Brevet FR3150151A1 — publié le 20241227

En terrain glissant, la roue d’un véhicule 4 X 4 classique qui patine limite le couple des trois autres roues. Une amélioration classique consiste à découpler les deux essieux et à charger l’essieu opérationnel grâce à des embrayages et des crabotages. Il est ici proposé de remplacer le différentiel inter-essieux par deux CVTs (Transmission à Vitesse Variable) donc, par deux trains d’engrenages épicycloïdaux T1 et T2 régulés en couple par deux actionneurs MG1 et MG2. Un arrangement particulier fait fonctionner les deux actionneurs en opposition générateur-moteur pour en limiter le bilan électrique. Cette conception rend la transmission configurable selon le contexte, sans embrayage, ni crabot, ni boite de vitesse et lui confère la souplesse de l’électrique. Cette invention est plutôt destinée aux engins de travaux public ou militaires, mais pas seulement. Transmission pour véhicule tout terrain à différentiel inter-essieu électrifié Comme vous le savez, les moteurs thermiques fonctionnent mal à basse vitesse. C’est à la transmission d’étendre leur domaine d’utilisation aux faibles vitesses, voire nulles et inverses. Cette fonction est très importante pour les véhicules à quatre roues motrices, particulièrement pour les engins de génie civil ou militaires. Ils ont en effet besoin d’une transmission puissante, robuste et surtout agile dès le démarrage. Il suffit d’observer les mouvements de va et vient d’un chargeur ou d’un véhicule embourbé pour en être convaincu. Etat de la technique Suivant les circonstances, état de la route, vitesse du véhicule, il peut être intéressant d’avoir les quatre roues motrices ou d’activer ou de désactiver partiellement ou totalement l’un des deux essieux. De nombreux systèmes existent pour cette fonction, mais ils font tous appel à des mécanismes souvent complexes, fragiles, peu agiles ou consommateurs d’énergie tels les embrayages ou les crabots. L’utilisation de CVTs (Transmission à Variation Continue de Vitesse) à engrenages a déjà été envisagée, par exemple dans le brevet FR3114955. Or, une CVT, construite autour d’un train d’engrenages épicycloïdal piloté par un actionneur moteur-générateur, a une consommation électrique importante sous forme de puissance dérivée dont la diminution est l’enjeu du brevet. Une solution à deux CVTs en opposition motrice-génératrice et à bilan électrique nul est proposée ci-après. Un second enjeu est l’amélioration de l’adhérence au sol du véhicule. En effet, dans les véhicules à quatre roues motrices classiques, la loi des différentiels implique que le couple sur toutes les roues soit limité par le couple sur la roue en glissement, donc par un couple relativement faible. Nous verrons comment améliorer cette situation dans la solution proposée. Certes le système rajoute quelques engrenages mais il remplace la boite de vitesse. Description de l’invention Dans l’invention proposée, la transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices comprend principalement : Deux essieux avec chacun, leur paire de roues, leur différentiel et leur arbre d’entrainement dit arbre d’essieu. La cinématique de leur différentiel est telle que les deux arbres d’essieu tournent dans le sens contraire l’un par rapport à l’autre quand les 4 roues tournent dans le même sens, Deux trains d’engrenages épicycloïdaux simples, de raison r et -r (rapport des engrenages) avec chacun leur planétaire et leur couronne identiques deux à deux, tels que, chaque planétaire est connecté à un des deux actionneurs moteur-générateur MG1 ou MG2 régulateur de couple, chaque couronne entraine un des deux arbres d’essieu, que chaque porte-satellites est entrainé par le moteur principal MM dans un rapport de vitesse de -(1-r)/(1+r), qu’entre la couronne et le planétaire s’engrènent des satellites simples pour le train de raison -r et des satellites doubles pour le train de raison r, Deux actionneurs, moteur-générateur MG1 et MG2, qui chacun régule le couple sur son planétaire en connexion et par la même, régule les couples sur tous les arbres en liaison de la transmission d’après la loi de proportionnalité des couples dans les trains épicycloïdaux, Une batterie, une électronique de puissance réversible et un ordinateur de bord pour gérer l’ensemble. Dans une application de base, les puissances sur les deux actionneurs sont égales et opposées donc avec un bilan électrique nul alors que le moteur principal MM fournit bien toute la puissance mécanique nécessaire au véhicule au travers des trains épicycloïdaux. Seule une partie de l’énergie est convertie en électrique par l’actionneur générateur puis restituée à l’actionneur moteur pour contribuer à la poussée du véhicule. Dans une utilisation plus élaborée, chaque essieu réagit en fonction de la consigne de couple reçue sur son actionneur correspondant. Quand une roue patine, détectable par une baisse rapide de son couple, seul le couple de la roue opposée sur l’essieu est mécaniquement limité. La nouvelle consigne peut alors être de neutraliser l’essieu en perte d’adhérence et de charger l’essieu restant opérationnel. C’est une importante amélioration par rapport aux véhicules classiques à différentiels qui perdent leurs quatre roues motrices simultanément dans ce cas. Certes le bilan électrique nul est perdu mais la batterie peut compenser temporairement. Le brevet Fr3114955 concernait l’entrainement des arbres de roues et non les arbres d’essieu. Il imposait une grande similitude de comportement entre la roue de droite et la roue de gauche pour des raisons évidentes de sécurité du véhicule. Cette nécessité se rencontre d’ailleurs aussi pour les moteurs roues ou les roues à entraînement individuel. Pour la présente invention, l’égalité des couples sur les arbres d’essieu n’est pas requise. Au contraire, la modification des consignes sur les actionneurs permet d’ajuster ponctuellement la balance électrique en fonction des besoins du moment par exemple en fonction de : L’état de charge de la batterie, Un besoin ponctuel de puissance sur un essieu, La localisation du centre de gravité du véhicule dynamique ou non, Le patinage d’une des roues. En résumé, le rapport des consignes de couple des actionneurs MG1 et MG2 est ajusté en temps réel par rapport aux besoins du bilan électrique du moment. Bien entendu on perd temporairement l’égalité des couples sur les deux essieux et sur toutes les roues mais cela permet de limiter la taille de la batterie déjà réduite par l’objectif du bilan électrique nul. Les couples sur les roues d’un même essieu restent cependant toujours égaux. Dans toutes les CVTs à engrenages, la poussée des actionneurs remplace la poussée du moteur principal à faible vitesse du véhicule surtout quand le moteur principal MM est thermique. Pour bénéficier du maximum de puissance à ce moment critique, cas du véhicule embourbé, cas du chargement d’un godet etc.…, la vitesse de base des actionneurs sera callée de préférence sur la vitesse nulle du véhicule. La phase à puissance constante des actionneurs est en principe suffisante pour la marche arrière de l’engin. Le passage en marche arrière se fait d’ailleurs par simple inversion des couples des deux actionneurs, sans recourir à des embrayages, ni à des crabots, ce qui confère une grande agilité dans les manœuvres. En fait comme nous le verrons sur les figures, la poussée maximale est disponible dès le départ de l’engin. Le fonctionnement en électrique pur peut être demandé en local clos ou pour un fonctionnement discret. Le passage en mode électrique pur, c’est-à-dire après neutralisation du moteur principal MM, se fait en roulant par simple inversion du couple de l’actionneur fonctionnant en génératrice. Le blocage systématique du moteur principal MM soumis au contre couple n’est pas forcement requis comme sur les véhicules classiques, toujours par souci d’agilité et de souplesse. En effet, quand les deux actionneurs sont tous les deux moteurs, les contre couples sur l’arbre du moteur principal sont alors opposés. Les consignes des actionneurs MG1 et MG2 peuvent alors être choisies de manière qu’elles génèrent des efforts égaux et opposés sur l’arbre du moteur principal MM. Comme pour la marche arrière, tout se passe de façon fluide au niveau de la commande électronique des actionneurs. Cependant, pour un usage long en mode électrique, on peut toujours disposer d’un blocage mécanique temporaire de l’arbre du moteur principal MM selon des techniques classiques et connues. Comme nous le verrons au niveau des figures, les caractéristiques graphiques des vitesses des deux actionneurs MG1 et MG2 dans le diagramme, vitesse de l’actionneur / vitesse du véhicule, sont parfaitement symétriques par rapport à l’axe vertical tout en coupant l’axe horizontal en A et A’. En A et A’ la vitesse des actionneurs est faible, tout comme leur puissance. Le souci d’en limiter la puissance demande d’augmenter progressivement la vitesse du moteur principal MM en maintenant la vitesse du véhicule proche de A. En effet la vitesse du véhicule n’est pas directement liée à la vitesse du moteur principal mais à l’historique des équilibres poussée-résistance. En fait, la plage de variation de vitesse du moteur principal MM est relativement étroite car les CVTs couvrent déjà une bonne partie de la plage d’utilisation du véhicule. Une plage de vitesse réduite est très favorable pour les moteurs thermiques à hautes performances, hauts rendements et pour les carburants alternatifs. La plage de vitesse du véhicule est alors couverte en deux zones, une zone dite à basse vitesse où la vitesse du moteur thermique est constante, hors son démarrage, jusqu’à ce que la vitesse du véhicule atteigne le point A et une zone dite à haute vitesse où la vitesse du moteur thermique est progressivement augmentée pour maintenir la vitesse du véhicule dans la zone du point A. Le démarrage d’un moteur principal MM thermique peut s’envisager véhicule à l’arrêt, pied sur le frein, comme sur certains véhicules hybrides, ou en roulant, les actionneurs servant alors de lanceurs. Pour avoir des arbres d’essieu tournant dans le même sens l’un par rapport à l’autre sans matériel supplémentaire, il suffit qu’au niveau des différentiels d’essieu, les dents en prise des couples d’engrenages coniques ou spiralés soient de part et d’autre de l’axe joignant les pignons d’entrée. Le moteur principal MM entraine les deux trains épicycloïdaux dans un rapport des vitesses de -(1+r)/(1-r) ou -(1-r)/(1+r) avec une préférence pour réduire la vitesse d’entrainement du train de raison -r qui conduit à des vitesses plus lentes pour les auxiliaires. Le véhicule dispose d’une batterie de taille réduite déjà du fait d’un bilan électrique minimal mais aussi grâce à une possibilité d’auto-recharge. Elle peut se faire, en roulant et en déséquilibrant les consignes au profit de l’actionneur générateur ou à l’arrêt en milieu isolé, le moteur thermique entrainant les deux actionneurs en génératrices. De plus, l’électronique de puissance des actionneurs est réversible afin récupérer les énergies cinétiques du véhicule et du moteur principal MM. Le véhicule dispose, entre autres, dans son ordinateur de bord, des logiciels pour la gestion et le pilotage de la transmission. Compte tenu de la brièveté possible du rééquilibrage du bilan électrique, la batterie peut être avantageusement remplacée par un super condensateur ou une combinaison des deux. Le moteur principal MM thermique peut être remplacé par un moteur électrique tout en conservant certains avantages du montage hybride soit : Une puissance de régulation réduite grâce à la démultiplication des couples à réguler dans les trains épicycloïdaux, Une amélioration de l’adhérence au sol du véhicule avec une répartition ajustable des charges sur les essieux, Une plage réduite de variation de vitesse du moteur favorable à son meilleur rendement et à la simplicité de sa conception-construction. Un refroidissement par un simple ventilateur en bout d’arbre possible grâce à une faible variation de vitesse et une vitesse minimale même à l’arrêt du véhicule, Une agilité accrue grâce à des actionneurs de faible inertie par rapport au moteur principal. Figures , La schématise la transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon l’invention avec : Deux essieux (1) et (2) avec chacun leur paire de roues, leur différentiel et leur arbre d’entraînement d’essieu e1 et e2. Les dents en prise des engrenages coniques ou spiroïdales d’entrainement des deux différentiels d’un même côté de l’axe joignant les pignons d’entrée (axe e1e2) font que les deux arbres d’essieu e1 et e2 tournent dans le sens contraire l’un par rapport à l’autre quand les 4 roues tournent dans le même sens. Deux trains d’engrenages épicycloïdaux simples T1(3) et T2(4), de raison respectivement r et -r avec chacun leur planétaire et leur couronne identiques deux à deux, tels que, chaque planétaire est connecté à un des deux actionneurs moteur-générateur MG1 (7) ou MG2 (8) régulateurs de couple, chaque couronne entraine un des deux arbres d’essieu e1 ou e2, chaque porte-satellites est entrainé par le moteur principal MM (6) dans un rapport de vitesse de -(1-r)/(1+r), qu’entre la couronne et le planétaire s’engrènent des satellites simples pour le train T2(4) et des satellites doubles pour le train T1(3). Les satellites doubles sont constitués par deux pignons fous sur le porte-satellites qui s’engrènent entre eux et dont l’un engrène la couronne et l’autre le planétaire. Un moteur principal thermique MM (6) entraîne les porte-satellites de T2(4) et de T1(3) dans un rapport des vitesses de rotation de -(1-r)/(1+r). Le but est de rendre symétrique les caractéristiques des trains par rapport à l’axe des vitesses des actionneurs. Il est possible, soit d’augmenter la vitesse de T1(3), soit de diminuer la vitesse de T2(4) avec une préférence pour la deuxième solution. Une boite à engrenage (5) dédouble la sortie du moteur principal MM en deux sorties s1 et s2 dans le rapport des vitesses d’entrainement de -(1-r)/(1+r) et assure, en plus, la compatibilité des vitesses avec celles du moteur principal MM (6). Le signe – implique que les deux sorties s1 et s2 tournent en sens contraires. Une batterie non représentée pour absorber les excédents ou les déficits du bilan électrique des deux actionneurs (7) et (8) avec son électronique de puissance réversible pour la récupération des énergies cinétiques, Un ordinateur de bord non représenté pour gérer et piloter entre autres la transmission. ], La donne les caractéristiques des deux trains épicycloïdaux pour une vitesse d’entrainement du porte-satellites de T2 (3) de 1894 tr/mn qui est aussi une limite possible de la phase de démarrage d’un moteur thermique dans la configuration basse vitesse du véhicule. Dans cette zone, dite à basse vitesse jusqu’au point A, A point d’intersection de la caractéristique avec l’axe des vitesses du véhicule, la vitesse du moteur principal MM est constante hors pendant son démarrage. La variation de vitesse du véhicule est seulement assurée par les variations de vitesse des actionneurs. Le point I est le point d’intersection des deux caractéristiques et A’ est le symétrique de A. ], La donne les caractéristiques des trains épicycloïdaux pour une vitesse d’entrainement du porte-satellites de T2(3) à 3789 tr/mn. Dans cette zone, dite à haute vitesse, la vitesse du moteur thermique évolue pour maintenir la vitesse du véhicule proche de l’intersection de la caractéristique de l’actionneur du train T2 avec l’axe des vitesses du véhicule, soit proche du point A. Ainsi la vitesse et la puissance des actionneurs sont minimales. Les points A, A’ et I sont les points reportés de la à 1894 tr/mn à titre de comparaison. En fait le pilote fixe les couples sur les roues selon les besoins d’accélération ou décélération du véhicule, couples qui sont proportionnels aux couples des actionneurs. Pour respecter les conditions ci-dessus, un logiciel modérateur sur l’ordinateur de bord maintient une vitesse optimale du moteur principal MM telle qu’elle soit proche de la loi k.V/(1-r), k étant une constante caractéristique du véhicule et V sa vitesse. Suivant les circonstances, état de la route, vitesse du véhicule, il peut être intéressant de désactiver partiellement ou totalement un essieu et avoir une répartition de la charge variable sur les essieux. Cela revient à ajuster les consignes des actionneurs sans utilisation d’embrayage ou de crabot. Ces choix peuvent être à l’initiative du pilote ou gérés par l’ordinateur de bord ou les deux. ], La donne un exemple schématique d’un arrangement de l’invention dans sa version compacte et concentrique. Dans un souci de compacité et d’efficacité, les trains épicycloïdaux et leurs actionneurs sont montés concentriques sur un même axe avec tous les engrenages regroupés dans un même carter lié au châssis (représenté en trait mixte). Des palles de ventilateur peuvent être montées à l’extrémité libre des arbres des actionneurs pour un refroidissement efficace même à faible vitesse, voir à l’arrêt du véhicule. Ci-après la nomenclature des principaux éléments : 11 planétaire du train 1 12 arbre d’essieu e1 13 porte-satellites du train 1 14 satellites doubles du train 1 15 couronne du train 1 16 pignon d’entraînement de la couronne du train 1 17 actionneur MG1 du planétaire du train 1 18 tachymètre 19 arbre du moteur principal 20 moteur principal MM 21 planétaire du train 2 22 arbre d’essieu e2 23 couronne du train 2 24 porte satellite du train 2 25 satellites simples du train 2 26 carter lié au châssis 27 actionneur MG2 du planétaire du train 2 28 pignon d’entraînement du porte-satellites du train 2 29 système de blocage temporaire de l’arbre du moteur principal MM par rapport au carter 30 pignon inverseur de la vitesse d’entrainement du train 2 , L’objectif de la est de confirmer que les actionneurs sont bien en opposition moteur-générateur dans la zone la plus utile du diagramme des vitesses, soit entre le point I d’intersection des caractéristiques et l’axe des vitesses du véhicule. Les notations utilisées sont : W, C, P sont respectivement les vitesses, les couples, les puissances des organes des deux trains épicycloïdaux de raison r et -r. p, c, ps, e sont les indices respectivement correspondants aux planétaires, aux couronnes, aux porte-satellites et aux essieux. 1 et 2 sont respectivement relatifs aux trains de raison r et -r. Le signe + pour les vitesses et les couples correspond au sens rétrograde et le signe – au sens contraire. Le signe + pour les puissances correspond à une puissance positive (Motrice) et le signe – à une puissance négative (Génératrice). L’équilibre des couples sur les trains, les diagrammes des vitesses, P = C.W, déterminent la matrice . En résultats Pp1 et Pp2 sont bien des puissances de signes contraires, ce qui confirme l’opposition moteur-générateur des actionneurs dans les quadrants considérés. Nota : le tableau est établi au point I soit couronne et véhicule arrêté. , pour abrégé Applications Les caractéristiques sur les figures 2 et 3 sont données pour r = 0,3 et pour des actionneurs de 100 mN, 30 KW. Nota : la raison du train r est ici par convention égale au rapport : diamètre primitif du planétaire/diamètre primitif de la couronne. La poussée obtenue sur le véhicule de l’ordre de 10 kN est essentiellement déterminée par le couple des actionneurs. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices basée sur deux CVTs (Transmission à Variation Continue de Vitesse) caractérisée en ce qu’elle comprend : Deux essieux (1) et (2) avec chacun leur paire de roues, leur différentiel et leur arbre d’entraînement d’essieu tournant dans le sens contraire l’un par rapport à l’autre lorsque les roues tournent dans le même sens, Deux trains d’engrenages épicycloïdaux simples, de raison r (T1) et -r (T2) avec chacun leur planétaire (11) et (21) et leur couronne (15) et (23) identiques deux à deux, tels que, chaque planétaire est connecté à un actionneur moteur-générateur régulateur de couple (18) et (27), chaque couronne entraine un des deux arbres d’essieu (12) et (22), que chaque porte-satellites (14) et (24) est entrainé par le moteur principal (20) dans un rapport de vitesse de -(1-r)/(1+r), qu’entre la couronne et le planétaire engrainent des satellites simples (25) pour le train de raison -r (T2) et des satellites doubles (14) pour le train de raison r (T1), Une batterie pour absorber les excédents ou les déficits du bilan électrique des deux actionneurs avec son électronique de puissance réversible, Un ordinateur de bord pour piloter et gérer entre autres cette transmission. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce que le rapport des consignes de couple des deux actionneurs (18) et (27) est ajusté en temps réel par rapport au bilan électrique du moment et de l’état de charge de la batterie. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce que le rapport des consignes de couple des actionneurs (18) et (27) est ajusté en temps réel par rapport à la limite du patinage d’une des roues. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce que la plage de vitesse du véhicule soit couverte en deux zones : une zone dite à basse vitesse où la vitesse du moteur principal est constante hors démarrage et une zone dite à haute vitesse où la vitesse du moteur principal (20) évolue selon une loi proche k.V/(1-r), k étant une constante caractéristique du véhicule et V sa vitesse. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce que la répartition du couple entre les essieux (1) et (2) est variable à l’initiative du pilote ou gérée par l’ordinateur de bord ou les deux. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce que le véhicule dispose d’une batterie rechargeable en roulant ou à l’arrêt avec une possibilité de récupération des énergies cinétiques par ajustement du rapport des consignes des actionneurs (18) et (27). transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce qu’en mode électrique pur, le rapport des consignes de couple des actionneurs (18) et (27) est choisi de manière à ce que les contre couples sur l’arbre (19) du moteur principal soient égaux et opposés. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce que les trains épicycloïdaux (T1) et (T2) et leurs actionneurs (18) et (27) peuvent être montés concentriques sur un même axe (12) et que les trains d’engrenages sont regroupés dans un même carter (26) lié au châssis. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce que le moteur principal (20) peut être thermique ou électrique. transmission pour véhicule tout terrain à quatre roues motrices selon la revendication 1 caractérisée en ce que la batterie est remplacée par un super condensateur ou par une combinaison des deux.