur lequel il est monté de manière à égaliser leurs vitesses de rotation. Pour cela, les dispositifs de couplage comprennent généralement un baladeur qui est lié en rotation à l’un des arbres de la boîte et qui est adapté à coulisser sur cet arbre pour venir, au moyen de doigts, craboter une denture d'un pignon fou. Dans un véhicule automobile électrique (ou hybride), la machine électrique est couplée à un réducteur de vitesse. En règle générale, ce réducteur est mono-rapport. Il n’est donc généralement pas prévu de boîte de vitesses. Une machine électrique est en effet adaptée à délivrer un couple sensiblement constant sur une grande plage de vitesses de rotation. Elle peut donc être utilisée avec un tel réducteur dans un véhicule automobile. L’avantage d’un réducteur mono-rapport est qu’il est simple, peu couteux, et ne pose pas de problème de rupture de couple (lors d’un passage de rapports de vitesses). On note toutefois qu’une machine électrique, passé un certain seuil de vitesse de rotation, voit le couple qu’elle peut délivrer se réduire fortement. Alors la puissance qu’elle peut générer sature. En d’autres termes, le couple délivré par un moteur électrique n’est pas constant de manière indéfinie. Associer un réducteur à plusieurs rapports à une telle machine électrique peut donc conserver un intérêt, notamment dans le domaine automobile. Typiquement, un réducteur bi-rapport permet soit de réduire la taille de la machine électrique, soit d’utiliser la machine électrique dans des domaines de régime où sa consommation reste réduite, soit d’implanter la machine électrique sur des véhicules particuliers tels que les véhicules utilitaires susceptibles de déplacer des charges lourdes, ou dans des véhicules de sport pouvant atteindre des vitesses élevées. L’inconvénient d’un réducteur à deux rapports est qu’actuellement, il est complexe, couteux, et lourd, ou qu’il est lent lorsqu’il s’agit de passer d’un rapport à l’autre, ce qui occasionne des ruptures de couple qui ne sont pas compatibles avec le domaine de l’automobile. Présentation de l'invention Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose un réducteur à deux rapports, d’architecture simple et n’occasionnant presqu’aucune rupture de couple lors d’un passage de rapport de vitesses. Plus particulièrement, on propose un dispositif de couplage d’arbres utilisable dans un réducteur de vitesse, qui comporte un arbre principal orienté selon un axe principal, deux pignons fous montés libres en rotation sur l’arbre principal autour de l’axe principal, et un système de couplage interposé entre les deux pignons fous. Selon l’invention, le système de couplage comporte : - un moyeu solidaire en rotation de l’arbre principal, - un baladeur de sélection monté coulissant par rapport au moyeu selon ledit axe principal entre une position couplée à l’un des pignons fous et une position couplée à l’autre des pignons fous, - un organe de déplacement du baladeur de sélection de l’une à l’autre des deux positions couplées, - un baladeur de verrouillage monté coulissant par rapport au moyeu selon ledit axe principal entre une position couplée à l’un des pignons fous et une position couplée à l’autre des pignons fous, et - un moyen d’éjection adapté à automatiquement déplacer le baladeur de verrouillage d’une position couplée à un premier quelconque des pignons fous à l’autre des pignons fous après que le baladeur de sélection a été déplacé de la position couplée au premier des pignons fous à la position couplée à l’autre des pignons fous. Les deux baladeurs permettent donc, ensemble, de coupler l’arbre principal à l’un des pignons fous. L’utilisation de deux baladeurs permet au premier de ces baladeurs (le baladeur de sélection) de venir facilement craboter l’un des pignons fous, avant que l’autre ne vienne bloquer complètement le pignon fou par rapport à l’arbre principal. Le moyen d’éjection est conçu pour que le baladeur de verrouillage ne se déplace que lorsque le crabotage du pignon fou par le baladeur de sélection a eu lieu. Ainsi, grâce à l’invention, l’arbre principal est toujours prévu pour être couplé à l’un des pignons fous, si bien que le réducteur se trouve toujours sur l’un des deux rapports de vitesses. Ainsi, ce réducteur ne présente pas de position neutre stable et n’occasionne donc pas ou peu de rupture de couple, ce qui le rend compatible avec une application sur un véhicule électrique ou hybride. Par ailleurs, l’invention ne nécessite pas de découpler la boite de vitesses de la machine électrique lors du passage d’un rapport, si bien qu’il n’est pas nécessaire de prévoir d’embrayage. Il peut éventuellement être utile d’utiliser un limitateur de couple en lieu et place d’un tel embrayage, pour offrir plus de souplesse au système. Le réglage du limiteur de couple sera alors aisé puisque le changement de rapport pourra être prévu pour intervenir toujours à la même vitesse de rotation. En outre, le changement de rapport s’effectue sans synchronisation des vitesses différentielles entre l’arbre principal et le pignon fou à connecter, ce qui permet d’effectuer un changement de rapport très rapide, sans rupture de couple sensible pour l’usager. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du dispositif de couplage conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - le baladeur de sélection et le baladeur de verrouillage présentent des formes circulaires et sont imbriqués l’un dans l’autre ; - chaque pignon fou comporte au moins un crabot tourné vers l’autre pignon fou ; - le baladeur de sélection et le baladeur de verrouillage comportent des doigts adaptés à craboter les crabots des pignons fous de manière que, lorsque le baladeur de sélection et le baladeur de verrouillage sont en position couplée à un même desdits pignons fous, leurs doigts prennent chaque crabot dudit pignon fou en sandwich ; - chaque pignon fou comporte un nombre de crabots régulièrement répartis autour de l’axe principal qui est supérieur ou égal à deux ; - le baladeur de sélection et le baladeur de verrouillage comportent un nombre de doigts régulièrement répartis autour de l’axe principal identique au nombre de crabots de chaque pignon fou ; - l’espace angulaire autour de l’axe principal délimité entre deux crabots est strictement supérieur à deux fois l’espace angulaire autour de l’axe principal occupé par un doigt du baladeur de sélection ; - le moyeu présente plusieurs encoches en creux dans sa face externe et réparties autour de l’axe principal, adaptées à guider le coulissement des doigts du baladeur de sélection et du baladeur de verrouillage ; - ledit moyen d’éjection est adapté à mécaniquement déplacer le baladeur de verrouillage après que le baladeur de sélection a été déplacé jusqu’à la position couplée à l’autre des pignons fous ; - chaque pignon fou présente une rampe et ledit moyen d’éjection comporte sur le baladeur de verrouillage au moins deux rampes adaptées à venir glisser contre la rampe de l’un quelconque des pignons fous après que le baladeur de sélection a été déplacé jusqu’à la position couplée à l’autre des pignons fous ; - le baladeur de verrouillage comporte des moyens d’indexation adaptés à le bloquer selon l’axe principal (de préférence par rapport au moyeu) lorsque le moyen d’éjection est inactif ; - les moyens d’indexation comprennent, sur l’un des baladeur de verrouillage et moyeu, au moins un élément en saillie, préférentiellement un élément roulant, qui navigue dans une rainure lors du passage du baladeur de verrouillage d’une position couplée à l’autre, ladite rainure présentant une profondeur variable et étant prévue en creux dans l’autre des baladeur de verrouillage et moyeu ; - le baladeur de sélection et le baladeur de verrouillage sont conformés de telle manière que, pour passer d’une position couplée à l’autre, le baladeur de sélection parcourt une distance strictement supérieure à la distance parcourue par le baladeur de verrouillage pour passer d’une position couplée à l’autre, de préférence deux fois supérieure. L’invention concerne aussi un réducteur de vitesse comportant un arbre primaire qui porte des pignons fixes par rapport à lui, et un dispositif de couplage tel que précité, dont les pignons fous engrènent lesdits pignons fixes. L’invention concerne aussi un véhicule automobile comportant une machine électrique, un différentiel, des roues motrices couplées au différentiel, et entre la machine électrique et le différentiel, un limiteur de couple dont une entrée est couplée à la machine électrique, un réducteur de vitesse tel que précité dont l’un des arbres primaire et principal est couplé à la sortie du limiteur de couple et dont l’autre des arbres primaire et principal est couplé au différentiel. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. Dispositif de couplage (20) d’arbres, comportant un arbre principal (21) orienté selon un axe principal (A1), deux pignons fous (22, 23) montés libres en rotation sur l’arbre principal (21) autour de l’axe principal (A1), et un système de couplage (50) interposé entre les deux pignons fous (22, 23), caractérisé en ce que le système de couplage (50) comporte : - un moyeu (540) solidaire en rotation de l’arbre principal (21), - un baladeur de sélection (520) monté coulissant par rapport au moyeu (540) selon ledit axe principal (A1) entre une position couplée à l’un des pignons fous (22, 23) et une position couplée à l’autre des pignons fous (22, 23), - un organe (510) de déplacement du baladeur de sélection (520) de l’une à l’autre des deux positions couplées, - un baladeur de verrouillage (530) monté coulissant par rapport au moyeu (540) selon ledit axe principal (A1) entre une position couplée à l’un des pignons fous (22, 23) et une position couplée à l’autre des pignons fous (22, 23), et - un moyen d’éjection (534) adapté à automatiquement déplacer le baladeur de verrouillage (530) d’une position couplée à un premier quelconque des pignons fous (22, 23) à l’autre des pignons fous (22, 23) après que le baladeur de sélection (520) a été déplacé de la position couplée au premier des pignons fous (22, 23) à la position couplée à l’autre des pignons fous (22, 23). Dispositif de couplage (20) selon la revendication 1, dans lequel chaque pignon fou (22, 23) comporte au moins un crabot (220, 230) tourné vers l’autre pignon fou (22, 23), et dans lequel le baladeur de sélection (520) et le baladeur de verrouillage (530) comportent des doigts (521, 531) adaptés à craboter les crabots (220, 230) des pignons fous (22, 23) de manière que, lorsque le baladeur de sélection (520) et le baladeur de verrouillage (530) sont en position couplée à un même desdits pignons fous (22, 23), leurs doigts (521, 531) prennent chaque crabot (220, 230) dudit pignon fou (22, 23) en sandwich. Dispositif de couplage (20) selon la revendication 2, dans lequel chaque pignon fou (22, 23) comporte un nombre de crabots (220, 230) régulièrement répartis autour de l’axe principal (A1) qui est supérieur ou égal à deux, et dans lequel le baladeur de sélection (520) et le baladeur de verrouillage (530) comportent un nombre identique de doigts régulièrement répartis autour de l’axe principal (A1). Dispositif de couplage (20) selon la revendication 3, dans lequel l’espace angulaire autour de l’axe principal (A1) délimité entre deux crabots (220, 230) est strictement supérieur à deux fois l’espace angulaire autour de l’axe principal (A1) occupé par un doigt (521) du baladeur de sélection (520). Dispositif de couplage (20) selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel le moyeu (540) présente plusieurs encoches en creux dans sa face externe et réparties autour de l’axe principal (A1), adaptées à guider le coulissement des doigts (521, 531) du baladeur de sélection (520) et du baladeur de verrouillage (530). Dispositif de couplage (20) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel ledit moyen d’éjection (534) est adapté à mécaniquement déplacer le baladeur de verrouillage (530) après que le baladeur de sélection (520) a été déplacé jusqu’à la position couplée à l’autre des pignons fous (22, 23). Dispositif de couplage (20) selon les revendications 2 et 6, dans lequel chaque pignon fou (22, 23) présente une rampe (221, 231) et ledit moyen d’éjection (534) comporte sur le baladeur de verrouillage (530) au moins deux rampes (531) adaptées à venir glisser contre la rampe (221, 231) de l’un quelconque des pignons fous (22, 23) après que le baladeur de sélection (520) a été déplacé jusqu’à la position couplée à l’autre des pignons fous (22, 23). Dispositif de couplage (20) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le baladeur de verrouillage (530) comporte des moyens d’indexation (536) adaptés à bloquer le baladeur de verrouillage (530) selon l’axe principal (A1) lorsque le moyen d’éjection (534) est inactif. Dispositif de couplage (20) selon la revendication 8, dans lequel les moyens d’indexation (536) comprennent, sur l’un des baladeur de verrouillage (530) et moyeu (540), au moins un élément en saillie, préférentiellement un élément roulant, qui navigue dans une rainure (546) lors du passage du baladeur de verrouillage (530) d’une position couplée à l’autre, ladite rainure (546) présentant une profondeur variable et étant prévue en creux dans l’autre des baladeur de verrouillage (530) et moyeu (540). Dispositif de couplage (20) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le baladeur de sélection (520) et le baladeur de verrouillage (530) sont conformés de telle manière que, pour passer d’une position couplée à l’autre, le baladeur de sélection (520) parcourt une distance strictement supérieure à la distance parcourue par le baladeur de verrouillage (530) pour passer d’une position couplée à l’autre, de préférence deux fois supérieure. Réducteur de vitesse (1) comportant un arbre primaire (10) qui porte des pignons fixes (12, 13), caractérisé en ce qu’il comporte en outre un dispositif de couplage (20) conforme à l’une des revendications 1 à 10, dont les pignons fous (22, 23) engrènent lesdits pignons fixes (12, 13). Véhicule automobile comportant une machine électrique, un différentiel (30) et des roues motrices couplées au différentiel (30), caractérisé en ce qu’il comporte en outre, entre la machine électrique et le différentiel (30), un limiteur de couple (11) dont une entrée est couplée à la machine électrique, un réducteur de vitesse (1) conforme à la revendication 11, dont l’un des arbres primaire (10) et principal (21) est couplé à la sortie du limiteur de couple (11) et dont l’autre des arbres primaire (10) et principal (21) est couplé au différentiel (30).