Brevet FR3136024A1 — publié le 20231201

L’invention concerne un dispositif de couplage d’arbres, comportant un arbre principal orienté selon un axe principal (A1), deux pignons fous 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) solidaire en rotation de 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, - 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, et - des moyens de rappel élastique (550, 551) qui, au repos, maintiennent les baladeurs à la même hauteur et qui, sous contrainte, autorisent un décalage en hauteur des baladeurs. Figure pour l’abrégé : Fig.2 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 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 susceptible de n’occasionner presqu’aucune rupture de couple lors d’un passage de rapport de vitesses. Plus particulièrement, on propose selon l’invention un dispositif de couplage tel que défini dans l’introduction, dans lequel 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 - des moyens de rappel élastique qui sont adaptés à rappeler le baladeur de verrouillage dans une position couplée au même pignon fou que le baladeur de sélection. En d’autres termes, au repos, les moyens de rappel élastique maintiennent le baladeur de sélection et le baladeur de verrouillage à une même hauteur selon l’axe principal alors que, sous contrainte, ils autorisent un décalage en hauteur du baladeur de sélection par rapport au baladeur de verrouillage. Selon l’invention, le baladeur de sélection permet donc, grâce à l’organe de déplacement, de passer un rapport de vitesses lorsqu’il est déplacé d’une position couplée à l’autre. De son côté, le baladeur de verrouillage permet de verrouiller chaque rapport de vitesses. Les moyens de rappel élastique permettent quant à eux, lors d’un passage de rapport de vitesses, de laisser le baladeur de sélection se déplacer jusqu’à sa position couplée au nouveau pignon fou quand bien même le baladeur de verrouillage était entravé dans son déplacement par cet autre pignon fou (ou vis versa). La cinématique de ces différents composants sera bien détaillée dans la description des figures. On pourra noter que, de manière préférentielle, cette architecture permettra de placer les deux baladeurs dans une position neutre, entre les deux pignons fous, de façon qu’ils ne soient couplés à aucun de ces pignons fous. Cette position neutre pourra être utilisée de différentes manières. Elle pourra par exemple être utilisée pour, lors d’un passage de rapport de vitesses, venir synchroniser les vitesses angulaires des baladeurs avec celle du pignon fou à craboter. Elle pourra également être utilisée, dans un véhicule hybride, pour ne plus entraîner la machine électrique durant les phases où il est préférable que la motricité du véhicule soit réalisée uniquement par le moteur à combustion interne. 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 : - 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 ; - les doigts du baladeur de sélection et du baladeur de verrouillage présentant une première extrémité tournée vers l’un des pignons fous et une seconde extrémité tournée vers l’autre des pignons fous, la distance mesurée selon l’axe principal séparant les deux extrémités de chaque doigt est strictement inférieure à la distance séparant les crabots de l’un des pignons fous des crabots de l’autre des pignons fous ; - il est prévu un calculateur qui est programmé pour piloter ledit organe dans trois positions stables, dont une première position dans laquelle le baladeur de sélection est en position couplé à l’un des pignons fous, une seconde position dans laquelle le baladeur de sélection est couplé à l’autre des pignons fous, et une troisième position intermédiaire dans laquelle le baladeur de sélection n’est couplé à aucun des pignons fous ; - 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 identique de doigts régulièrement répartis autour de l’axe principal ; - 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 ; - le baladeur de verrouillage est situé à l’intérieur du baladeur de sélection, entre deux butées du baladeur de sélection, et les moyens de rappel élastique comportent des éléments interposés entre chaque butée et le baladeur de sélection ; - lesdits éléments sont des ressorts, de préférence au nombre de trois paires ou plus, chaque paire de ressorts comportant un ressort comprimé entre l’une des butées et le baladeur de sélection et un ressort comprimé entre l’autre des butées et le baladeur de sélection ; - chaque pignon fou présente une rampe et le baladeur de verrouillage comporte au moins deux rampes respectivement adaptées à venir glisser contre les rampes de l’un premier des pignons fous après que le baladeur de sélection a été déplacé jusqu’à la position couplée à ce premier pignon fou. L’invention propose également un réducteur de vitesse comportant un arbre primaire qui porte des pignons fixes et un dispositif de couplage tel que précité dont les pignons fous engrènent lesdits pignons fixes. L’invention propose 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 réducteur de vitesse tel que précité, dont l’un des arbres primaire et principal est couplé à la machine électrique 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 - des moyens de rappel élastique (550, 551) qui sont adaptés à rappeler le baladeur de verrouillage (530) dans une position couplée au même pignon fou (22, 23) que le baladeur de sélection (520). 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, les doigts (521, 531) du baladeur de sélection (520) et du baladeur de verrouillage (530) présentant une première extrémité tournée vers l’un des pignons fous (22, 23) et une seconde extrémité tournée vers l’autre des pignons fous (22, 23), la distance mesurée selon l’axe principal (A1) séparant les deux extrémités de chaque doigt (521, 531) est strictement inférieure à la distance séparant les crabots (220, 230) de l’un des pignons fous (22, 23) des crabots (220, 230) de l’autre des pignons fous (22, 23). Dispositif de couplage (20) selon la revendication 3, dans lequel il est prévu un calculateur qui est programmé pour piloter ledit organe (510) dans trois positions stables, dont une première position dans laquelle le baladeur de sélection (520) est en position couplé à l’un des pignons fous (22, 23), une seconde position dans laquelle le baladeur de sélection (520) est couplé à l’autre des pignons fous (22, 23), et une troisième position intermédiaire dans laquelle le baladeur de sélection (520) n’est couplé à aucun des pignons fous (22, 23). Dispositif de couplage (20) selon l’une des revendications 2 à 4, 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, - 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), et - 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 5, 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 6, dans lequel le baladeur de verrouillage (530) est situé à l’intérieur du baladeur de sélection (520), entre deux butées du baladeur de sélection (520), et les moyens de rappel élastique (550, 551) comportent des éléments interposés entre chaque butée et le baladeur de sélection (520). Dispositif de couplage (20) selon la revendication 7, dans lequel lesdits éléments sont des ressorts, de préférence au nombre de trois paires ou plus, chaque paire de ressorts comportant un ressort comprimé entre l’une des butées et le baladeur de sélection (520) et un ressort comprimé entre l’autre des butées et le baladeur de sélection (520). Dispositif de couplage (20) selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel chaque pignon fou (22, 23) présente une rampe (221, 231) et le baladeur de verrouillage (530) comporte au moins deux rampes (531) respectivement adaptées à venir glisser contre les rampes (221, 231) de l’un premier des pignons fous (22, 23) après que le baladeur de sélection (520) a été déplacé jusqu’à la position couplée à ce premier pignon fou (22, 23). 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 9, 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 réducteur de vitesse (1) conforme à la revendication 10, dont l’un des arbres primaire (10) et principal (21) est couplé à la machine électrique et dont l’autre des arbres primaire (10) et principal (21) est couplé au différentiel (30).