FR2920703A1 - Procede de pilotage d'un dispositif de synchronisation sur une boite de vitesses pilotee d'un vehicule hybride. - Google Patents

Abstract

Procédé de pilotage d'un dispositif de synchronisation comportant un manchon (40) mettant en oeuvre des cônes de frottement (54, 60), pour un changement de rapport sur une boîte de vitesses pilotée comprenant un actionneur (26) piloté par un calculateur (28) pour entraîner axialement le manchon, et réaliser successivement une phase d'approche des cônes de frottement l'un sur l'autre, une phase de synchronisation par l'application d'un effort sur les cônes pour créer un couple de synchronisation, puis une phase de crabotage du nouveau rapport, caractérisé en ce que le calculateur réalise une mesure de la différence des vitesses (D) à synchroniser, et applique sur le manchon (40) en début de phase de synchronisation, un effort minimum (Em) jusqu'à ce que la différence de vitesse devienne inférieure à un seuil haut (D1) prédéterminé.

Description

PROCEDE DE PILOTAGE D'UN DISPOSITIF DE SYNCHRONISATION SUR UNE BOITE DE VITESSES PILOTEE D'UN VEHICULE HYBRIDE

La présente invention concerne un procédé de pilotage d'un dispositif de synchronisation, sur une boîte de vitesses pilotée d'un véhicule hybride. Les boîtes de vitesses à commande manuelle des véhicules automobiles comportent un premier arbre lié au moteur par un embrayage, et un deuxième arbre parallèle lié aux roues motrices du véhicule. Ces arbres peuvent être reliés entre eux par des couples de pignons transmettant le mouvement de l'un à l'autre suivant différentes démultiplications, pour réaliser des rapports de transmission. Un des pignons de chaque couple est solidaire d'un des arbres, l'autre pignon du couple est monté libre en rotation sur l'autre arbre, et peut être rendu solidaire de son arbre par le coulissement axial d'un manchon de synchronisation. Ce coulissement réalise d'abord une synchronisation des vitesses des deux éléments par un dispositif de synchronisation comportant des cônes de frottement, puis un crabotage du pignon sur l'arbre. Le déplacement du manchon de synchronisation comporte une position centrale neutre de point mort où aucun pignon n'est engagé, et une ou deux positions axialement décalées de part et d'autre, pour l'engagement des pignons libres. Un type connu de boîte de vitesses pour véhicule hybride est décrit notamment dans le document FR-A1-2837889, ce véhicule comporte une machine électrique tournante disposée entre le moteur thermique et la boîte de vitesses, cette machine électrique réalisant différentes fonctions comme le démarrage du moteur thermique, la récupération d'énergie au freinage, ou l'apport d'un complément de couple moteur. La machine électrique dans ce cas est directement liée au vilebrequin du moteur thermique, et se trouve en amont de l'embrayage d'entrée de la boîte de vitesses. De cette manière quand l'embrayage est débrayé, l'arbre primaire de la boîte de vitesses supportant le disque d'embrayage, a un moment d'inertie qui est équivalent à celui d'une boîte de vitesses d'un véhicule conventionnel. Pour les changements de vitesse réalisés par un actionneur automatisé dans le cas d'une boîte robotisée, le travail à fournir par les synchroniseurs reste similaire à celui d'un véhicule conventionnel, le manchon de synchronisation peut aussi être commandé de manière conventionnelle. Une variante de ces véhicules hybrides comporte la machine électrique disposée en aval de l'embrayage d'entrée d'une boîte de vitesses pilotée, cette machine étant directement liée à l'arbre primaire de la boîte de vitesses. Cette disposition a certains avantages, elle permet de faire tourner la machine électrique indépendamment du moteur thermique en gardant l'embrayage ouvert, et notamment de rouler uniquement en traction électrique ou de récupérer au freinage une énergie plus importante, le moteur thermique restant arrêté et ne freinant pas le véhicule. Un inconvénient principal de cette disposition est que l'arbre primaire supportant le rotor de la machine électrique, son moment d'inertie est fortement augmenté dans un rapport qui peut être de l'ordre de dix, ce qui accroît de manière importante le travail à fournir pour la synchronisation des vitesses lors des changements de rapport. Or pour les boîtes de vitesses pilotées comportant une rupture dans la transmission du couple à chaque changement de rapport, on cherche à obtenir un temps de rupture court pour améliorer le confort. Dans ce cas, la machine électrique est généralement utilisée pour fournir un couple d'accélération ou de freinage de l'arbre primaire en fonction du nouveau rapport à engager, ce couple venant en complément de celui développé par les synchroniseurs lors du mouvement des manchons de synchronisation. Toutefois le temps de synchronisation étant plus long, l'énergie générée par les synchroniseurs peut devenir importante, entraînant une usure prématurée des pièces mises en jeu pour effectuer la synchronisation.

La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure, et de proposer un procédé de pilotage des actionneurs de boîte de vitesses simple et efficace, qui permette de minimiser l'énergie délivrée par les synchroniseurs.

Elle propose à cet effet un procédé de pilotage d'un dispositif de synchronisation comportant un manchon mettant en oeuvre un premier cône de frottement appartenant à une bague de synchronisation disposée entre le manchon et un pignon à synchroniser, et un deuxième cône de frottement appartenant au pignon et disposé en regard du premier cône de frottement, pour effectuer un changement de rapport de vitesse sur une boîte de vitesses pilotée d'un véhicule hybride comprenant une machine électrique liée à l'arbre primaire de la boîte de vitesses, le manchon étant déplacé axialement par un actionneur piloté par un calculateur qui réalise successivement une phase d'approche des cônes de frottement l'un sur l'autre, une phase de synchronisation par l'application d'un effort sur les premier et deuxième cônes pour créer un couple de synchronisation, puis une phase de crabotage du nouveau rapport, caractérisé en ce que le calculateur réalise une mesure de la différence des vitesses à synchroniser, et applique sur le manchon en début de phase de synchronisation, un effort minimum jusqu'à ce que la différence de vitesse devienne inférieure à un seuil haut prédéterminé. Un avantage essentiel du procédé de pilotage selon l'invention, est que le pilotage en effort du manchon de synchronisation permet d'ajuster en permanence l'effort en fonction de la différence de vitesse, pour les différences de vitesse importantes, afin de limiter la puissance générée représentée par le produit de la vitesse par l'effort, et ainsi contrôler l'énergie dissipée par le synchroniseur. Le procédé de pilotage selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.

Selon une caractéristique de l'invention, le calculateur applique sur le manchon en fin de phase de synchronisation, un effort de saturation à partir du moment où la différence de vitesse devient inférieure à un seuil bas prédéterminé.

Avantageusement, le seuil haut de différence de vitesse est supérieur à plus de deux fois le seuil bas de différence de vitesse. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'effort appliqué sur le manchon entre les seuils haut et bas de différence de vitesse, est une fonction linéaire de cette différence de vitesse.

L'effort minimum appliqué sur le manchon peut représenter environ la moitié de l'effort de saturation. Avantageusement, le seuil haut prédéterminé pour la différence de vitesse au niveau des cônes de frottement du synchroniseur, est de l'ordre de 25 rad/sec.

Avantageusement, le seuil bas prédéterminé pour la différence de vitesse au niveau des cônes de frottement du synchroniseur, est de l'ordre de 10 rad/sec. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 présente un schéma d'un groupe motopropulseur de véhicule hybride, comportant une machine électrique liée à l'arbre primaire de la boîte de vitesses ; - la figure 2 présente en coupe axiale un arbre de boîte de vitesses 25 comportant un manchon de synchronisation permettant d'engager deux rapports ; - la figure 3 présente de manière schématique une demi-coupe axiale d'un synchroniseur ; - la figure 4 présente de manière schématique l'engagement des dents 30 d'un synchroniseur ; - les figures 5a, 5b et 5c présentent successivement sur des diagrammes ayant pour abscisse le temps, pour un changement de rapport d'une boîte de vitesses conventionnelle, la course du manchon, l'effort sur le manchon et la vitesse de l'arbre primaire ; - les figures 6a, 6b, 6c et 6d présentent successivement sur des diagrammes ayant pour abscisse le temps, pour un changement de rapport selon l'art antérieur sur une boîte de vitesses hybride, la différence de vitesse au synchroniseur, les couples de synchronisation, l'effort sur le manchon et l'énergie dissipée par le synchroniseur ; - la figure 7 présente une modulation d'effort sur le synchroniseur, selon l'invention ; et - les figures 8a, 8b, 8c et 8d présentent successivement sur des diagrammes ayant pour abscisse le temps, pour un changement de rapport selon l'invention sur une boîte de vitesses hybride, la différence de vitesse au synchroniseur, les couples de synchronisation, l'effort sur le manchon et l'énergie dissipée par le synchroniseur. La figure 1 présente schématiquement le groupe motopropulseur d'un véhicule hybride, comprenant un moteur thermique 2 lié à un alternateur 4, le vilebrequin du moteur thermique entraînant par un embrayage 6 un arbre primaire 10 d'entrée d'une boîte de vitesses 12, transmettant le mouvement aux roues motrices 14 du véhicule suivant différents rapports de démultiplication. Un actionneur 26 piloté par un calculateur électronique UC 28, commande les déplacements réalisant les changements de rapport. Une machine électrique 16, délimitée par une ligne fermée en pointillés, pouvant fonctionner en moteur ou en génératrice de courant, comporte un rotor 18 lié à l'arbre primaire 10 de la boîte de vitesses 12, et un stator 20 fixé au carter de cette boîte de vitesses. La machine électrique 16 reliée à un accumulateur électrique 22 par un onduleur 24, est pilotée par un calculateur non représenté qui tient compte de différents paramètres de fonctionnement du véhicule ainsi que de la demande du conducteur, pour fournir un courant électrique de charge de l'accumulateur ou un couple moteur, afin d'optimiser la consommation globale d'énergie du véhicule. La figure 2 présente un arbre 30 de la boîte de vitesses 12, porté par un roulement à billes 32, comportant un manchon de synchronisation 40 permettant d'engager deux rapports, par le crabotage sur l'arbre de deux pignons 34, 36 placés axialement de part et d'autre du manchon. Un dispositif de verrouillage à bille 44 situé dans le manchon de synchronisation 40, permet d'immobiliser ce manchon dans une position centrale réalisant un point mort.

Le manchon 40 est déplacé par une fourchette non représentée qui est pilotée par l'actionneur 26, cette fourchette comportant deux bras dont les extrémités s'ajustent dans une rainure circulaire 42 du manchon, pour le pousser axialement tout en le laissant libre en rotation. Le manchon 40 comporte dans son alésage des cannelures internes qui s'ajustent sur celles d'un moyeu 38 lié à l'arbre 30, pour transmettre le couple du moteur entre le manchon et l'arbre. Les figures 3 et 4 détaillent le fonctionnement du synchroniseur. Le manchon de synchronisation 40 comporte à chaque extrémité, des dents internes 46 qui viennent axialement en appui lors du coulissement vers un côté avant, sur des dents externes 52 d'une bague de synchronisation 50 comportant une surface interne de frottement conique 54. Le manchon 40 transmet par les dents 46 un effort axial F sur la bague de synchronisation 50, qui presse la surface conique interne 54 sur une surface conique externe 60 correspondante du pignon 36. La pression des surfaces coniques 54, 60 l'une sur l'autre, génère un couple de synchronisation C qui tend à égaliser les vitesses respectives du manchon 40 lié à l'arbre 30, et du pignon 36. La face avant d'appui des dents 46 du manchon de synchronisation 40, forme une pointe comportant deux facettes symétriques inclinées à 35 degrés, qui vient en appui sur une pointe similaire située en vis-à-vis et formée sur la face arrière des dents 52 de la bague de synchronisation 50, dans une étape préliminaire appelée armement du synchro. Pour pouvoir franchir axialement la bague de synchronisation 50, les dents 46 du manchon 40 doivent par leurs facettes inclinées faire tourner dans un sens arrière opposé au sens de rotation de l'arbre, la bague de synchronisation pour dégager le passage axial, afin de pénétrer en avant entre les dents 52 de cette bague de synchronisation. Ce dispositif permet de maintenir la phase de synchronisation pendant tout le temps où il existe une différence de vitesse suffisante entre le pignon 36 et l'arbre 30. En effet, cette différence de vitesse provoque un entraînement en rotation dans un sens avant de la bague de synchronisation 50 par le pignon 36, du au couple de synchronisation C. Tant que le couple de synchronisation C est assez élevé, il exerce un effort tangentiel dans un sens avant suffisant pour s'opposer à une rotation dans un sens arrière de la bague de synchronisation 50, que tend à provoquer l'appui l'une sur l'autre des facettes inclinées des dents 46, 52. Quand la différence de vitesse est assez réduite, le couple C est faible et la force axiale sur les facettes inclinées des dents 46, 52 est suffisante pour faire tourner dans un sens arrière la bague de synchronisation 50, et dégager le passage dans une opération appelée dévirage. L'actionneur 26 doit à ce moment avancer le plus vite possible pour réaliser la dernière phase de crabotage du rapport, les dents 46 du manchon 40 venant s'emboîter sur celles 62 du pignon 36. Les figures 5a, 5b et 5c sont des diagrammes ayant pour abscisse le temps T, présentant successivement pour un changement du premier au deuxième rapport d'une boîte de vitesses robotisée d'un véhicule conventionnel, la course L du manchon en mètre, l'effort axial E sur le manchon en Newton, et la vitesse V de l'arbre primaire de la boîte de vitesses, en radian/seconde.

A partir de la position où le premier rapport est engagé, le manchon déplacé par l'actionneur a commencé son mouvement en réalisant avant le temps t0 un décrabotage du premier rapport, puis une approche du synchroniseur du deuxième rapport, cette dernière phase se réalisant avec un effort E sensiblement nul. Au temps t0, le manchon arrive en arrêt dans la position LO pour la phase de synchronisation, les dents du manchon et de la bague de synchronisation venant en contact et mettant les cônes de frottement en appui l'un sur l'autre. L'effort E monte progressivement, provoquant d'abord un essorage des cônes pour éliminer le film d'huile déposé dessus, puis atteint une valeur de saturation EO de l'ordre de 600 Newton correspondant à une valeur à ne pas dépasser en fonctionnement pour éviter une pression trop forte sur les cônes et une usure prématurée des cônes. Le couple transmis par les cônes est alors maximal, le synchroniseur fournit un travail de synchronisation de l'arbre primaire, et sa vitesse V chute jusqu'au temps t1 environ de la moitié de sa valeur initiale, cet écart correspondant à la différence de démultiplication des deux rapports. A l'approche du temps t1, les derniers instants de synchronisation réalisent le dévirage pendant lesquels la bague de synchronisation tourne par rapport au manchon, libérant le passage axial des dents du manchon. On notera que pendant toute la durée de synchronisation, en dehors du moment final de dévirage, l'effort appliqué par l'actionneur est constant à une valeur maximale E0. Après le temps t1, le manchon reprend sa course L pour réaliser rapidement le crabotage du nouveau rapport. Puis sa position se stabilise et l'effort E reprend sa valeur maximale EO quand le manchon arrive en butée.

Les figures 6a, 6b, 6c et 6d sont des diagrammes ayant pour abscisse le temps T, présentant successivement pour un changement selon l'art antérieur, du premier au deuxième rapport d'une boîte de vitesses robotisée hybride suivant le schéma présenté figure 1, la différence de vitesse D à synchroniser en rad/sec, ramenée à l'arbre primaire portant la machine électrique, les couples en m.N, mécanique Cm délivré par le synchroniseur, et électrique Ce délivré par la machine électrique piloté par le calculateur de contrôle, l'effort axial E sur le manchon en Newton, et l'énergie J en Joule délivrée par le synchroniseur. Avant le temps t0, le manchon réalise le décrabotage du premier rapport, puis une approche du synchroniseur du deuxième rapport avec un effort E sensiblement nul. Au temps t0, le manchon applique le cône de frottement interne de la bague de synchronisation en appui sur le cône externe du pignon. L'actionneur effectue alors progressivement une montée de l'effort E jusqu'à une valeur de saturation EO de l'ordre de 400 Newton, qui est atteinte au temps t. Simultanément, le couple mécanique Cm transmis par les cônes de frottement monte progressivement pour atteindre au temps t une valeur maximal CmO, de l'ordre de 30 mN. Parallèlement à ce couple mécanique Cm, un couple électrique Ce délivré par la machine électrique, ayant la forme d'une impulsion d'une valeur maximale beaucoup plus élevée atteignant 200 mN, vient s'ajouter pour effectuer une synchronisation rapide de l'arbre primaire de la boîte de vitesses comportant la forte inertie du rotor de cette machine électrique. L'effort de saturation EO reste appliqué sur le manchon jusqu'au temps t1 où la différence de vitesse D du synchroniseur s'annule. Le dévirage de la bague de synchronisation s'accomplit, puis le manchon reprend sa course pour réaliser rapidement le crabotage du nouveau rapport. A la fin, le manchon arrive en butée et l'effort E atteint une valeur maximale. Pour cet exemple de changement de rapport, le cumul de l'énergie Ja générée par la bague de synchronisation, représenté sur la courbe J calculée en réalisant le produit de la vitesse relative des cônes de synchronisation par l'effort appliqué dessus, atteint une valeur de 87 Joules. Cette valeur relativement élevée peut poser des problèmes d'échauffement et d'usure des surfaces en frottement, ce qui réduit la durée de vie du synchroniseur. La figure 7 présente une modulation d'effort sur le synchroniseur, en utilisant le procédé selon l'invention. On a constaté qu'avec l'aide de la synchronisation par la machine électrique, on peut réduire l'effort appliqué sur le manchon pour des différences de vitesse D de synchronisation élevées, de manière à diminuer la puissance générée par la bague de synchronisation, sans réduire de manière significative la durée globale de la synchronisation.

Au-delà d'un seuil haut Dl de différence de vitesse, qui ramené à l'arbre primaire portant la machine électrique est fixé à 50 rad/sec, cette différence pouvant être positive ou négative, l'effort E est limité à un seuil minimum Em de 200N qui permet de mettre en pression les cônes. Par ailleurs, en deçà d'un seuil bas fixé à 20 rad/sec, l'effort E est l'effort de saturation EO admissible par le synchroniseur, soit 400 N pour cet exemple, cet effort élevé ayant pour but de préparer le dévirage de la bague de synchronisation dans de bonnes conditions, ainsi qu'un crabotage rapide du rapport suivant. Entre les deux seuils Dl et DO, l'effort E est augmenté de manière linéaire. On notera que l'effort minimum Em représente la moitié de l'effort de saturation E0. La différence de vitesse D du synchroniseur peut être connue du calculateur pilotant les actionneurs en utilisant différents moyens, comme par exemple le capteur de vitesse du véhicule, un capteur de vitesse sur l'arbre primaire, ou par des informations fournies directement par la machine électrique fixée sur l'arbre primaire. Les figures 8a, 8b, 8c et 8d décrivent un changement de rapport dans les mêmes conditions que celui présenté par les figures 6, mais comportant la modulation d'effort de la figure 7. Après le décrabotage du premier rapport puis une approche du synchroniseur du deuxième rapport, au temps t0 le manchon applique le cône interne de la bague de synchronisation en appui sur le cône externe du pignon. L'actionneur effectue alors rapidement une montée de l'effort E pour se stabiliser ensuite au seuil minimum Em qui est ici de 200 mN, ce qui génère un couple de synchronisation mécanique Cml de l'ordre de 15 mN.

Parallèlement à ce couple mécanique Cm, la machine électrique ajoute un couple électrique Ce beaucoup plus élevé, formant une impulsion.

L'effort minimum Em reste appliqué sur le manchon jusqu'au temps t où la différence de vitesse D du synchroniseur atteint le seuil haut Dl. Le synchroniseur étant dans cet exemple monté sur un arbre secondaire de la boîte de vitesses, et le rapport utilisé divisant la vitesse de rotation par environ deux, la différence de vitesse pour le seuil haut Dl qui est de 50 rad/sec pour l'arbre primaire, correspond à une différence de vitesse divisée par deux pour le synchroniseur, soit 25 rad/sec comme présenté sur la figure 8a. Par le procédé suivant l'invention, en limitant l'effort appliqué sur le manchon pour les vitesses les plus élevées, on limite aussi la puissance instantanée délivrée par le frottement, qui se transforme en échauffement. A partir du temps t, l'effort E monte progressivement pour atteindre le seuil de saturation E0, puis reste sur cette valeur jusqu'au temps t1 où la synchronisation se termine. Le manchon réalise ensuite rapidement le dévirage puis la course de crabotage du nouveau rapport, en utilisant l'effort de saturation EO élevé sur le manchon qui lui procure une forte accélération pour réaliser rapidement le déplacement restant à effectuer. Pour ce changement de rapport suivant l'invention, l'énergie Jb générée par la bague de synchronisation atteint une valeur de 64 Joules, soit un gain de 26% par rapport à l'énergie Ja générée sans le procédé suivant l'invention. De plus, la durée de synchronisation n'est pas notablement modifiée. D'une manière générale, les différents seuils de vitesse ou d'effort appliqués sur le manchon sont gardés en mémoire dans le calculateur, et peuvent être variable suivant des paramètres comme le rapport à engager, ou la température de la boîte de vitesses. On améliore ainsi facilement et pour un coût similaire, avec une simple adaptation des logiciels de contrôle, la durée de vie des synchroniseurs sans modifier de manière notable le confort du véhicule.

De plus, on limite aussi les sollicitations importantes de l'actionneur délivrant la force pour la poussée axiale du manchon, son échauffement est réduit et sa fiabilité est améliorée.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 ù Procédé de pilotage d'un dispositif de synchronisation comportant un manchon (40) mettant en oeuvre un premier cône de frottement (54) appartenant à une bague de synchronisation (50) disposée entre le manchon (40) et un pignon (36) à synchroniser, et un deuxième cône de frottement (60) appartenant au pignon (36) et disposé en regard du premier cône de frottement (54), pour effectuer un changement de rapport de vitesse sur une boîte de vitesses pilotée d'un véhicule hybride comprenant une machine électrique (16) liée à l'arbre primaire (10) de la boîte de vitesses (12), le manchon (40) étant déplacé axialement par un actionneur (26) piloté par un calculateur (28) qui réalise successivement une phase d'approche des cônes de frottement, une phase de synchronisation par l'application d'un effort sur les premier et deuxième cônes (54, 60) pour créer un couple de synchronisation, puis une phase de crabotage du nouveau rapport, caractérisé en ce que le calculateur réalise une mesure de la différence des vitesses (D) à synchroniser, et applique sur le manchon (40) en début de phase de synchronisation, un effort minimum (Em) jusqu'à ce que la différence de vitesse devienne inférieure à un seuil haut (D1) prédéterminé.

2 ù Procédé de pilotage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le calculateur (28) applique sur le manchon (40) en fin de phase de synchronisation, un effort de saturation (E0) à partir du moment où la différence de vitesse devient inférieure à un seuil bas (DO) prédéterminé.

3 ù Procédé de pilotage selon la revendication 2, caractérisé en ce que le seuil haut (Dl) de différence de vitesse, est supérieur à plus de deux fois le seuil bas (DO) de différence de vitesse.

4 ù Procédé de pilotage selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'effort (E) appliqué sur le manchon (40) entre les seuils haut (Dl) et bas (DO) de différence de vitesse, est une fonction linéaire de cette différence de vitesse.5 ù Procédé de pilotage selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'effort minimum (Em) appliqué sur le manchon (40), représente environ la moitié de l'effort de saturation (EO). 6 ù Procédé de pilotage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le seuil haut (Dl) prédéterminé pour la différence de vitesse au niveau des cônes de frottement (54, 60) du synchroniseur, est de l'ordre de 25 rad/sec. 7 ù Procédé de pilotage selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le seuil bas (DO) prédéterminé pour la différence de vitesse au niveau des cônes de frottement (54, 60) du synchroniseur, est de l'ordre de 10 rad/sec.