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FR2742703A1 - Transmission differentielle pour un vehicule a motorisation hybride - Google Patents

Transmission differentielle pour un vehicule a motorisation hybride Download PDF

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FR2742703A1
FR2742703A1 FR9515296A FR9515296A FR2742703A1 FR 2742703 A1 FR2742703 A1 FR 2742703A1 FR 9515296 A FR9515296 A FR 9515296A FR 9515296 A FR9515296 A FR 9515296A FR 2742703 A1 FR2742703 A1 FR 2742703A1
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electric motor
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planetary gear
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Regie Nationale des Usines Renault
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Renault SA
Regie Nationale des Usines Renault
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Abstract

L'invention concerne une transmission pour véhicule à motorisation hybride dans laquelle deux moteurs (14, 18) sont reliés aux roues motrices du véhicule par un train épicycloïdal (24), caractérisée en ce que des moyens d'immobilisation (56, 58, 60) de certains composants (26, 30, 32) du train épicycloïdal (24) permettent, au choix, de n'utiliser qu'un seul des deux moteurs (14, 18), permettent d'entraîner un moteur à l'aide de l'autre, ou permettent d'entraîner les roues motrices en imposant un rapport de vitesse de rotation constant entre les deux moteurs.

Description

L'invention concerne une chaîne de traction hybride différentielle pour un véhicule automobile.
L'invention concerne plus particulièrement une transmission pour un véhicule automobile comportant un premier et un second moteur, tels qu'un moteur thermique et un moteur électrique, reliés à un premier et à un second organe d'entrée d'un train épicycloïdal dont l'organe de sortie entraîne les roues motrices du véhicule.
Les avantages des véhicules électriques sont connus et proviennent notamment du caractère silencieux et non polluant de leur moteur.
Toutefois, un véhicule disposant seulement d'un moteur électrique est obligé de recharger régulièrement sa batterie d'accumulateur, ce qui impose une immobilisation totale du véhicule et suppose de plus que soient installées des bornes d'alimentation spécifiques.
De plus, il est nécessaire d'effectuer un compromis entre la puissance du moteur électrique qui conditionne la vitesse maximale du véhicule d'une part et, d'autre part,
I'autonomie conférée par les batteries.
De la sorte, et en l'état actuel de la technique, les véhicules purement électriques présentent le double inconvénient d'avoir une faible autonomie et d'avoir de faibles performances.
C'est dans le but de proposer un véhicule très peu polluant et parfaitement autonome que sont actuellement développés les véhicules à motorisation hybride.
En effet, le véhicule hybride peut circuler grâce à la seule énergie de son moteur électrique, notamment en circulation urbaine, pour peu qu'il soit muni d'une batterie d'accumulateurs lui conférant une autonomie et une puissance suffisantes pour les courts trajets effectués en milieu urbain.
Dans le cas du moteur hybride, un moteur thermique complémentaire du moteur électrique est installé et permet soit d'apporter un complément de puissance pour des trajets sur route, soit de recharger les batteries d'accumulateur en utilisant le moteur électrique comme génératrice de courant.
L'agencement particulier des organes composant la chaîne de traction hybride différentielle est particulièrement avantageux par rapport à celui d'une chaîne de traction hybride, dite "en série", dans laquelle un moteur thermique entraîne le rotor d'une génératrice de courant dont le courant est ensuite transmis au moteur électrique chargé de l'entraînement des roues motrices.
Dans une chaîne de transmission hybride différentielle, on évite l'implantation d'une génératrice de courant, ce qui représente un gain de place et un gain de coût important.
Ce type de transmission conserve toutefois l'avantage de ne pas nécessiter de boîte de vitesses puisqu'il est possible, par combinaison des vitesses de rotation du moteur thermique et du moteur électrique, d'obtenir une plage continue de vitesses en sortie de transmission.
De plus, contrairement aux chaînes de traction hybride en série dans laquelle toute la puissance motrice du véhicule est fournie par le moteur électrique, la puissance motrice maximale d'une chaîne de traction hybride différentielle est fournie à la fois par le moteur électrique et par le moteur thermique, ce qui permet de réaliser des gains de poids, de place et de coût importants pour l'implantation dans un véhicule automobile.
L'invention a donc pour but de proposer une transmission pour une chaîne de traction hybride différentielle qui permette d'allier aux qualités inhérentes à cette conception des fonctionnalités supplémentaires visant à augmenter encore la souplesse d'utilisation et l'intérêt de l'intégration d'une telle chaîne de traction dans un véhicule automobile.
Dans ce but, I'invention propose une transmission du type vu précédemment, caractérisée en ce qu'elle dispose d'un premier organe d'immobilisation assurant le blocage relatif des éléments du train en vue d'imposer un rapport des vitesses de rotation constant entre les deux moteurs.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention
- un second organe d'immobilisation permet d'immobiliser l'organe de sortie de mouvement par rapport au carter en vue d'assurer le démarrage du moteur thermique à l'aide du moteur électrique ou d'entraîner, grâce au moteur thermique, le moteur électrique utilisé comme génératrice de courant, dans le but de recharger des batteries d'accumulateur
- le deuxième organe d'entrée du train est un portesatellites, et l'organe de sortie est une couronne, un troisième organe d'immobilisation assurant le blocage du porte-satellites par rapport au carter en vue de neutraliser le second moteur et d'inverser le sens de rotation de la couronne par rapport à celui de l'engrenage planétaire
- le deuxième organe d'entrée du train est une couronne, et l'organe de sortie est un porte-satellites, un troisième organe d'immobilisation assurant le blocage de la couronne par rapport au carter en vue d'entraîner les roues motrices à l'aide du seul premier moteur par l'intermédiaire du train formant un réducteur de vitesse.
- au moins l'un des organes d'immobilisation est un dispositif à crabot
- le premier organe d'entrée est un engrenage planétaire relié au premier moteur par un arbre d'entraînement qui est monté pivotant dans le carter et sur lequel l'organe de sortie est monté tournant, et le second organe d'immobilisation est un baladeur monté à coulissement axial sur une roue dentée de l'arbre d'entraînement susceptible d'engrener, par coulissement dans l'une ou l'autre des directions axiales de l'arbre, respectivement avec des dentures agencées sur le carter et sur l'organe de sortie de manière à permettre l'immobilisation du planétaire par rapport au carter, ou par rapport à l'organe de sortie
- au moins l'un des organes d'immobilisation est un dispositif de freinage à friction
- L'organe de sortie du train épicycloïdal est relié aux roues motrices par un différentiel à pignons coniques
- le premier moteur est un moteur thermique et le second moteur est un moteur électrique ; et
- le premier moteur est un moteur électrique et le second moteur est un moteur thermique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe partielle d'une transmission pour un véhicule à moteur hybride conforme aux enseignements de l'invention;
- les figures 2 à 6 représentent une chaîne de traction hybride différentielle utilisée suivant différents modes de fonctionnement grâce à la transmission selon l'invention; ; et
- la figure 7 est une vue similaire à celle de la figure 6 représentant une variante de réalisation de l'invention.
La chaîne de traction hybride différentielle selon l'invention comporte notamment une transmission 10 dans laquelle un premier arbre d'entrée 12 est relié à un premier moteur 14 et dans laquelle un second arbre d'entrée 16 est relié à un second moteur 18.
Dans l'exemple de réalisation qui est représenté sur les figures, le premier moteur 14 est un moteur thermique et le second moteur est un moteur électrique.
La transmission 10 est destinée à entraîner en rotation deux arbres de sortie 20 reliés à des roues motrices du véhicule (non représentées).
La transmission 10 est enfermée à l'intérieur d'un carter 22 et comporte tout d'abord un train épicycloïdal plan 24.
Les arbres d'entrée 12, 16 sont agencés sur le même axe Al et sont guidés chacun dans un palier respectif 13, 17 du carter 22 de la transmission 10.
Le train épicycloïdal 24 est agencé axialement entre les deux paliers 13, 17 d'axe Al du carter 22 de la transmission 10.
Le train épicycloïdal 24 se compose d'un engrenage planétaire 26, de satellites 28, d'un porte-satellites 30 et d'une couronne 32à denture interne.
De manière connue, l'engrenage planétaire 26 est agencé coaxialement au centre de la couronne 32, dans un même plan perpendiculaire à leur axe commun Al, et les satellites 28, montés tournants à l'extrémité de branches radiales 34 du porte-satellites 30, sont interposés radialement entre l'engrenage planétaire 26 et la couronne 32 à denture interne de manière à engrener simultanément avec le planétaire 26 et la couronne 32.
Comme on peut le voir sur les figures, le planétaire 26 forme un premier composant d'entrée de mouvement de la transmission 10, et il est entraîné en rotation autour de son axe Al par le premier arbre d'entrée 12, tandis que le portesatellites 30 forme un deuxième composant de sortie de mouvement, et il est entraîné en rotation autour du même axe Al par le second arbre d'entrée 16.
La couronne dentée 32 comporte un manchon tubulaire 36 qui permet son montage à rotation sur l'arbre d'entrée 12 qui entraîne le planétaire 26.
Afin de parfaire la rigidité du train épicycloïdal 24 et afin d'assurer une bonne coaxialité des arbres d'entrée 12, 16, le premier arbre 12 comporte une extrémité axiale 38 qui est guidée en rotation dans le porte-satellites 30 qui est solidaire du second arbre 16.
Comme on peut le voir sur les figures, le mouvement des moteurs 14, 18 est récupéré en sortie du train épicycloïdal 24 grâce à une denture 40 formée sur le manchon 38 de la couronne 32 qui forme ainsi le troisième composant de sortie de mouvement du train 24.
La denture 40 du manchon 38 attaque, par l'intermédiaire d'un pignon réducteur 42, une couronne externe 44 d'un différentiel à pignon conique 46 de conception connue qui permet de transmettre un couple moteur aux arbres de sortie 20 reliés chacun à une roue motrice du véhicule.
Conformément aux enseignements de l'invention, la transmission 10 est munie d'organes d'immobilisation qui sont susceptibles de bloquer les mouvements relatifs de certains éléments de la transmission 10 dans le but d'obtenir différents modes de fonctionnement de la chaîne de traction hybride d ifférentielle .
La transmission 10 comporte notamment des moyens pour bloquer les mouvements relatifs du planétaire 26 par rapport au carter 22 ou par rapport à la couronne 32.
A cet effet, une roue à denture externe 50 est montée solidaire en rotation sur le premier arbre d'entrée 12 par l'intermédiaire de cannelures 48.
La roue dentée 50 est agencée axialement entre le palier 13 du carter 22 et le manchon 38 de la roue 32 qui comportent chacun respectivement une denture externe 52, 54 correspondante.
Un baladeur 56 est monté coulissant sur la roue dentée 50 du premier arbre d'entrée 12 et est susceptible de coulisser axialement, vers la gauche ou vers la droite en considérant les figures, de part et d'autre d'une position intermédiaire, représentée notamment sur les figures 1 et 2, dans laquelle le baladeur 26 ne coopère qu'avec la roue dentée 50.
Le baladeur 56 est destiné ainsi à provoquer l'accouplement en rotation de la roue dentée 50 du premier arbre d'entrée 12 respectivement avec la denture externe 52 du palier 13 du carter 22 ou avec celle 54 du manchon 38 de la couronne 32.
La transmission 10 comporte également un dispositif à crabot 58 susceptible de rendre solidaire en rotation le portesatellites 30, qui est solidaire du second arbre d'entrée 16, et le manchon 17 du carter 22 dans lequel est guidé le second arbre 16.
Le crabot 58 est monté coulissant sur une denture du manchon 17 et est destiné à coopérer avec une denture correspondante du porte-satellites 30.
Enfin, il est prévu un dispositif 60 qui permet de bloquer la rotation de la couronne 32 du train épicycloïdal 24, ce qui entraîne bien entendu le blocage des arbres de sortie 20 reliés aux roues motrices du véhicule.
Le dispositif 60 effectue un blocage indirect de la couronne 32 car il comporte un doigt rétractable 62 solidaire du carter 22, qui est susceptible de coopérer avec une roue dentée solidaire du boîtier du différentiel 46 à pignon conique.
Les différents modes de fonctionnement de la chaîne de traction hybride selon l'invention vont être maintenant décrits en référence aux figures 2 à 6.
On a représenté sur la figure 2 la chaîne de traction en mode de fonctionnement hybride différentiel.
Chacun des dispositifs de blocage 56, 58, 60 est alors désactivé de sorte que le moteur thermique 14 entraîne librement l'engrenage planétaire 26 et que le moteur électrique 18 entraîne librement le porte-satellites 30.
Notamment, le baladeur 56 est en position intermédiaire.
De la sorte, la couronne 32 du train épicycloïdal 24, qui est libre en rotation par rapport au carter 22, est animée d'un mouvement de rotation dont la vitesse est une composition linéaire des vitesses de l'engrenage planétaire 26 et du portesatellites 30, pondérées chacune en fonction des rapports de transmission déterminés par les diamètres respectifs du planétaire 26, des satellites 28 et de la denture interne de la couronne 32.
Dans ce mode de fonctionnement, il est particulièrement intéressant d'utiliser le moteur thermique à un régime constant qui correspond à son régime de rotation pour lequel son rendement est optimal. Le moteur électrique 18 est alors commandé pour adapter la vitesse de la couronne 32 afin d'adapter la vitesse du véhicule à la valeur voulue par le conducteur.
On a représenté sur la figure 3 la chaîne de traction hybride en mode de traction électrique pure.
Dans ce mode de fonctionnement, le baladeur 56 est déplacé axialement vers la gauche, en considérant les figures, de manière à réaliser l'accouplement en rotation entre la roue dentée 50 du premier arbre d'entrée 12 et le palier 13 du carter 22, ce qui a pour conséquence d'immobiliser le premier arbre d'entrée 12.
On neutralise ainsi le moteur thermique 14 et l'engrenage planétaire 26 est également bloqué.
De la sorte, la vitesse de rotation de la couronne 32 du train épicycloïdal 24 est directement commandée par le moteur électrique 18 qui l'entraîne en rotation par l'intermédiaire du porte-satellites 30.
Ce mode de fonctionnement est par exemple préféré en cas de circulation du véhicule en milieu urbain en raison de son silence et de son caractère non polluant, d'autant plus que les performances nécessaires à un tel type de circulation sont largement assurées par le seul moteur électrique 18.
On a représenté sur la figure 4 la chaîne de traction hybride en mode de fonctionnement hybride parallèle.
Dans ce mode de fonctionnement, le baladeur 56 est déplacé axialement vers la droite, en considérant la figure, de manière à accoupler en rotation la roue dentée 50 du premier arbre d'entrée 12 avec le manchon 38 de la couronne 32.
Ceci a pour conséquence de "bloquer" le train épicycloïdal 24, c'est-à-dire que l'engrenage planétaire 26, les satellites 28, le porte-satellites 30 et la couronne 32 sont immobiles les uns par rapport aux autres et sont susceptibles de tourner à la même vitesse autour de l'axe Al.
Dans ce mode de fonctionnement, les deux moteurs 14, 18 fonctionnent simultanément et à la même vitesse pour entraîner en rotation l'ensemble du train épicycloïdal 24.
On peut également choisir de ne pas alimenter le moteur électrique 18 et de n'utiliser que le seul moteur thermique 14 pour entraîner le véhicule, ou choisir d'utiliser une partie de l'énergie fournie par le moteur thermique 14 pour produire du courant électrique grâce au moteur électrique 18 utilisé comme génératrice afin de recharger des accumulateurs tout en roulant.
On a représenté sur la figure 5 un mode particulier de fonctionnement de la chaîne de traction hybride dans laquelle le doigt rétractable 62 du dispositif de blocage 60 immobilise le boîtier de différentiel 46 et par conséquent la couronne 32 du train épicycloïdal 24.
Bien entendu, ce mode de fonctionnement implique que le véhicule est à l'arrêt.
La couronne 32 étant immobile en rotation, il subsiste toutefois la possibilité pour l'engrenage planétaire 26 et pour porte-satellites 30 d'être entraînés en rotation l'un par l'autre.
II est alors possible, dans un premier cas, de provoquer la mise en rotation du moteur thermique 14, en vue de son démarrage, à l'aide du moteur électrique 18, ce qui est particulièrement avantageux car cela évite ainsi l'implantation d'un démarreur complémentaire.
Dans un second cas, on peut utiliser le moteur thermique 14 pour entraîner en rotation le moteur électrique 18 qui, utilisé comme une génératrice de courant, va permettre de recharger les batteries d'accumulateur du véhicule.
Enfin, on a représenté sur la figure 6 la chaîne de traction hybride en mode de traction thermique pure.
Dans ce mode de fonctionnement, le baladeur 58 est commandé pour être déplacé, axialement vers la gauche en considérant la figure, de manière à provoquer l'accouplement en rotation du porte-satellites 30 avec le manchon 17 du carter 22.
Dans ce mode de fonctionnement, le moteur électrique 18 est ainsi neutralisé et le porte-satellites 30 est bloqué en rotation.
De la sorte, la vitesse de rotation de la couronne 32 du train épicycloïdal 24 est commandée par la vitesse de rotation de l'engrenage planétaire 26, et donc par le moteur thermique 14, le rapport de démultiplication étant une fonction des diamètres respectifs des composants du train épicycloïdal 24.
II est à noter que dans ce mode de fonctionnement,
I'engrenage planétaire 26 et la couronne 32 tournent en sens inverse autour de l'axe Al.
Ce mode de fonctionnement peut ainsi former une marche arrière pour le véhicule, sauf à utiliser un mécanisme inverseur permettant de rétablir une marche avant.
On a représenté sur la figure 7 une variante de réalisation de l'invention dans laquelle la couronne 32 et le porte-satellites 30 ont été intervertis de manière à former respectivement le deuxième composant d'entrée de mouvement et le troisième composant de sortie de mouvement du train épicycloïdal 24.
Ce mode de réalisation permet de réaliser, tout comme celui vu précédemment, une chaîne de traction hybride ou parallèle, seul le rapport des vitesses des deux moteurs, entre eux et avec les roues motrices, étant modifié. II permet aussi d'entraîner l'un des moteurs 14, 18 à l'aide de l'autre.
Toutefois, il existe une différence de fonctionnement entre les deux modes de réalisation dans le cas de blocage du deuxième composant d'entrée de mouvement, ce qui est représenté respectivement aux figures 6 et 7.
En effet, comme on peut le voir sur la figure 7, le baladeur 58 est commandé pour être déplacé, axialement vers la gauche en considérant la figure, de manière à provoquer, dans ce cas, I'accouplement en rotation de la couronne 32 avec le manchon 17 du carter 22.
On obtient ainsi l'entraînement en rotation des roues motrices à l'aide du seul moteur thermique 14, cette fois dans le même sens de rotation mais avec un rapport de réduction suffisamment important pour compenser l'absence de puissance fournie par le moteur électrique.
Dans les modes de réalisation de l'invention qui sont représentés sur les figures, les organes d'immobilisation 56, 58, 60 sont du type à crabot ou à doigt rétractable et représentent des moyen de réalisation simple de l'invention.
Toutefois, il peut être intéressant de remplacer au moins l'un de ces organes d'immobilisation par des systèmes à friction, tels que ceux utilisés dans les boîtes de vitesses automatiques, qui permettent un fonctionnement sans à-coups lors des passages entre les différents modes de fonctionnement de la transmission 10 et qui permettent de s'affranchir de tout problème de synchronisation au moment de l'enclenchement des dispositifs d'immobilisation.
Les modes de réalisation de la chaîne de traction hybride qui sont représentés sur les figures sont susceptibles d'être modifiés sans sortir du cadre de l'invention.
II est par exemple possible d'intervertir les moteurs thermique 14 et électrique 18, en fonction de la prépondérance que l'on souhaite accorder à l'un ou à l'autre, pour modifier les rapports de démultiplications appliqués à l'un et à l'autre.
De même, on peut choisir de prévoir de bloquer la rotation du porte-satellites 30 par rapport au planétaire 26 ou à la couronne 32, plutôt que celle du planétaire 26 par rapport à la couronne 32, dans le but de bloquer le train épicycloïdal 24 pour que la chaîne de traction fonctionne en mode hybride parallèle.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Transmission pour véhicule automobile comportant un premier (14) et un second (18) moteur, tels qu'un moteur thermique et un moteur électrique, reliés à un premier (26) et à un second (30, 32) organe d'entrée d'un train épicycloïdal (24) dont l'organe de sortie (32, 30) entraîne les roues motrices du véhicule, caractérisée en ce qu'elle dispose d'un premier organe d'immobilisation (56) assurant le blocage relatif des éléments (26, 30, 32) du train (24) en vue d'imposer un rapport des vitesses de rotation constant entre les deux moteurs (14, 18).
2. Transmission selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un second organe d'immobilisation (60) permet d'immobiliser l'organe de sortie de mouvement (30, 32) par rapport au carter (22) en vue d'assurer le démarrage du moteur thermique (14) à l'aide du moteur électrique (18) ou d'entraîner, grâce au moteur thermique (14), le moteur électrique (18) utilisé comme génératrice de courant, dans le but de recharger des batteries d'accumulateur.
3. Transmission selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le deuxième organe d'entrée du train (24) est un porte-satellites (30), et en ce que l'organe de sortie est une couronne (32), un troisième organe d'immobilisation (58) assurant le blocage du porte-satellites (30) par rapport au carter (22) en vue de neutraliser le second moteur (18) et d'inverser le sens de rotation de la couronne (32) par rapport à celui de l'engrenage planétaire (22).
4. Transmission selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le deuxième organe d'entrée du train (24) est une couronne (32), et en ce que l'organe de sortie est un porte-satellites (30), un troisième moyen d'immobilisation (58) assurant le blocage de la couronne (32) par rapport au carter (22) en vue d'entraîner les roues motrices à l'aide du seul premier moteur par l'intermédiaire du train (24) formant un réducteur de vitesse.
5. Transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins l'un des organes d'immobilisation (56, 58, 60) est un dispositif à crabot.
6. Transmission selon la revendication 5, caractérisée en ce que le premier organe d'entrée est un engrenage planétaire (26) relié au premier moteur (14) par un arbre d'entraînement (12) qui est monté pivotant dans le carter (22) et sur lequel l'organe de sortie (32) est monté tournant, et en ce que le second organe d'immobilisation est un baladeur (56) monté à coulissement axial sur une roue dentée (50) de l'arbre d'entraînement (12) susceptible d'engrener, par coulissement dans l'une ou l'autre des directions axiales de l'arbre (12), respectivement avec des dentures agencées sur le carter (22) et sur l'organe de sortie (30, 32) de manière à permettre l'immobilisation du planétaire (26) par rapport au carter (22), ou par rapport à l'organe de sortie (30, 32).
7. Transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins l'un des organes d'immobilisation (56, 58, 60) est un système de freinage à friction.
8. Transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes , caractérisée en ce que l'organe de sortie (30, 32) du train épicycloïdal (24) est relié aux roues motrices par un différentiel (46) à pignons coniques.
9. Transmission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier moteur (14) est un moteur thermique et en ce que le second moteur (18) est un moteur électrique.
10. Transmission selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le premier moteur (14) est un moteur électrique et en ce que le second moteur (18) est un moteur thermique.
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