FR 2658258 A1 19910816 FR 9000201 A 19900212 BOITE A VITESSES EN LIGNE A PIGNONS FLOTTANTS ****************************************************** I : Domaine technique de l'invention I1 s'agit essentiellement d'une boîte mécanique adaptable à tous les moteurs (moteurs de véhicules automobiles en particulier). II : Indication de l'état de la technique antérieure I1 est impossible de dresser ici l'inventaire précis de tous les modèles de boîtes existants, compte tenu de leur nombre et de leur extrême diversité. Cependant, la plupart, sinon la totalité d'entre elles fonctionnent en faisant appel à plusieurs coulisseaux sélecteurs de vitesses. Chaque coulisseau actionne un pignon baladeur synchronisateur susceptible de sélectionner un maximum de deux vitesses ; par ailleurs, la plupart des boîtes comportent 3 arbres - un arbre primaire relié au moteur par l'embrayage, - un arbre intermédiaire, - un arbre secondaire qui transmet le mouvement de rotation aux roues. Enfin, la plupart des boîtes mécaniques comportent autant de pignons baladeurs que de coulisseaux sélecteurs de vitesses. La nouveauté réside dans l'intervention d'un coulisseau sélecteur de vitesse unique qui lui même actionne un pignon baladeur unique, et ce, quelque soit le nombre de vitesses que comporte la boîte. Par ailleurs, cette boîte ne fait appel qu'à deux arbres (primaire et secondaire), d'où son extrême simplicité conceptuelle. III : D E S G R I P T I O N 1) L'arbre primaire de cette boîte ne comporte pas de caractéristiques particulières par rapport à une boîte de vitesses mécanique classique, si ce n'est qu'il entraîne dans sa rotation un nombre de pignons dentelés rigoureusement identique au nombre de vitesses que comporte la boîte ; cela tient au fait que cette boîte ne comporte aucun arbre intermédiaire. Tous ces pignons lui sont solidaires, et tournent à la même vitesse que lui. Seules leur diamètre diffère : ils sont rangés dans un ordre rigoureux de diamètre croissant (ou décroissant) le long de cet arbre. L'arbre primaire effectue sa rotation sur des roulements à billes enchassés dans les parois du carter de la boîte. 2) L'arbre secondaire est constitué par un axe cylindrique creux comportant une rainure longitudinale profonde (7) sur toute sa longueur, dans la partie intérieure du carter de la boîte. Cette rainure part de la périphérie pour rejoindre l'évidement central (8). L'évidement cylindrique central se prolonge à l'une ou l'autre (ou aux deux) des extrémités, pour livrer le passage à un coulisseau, et permettre son libre mouvement vers l'avant ou l'arrière, à l'intérieur de l'arbre secondaire (Fig 2 et 3). La périphérie de l'arbre secondaire est munie de cannelures longitudinales (9) sur toute sa portion située à l'intérieur du carter de la boîte (Fig 3). L'arbre secondaire tourne librement sur des roulements à billes enchassés dans les parois du carter de la boîte.Un pignon baladeur "craboteur" et "synchronisateur" se déplace lui-même librement le long des cannelures horizontales de la périphérie de 1 'arbre secondaire. 3) Le pignon baladeur craboteur et synchronisateur - mécanisme de commande La commande est constituée par un axe central cylindrique (ou coulisseau) dont le diamètre correspond exactement à celui de l'évidement central de l'arbre secondaire. L'extrémité du coulisseau comporte un évidement périphérique dans lequel vient prendre appui l'extrémité d'une languette (10) solidaire du pignon baladeur. Cette languette coulisse librement dans la rainure longitudinale de l'arbre secondaire qui lui sert de guide (Fig 4). - structure et fonction du pignon baladeur: - structure "intérieure" : I1 s'agit très simplement d'un anneau métallique creux comportant des cannelures longitudinales qui viennent se loger dans les cannelures correspondantes (9) de la périphérie de l'arbre secondaire. Cet anneau est mobile le long de l'arbre secondaire et comporte une languette (10) qui vient s'insérer exactement dans la rainure longitudinale (7) de cet arbre. L'extrémité de la languette (10) vient reposer sans frottement sur la partie évidée (4) du coulisseau (Fig 4 et 5). - structure "extérieure" ou périphérique du pignon baladeur Elle peut se décomposer en trois parties en partant du centre de l'anneau dans le sens horizontal (Fig 6). * une partie centrale au niveau de laquelle la périphérie de l'anneau est munié de dentures droites régulières de forme arrondie(ll); * deux parties latérales intermédiaires, situées de part et d'autre, et ne comportant plus que deux dentures diamétralement opposées (12), qui ne sont en fait que le prolongement de deux dentures centrales (Fig 6). NOTA : Les extrémités de toutes les dentures sont de forme arrondie pour faciliter l'engagement du pignon baladeur à l'intérieur des pignons flottants traversés par l'arbre secondaire, mais sans contact avec eux. * deux parties latérales enfin, totalement démunies de dents, ce qui permet au pignon baladeur de s'engager sans résistance lorsqu'il aborde l'un quelconque des pignons flottants. 4) Les pignons flottants On a vu précédemment que tous les pignons de 1' arbre primaire lui sont solidaires, et tournent à la même vitesse que lui. Chacun de ces pignons entraine dans sa rotation un pignon "flottant" (6), évidé dans sa partie centrale, pour permettre le passage du pignon baladeur. Le terme "flottant" tient au mode de rotation de ces pignons qui ne sont solidaires d'aucun axe, tant que le pignon baladeur ne vient pas stengager dans leur cavité centrale. Ces pignons sont maintenus en place et effectuent leur rotation par l'intermédiaire de roulements a billes qui viennent s'insérer dans une gorge circulaire de forme arrondie (13), ménagée symétriquement sur chaque face des pignons flottants. Les roulements à billes sont eux-mêmes maintenus à leurs emplacements par des "pattes" d'ancrage rigides, fixées au carter de la boite, sans possibilité de jeu. Chaque pignon flottant est séparé du suivant par un inter- valle de distance fixe (de dimension sensiblement équivalente à la longueur horizontale du pignon baladeur). Les pignons flottants sont disposés dans un ordre de diamètre inverse de celui des pignons de 1 'arbre primaire et sont en contact permanent avec les pignons correspondants de 1' arbre primaire qui les entrainent dans leur rotation. Les pignons flottants tournent donc librement autour de l'arbre secondaire, sans contact avec lui. I1 s'agit donc d'une boite silencieuse à prise constante. C'est le pignon baladeur qui, en se déplaçant le long de l'arbre secondaire, sélectionne la vitesse. - structure externe des pignons flottants Il s'agit de roues dentées classiques, dont les seules particularités sont : - d'être creuses, - de présenter sur chaque face latérale une gorge arrondie de forme circulaire (13), servant de logement et de guide aux billes des roulements - structure intérieure des pignons flottants Leurs caractéristiques sont identiques à celles de la périphérie du pignon baladeur * une portion centrale munie de dentures droites régulières de forme arrondie, dont les intervalles servent de logement aux dentures correspondantes du pignon baladeur * une partie intermédiaire ne comportant plus que deux dents (16), diamétralement opposées qui sont le prolongement de deux dentures centrales * une partie latérale, démunie de dents, dans laquelle est creusé le logement d'un anneau métallique flexible05 > égèrement ovalisé (Fig 9). 5) Principe de crabotage et de synchronisation Lorsque la boîte est débrayée, chaque pignon flottant tourne à sa vitesse propre, et, lorsque le pignon baladeur se déplace le long de l'arbre secondaire, il va à la rencontre d'un pignon flottant qui tourne à une vitesse différente de la sienne. L'extrémité lisse du pignon baladeur s'engage sans difficulté dans la partie lisse du pignon flottant, mais, lorsque l'extrémité de ses dents "longues" parvient au niveau de l'anneau flexible ovalisé, il ne peut poursuivre sa progression qu'en exerçant une pression sur celui-ci pour lui faire subir une légère déformation.Les frictions exercées par les dents du pignon baladeur sur les parois internes de l'anneau métallique flexible, conduisent à un début de synchronisation, et cette synchronisation est achevée lorsque l'extrémité des dentures longues du pignon baladeur vient prendre appui sur l'extrémité des dentures correspondantes du pignon flottant, en l'entraînant dans sa rotation. Rien ne s'oppose plus alors à la progression du pignon baladeur qui peut engager la totalité de ses dentures entre celles du pignon flottant sélectionné. Le verrouillage "relatif" de la vitesse sélectionnée s'effectue automatiquement par l'intermédiaire de deux anneaux métalliques flexibles ovalisés, qui n'étant plus soumis à un écartement forcé, reprennent leur forme initiale, en emprisonnant les dents du pignon baladeur en rotation. De même, chaque position de "point mort" entre deux pignons flottants successifs sera protégée par le même principe de verrouillage automatique (Fig 9). 6) Principales caractéristiques techniques Cette boîte est d'une extrême simplicité de conception, et la compréhension de son mode de fonctionnement est particulièrement aisée ses principales caractéristiques sont les suivantes - robustesse et fiabilité : cette bote est pratiquement indéréglable ; en effet, aucune de ses pièces n'est structurellement fragile lorsque les pignons flottants effectuent leur rotation sans être crabotés, ils sont en contact permanent avec les pignons correspondants de l'arbre primaire qui neutralisent leur gravité ; ils n'exercent alors que des pressions latérales négligeables sur les roulements à billes qui leur servent essentiellement de guide. Lorsqu'ils deviennent moteurs en étant crabotés, ils sont totalement solidaires de l'arbre secondaire, et les roulements ne font toujours office que de guide. - bolte de faible coût de réalisation (grande homogénéité des composants, par ailleurs faciles à usiner). - facilité et précision de commande chaque vitesse étant séparée de la suivante par un intervalle de distance constant, toutes les vitesses sont disponibles "linéairement". Dans l'hypothèse d'une commande manuelle avec levier au plancher, la sélection des vitesses se fera par progression linéaire du levier d'avant en arrière (ou inversement), et dans un ordre logique de sélection des vitesses (croissant ou décroissant selon qu'on pousse le levier d'avant en arrière ou inversement). Enfin, le nombre de vitesses peut être augmenté sans que cela pose de difficulté technique supplémentaire, puisqu'il suffit, pour chaque vitesse supplémentaire, de prévoir un pignon additionnel supplémentaire sur chacun des deux arbres. La seule incidence est alors un allongement proportionnel de la longueur de la bote et du coulisseau. - boîte de faible encombrement et de poids réduit : sa largeur peut être limitée au diamètre du pignon flottant le plus large, augmentée du double de l'épaisseur du carter de la boîte, soit dans tous les cas inférieure à quinze centimètres - sa longueur sera directement proportionnelle au nombre de vitesses que comporte la bote (à titre indicatif, la longueur d'une boîte à six vitesses et une marche arrière pourrait être voisine de trente centimètres) - sa hauteur sera égale-au double de la distance séparant les deux arbres, augmentée du double de la largeur du carter de la boite, soit dans tous les cas inférieure à vingt centimètres. - facilité d'automatisation * moteur électrique actionnant le coulisseau par l'intermédiaire d'un dispositif classique à crémaillère. * possibilité de commande par piston hydraulique. NOTA : La commande manuelle ne semble devoir poser à priori aucun problème technique particulier pour un ingénieur automobile puisqu'il s'agit essentiellement de commander le mouvement rectiligne d'un axe cylindrique plein à l'intérieur d'un axe cylindrique creux. Bien entendu, comme pour une boite classique, il sera indispensable de prévoir une butée d'arrêt pour interdire toute possibilité d'acces direct à la marche arrière. 7) Légende des dessins explicatifs Fig 1 : Schéma de principe d'une boite à cinq vitesses plus une marche arriere. 1 - arbre primaire 3 - coulisseau 5 - pignon baladeur position de point mort a6 pignons flottants de ler, 2e, 3e, 4e, 5e et marche arrière. 18 - pignon intermédiaire de marche arrière décentre et libre sur son axe. Fig 2 :schéma de principe de l'arbre secondaire 8 - évidement central 9 - cannelures longitudinales Fig 3 :Coupe transversale d'une portion de l'arbre secondaire 7 - rainure longitudinale continue 8 - évidement central 9 - cannelures longitudinales Fig 4 : Schéma de principe du système de commande du pignon baladeur (coupe longitudinale axiale) 2 - arbre secondaire creux 3 - coulisseau sélecteur de vitesses 10 - languette de commande du pignon baladeur. Fig 5 :Coupe transversale du pignon baladeur et de l'arbre secondaire 2 - arbre secondaire creux 3 - coulisseau central. 5 - pignon baladeur. 10 - languette de commande 12 - denture longue du pignon baladeur. Fig 6 : Schéma de principe du pignon baladeur 11 - dentures centrales courtes 12 - denture longue Fig 7 : Vue latérale en coupe d'un pignon flottant craboté 2 - arbre secondaire creux 3 - évidement central servant de logement en coulisseau 5 - pignon baladeur et sa languette de commande Fig 8 : Coupe transversale de la tranche d'un pignon flottant 13 - gorge servant de logement aux roulements à billes. Fig 9 : Schéma de principe du crabotage avec synchronisation (position de point mort) 2 - arbre secondaire 5 - pignon baladeur craboteur 6 - vue en coupe de la partie centrale d'un pignon flottant 15 - anneau ovalisé (coupe transversale) 17 - espace vide du fait de la forme légèrement ovale des anneaux. REVENDICATIONS 1) Boite à vitesses mécanique adaptable à tous moteurs (moteurs d'automobiles en particulier), caractérisée par le fait que la rotation du moteur est transmise directement de l'arbre primaire (1) à l'arbre secondaire (2) par l'intermédiaire de pignons dentelés classiques qui sont en contact permanent avec les dentures de pignons flottants (6) et les entraînent dans leur rotation par l'intervention d'un coulisseau sélecteur de vitesses unique (3). 2) Boite à vitesses selon la revendication 1 caractérisée par un arbre secondaire creux dont l'évidement cylindrique intérieur (8) se prolonge par une rainure longitudinale (7) rejoignant sa périphérie. 3) Bote à vitesses selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que le coulisseau sélecteur de vitesses (3) unique, se déplace longitudinalement à l'intérieur de l'arbre secondaire. 4) Boîte à vitesses selon les revendications 1 - 2 et 3 caractérisée en ce que le pignon baladeur (5) est constitué par un anneau métallique pouvant se déplacer sur toute la longueur de l'arbre secondaire, le long des cannelures de celui-ci (9), la rainure longitudinale ménagée sur un rayon de l'arbre secondaire servant de logement à la languette (10) du pignon baladeur, et en ce que la périphérie de l'anneau est munie de dentures droites courtes (11) de forme arrondie et de deux dentures longues de même forme, diamétralement opposées (12) exerçant une fonction de synchronisation. 5) Bote à vitesses selon l'ensemble des revendications précédentes caractérisée en ce que les pignons de vitesses creux (6) baptisés "pignons flottants" sont rangés dans un ordre de diamètre croissant (inverse de celui des pignons de l'arbre primaire) et effectuent leur rotation en prenant appui sur des roulements à billes solidaires du carter de la boîte, grâce à une gorge de forme circulaire (13), creusée de part et d'autre de chaque pignon flottant, et en ce que la cavité interne de chaque pignon flottant est munie de dentures identiques à celles du pignon baladeur (5) un anneau métallique flexible ovalisé venant se loger dans un évidement circulaire latéral situé de part et d'autre de la cavité centrale du pignon flottant.