Brevet FR3143702A1 — publié le 20240621

L’invention concerne un groupe motopropulseur (10) pour véhicule automobile comportant une machine électrique (100) qui comporte un arbre de sortie, et un réducteur (101) qui comporte : - deux arbres (110, 120) dont l’un est couplé à l’arbre de sortie de la machine électrique, et dont l’autre est couplé à une entrée d’un différentiel d’essieu (130), - un pignon fixe (111) fixé à un premier des deux arbres, et - un pignon libre (121) qui engrène ledit pignon fixe et qui est monté sur un second des deux arbres au moyen d’un système de roue libre (150). Figure pour l’abrégé : Fig.1 Groupe motopropulseur de véhicule automobile Domaine technique de l'invention La présente invention concerne de manière générale les réducteurs de vitesse à un, deux ou trois rapports de vitesses. Elle concerne plus particulièrement un groupe motopropulseur pour véhicule automobile comportant une machine électrique qui comprend un arbre de sortie, et un réducteur de vitesse qui comprend : - deux arbres dont l’un est couplé à, ou formé par, l’arbre de sortie de la machine électrique, et dont l’autre est adapté à être couplé à l’entrée d’un différentiel d’essieu, - un pignon fixe fixé à un premier des deux arbres, et - un pignon libre qui engrène ledit pignon fixe et qui est, de préférence, monté sur un second des deux arbres. L’invention concerne également un véhicule automobile équipé d’un tel groupe motopropulseur. Elle trouve une application particulièrement avantageuse dans les véhicules à quatre roues motrices et dans les véhicules sportifs équipés de réducteurs multi-rapports. 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 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 un véhicule automobile électrique (ou hybride), il est prévu une machine électrique couplée à un réducteur de vitesse. En règle générale, ce réducteur est mono-rapport et à prise constante. 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 rapport de vitesses). On note toutefois qu’un tel réducteur de vitesse mono-rapport et à prise constante souffre de plusieurs limites, dont on peut donner deux exemples. Comme on le sait, une machine électrique, passé un certain seuil de vitesse de rotation, voit le couple qu’elle peut délivrer chuter brutalement. 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 dans le domaine automobile. Typiquement, un réducteur à plusieurs rapports permettrait 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 plusieurs 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. Dans un véhicule automobile à quatre roues motrices, un réducteur mono-rapport à prise constante ne permet par ailleurs pas de débrayer certaines roues, par exemple lorsqu’il n’est pas nécessaire de toutes les entraîner en rotation. Pour assurer cette fonction, il est alors prévu des systèmes d’embrayage additionnels, onéreux et encombrants. Présentation de l'invention Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose un nouveau réducteur de vitesses. Plus particulièrement, on propose selon l’invention un groupe motopropulseur tel que défini dans l’introduction, dans lequel le pignon libre du réducteur de vitesse est adapté à être couplé au second des deux arbres au moyen d’un système de roue libre. De préférence, ce pignon libre est monté sur le système de roue libre qui est lui-même monté sur le second des deux arbres. Grâce au système de roue libre, le pignon libre se couple au second arbre seulement lorsque leurs vitesses de rotation sont égales. Autrement formulé, le passage de couple ne s’effectue que dans un sens (de la machine électrique vers les roues) et pas dans l’autre sens. Ainsi, il est possible de débrayer automatiquement (sans actionneur et sans intervention manuelle) le rapport de vitesses offert par ce couple de pignon libre et pignon fixe. De ce fait, lorsqu’elle s’arrête, la machine électrique se débraye automatiquement des roues du véhicule. Cette technologie sera utile par exemple dans un véhicule à quatre roues motrices et deux machines électriques, lors des phases de freinage récupératif (pendant lesquelles l’énergie de freinage est convertie en énergie électrique). En effet, il sera possible pendant ces phases de débrayer automatiquement l’une des machines électriques afin de ne récupérer l’énergie qu’avec l’autre des machines électriques. Cet aspect sera d’autant plus avantageux lorsque l’une des machines électriques entraîne deux premières roues, et que l’autre machine entraîne les deux autres roues du véhicule. En effet, cette autre machine se débrayera automatiquement, ce qui limitera les pertes associées à sa rotation ou à son entraînement dans les phases de freinage récupératif (effectué par la première machine). Cette technologie sera également utile dans les véhicules de sport puisqu’elle permettra d’utiliser en sortie d’une machine électrique un réducteur à plusieurs rapports de vitesses, tout en conservant une architecture de réducteur assez simple. En effet, grâce au système de roue libre, il sera possible de débrayer automatiquement le rapport de vitesses offert par ce couple de pignon libre et pignon fixe dès qu’un autre rapport sera engagé, sans recourir à des systèmes de couplage onéreux. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du groupe motopropulseur conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - le premier arbre est constamment couplé à, ou formé par, l’arbre de sortie de la machine électrique et le second arbre est constamment couplé à l’entrée du différentiel d’essieu ; - il est prévu au moins un pignon assujetti fixé à l’un des deux arbres, un pignon fou qui engrène chaque pignon assujetti et qui est monté libre en rotation sur l’autre des deux arbres, et au moins un système de couplage piloté qui est adapté à coupler ledit pignon fou audit autre des deux arbres ; - il est prévu deux pignons assujettis qui sont fixés à un même des deux arbres et deux pignons fous qui sont montés libres en rotation sur l’autre arbre ; - chaque pignon assujetti étant associé à un rapport de vitesses, le système de couplage piloté est adapté à passer le couple de l’un à l’autre des pignons fous lors d’un changement de rapport de vitesses ; - le système de couplage piloté comporte deux embrayages multidisques ; - le système de couplage piloté comporte un système de crabots, comportant par exemple deux roues équipées de crabots et montées mobiles l’une par rapport à l’autre afin de pouvoir se coupler et se découpler. L’invention concerne aussi un véhicule automobile comportant au moins une roue motrice et un groupe motopropulseur tel que précité. D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du véhicule conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes : - le véhicule comporte deux essieux équipés chacun d’un différentiel d’essieu ; - l’un des différentiels d’essieu comporte une entrée couplée à un arbre du groupe motopropulseur précité ; - l’autre des différentiels d’essieu comporte une entrée couplée à un arbre de sortie d’un moteur tiers ; - ledit moteur tiers est électrique ; - ledit moteur tiers est adapté à développer une puissance maximum qui est strictement supérieure à la puissance maximum qu’est adaptée à développer la machine électrique du groupe motopropulseur. 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. Description détaillée de l'invention La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : est une vue schématique d’un premier mode de réalisation d’un groupe motopropulseur conforme à l’invention ; est une vue schématique d’un véhicule automobile comportant le groupe motopropulseur de la ; est une vue schématique d’un second mode de réalisation d’un groupe motopropulseur conforme à l’invention ; est une vue schématique d’un véhicule automobile comportant le groupe motopropulseur de la . Dans la suite de la description, le terme « couplé » sera utilisé pour désigner une liaison entre deux éléments qui permet de transmettre un couple de l’un à l’autre de ces éléments. Sur les figures 1 et 3, on a représenté deux modes de réalisation d’un groupe motopropulseur 10 de véhicule automobile. Ce véhicule automobile comporte classiquement un châssis qui délimite un habitacle pour des passagers et qui forme un support pour le groupe motopropulseur 10. Ce châssis porte des roues, par exemple au nombre de quatre, dont une au moins est motrice (c’est-à-dire entraînée en rotation par un moteur). Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, on considérera le cas où le véhicule automobile 1 comporte quatre roues motrices disposées par paires sur deux essieux. Dans ce mode, le véhicule automobile 1 comporte deux groupes motopropulseur 10, 20 distincts, qui permettent d’entraîner respectivement les roues motrices des deux essieux via deux différentiels 130, 230. Le véhicule comporte ainsi un premier groupe motopropulseur 20 pour entraîner les roues motrices de l’essieu avant (ou respectivement arrière) et un second groupe motopropulseur 10 pour entraîner les roues motrices de l’essieu arrière (ou respectivement avant). Le premier groupe motopropulseur 20 ne sera pas ici décrit en détail. On pourra seulement préciser qu’il comporte un moteur 200 qui est soit un moteur à combustion équipé d’une boîte de vitesses, soit une machine électrique équipée d’un réducteur de vitesse. Le second groupe motopropulseur 10, qui fait plus précisément l’objet de la présente invention, sera décrit en détail ci-après, en référence à la . Dans le mode de réalisation de réalisation des figures 3 et 4, on considérera le cas où le véhicule automobile 1 est une voiture de sport permettant d’assurer de fortes accélérations et d’atteindre des vitesses élevées (au moins supérieures à 190 km/h). Cette voiture comporte alors un unique groupe motopropulseur 10, et exactement deux roues motrices (avant ou arrière). Dans tous les cas, le groupe motopropulseur 10 qui fait l’objet de la présente invention comporte au moins une machine électrique 100 et un réducteur 101. La machine électrique 100 a au moins une fonction de moteur. Elle peut également avoir une fonction d’alternateur. Elle peut être de tout type : à flux axial ou radial, à aimants permanents ou à rotor bobiné… Elle comporte quoiqu’il en soit une carcasse fixée au châssis du véhicule et un arbre de sortie qui est adapté à tourner par rapport à la carcasse lorsqu’elle est alimentée en courant électrique. Le réducteur 101 comporte pour sa part au moins deux étages d’arbres. Il en comporte ici exactement deux, c’est-à-dire qu’il comporte deux arbres montés mobiles en rotation dans la carcasse autour d’axes parallèles, au moyen de roulements. Il comporte ainsi un premier arbre, appelé arbre primaire 110, qui est constamment couplé à l’arbre de sortie de la machine électrique 100. Tel qu’il est représenté sur les figures, cet arbre primaire 110 est plus exactement formé par l’arbre de sortie de la machine électrique 110, mais en variante, ces deux arbres pourraient être distincts et joints par des moyens de couplage quelconques. Le réducteur 101 comporte par ailleurs un deuxième arbre, appelé arbre secondaire 120, qui est couplé à l’entrée d’un différentiel d’essieu 130. Tel que cela est représenté sur les figures 1 et 3, ce couplage est réalisé au moyen d’un pignon de sortie 124 qui est fixé à l’arbre secondaire 120 (de façon à être solidaire en rotation de celui-ci) et qui engrène une couronne d’entrée du différentiel d’essieu 130. On notera sur ces figures que ce différentiel d’essieu 130 comporte par ailleurs deux arbres de transmission 131 qui sont chacun couplés à une des roues motrices du véhicule. L’un des arbres primaire 110 et secondaire 120 porte un pignon fixe tandis que l’autre porte un pignon libre. On considérera ici que le pignon fixe 111 est porté par l’arbre primaire tandis que le pignon libre 121 est porté par l’arbre secondaire 120. Ces deux pignons fixe 111 et libre 121 s’engrènent constamment. Le premier de ces pignons est qualifié de fixe puisqu’il est solidaire en rotation de l’arbre primaire 110. Le second de ces pignons est qualifié de libre puisque, selon l’invention, il est monté sur l’arbre secondaire 120 via un système de roue libre 150. Un tel système de roue libre est bien connu, typiquement sur les vélos. Il permet de transmettre un couple dans un sens uniquement, depuis la machine électrique 100 vers le différentiel d’essieu 130. En d’autres termes, tant que la vitesse du véhicule est telle que le différentiel d’essieu 130 fait tourner l’arbre secondaire 120 à une vitesse de rotation supérieure à celle du pignon libre, le système de roue libre 150 est découplé et ne transmet aucun couple. En revanche, lorsque la vitesse de rotation de l’arbre de sortie de la machine électrique 100 est telle que le pignon libre 121 atteint une vitesse de rotation égale à celle de l’arbre secondaire 120, le système de roue libre 150 est couplé et transmet le couple de la machine électrique 100 vers les roues motrices. Différentes technologies pourront être employées pour réaliser ce mécanisme de roue libre, basée par exemple sur un système de cliquets, ou un système d’éléments roulants à coincement, ou un système de cames… On peut maintenant décrire plus précisément le premier mode de réalisation du réducteur 101, dans le cas des figures 1 et 2 où le groupe motopropulseur 10 est embarqué dans un véhicule automobile 1 à quatre roues motrices. Dans ce mode de réalisation, l’arbre primaire ne porte qu’un seul pignon, à savoir le pignon fixe 111 précité. De son côté, l’arbre secondaire 120 comporte exactement deux pignons, à savoir le pignon libre 121 précité et le pignon de sortie 124. Le réducteur 101 peut alors être qualifié de mono-rapport débrayable. En pratique, grâce à ce réducteur 101, il sera possible d’arrêter la machine électrique 100 pour débrayer les roues arrière du véhicule, alors que le moteur 200 du premier groupe motopropulseur 20 reste activé et continue d’entraîner en rotation les roues motrices avant de ce véhicule ou génère un couple de freinage récupératif (pour convertir l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique). Ainsi, la machine électrique 100 pourra être utilisée uniquement lorsqu’il est utile que le véhicule soit propulsé par ses quatre roues motrices. Elle sera désactivée sinon, de façon à ce que : - lors des phases de traction, le véhicule soit propulsé par deux roues motrices uniquement s’il n’est pas nécessaire d’utiliser les quatre roues, - lors des phases de freinage, la conversion de l’énergie cinétique en énergie électrique se fasse uniquement par le moteur 200 du premier groupe motopropulseur 20. Dans ce premier mode, la machine électrique 100 étant destinée à être moins utilisée que le moteur 200 du premier groupe motopropulseur 20, on pourra prévoir qu’elle développe une puissance maximale inférieure à celle de ce moteur 200. Dans le mode de réalisation de la , le réducteur de vitesse 101 comporte plusieurs rapports. Il pourrait en comporter deux uniquement. Ici, comme le montre la et de manière préférentielle, il en comporte exactement trois. Le premier rapport de vitesse sera utilisé lorsque le véhicule roule à basse vitesse, afin de lui permettre d’accélérer fortement. Le troisième rapport de vitesse sera utilisé lorsque le véhicule roule à haute vitesse, afin de lui permettre d’atteindre une vitesse de plus de 250 km/h. Le second rapport de vitesse sera sinon utilisé. Pour réaliser une marche arrière, l’un quelconque des second et troisième rapports sera utilisé (de préférence le second). L’arbre primaire 10 porte alors, en plus du pignon fixe 111, deux autres pignons fixes appelés « pignons assujettis 112, 113 ». Ces deux pignons assujettis 112, 113 sont solidaires en rotation de cet arbre primaire 10. Les trois pignons 111, 112, 113 portés par l’arbre primaire 110 présentent des diamètres différents pour offrir des rapports de vitesses distincts, le pignon fixe 111 étant celui de plus petit diamètre afin d’être employé comme premier rapport de vitesse. L’arbre secondaire 120 porte alors deux pignons fous 122, 123 qui engrènent respectivement les deux pignons assujettis 112, 113. Ces pignons sont qualifiés de fous en ce sens qu’ils sont montés libres en rotation sur cet arbre et qu’ils sont bloqués en translation selon cet axe. Pour transmettre le couple de l’arbre primaire 110 à l’arbre secondaire 120, on pourrait prévoir un système de crabotage des pignons fous 122, 123 du type de ceux utilisés dans les boîtes de vitesses. Toutefois, dans cette éventualité, le passage du second rapport au troisième rapport se ferait avec une rupture de couple désagréable pour les passagers du véhicule et jugée incompatible avec les performances recherchées de ce dernier. Dès lors, il est ici préféré d’utiliser un système de couplage piloté 160 permettant de passer d’un rapport à l’autre sans rupture de couple. La technologie employée est celle des embrayages multidisques. Une telle technologie permet, lorsqu’un changement de rapport de vitesses est commandé (du second rapport vers le troisième ou vis-versa), de faire en sorte que le couple transmis aux roues motrices ne chute pas brutalement. Ce système est ainsi piloté, non pas pour ouvrir un embrayage avant de fermer l’autre, mais pour ouvrir l’un des embrayages en fermant simultanément l’autre. Bien entendu, en variante, d’autres technologues pourraient être employées. On notera que dans ce mode, l’utilisation du système de roue libre 150 permettra de se passer d’un système de couplage piloté 160 pour le premier rapport de vitesses. On peut alors résumer le fonctionnement de ce réducteur 101 de la manière suivante. Au démarrage du véhicule, les deux embrayages sont pilotés à l’état ouvert. Ainsi, le couple issu de la machine électrique est intégralement transmis aux roues motrices via le pignon fixe 111 et le pignon libre 121. Pour passer le second rapport, par exemple lorsque la vitesse du véhicule atteint un premier seuil, l’embrayage associé au pignon fou 122 se ferme progressivement. Lors de cette fermeture, le pignon fou 122 décélère alors que l’arbre secondaire 120 continue d’accélérer, ce qui entraîne le découplage du système de roue libre 150. On comprend ici que ce passage de rapport de vitesses se produit sans à-coup et sans rupture de couple. Pour passer le troisième rapport, par exemple lorsque la vitesse du véhicule atteint un second seuil, l’embrayage associé au pignon fou 123 se ferme progressivement alors que celui associé au pignon fou 122 s’ouvre. Lors de cette opération, le pignon fou 123 décélère alors que l’arbre secondaire 120 accélère, ce qui maintient le système de roue libre 150 découplé. On comprend ici que ce passage de vitesse se produit encore sans à-coup et sans rupture de couple. Pour repasser le second rapport, par exemple lorsque la vitesse du véhicule passe sous un troisième seuil, l’embrayage associé au pignon fou 122 se ferme progressivement alors que celui associé au pignon fou 123 s’ouvre. Lors de cette opération, le pignon fou 122 accélère alors que l’arbre secondaire 120 décélère. Ici encore, ce passage de vitesse se produit sans à-coup et sans rupture de couple. Pour repasser le premier rapport, par exemple lorsque la vitesse du véhicule passe sous un quatrième seuil, l’embrayage associé au pignon fou 122 s’ouvre brutalement ou progressivement. Lors de cette opération, l’arbre secondaire 120 décélère naturellement, jusqu’à atteindre la vitesse de rotation du pignon libre 121 (il est également possible d’augmenter le régime de la machine électrique 100). Alors, le système de roue libre 150 passera à l’état accouplé et permettra de transmettre le couple de la machine électrique 100. Ce passage du second rapport au premier rapport pourra s’effectuer sinon lorsque le véhicule est à l’arrêt. On notera en effet que si ce n’est pas le cas et qu’on souhaite que le véhicule décélère lors de ce passage du second rapport au premier rapport, il sera utile d’actionner les freins puisque la machine électrique ne sera pas en mesure de réaliser un freinage récupératif. La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention. Typiquement, en variante du second mode de réalisation, le système de roue libre 150 pourrait être installé non pas sur le premier rapport de vitesses, mais sur le troisième, typiquement entre l’arbre secondaire 120 et le pignon 123. Dans cette variante, le système de couplage piloté 160 sera alors installé entre les pignons 121 et 122. De cette façon, il sera possible d’effectuer un freinage récupératif sur les premier et second rapports (mais pas sur le troisième qui sera en pratique le rapport le moins usité). Selon une autre variante de l’invention il serait possible d’employer le réducteur de vitesse illustré sur la dans un véhicule sportif à quatre roues motrices. Selon une autre variante de l’invention, le système de roue libre aurait pu être installé entre l’arbre primaire 110 et le pignon fixe 111. Groupe motopropulseur (10) pour véhicule automobile, comportant une machine électrique (100) qui comprend un arbre de sortie, et un réducteur (101) qui comprend : - deux arbres (110, 120) dont l’un est couplé à, ou formé par, l’arbre de sortie de la machine électrique (100), et dont l’autre est adapté à être couplé à l’entrée d’un différentiel d’essieu (130), - un pignon fixe (111) fixé à un premier des deux arbres (110), et - un pignon libre (121) qui engrène ledit pignon fixe (111), caractérisé en ce que le pignon libre (121) est adapté à être couplé au second des deux arbres (120) au moyen d’un système de roue libre (150). Groupe motopropulseur (10) selon la revendication 1, dans lequel le premier arbre (110) est constamment couplé à, ou formé par, l’arbre de sortie de la machine électrique (100) et le second arbre (120) est constamment couplé à l’entrée du différentiel d’essieu (130). Groupe motopropulseur (10) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel il est prévu au moins un pignon assujetti (112, 113) fixé à l’un des deux arbres (110), un pignon fou (122, 123) qui engrène chaque pignon assujetti (112, 113) et qui est monté libre en rotation sur l’autre des deux arbres (120), et au moins un système de couplage piloté (160) qui est adapté à coupler ledit pignon fou (122, 123) audit autre des deux arbres (120). Groupe motopropulseur (10) selon la revendication 3, dans lequel il est prévu deux pignons assujettis (112, 113) fixés à un même des deux arbres (110) et deux pignons fous (122, 123) montés libres en rotation sur l’autre arbre (120). Groupe motopropulseur (10) selon la revendication 4, dans lequel, chaque pignon assujetti (112, 113) étant associé à un rapport de vitesses, le système de couplage piloté (160) est adapté à passer le couple de l’un à l’autre des pignons fous (122, 123) lors d’un changement de rapport de vitesses. Groupe motopropulseur (10) selon la revendication 5, dans lequel le système de couplage piloté (160) comporte deux embrayages multidisques ou un système de crabots. Véhicule automobile comportant au moins une roue motrice, caractérisé en ce qu’il comporte un groupe motopropulseur (10) conforme à l’une des revendications 1 à 6. Véhicule automobile selon la revendication 7, comportant deux essieux équipés chacun d’un différentiel d’essieu (130, 230), l’un des différentiels d’essieu (130) comportant une entrée couplée à un arbre du groupe motopropulseur (10), l’autre des différentiels d’essieu (230) comportant une entrée couplée à un arbre de sortie d’un moteur tiers (200). Véhicule automobile selon la revendication 8, dans lequel ledit moteur tiers (200) est électrique. Véhicule automobile selon la revendication 8 ou 9, dans lequel ledit moteur tiers (200) est adapté à développer une puissance maximum qui est strictement supérieure à la puissance maximum qu’est adaptée à développer la machine électrique (100) du groupe motopropulseur (10).