FR3109749A1 - Transmissions série-parallèles jumelées pour véhicules hybrides. - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne l’architecture d’une transmission destinée aux véhicules hybrides, associant deux trains épicycloïdaux T1 et T2 entrainant séparément les deux roues motrices r1 et r2, de manière à ce que la puissance dérivée de l’un soit absorbée par l’autre et vice et versa. Cet arrangement remplace la puissante régulation-propulsion électrique propre aux architectures série-parallèles classiques par un transfert mécanique de l’énergie dérivée tout en gardant la variation continue de la vitesse sur le Moteur Thermique MT. Un complément de puissance électrique reste cependant possible, mais il est spécifié par l’utilisation finale du véhicule suivant la stratégie choisie en matière de 48 V ou par de norme CO2 par exemple. Figure pour l’abrégé : Figure1

Description

Transmissions série-parallèles jumelées pour véhicules hybrides.
La transmission série-parallèle pour véhicules hybrides est intéressante car elle permet de maintenir en continu le moteur thermique du véhicule proche de ses meilleures conditions de couple et de vitesse quelle que soit la vitesse du véhicule. Pour mémoire, cette famille de transmission est construite autour d’un train épicycloïdal à trois arbres : un arbre d’entrée entrainé par le moteur thermique, un arbre de sortie entrainant les deux roues motrices et un arbre pilote pour le contrôle de la puissance sur l’arbre de sortie par le truchement d’un moteur électrique régulé. (L’arbre pilote est appelé ainsi pour son rôle dans les régulations). Malheureusement cette technologie nécessite des équipements électriques lourds et couteux dans le véhicule (minimum 1/3 de la puissance du moteur thermique), tout particulièrement au niveau des deux moteurs électriques, de leur batterie et des isolements électriques. De plus, les nombreuses transformations du flux énergétique mises en jeu par la régulation électrique sont préjudiciables à l’efficacité globale. En limiter la puissance pénalise malheureusement les performances du moteur thermique et in fine, celles du véhicule.
Description d’une architecture innovante.
L’invention ci-après a cependant cet objectif sans en avoir les inconvénients. L’idée de base est de jumeler deux chaînes série-parallèles appairées, de puissance moitié, pour entraîner séparément chaque roue motorisée de telle sorte que la puissance mécanique dérivée pour la régulation de l’une soit absorbée par l’autre et vice et versa. Le flux électrique en est considérablement réduit. Le rôle du Moteur Electrique ME réversible se limite alors à des compléments de puissance pour des fonctions annexes, par exemple : le démarrage, le freinage régénératif, le « boosting » ou même certains niveaux de « plug in ».
Chaque transmission jumelle est construite autour d’un train épicycloïdal à trois arbres, dont les raisons (rapport d’engrenage), une négative r et l’autre positive r’ sont appairées, de telle sorte que leur somme r plus r’ soit égale à 1, (r+r’=1). L’arbre d’entrée est le porte-satellite, l’arbre de sortie est la couronne et l’arbre pilote est le planétaire pour le train épicycloïdal T1 ; l’arbre d’entrée est le premier planétaire, l’arbre de sortie est le second planétaire et l’arbre pilote est le porte-satellite pour le train épicycloïdal T2. Un Répartiteur inverseur RI0 répartie la puissance du Moteur Thermique MT sur les deux arbres d’entrée en sens inverse l’un par rapport à l’autre. Les arbres de sortie entraînent séparément les deux roues r1 et r2 dans le même rapport de réduction mais avec une inversion de sens sur l’un d’entre eux, réducteurs R1 et RI2. Les arbres pilotes sont reliés par un Différentiel DIF assurant l’opposition des couples et des vitesses sur les deux arbres pilotes et par proportionnalité sur les trois paires d’arbres homologues de T1 et T2, en particulier celle entrainant les roues. La raison particulière de T2 rend son arbre pilote récepteur, apte à recevoir la puissance dérivée de T1. Le Différentiel DIF a aussi pour vocation d’absorber les inévitables variations de la vitesse des roues par rapport à leur vitesse moyenne pour remplacer le traditionnel différentiel entre les roues. Un Moteur Electrique ME réversible entraîne le satellite à axe rotatif fixe du Différentiel DIF par l’intermédiaire d’un coupleur parfait. Le coupleur parfait n’introduit pas de réaction radiale sur les paliers et par conséquent, ne détruit pas l’équilibre des couples sur le satellite et par extension importante sur les trois paires d’arbres homologues de T1 et T2.
La puissance du Moteur Electrique ME vient se superposer à la puissance déjà transmise par le Différentiel DIF pour des besoins annexes tels les accélérations ou décélérations ponctuelles, la recharge batterie ou le freinage régénératif etc... Bien voir, que le Moteur Electrique ME ne supporte pas la charge principale transmise par le Différentiel.
La puissance du Moteur Electrique ME sera choisie à la construction en fonction de la spécification d’utilisation du véhicule selon plusieurs niveaux : puissance minimale pour le démarrage du Moteur Thermique MT (environ 3 Kw), puissance limitée par le 48 V (environ 10 Kw), puissance limitée par la vitesse maximale de roulage électrique spécifiée (environ 20 à 50 Kw), ajustement des émissions de CO2 aux normes, pointe de puissance pour l’extraction des véhicules militaires. Dès le second niveau de puissance, une roue anti dériveuse montée à la sortie du Moteur Thermique MT empêchera sa rotation inverse si nécessaire.
La préférence va au second niveau, soit la limite des 48V qui apporte des gains importants de poids et d’émission CO2 par rapport aux véhicules d’aujourd’hui sans trop en grever le coût. L’absence du classique pont entre les roues motrices devrait compenser l’augmentation de poids du fait du jumelage de deux transmissions de mi charge.
Résultats théoriques.
La figure 3 donne les résultats théoriques pour cette transmission.
Nomenclature:
L’indice prime se rapporte au train épicycloïdal T2 et son absence au train épicycloïdal T1.
DIF se rapporte au différentiel de liaison des deux trains épicycloïdaux.
C se rapporte aux couples extérieurs sur les arbres tandis que W caractérise leur vitesse de rotation.
Les indices p, ps, c, pp, sp et psd, se rapportent respectivement à T1 : p=planétaire, ps=porte-satellite, c=couronne et à T2 : pp=premier planétaire, sp=second planétaire, pds=porte double satellite.
Les indices ct et mt se rapportent au couple total sur les deux roues et sur le moteur thermique.
r1, r2 se rapportent aux roues motorisées.
R1 et RI2 se rapportent aux réducteurs pour l’entraînement des roues avec un inverseur de sens de rotation sur l’un des deux.
RI0 se rapporte au répartiteur de puissance du moteur thermique sur les deux trains épicycloïdaux T1 et T2 en sens inverse de l’un par rapport à l’autre.
ME se rapporte au moteur électrique réversible.
MT se rapporte au moteur thermique.
UE se rapporte à l’unité électronique-électrique qui comprend principalement une batterie, un inverter, un variateur, un calculateur et une unité de gestion.
Z suivi d’un repère se rapporte au nombre de dents de l’engrenage référencé par le repère.
AD se rapporte à une roue anti-dériveuse pour bloquer le moteur thermique en cas rotation inverse.
Constations.
Au niveau des vitesses, le système a trois équations venant des liaisons inter trains et deux venant des trains eux-mêmes (formule de Willis) et ce pour six inconnues (trois arbres par train). Le système est donc indéterminé, ce qui permet d’avoir une relation entre les variables et notamment de faire varier la vitesse du Moteur Thermique MT en fonction de la vitesse du Moteur Electrique ME.
Les couples et les vitesses moyennes des roues sont bien égaux en sortie des deux transmissions jumelées.
La vitesse du véhicule peut être calculée avec la formule de Willis à partir des vitesses du Moteur thermique MT et du Moteur électrique ME en connaissant les rapports fixes des chaines cinématiques.
Les échanges de puissance instantanée se font à somme nulle : P roues + P moteur thermique + P moteur électrique = 0, y compris pour la recharge électrique et le freinage régénératif.
En fonctionnement stabilisé et sans fonction annexe, la puissance demandée au Moteur Electrique ME est nulle et tourne en « roue libre ».
Nous n’avons pas de recyclage électrique comme dans les véhicules hybrides série-parallèles connus. Ce recyclage est très défavorable car il met en jeu de multiples transformations énergétiques aux rendements cumulables pas toujours très bons et pas forcément obtenus dans les meilleures conditions. Nous n’avons pas non plus besoin de compter sur une chaine électrique puissante pour lancer le véhicule car, dans notre cas, les couples mécaniques restent présents à très basse vitesse même nulle.
Application numérique : pour r=-0,3 et r’=1,3 et un rapport de 3 sur le Différentiel DIF, l’impact du couple du Moteur Electrique ME sur les arbres entrainant les roues est multiplié par 20.
Conduite du véhicule.
Des constatations ci-dessus, la conduite du véhicule est prévue ainsi :
Le couple du Moteur Thermique MT, donc la poussée du véhicule, est ajusté de façon classique par action sur l’accélérateur ouvrant les gaz du Moteur Thermique MT. Sa vitesse est par contre automatiquement imposée par la vitesse du Moteur Electrique ME elle-même fonction des calculs de vitesse de la chaine cinématique. En particulier, la vitesse du véhicule qui est déduite de la vitesse des deux moteurs et de tables de performances préétablies en usine. L’ensemble des informations est collecté et traité par l’Unité électronique-électrique UE.
Variante.
L’alternative suivante a les mêmes propriétés : L’arbre d’entrée est la couronne, l’arbre de sortie est le porte-satellite et l’arbre pilote est le planétaire pour le train épicycloïdal T1 ; l’arbre d’entrée est le porte-satellite, l’arbre de sortie est le second planétaire et l’arbre pilote est le premier planétaire pour le train épicycloïdal T2.
Figures :
La décrit schématiquement les arrangements des deux transmissions jumelées pour véhicules hybrides au niveau du principe de base. Chaque transmission jumelle compr]end deux trains épicycloïdaux T1 et T2, à raisons appairées, respectivement « r » et « r’ » tels que « r+r’=1 » , à trois arbres : un arbre d’entrée, un arbre de sortie et un arbre pilote. Les arbres d’entrée, porte-satellite « ps » pour T1, premier planétaire « pp » pour T2, sont entraînés en sens inverse l’un de l’autre par le Moteur Thermique MT. Les arbres de sortie, couronne « c » pour T1, second planétaire « sp » pour T2 entraînent les roues motorisées « r1 » et « r2 » séparément dans le même rapport de R1 et de RI2 mais avec un inverseur pour l’un des deux. Les roues « r1 » et « r2 » sont reliées cinématiquement par le sol. Les arbres pilotes, planétaire « p » pour T1, porte-satellite « pds » pour T2, sont reliés par le Différentiel DIF dont le satellite est entrainé par le Moteur Electrique ME réversible par l’intermédiaire un coupleur parfait. Le Moteur électrique ME est régulé en vitesse par une Unité électronique-électrique UE qui comprend principalement une batterie, un inverter, un chargeur, un variateur, un calculateur et une unité de gestion. Le calculateur reçoit par A les informations sur les vitesses de rotation des moteurs MT et ME lui permettant de calculer la vitesse du véhicule selon la formule de Willis. Il reçoit par B les informations sur les demandes du conducteur, en particulier celles sur l’actionneur des gaz du Moteur Thermique MT, mais c’est le calculateur qui en impose la vitesse selon des tables de performances préétablies en usine. L’ensemble des équipements mécaniques T1, T2, DIF, RI0, RI2, R1, AD sont placés dans un même carter lubrifié.
La décrit plus en détail les arrangements des trains épicycloïdaux.
Pour T1 : Le ou les satellites (12), montés fous sur le porte-satellite (13), s’engrainent avec le planétaire (14) et la couronne (11). La couronne (11) entraine la roue « r1 » alors que le planétaire (14) est entrainé par le planétaire (32) du Différentiel DIF. Le porte-satellite (13) est associé au planétaire (41) du Répartiteur RI0. La raison du train T1 est : r=-Z14/Z11, (Z14<Z11).
Pour T2 : Le ou les doubles satellites (24) et (25) montés fous sur le porte-satellite (23) associé au planétaire (33) du Différentiel DIF, s’engrainent avec, le premier planétaire (21) et le second planétaire (22). Le second planétaire (22) entraine la roue « r2 » en sens inverse grâce au train d’engrenages I (51) et (52). La raison du train est : r’= Z21.Z25/Z24.Z22, r’>1 et r+r’=1).
Pour DIF : Le Différentiel DIF comprend deux planétaires (32) et (33) de diamètres primitifs égaux entraînés par un ou plusieurs satellites (31). Un seul satellite ou un seul des satellites est entraîné par le coupleur parfait (61) associé au Moteur électrique ME réversible. Les diamètres primitifs des planétaires (32) et (33) sont plus grands que le diamètre primitif du satellite (31) pour avoir un effet multiplicateur sur la vitesse de rotation de ME. En effet, les moteurs électriques modernes tournent à très grande vitesse pour des motifs économiques.
Pour RI0 : Pour des raisons de compacité, le Répartiteur inverseur RI0 est représenté sous forme d’un train épicycloïdal sphérique avec deux planétaires (41) et (42) entrainés par un ou plusieurs satellites dont un seul (43) est motorisé par le Moteur Thermique MT ; mais il y a d’autres arrangements possibles pour ce train d’engrenages en fonction de la position réelle du Moteur Thermique MT dans le véhicule. Suivant la puissance du Moteur électrique ME, l’arbre d’entrainement du satellite (43) est équipé d’une roue anti-dériveuse (71) qui bloque l’arbre du Moteur Thermique MT par rapport au carter en cas de risque de rotation inverse.
La décrit un exemple de réalisation d’un coupleur parfait. En effet, dans le Différentiel DIF, le satellite (31) doit assurer l’égalité et l’opposition des couples sur les planétaires et par là même l’égalité et l’opposition des couples sur toutes les paires d’arbres homologues des trains T1 et T2 (du fait de la proportionnalité des couples dans les trains épicycloïdaux), y compris celle entrainant les roues. Pour ne pas rompre cet équilibre important et garder la possibilité de superposer une puissance additionnelle pour des fonctions annexes, l’entrainement du satellite (31) par le Moteur électrique ME est réalisé grâce à un coupleur parfait, c’est-à-dire un coupleur transmettant un couple pur sans introduire d’effort radial sur les paliers. Dans la présente solution, l’entrainement est fait par deux doigts tangentiels (62), entrainés par l’arbre (65) du Moteur électrique ME et pénétrant avec jeu dans deux trous correspondants du satellite (31). Le satellite (31) et l’arbre (65) sont guidés séparément en rotation par rapport au carter (70) par les roulements (63) et (64). Les jeux entre les pièces en mouvement est suffisant pour éviter tout contact positif radial, donc tout effort radial, en fonction des l’imprécisions inévitables des guidages en rotation.
La figure 3 donne aussi le diagramme des forces égales et opposées F1 et F2 sur les dentures du satellite (31) et des forces aussi égales et opposées f1 et f2 sur les doigts d’entrainement (62) pour en montrer l’équilibre des couples générés.
La donne la représentation graphique de la caractéristique de la transmission. Cette fonction lie la vitesse des arbres entrainant les roues aux vitesses des arbres entrainés par le Moteur Thermique MT et par le Moteur Electrique ME : soit Wc=rWp+(1-r)Wps. Cette fonction est une droite qui peut se déplacer parallèlement à elle-même en fonction de la vitesse du Moteur Thermique MT (imposée par celle du Moteur Electrique ME) entre deux limites, une mini correspondante à la vitesse minimale de stabilité du Moteur Thermique MT et l’autre selon une valeur maximale tolérée.
La schématise une variante où l’arbre d’entrée est la couronne, l’arbre de sortie est le porte-satellite et l’arbre pilote est le planétaire pour le train épicycloïdal T1 ; l’arbre d’entrée est le porte-satellite, l’arbre de sortie est le second planétaire et l’arbre pilote est le premier planétaire pour le train épicycloïdal T2.
La donne les résultats théoriques pour la première variante.
Variantes et Généralisation:
Un arrangement de base et un arrangement alternatif ont été décrits ci-dessus. L’idée ici est de rechercher d’autres combinaisons d’engrenages qui auraient les mêmes propriétés et qui pourraient conduire aux mêmes résultats. C’est aussi l’occasion de préciser l’explication théorique.
En repartant de la formule de Willis, il est possible d’écrire pour un train de raison µ<0, Ws=µWp+(1-µ)Wps. Il est aussi possible d’écrire : Ws=µ’Wps+(1-µ’)Wp avec µ‘>0 et µ+µ’=1 qui est l’équation d’un train équivalent de raison µ’ dans lequel on aurait permuté les fonctions « p=pilote » et « ps=porte-satellite » et ce pour une même vitesse de sortie Ws. Si maintenant on regarde les couples Cp et Cps sur les arbres « p » et « ps », ils sont respectivement proportionnels à 1/µ et (1-µ) ce qui inverse seulement le sens de Cp après permutation de µ en µ’, mais pas celui de Cps. Cette particularité permet l’échange de puissance sur la paire d’arbres pilotes. Les autres changements de sens n’ont pas d’effet sur le sens des transmissions de puissance car ils s’appliquent à fois sur les couples et les vitesses des trois paires d’arbres.
Il est alors possible de généraliser l’appairage a toutes les paires de trains épicycloïdaux ayant une raison négative r<0 et une raison positive r’>0 telles que r+r’=1 et deux des trois paires d’arbres (paire d’entrée, paire de sortie, paire pilote) comportant chacune un des deux porte-satellites, un sur T1 l’autre sur T2.
Il y a alors 6 combinaisons possibles (6 façons de combiner les trois arbres de T1), mais elles ne sont pas toutes intéressantes pour les véhicules classiques où le maximum de couple sur les roues et la plus grande vitesse sur le Différentiel DIF sont recherchés, mais il y a d’autres applications.

Claims (10)

  1. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle comprenant deux transmissions jumelles construites autour de deux trains épicycloïdaux T1 et T2 appairés par leur raison r négative et r’ positive tels que leur somme r+r’=1, dont les arbres d’entrée sont entraînés en sens inverse par le Moteur Thermique MT, dont les arbres de sortie entraînent les roues dans le même rapport de vitesse mais avec une inversion de sens sur l’un d’eux, dont les arbres pilotes sont reliés par l’intermédiaire d’un Différentiel DIF dont au moins un des satellites est lui-même entraîné par un Moteur Electrique ME réversible par l’intermédiaire d’un coupleur parfait;l’ensemble des mécanismes ci-dessus hors Moteurs MT et ME étant regroupés dans un même carter lubrifié.
  2. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle selon la revendication 1 caractérisée en ce que le train épicycloïdal T1 à un ou plusieurs satellites, montés fous sur leur porte-satellite, qui s’engrainent avec un planétaire et une couronne et par le train épicycloïdal T2 à un ou plusieurs doubles satellites, montés fous sur leur porte-satellite, qui s’engrainent avec un premier planétaire en entrée et un second planétaire en sortie.
  3. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle, selon les revendications 1 et 2 caractérisée en ce que deux des trois paires d’arbres, paire d’entrée, paire de sortie, paire pilote, comportent chacune un des deux porte-satellites, un sur le train épicycloïdal T1, l’autre sur le train épicycloïdal T2.
  4. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle, selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisée en ce que l’arbre d’entrée est le porte-satellite, l’arbre de sortie est la couronne et l’arbre pilote est le planétaire pour le train épicycloïdal T1 ; l’arbre d’entrée est le premier planétaire, l’arbre de sortie est le second planétaire et l’arbre pilote est le porte-satellite pour le train épicycloïdal T2.
  5. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle, selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisée en ce que l’arbre d’entrée est la couronne, l’arbre de sortie est le porte-satellite et l’arbre pilote est le planétaire pour le train épicycloïdal T1 ; l’arbre d’entrée est le porte-satellite, l’arbre de sortie est le second planétaire et l’arbre pilote est le premier planétaire pour le train épicycloïdal T2.
  6. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle, selon les revendications 1,2 et 3 caractérisée en ce les deux trains T1 et T2 ainsi que le Différentiel DIF sont montés sur un même axe.
  7. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle, selon les revendications 1,2 et 3 caractérisée en ce qu’un des satellites du Différentiel DIF est entrainé par un Moteur Electrique ME au moyen d’un coupleur parfait.
  8. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle, selon les revendications 1,2 et 3 caractérisée en ce que l’arbre du Répartiteur de puissance du Moteur Thermique MT est équipé d’une roue anti-dériveuse par rapport au carter.
  9. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle, selon les revendications 1,2,3 et 7 caractérisée en ce qu’elle comprend, une Unité électronique-électrique UE incluant une batterie, un inverter, un chargeur, un variateur, un calculateur et une Unité de gestion.
  10. Transmission pour véhicule hybride série-parallèle, selon les revendications 1,2,3,7 et 9 caractérisée en ce que le couple, donc la poussée du véhicule, soit ajustée par une action sur la commande des gaz du Moteur Thermique MT alors que sa vitesse est automatiquement ajustée par le Moteur Electrique ME en fonction des calculs des vitesses de la chaine cinématique, en particulier de la vitesse du véhicule déduite de la vitesse des deux moteurs et selon des tables de meilleure efficacité du Moteur Thermique MT préétablies en usine.
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