ENJALBERT, Eric (28 rue Louis François de St Michel, Briis sous Forges, F-91640, FR)
| REVENDICATIONS 1. Système de transmission (1) à différentiel (10) de type à arbre neutre (15), ou « arbre zéro », destiné à équiper au moins un train (12) de roues avant et/ou arrière d'un véhicule automobile muni d'un groupe motopropulseur, ledit système (1) comprenant au moins un arbre d'entrée (11) relié au groupe motopropulseur, deux arbres de sortie (12) reliés aux deux roues (12d, 12g) du train, un arbre neutre (15) de pilotage desdits arbres de sortie (12), caractérisé en ce que, le véhicule étant de type hybride ou entièrement électrique, le système de transmission à différentiel (1) comporte en outre un dispositif de freinage régénératif (20) monté sur l'arbre d'entrée (11) et destiné à récupérer l'énergie de freinage pour la transformer en énergie électrique immédiatement réutilisable ou stockable dans une batterie. 2. Système de transmission à différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un organe de pilotage (30) associé à l'arbre neutre (15) pour imposer la vitesse individuelle des roues (12d, 12g) de l'essieu (12) et ainsi en contrôler tout écart de vitesses pour, si besoin, et en temps réel, effectuer un transfert de couple d'une roue à l'autre jusqu'au couple nécessaire à la vitesse de rotation de chaque roue concernée afin d'éviter l'effet de toute perte d'adhérence et/ou la perte de directivité desdites roues . 3. Système de transmission à différentiel selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de pilotage (30) comporte un calculateur dédié (31), des capteurs (32 ; 33) mesurant la vitesse globale (Vh) d'avancement du véhicule et la rotation (R) du volant du véhicule/l'angle de braquage des roues, et un étage de puissance (34) en prise avec l'arbre neutre (15) . 4. Système de transmission à différentiel selon la revendication 3, caractérisé en ce que la vitesse de rotation N de l'arbre neutre (15) est déterminée par la formule suivante : N = Ft (R, Vh) Ft étant une fonction de type mathématique décrivant l'épure de direction du véhicule, exprimée sous forme matricielle ou d'un système d'équations. 5. Système de transmission à différentiel selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'étage de puissance (34) est de type à variation continue réversible permettant une rotation nulle de l'arbre neutre (15), de préférence une machine électrique . 6. Système de transmission à différentiel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de moyens de contrôle de trajectoire de type antiblocage ABS ou ESP. 7. Système de transmission à différentiel selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de freinage régénératif (20) comporte une machine électrique et une batterie dimensionnées de sorte que l'intégralité de l'énergie de freinage est absorbée par le dispositif de freinage régénératif (20), sans aucune intervention des moyens de freinage par friction (16), à hauteur du dimensionnement de la machine électrique, de la batterie et de l'état de charge de cette dernière. 8. Véhicule comportant un groupe motopropulseur de type hybride ou entièrement électrique, caractérisé en ce que qu'il comporte un système de transmission à différentiel (1) équipé d'un dispositif de freinage régénératif (20) selon l'une quelconque des revendications précédentes . 9. Véhicule selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque essieu (12) et/ou chaque liaison mécanique entre essieux comporte un système de transmission à différentiel (1) et un dispositif de freinage régénératif (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Véhicule selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il est dépourvu de moyens de freinage par friction, l'ensemble de l'énergie de freinage étant récupérée par le dispositif de freinage régénératif . |
La présente invention concerne un système de transmission à différentiel de type à arbre neutre, ou « arbre zéro », destiné à équiper au moins un train de roues avant et/ou arrière d'un véhicule automobile muni d'un groupe motopropulseur .
Dans le domaine des systèmes de transmission pour véhicule automobile, il existe déjà de très nombreux différentiels classiques autorisant des vitesses de roues d'essieu différentes pour permettre au véhicule de tourner.
Cependant, ces différentiels ne permettent pas de contrôler la vitesse individuelle de rotation de chaque roue et donc trajectoire, d'où la nécessité d'un ABS en phase de freinage et la présence d'ASR et d'ASP en phase de traction.
Ils imposent des couples aux roues identiques, pénalisants en cas de perte d'adhérence d'une roue car engendrant une perte de traction ou un ralentissement de la roue conservant son adhérence.
Il existe également des différentiels dits « actifs », généralement à glissement limité, qui assurent un transfert de puissance de roue à roue de manière à compenser partiellement la perte de traction de la roue adhérente lors d'une perte d'adhérence de l'autre roue. Ces différentiels tendent à égaliser les vitesses de rotation des roues et donc s'opposent à leur nécessaire différence de vitesse en virage.
Mais ces différentiels dits « actifs » n'interviennent qu'en correction d'un défaut installé. Leur contrôle est dissipatif, généralement assuré par des embrayages ou des freins, dont le taux de glissement - donc d'intervention et de perte - peut être parfois piloté. Ils possèdent généralement un tarage résiduel, qui outre des pertes internes et une usure des pneumatiques, tend en virage à s'opposer à la différence de vitesses des roues, compensé par le conducteur par un sur-braquage, d'où un transfert excessif de masse délestant la roue intérieure, favorisant sa mise en patinage. Ce tarage résiduel concourt donc à l'apparition du défaut que le différentiel devra corriger par la suite. Ils ne permettent généralement pas de contrôler la vitesse individuelle de rotation de chaque roue.
Les différentiels inter-ponts possèdent des fonctionnements comparables - les roues étant remplacées par les arbres de sortie - caractérisés par les mêmes limites.
On connaît également les différentiels dits « à arbre zéro/neutre ».
Sans entrer en détail dans leur conception ou leur fonctionnement, un différentiel actif à « arbre zéro ou arbre neutre » est composé d'un assemblage d'au minimum deux différentiels, plans ou coniques, l'arrangement (la combinaison cinématique) de ces différentiels se traduisant par l'obtention d'un arbre supplémentaire par rapport aux différentiels classiques. Il y a donc un arbre d'entrée, deux arbres de sortie, et un « arbre zéro » de contrôle. En raison de son arrangement cinématique, 1 ' actionnement en rotation de l'arbre d'entrée produit une vitesse identique et de même sens des arbres de sortie, la vitesse de l' « arbre zéro » étant nulle. L' actionnement en rotation de l' « arbre zéro » produit une vitesse identique et de sens opposé des arbres de sortie, la vitesse de l'arbre d'entrée étant nulle.
Un exemple de différentiel proche d'un différentiel dit « à arbre zéro /neutre » est décrit dans les documents US-A-7 588 511 ou EP-A-0 493 206. Toutefois, son arrangement cinématique particulier se traduit par des vitesses de rotation des roues différentes en valeur absolue, suite à 1 ' actionnement de l'arbre d'entrée ou de 1 ' actionnement de l'arbre neutre.
D'autre part, il est connu que de plus en plus de véhicules hybrides ou à motorisation entièrement électrique voient le jour pour diverses raisons, notamment liées aux économies d'énergie et réduction de la pollution.
Les véhicules électriques et hybrides combinent en général deux modes de freinage distincts pour assurer le ralentissement et l'arrêt du véhicule :
Le freinage mécanique classique, c'est-à-dire un frein à friction par roue. Dans ce cas l'énergie de freinage, dissipée par les freins sous forme de chaleur, est perdue ; et Le freinage régénératif. L'énergie de freinage est convertie et stockée dans le réservoir électrique ou hybride, via l'étage de puissance du système assurant la fonction de freinage régénératif .
Sur les véhicules électriques ou hybrides conservant une transmission équipée d'un différentiel (ou de plusieurs différentiels, y compris d' inter ponts pour les véhicules comportant plus de deux roues motrices), les différentiels utilisés, classiques ou dits « actifs », ne permettent pas de piloter la vitesse individuelle des roues.
Le freinage mécanique est nécessaire et utilisé quand l'énergie de freinage outrepasse le dimensionnement du système de freinage régénératif, mais aussi par sécurité lors de tout freinage, sous forme de freinage mécanique minimal, nécessaire au fonctionnement de l'ABS pour le contrôle de la vitesse individuelle de rotation des roues et donc le contrôle de la trajectoire.
En pratique, même lorsque l'énergie de freinage est compatible avec le dimensionnement du système de freinage régénératif, le freinage est assuré par une combinaison du freinage régénératif et du freinage mécanique, avec pour conséquence une limitation de l'énergie de freinage potentiellement récupérable et donc de l'énergie pratiquement récupérée.
Même si les stratégies utilisées par les constructeurs restent de leur domaine réservé et qu'il soit difficile de trouver une information précise sur le sujet, les difficultés rencontrées dans :
Le dosage de l'effort mécanique de freinage via la pression exercée sur les garnitures de frein, avec pour objectif d'obtenir une vitesse de roue donnée, principalement lors de l'action de l'ABS ;
Le couplage (la répartition) sur un même organe de commande (la pédale de frein) entre les freinages mécanique et régénératif,
Ces deux paramètres participent de la limitation de l'énergie de freinage effectivement récupérée.
Ce mode de fonctionnement classique ne permet en outre pas de compenser la perte de freinage ayant nécessité l'intervention de l'ABS par un freinage accru sur l'une ou l'autre (les autres) des roues adhérentes, d'où une perte de ralentissement et une limitation supplémentaire du freinage régénératif.
Un but de la présente invention est donc de résoudre les problèmes cités précédemment, à l'aide d'une solution simple à fabriquer, peu coûteuse, facile à utiliser et optimisée en termes d' efficacité .
Ainsi, la présente invention a pour objet un système de transmission à différentiel de type à arbre neutre, ou « arbre zéro », destiné à équiper au moins un train de roues avant et/ou arrière d'un véhicule automobile muni d'un groupe motopropulseur , ledit système comprenant au moins un arbre d' entrée relié au groupe motopropulseur, deux arbres de sorties reliés aux deux roues du train, un arbre neutre de pilotage desdits arbres de sortie, caractérisé en ce que, le véhicule étant de type hybride ou entièrement électrique, le système de transmission à différentiel comporte en outre un dispositif de freinage régénératif monté sur l'arbre d'entrée et destiné à récupérer l'énergie de freinage pour la transformer en énergie électrique immédiatement réutilisable ou stockable dans une batterie.
Selon des modes de réalisation préférés, le système de transmission à différentiel conforme à la présente invention comprend l'une au moins des caractéristiques suivantes :
- le système comporte un organe de pilotage associé à l'arbre neutre pour imposer la vitesse individuelle et ainsi contrôler tout écart de vitesses des roues de l'essieu de façon à effectuer, si besoin et en temps réel, un transfert de couple d'une roue à l'autre correspondant au couple nécessaire à la vitesse de rotation de chaque roue concernée afin d'éviter toute perte d'adhérence et/ou de directivité desdites roues ;
l'organe de pilotage comporte un calculateur dédié, des capteurs mesurant la vitesse globale d'avancement du véhicule et la rotation du volant du véhicule/l'angle de braquage des roues, et un étage de puissance en prise avec l'arbre neutre ;
- la vitesse de rotation N de l'arbre neutre est déterminée par la formule suivante N = F t (R, V h ) , F t étant une fonction de type mathématique décrivant l'épure de direction du véhicule, exprimée sous forme matricielle ou d'un système d'équations ;
l'étage de puissance est de type à variation continue réversible permettant une rotation nulle de l'arbre neutre, de préférence une machine électrique ;
- le système est dépourvu de moyens de contrôle de trajectoire de type antiblocage ABS, ASR ou ESP et ;
- le dispositif de freinage régénératif comporte une machine électrique et une batterie dimensionnées de sorte que l'intégralité de l'énergie dissipée de freinage est absorbée le dispositif de freinage régénératif, sans aucune intervention des moyens de freinage par friction, à hauteur du dimensionnement de la machine électrique, de la batterie et de l'état de charge de cette dernière.
La présente invention se rapporte également à un véhicule comportant un groupe motopropulseur de type hybride ou entièrement électrique, caractérisé en ce que qu'il comporte un système de transmission à différentiel équipé d'un dispositif de freinage régénératif tel que décrit précédemment.
De préférence, chaque essieu comporte un système de transmission à différentiel et dispositif de freinage régénératif tels que décrits précédemment.
Avantageusement, le véhicule est dépourvu de moyens de freinage par friction, l'ensemble de l'énergie de freinage étant récupérée par le dispositif de freinage régénératif.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail en référence à des modes de réalisation particuliers donnés à titre d' illustration uniquement et représentés sur les figures annexées dans lesquelles :
La figure 1 est une vue schématique d'un système conforme à la présente invention ;
Les figures 2 et 3 sont d'autres vues schématiques du système de la figure 1 montrant plus en détail deux modes de réalisation d'un différentiel de type à arbre neutre ; Les figures 4 et 5 sont des courbes mettant en relation l'intensité du freinage et l'énergie de freinage dans un cas classique et dans le cadre de la présente invention. La figure 1 représente un schéma complet du système de transmission 1 pour véhicule automobile conforme à la présente invention .
Ce système 1 comporte un différentiel 10 de type à arbre neutre tels que ceux représentés sur les figures 2 et 3 qui ne sont pas décrit en détail en ce qui concerne leur structure interne à trains épicycloïdaux coniques (figure 2) ou plans (figure 3) .
Le différentiel 10 du système 1 comporte un arbre d'entrée 11, relié à un groupe motopropulseur hybride ou entièrement électrique (non représenté) , et un dispositif de freinage régénératif absolu 20 destiné à récupérer l'énergie de freinage pour la transformer en énergie électrique immédiatement réutilisable ou stockable dans une batterie (non représentée car classiquement utilisé et faisant partie du groupe motopropulseur du véhicule) .
Avantageusement, le dispositif de freinage régénératif 20 comporte une machine électrique et une batterie dimensionnées de sorte que l'intégralité de l'énergie de freinage est absorbée par le dispositif de freinage régénératif, sans aucune intervention de moyens de freinage par friction, à hauteur du dimensionnement de la machine électrique, de la batterie et de l'état de charge de cette dernière .
Les arbres de sortie du différentiel 10 forment un train 12 comportant une roue droite 12d et une roue gauche 12g (avant ou arrière), chacune étant munie d'un frein mécanique à friction 16 de type disque 17 et plaquettes 18, même si ces derniers peuvent être supprimés comme cela sera expliqué ultérieurement.
Le différentiel 10 du système 1 comporte en outre un arbre neutre 15 de pilotage associé à un organe de pilotage 30 adapté pour imposer la vitesse individuelle des roues 12d et 12g de l'essieu 12.
L'organe de pilotage 30 comporte un calculateur dédié 31, un capteur 32 mesurant la vitesse globale (V h ) d'avancement du véhicule, un capteur 33 mesurant la rotation (R) du volant du véhicule/l'angle de braquage des roues de l'essieu 12, et un étage de puissance 34 en prise avec l'arbre neutre 15. De préférence, l'étage de puissance 34 est de type à variation continue réversible, par exemple une machine électrique, permettant une rotation nulle de l'arbre neutre 15. L'ensemble composé par l'organe de pilotage 30 et l'arbre neutre 15 permet de contrôler tout écart de vitesses entre les roues 12d et 12g de l'essieu 12 pour, si besoin, et en temps réel, effectuer un transfert de couple d'une roue à l'autre jusqu'au couple nécessaire à la vitesse de rotation de chaque roue concernée afin d'éviter l'effet de toute perte d'adhérence et/ou la perte de directivité desdites roues.
A cet effet, la vitesse de rotation N de l'arbre neutre est déterminée par la formule suivante :
N = F t (R, V h )
F t étant une fonction de type mathématique décrivant l'épure de direction du véhicule, exprimée sous forme matricielle ou d'un système d'équations
La vitesse V h de déplacement du véhicule et l'angle R de braquage du volant de direction sont mesurés en continus lors de tout déplacement du véhicule.
Le calculateur dédié 31 détermine en continu la vitesse de rotation N à appliquer à l'arbre neutre.
La connaissance de la géométrie du véhicule (épure de Jeantot) et les mesures de la vitesse V h du véhicule et de l'angle de braquage R de la direction permettent de calculer les vitesses individuelles de rotation des roues, N d et N g , d'où le calculateur 31 tire l'écart de vitesse entre les roues droite 12d et gauche 12g et donc la vitesse de rotation N à appliquer à l'arbre neutre.
Par mesure de sécurité, la connaissance de la position du centre des masses et de la répartition de la masse roue à roue permettent d'estimer, à vitesse donnée, l'angle maximal de braquage de direction entraînant la perte d'adhérence transversale du véhicule, et donc la vitesse de rotation N maximale de l'arbre neutre 15. Cette limitation peut être intégrée dans la fonction de transfert F t servant au calcul de la vitesse de rotation N de l'arbre neutre 15.
L'étage de puissance 34 du contrôle en vitesse de l'arbre neutre 15 d'une part impose la vitesse de rotation N de l'arbre neutre 15 (à l'aide du calculateur 31 et de la formule F t présentée précédemment) et d'autre part, fournit ou absorbe la puissance nécessaire à l'obtention de cette vitesse. Les roues 12d et 12g se voient donc imposer les vitesses individuelles de rotation recherchées, ce qui permet de piloter, à travers la géométrie du véhicule, la trajectoire voulue.
Ce fonctionnement assure ainsi un contrôle actif en continu de la trajectoire, ce qui permet au véhicule d'être dépourvu de tout autre système de type ABS, ASR ou ESP.
En phase de freinage, il n'est donc plus nécessaire d'actionner les freins mécaniques 16 pour préparer un éventuel recours à un ABS devenu inutile. Le freinage régénératif devient alors un « freinage régénératif absolu », c'est-à-dire que l'ensemble de l'énergie de freinage est disponible pour le freinage régénératif, ceci jusqu'à concurrence du dimensionnement du système de freinage régénératif, de l'étage de puissance du contrôle, et de la perte d'adhérence des deux roues.
Ce système permettant d'assurer un transfert de puissance roue à roue, avec une auto adaptation aux limites individuelles d'adhérence des roues et une exploitation au mieux des conditions d'adhérence des roues, la réduction de l'effort de ralentissement, assuré par la roue en perte d'adhérence, est compensée par un effort supplémentaire de ralentissement procuré par la roue conservant son adhérence. Le seuil d'intervention des freins mécanique pour rétablir le ralentissement est alors largement repoussé, optimisant l'énergie récupérée par le freinage régénératif. Il est même concevable de supprimer les freins mécaniques sous réserve d'un bon dimensionnement du système de freinage régénératif.
Le dispositif dit de « freinage régénératif absolu » conforme à la présente invention s'adresse donc à tout véhicule à motorisation électrique ou hybride possédant un freinage régénératif, conservant une transmission équipée d'un différentiel à arbre zéro, le freinage régénératif étant monté en amont du différentiel auquel il est connecté par une liaison au minimum rigide en phase de freinage (boîte de vitesses, embrayage fermé en freinage, ...)
Il va de soi que la description détaillée de l'objet de l'Invention, donnée uniquement à titre d'illustration, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention.
Ainsi, si le véhicule possède plus de deux roues motrices, il peut être équipé de plusieurs différentiels, y compris d' inter ponts, et d'un ou de plusieurs systèmes de freinage régénératifs, avec autant de liaisons mécaniquement rigide que nécessaire en phase de freinage.