FR2928193A1 - Dispositif et procede de protection thermique d'une boite de vitesses - Google Patents

Abstract

Au moyen d'un programme exécutable dans un processeur quelconque résidant dans un véhicule, le procédé de protection thermique d'une boîte de vitesses de véhicule, comprend une étape de commande (106, 110) qui intervient sur un organe du véhicule, extérieur à la boîte de vitesse, lorsqu'une température dans la boîte de vitesse, dépasse un seuil critique (S1, S2), de façon à réduire une quantité de chaleur transmise à la boîte de vitesse.

Description

"Dispositif et procédé de protection thermique d'une boîte de vitesses"

L'invention concerne un dispositif et un procédé de protection thermique d'une boîte de vitesses de véhicule, notamment de véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif et un procédé de protection thermique d'une boîte de vitesses mécanique. En cas d'utilisation sévère d'un véhicule, par exemple en remorquage, en montagne ou à vitesse élevée, la puissance mécanique, transmise par la boite de vitesse augmente et entraine, à cause du rendement mécanique et des pertes par frottement, une élévation de la température de l'huile qui assure sa lubrification.

Au-delà d'un seuil de températures spécifique à chaque huile, de l'ordre de 140 à 170°C, et en fonction de la durée de maintien au-delà de ce seuil, l'oxydation de l'huile provoque une formation de microparticules, d'acides et une perte des additifs anti-usure qui entraîne une dégradation des caractéristiques de lubrification de l'huile. Les microparticules se déposent sur les pièces de la boîte de vitesses, qui peuvent provoquer des fuites au niveau des joints. Les acides s'attaquent aux alliages, notamment les alliages de cuivre, bronze ou laiton, souvent utilisés au niveau des bagues de synchroniseur ou de palier. La dégradation des additifs anti-usure entraîne également une usure des paliers et des dentures d'engrenage. La viscosité de l'huile diminuant avec l'élévation de température, une rupture du film d'huile peut se produire au niveau des engrenages ou au niveau du dispositif de synchronisation. Les pertes de qualité de lubrification de l'huile et l'usure des pièces de la boîte de vitesses tendent à accélérer le phénomène d'usure de la boîte de vitesses. Le document FR 2 625 769 décrit un dispositif de surveillance d'usure d'huile au moyen d'un paramètre représentatif de l'usure de l'huile sans préciser ce paramètre, comment il est mesuré et comment il est utilisé pour remédier à l'usure de l'huile. Le document FR 2 730 539 décrit un dispositif pour détecter une température lors d'un changement de vitesse d'une transmission automatique de véhicule automobile. Un microprocesseur utilisé pour le contrôle de la boîte de vitesses, exploite un capteur de température disposé dans la boite de vitesses et agit sur la boîte de vitesse elle-même, grâce aux commandes de l'automatisme, pour la protéger. Le document EP 0 920 606 décrit une sonde pour mesurer une vitesse de rotation et une température dans une boîte de vitesses.

Un problème se pose lorsqu'une boîte de vitesses, notamment une boîte de vitesses mécanique, ne dispose d'aucun processeur dédié à son contrôle et à sa commande et ou de moyens de pilotages automatiques qui puissent agir pour la protéger. Le problème est encore amplifié lorsque la boîte de vitesses ne dispose d'aucun capteur, notamment aucun capteur de température. Une solution qui consisterait à équiper la boîte de vitesses avec un processeur dédié et un ou plusieurs capteurs, notamment un capteur de température, générerait un surcoût qui irait dans le sens d'une augmentation du prix du véhicule. Pour remédier au problème de l'état connu de la technique, un objet de l'invention est un procédé de protection thermique d'une boîte de vitesses de véhicule, au moyen d'un programme exécutable dans un processeur quelconque résidant dans ledit véhicule. De manière remarquable, le procédé comprend une étape de commande qui intervient sur un organe du véhicule, extérieur à la boîte de vitesse, lorsqu'une température dans la boîte de vitesse, dépasse un seuil critique, de façon à réduire une quantité de chaleur transmise à la boîte de vitesse.

Selon une première alternative de mise en oeuvre, la température est estimée à partir d'une capacité thermique de la boîte de vitesse et d'au moins une quantité de chaleur transmise par le moteur à la boîte de vitesse et/ou au moyen d'un modèle numérique qui simule une évolution de température de la boîte de vitesse en fonction de paramètres préalablement mémorisés à partir d'un calibrage de prototype et en fonction des paramètres de fonctionnement du moteur et d'un régime de fonctionnement en temps réel du véhicule. Selon une deuxième alternative de mise en oeuvre, la température est mesurée au moyen d'un capteur de température disposé dans la boîte de vitesse. Quelque soit l'alternative retenue, l'organe du véhicule peut comprendre un moteur dont le couple est limité par l'étape de commande, particulièrement lorsque la température dans la boîte de vitesse, dépasse le seuil critique pendant une durée prédéterminée et un groupe moto ventilateur démarré par l'étape de commande.

Avantageusement, le procédé comprend une étape d'estimation de la qualité d'une huile de lubrification de la boîte de vitesse en fonction d'une nature et d'une fréquence de dépassement de seuil de température et une étape pour réduire la périodicité de vidanges d'huile lorsque la qualité estimée se dégrade. Un autre objet de l'invention est un dispositif de protection thermique d'une boîte de vitesses de véhicule, comprenant un processeur ordonnancé pour exécuter un programme qui intervient sur un organe du véhicule, extérieur à ladite boîte de vitesse, lorsqu'une température dans la boîte de vitesse, dépasse un seuil critique de façon à réduire une quantité de chaleur transmise à la boîte de vitesse. Particulièrement, le dispositif comprend un premier composant agencé pour simuler une capacité thermique de la boîte de vitesse et au moins un deuxième composant agencé pour simuler une quantité de chaleur, transmise par le moteur à la boîte de vitesse et pour communiquer ladite quantité de chaleur au premier composant, de façon à estimer ladite température. Un modèle numérique permet de simuler une évolution de température de la boîte de vitesse en fonction de paramètres préalablement mémorisés à partir d'un calibrage de prototype et en fonction d'un régime de fonctionnement en temps réel du véhicule, de façon à estimer ladite température. Le processeur est agencé pour limiter le couple d'un moteur, plus particulièrement lorsque la température dans la boîte de vitesse, dépasse le seuil critique pendant une durée prédéterminée. Le processeur est aussi agencé pour démarrer un groupe moto ventilateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 montre des étapes de procédé 20 conformes à l'invention ; - la figure 2 montre schématiquement un dispositif de modélisation de température de boîte de vitesses. En référence à la figure 1, le procédé fonctionne en temps réel à partir d'une étape initiale 100. 25 Chaque top d'une horloge d'un système tel qu'un calculateur de contrôle moteur ou un autre calculateur déjà présent dans le véhicule, valide une transition 101 qui active une étape 102 dans laquelle une température d'huile Thune est échantillonnée. La température d'huile 30 échantillonnée dans l'étape 102 est soit mesurée au moyen d'un capteur disposé dans la boîte de vitesses ou modélisé au moyen d'un dispositif exposé plus loin dans la description en référence à la figure 2. A partir de l'étape 102, une transition 103 est 35 validée si la température de l'huile est inférieure à un premier seuil S1 et une transition 105 est validée si la température de l'huile est supérieure ou égale au seuil S1. Une validation de la transition 103 active une étape 104 qui correspond à une utilisation normale de l'huile de la boîte de vitesses. L'étape 104 reboucle sur la transition 101 en attente du top d'horloge suivant.

Une validation de la transition 105 active une étape 106 qui commande un démarrage de groupe moto ventilateur GMV agencé pour refroidir le moteur et la boîte de vitesses et par conséquent l'huile qu'elle contient.

A partir de l'étape 106, une transition 107 est validée si la température de l'huile Thune est supérieure ou égale à un deuxième seuil S2 et une transition 111 est validée si la température de l'huile est inférieure au seuil S2. Le seuil S2 est supérieur au seuil S1 et dénote une augmentation critique de la température de l'huile. La valeur des seuils S1 et S2 est paramétrable dans l'étape 100 en fonction du type d'huile utilisée ou cette valeur est fixe, déterminée une fois pour toutes, de façon à couvrir la majorité des types d'huile.

Une validation de la transition 107, active une étape 108 dans laquelle une durée Ad est incrémentée de façon à mesurer une durée de maintien de la température d'huile au-delà du seuil S2. La valeur de durée Ad est initialisée à zéro ou remise à zéro par exemple dans l'étape 104 lorsque la température de l'huile est redescendue en dessous du seuil S1. A partir de l'étape 108, une transition 109 est validée lorsque la durée Ad est supérieure ou égale à une limite haute Dmax et une transition 113 est validée lorsque la valeur de durée Ad est inférieure à la limite haute Dmax. Une validation de la transition 109 active une étape 110 qui limite le couple moteur Cmot. La validation de la transition 109 représente une température d'huile maintenue au-delà du seuil S2 pendant une durée Dmax qui, si elle était prolongée, risquerait fort de dégrader l'huile et les éléments de la boîte de vitesses. Le refroidissement généré par le groupe moto ventilateur démarré dans l'étape 106, n'ayant pas suffi à faire redescendre la température, la limitation du couple moteur, réduisant la puissance mécanique transmise par la boîte de vitesses, est utile pour réduire la dissipation thermique provoquée par les pertes de transmission dans la boîte de vitesses. L'étape 110 se reboucle ensuite sur la transition 101 en attente du top d'horloge 101. La commande du groupe moto ventilateur et celle de la limitation de couple moteur, sont auto maintenues tant qu'elles ne sont pas remises à zéro, par exemple en étape 104. Une validation de la transition 111, de la transition 113 ou de la transition 109 active une étape 112 pour estimer une dégradation de la qualité d'huile. L'étape 112 utilise un algorithme qui prend en compte la température de l'huile et éventuellement la durée de maintien à cette température en fonction de celle des transitions 111, 113, 109, qui a activé l'étape 112, pour retrouver dans des tables mémorisées à partir des données de fournisseur d'huile ou d'essai, et en déduire une qualité d'huile Q. Une étape 115 de test, exécutée dans le cadre de l'activation de l'étape 112, déclenche une étape 114 si la qualité Q n'est pas correcte. Dans l'étape 114, une réduction de la périodicité de vidange d'huile de boîte de vitesses est préconisée de façon à changer l'huile qui s'est dégradée. A la suite de l'étape 114 ou si la qualité Q a été vérifiée correcte dans l'étape 115, le procédé reboucle sur la transition 101 en attente du top d'horloge suivant. Avantageusement, l'étape 108 génère une alerte du conducteur en lui signalant une augmentation dangereuse de la température d'huile au moyen d'un pictogramme, d'un signal sonore ou d'une autre manière.

De façon plus générale, le procédé permet d'avoir accès en lecture dans la mémoire du processeur ou calculateur, à des informations utiles en garantie ou pour effectuer une maintenance préventive pour des clients exigeants parmi lesquelles ont peut citer le temps passé à températures élevées, la puissance dissipée ou le nombre de kilomètres effectués dans des conditions susceptibles de fatiguer la boîte de vitesse ou de détériorer la qualité de l'huile. La température de l'huile interne à la boîte de vitesses qui est scrutée dans l'étape 102, est soit mesurée au moyen d'un capteur de température d'huile de boîte de vitesses, soit estimée au moyen du dispositif décrit à présent en référence à la figure 2. Un composant 99 est agencé pour générer une valeur estimée de température d'huile Temp OilV. Le composant 99 reçoit en entrée une valeur représentative d'une quantité de chaleur reçue ou dissipée par la boîte de vitesses. Cette valeur est générée par un composant sommateur 98. Le composant 99 utilise les lois générales de la thermodynamique pour simuler la température de boîte de vitesses Temp OilV à partir de la valeur de flux de chaleur reçue à partir du composant 98 et d'un paramètre K MT qui modélise une capacité thermique de la boîte de vitesses. Le paramètre K MT est la somme des capacités thermiques des éléments qui composent la boîte de vitesses. La capacité thermique de l'huile est obtenue en masse d'huile contenue dans capacité massique de l'huile. multipliant la vitesses par la thermique des éléments en acier est multipliant la vitesses par la des éléments en aluminium est obtenue en la boîte de La capacité obtenue en la boîte de La capacité multipliant la masse d'acier contenue dans capacité massique de l'acier. masse d'aluminium des éléments de la boîte de vitesses par la capacité massique de l'aluminium. Le composant sommateur 98 reçoit valeur de flux de chaleur, générée par plusieurs composants 1, 2, 3, 4 et 5. Le composant 5 génère une valeur représentative d'un flux de chaleur échangé entre le moteur et la boîte en entrée chacun d'un une ou de vitesse. Le flux de chaleur est essentiellement échangé par conduction thermique à travers les liaisons mécaniques qui unissent la boîte de vitesse au moteur. Le flux de chaleur échangé ici est simulé en multipliant un coefficient de conduction thermique K EngV par une différence de température reçue en entrée à partir d'un composant 51. Le composant 51 génère la différence de température en soustrayant la valeur estimée de température d'huile Temp OilV d'une valeur mesurée Temp EngV de température d'eau de refroidissement au niveau du moteur. Pour calibrer le composant 5, on peut par exemple placer le groupe motopropulseur constitué du moteur et de la transmission comprenant la boîte de vitesse, dans un caisson adiabatique. Sans faire fonctionner aucun élément du groupe motopropulseur, on chauffe progressivement l'eau au niveau du moteur et pour chaque valeur de température Temp EngV relevée, on mesure une température d'huile TbV mes au moyen d'un capteur spécialement disposé dans l'huile à cet effet sur banc de tests. Le coefficient de conduction thermique K EngV est alors calculé en appliquant les lois de la thermodynamique à l'évolution de température de la boîte de vitesse. Le composant 4 génère une valeur représentative d'un flux de chaleur échangé entre l'organe de couplage et la boîte de vitesse. Le flux de chaleur est essentiellement échangé par conduction thermique à travers les liaisons mécaniques qui unissent l'organe de couplage à la boite de vitesse. Le flux de chaleur échangé ici est simulé en multipliant un coefficient de conduction thermique K ClutchV par une différence de température reçue en entrée à partir d'un composant 41. Le composant 41 génère la différence de température en soustrayant la valeur estimée de température d'huile Temp OilV d'une valeur Temp ClutchV de température de l'organe de couplage comprenant un embrayage. Cette valeur doit être estimée par un modèle fonction 4, basé sur l'énergie dissipée sous forme de chaleur lorsque l'embrayage est en glissement. Pour calibrer le composant 4, on peut par exemple placer l'ensemble constitué de l'organe de couplage et de la transmission comprenant la boîte de vitesse, dans un caisson adiabatique. La transmission étant entraînée par un moteur électrique, on pilote l'organe de transmission en glissement et on relève en fonction de l'énergie dissipée la température Temp ClutchV, on mesure une température d'huile TbV mes au moyen d'un capteur spécialement disposé dans l'huile à cet effet sur banc de tests. Le coefficient de conduction thermique K ClutchV est alors calculé en appliquant les lois de la thermodynamique à l'évolution de température de la boîte de vitesse. Le composant 3 génère une valeur représentative d'un flux de chaleur échangé entre la boîte de vitesse et l'environnement extérieur. Le flux de chaleur est essentiellement échangé par conduction et convection thermique avec l'air ambiant. Le flux de chaleur échangé ici est simulé en multipliant un coefficient de conduction/convection thermique K ExtV par une différence de température reçue en entrée à partir d'un composant 31. Le composant 31 génère la différence de température en soustrayant la valeur estimée de température d'huile Temp OilV d'une valeur mesurée Temp ambV de température extérieure. Le coefficient K ExtV dépend du flux d'air autour de la boîte de vitesse. Le composant 3 reçoit aussi en entrée une valeur de régime de sortie de boîte de vitesse N vehV qui est representative d'une vitesse du véhicule et par conséquent du flux d'air dans l'habitacle moteur. Pour calibrer le composant 3, on peut par exemple placer le groupe motopropulseur constitué du moteur et de la transmission comprenant la boîte de vitesse, dans un caisson à température d'air constante qui donne la valeur de Temp ambV. Sans faire fonctionner aucun élément du groupe motopropulseur, on amène l'eau au niveau du moteur à une température Temp EngV constante dont la valeur est entrée dans le composant 3 activé. On mesure la température d'huile au moyen du capteur spécialement disposé dans l'huile à cet effet sur banc de tests. Le coefficient de conduction/convection thermique K ExtV à flux d'air nul, représentatif de N vehV = 0, est alors calculé en appliquant les lois de la thermodynamique à l'évolution de température de la boîte de vitesse. On impose ensuite un flux d'air à vitesse connue, par exemple au moyen d'une soufflerie auquel on peut faire correspondre une valeur non nulle de N vehV. On répète l'expérience pour différentes valeurs de flux d'air de façon à relever l'évolution du coefficient K ExtV en fonction d'une vitesse simulée de véhicule. On peut aussi calibrer les composants 5,4 et 3 en utilisant un modèle de simulation numérique tel que par exemple Simulink . Le composant 2 génère une valeur représentative d'une conversion d'énergie cinétique en chaleur lors d'une phase de synchronisation de la boîte de vitesse. Cette conversion d'énergie cinétique est simulée au moyen d'une fonction Fonction 2 qui exploite une formule du type 2 Jkäal ùf rirai ] où w est la vitesse de rotation des pignons et J leur inertie. Pour effectuer ses calculs, le composant 2 reçoit en entrée une valeur N PrimV de régime d'arbre primaire de boîte de vitesse recalculé à partir de la vitesse véhicule et d'une valeur GearV correspondant au rapport engagé de la boîte de vitesse.

Cette valeur peut être mesurées, données par une position de levier de commande ou reconstituées à partir du régime moteur, de la vitesse du véhicule et/ou de la vitesse des roues. Le composant 2 ne nécessite pas de calibration sur banc car les paramètres de la fonction exploitée, dépendent essentiellement de la géométrie et de la constitution de la boîte de vitesse qui sont données par sa spécification de fabrication. Le composant 1 génère une valeur représentative d'une quantité de chaleur produite par les pertes en charge et à vide interne à la boite de vitesse en fonction de la température Temp OilV de boîte de vitesse et de la puissance transmise. Le composant 11 fait correspondre un coefficient de perte K Loss basé sur la valeur N EngV de régime moteur du couple délivré par le moteur Tq EngV pour estimer la valeur de puissance reçue en entrée de boîte de vitesse. Pour calibrer les composants 1 et 11, on peut par exemple entraîner sur banc, la boîte de vitesse avec frein en sortie en mesurant le couple en entrée et les pertes internes à l'organe de transmission. Après avoir calibré les composants sur un exemplaire prototype, on stocke les valeurs obtenues dans une mémoire de processeur sous forme de structure de données que l'on duplique dans la mémoire de processeur de chaque exemplaire de production en chaîne. Il n'est pas nécessaire de calibrer chaque exemplaire de production en chaîne dans la mesure où tous les exemplaires sont thermiquement et mécaniquement identiques. Le dispositif ou procédé de simulation de la température de boîte de vitesse, permet de s'affranchir d'un capteur de température d'huile de boîte de vitesse sans avoir à utiliser un processeur spécialement dédié à la boîte de vitesse. Ceci est particulièrement utile pour une boîte de vitesse mécanique. On peut utiliser tout processeur disponible dans le véhicule et de préférence le processeur de contrôle commande du moteur qu'il suffit simplement de programmer en conséquence. On notera que les étapes 106 et 110 interviennent sur des organes extérieurs à la boîte de vitesse tels que le groupe moto ventilateur et le moteur pour protéger la boîte de vitesse contre des élévations de température conséquentes. Aucune modification de la boîte de vitesse n'est nécessaire pour obtenir l'effet de protection souhaité. La commande des autres organes, existe déjà pour d'autres raisons, refroidissement du moteur à l'arrêt du véhicule et changement de régime du moteur en fonction des sollicitations du conducteur. Aucune intervention physique, ajout ou modification de matériel, n'est nécessaire. Quelques lignes de programmation dans un processeur ou calculateur existant, suffisent à éviter un changement précoce de boîte de vitesse à cause d'un régime d'utilisation sévère.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Procédé de protection thermique d'une boîte de vitesses de véhicule, au moyen d'un programme exécutable dans un processeur quelconque résidant dans ledit véhicule, comprenant une étape de commande (106, 110) qui intervient sur un organe du véhicule, extérieur à ladite boîte de vitesse, lorsqu'une température dans la boîte de vitesse, dépasse un seuil critique (Si, S2), de façon à réduire une quantité de chaleur transmise à la boîte de vitesse.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite température est estimée à partir d'une capacité thermique de la boîte de vitesse et d'au moins une quantité de chaleur transmise par le moteur à la boîte de vitesse.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ladite température est estimée au moyen d'un modèle numérique qui simule une évolution de température de la boîte de vitesse en fonction de paramètres préalablement mémorisés à partir d'un calibrage de prototype et en fonction d'un régime de fonctionnement en temps réel du véhicule.

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite température est mesurée au moyen d'un capteur de température disposé dans la boîte de vitesse.

5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'organe du véhicule comprend un moteur et en ce que l'étape de commande (110) intervient sur ledit organe en limitant le couple du moteur.

6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'étape de commande (110) limite le couple moteur lorsque 35la température dans la boîte de vitesse, dépasse le seuil critique (S2) pendant une durée prédéterminée (Ad).

7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'organe du véhicule comprend un groupe moto ventilateur et en ce que l'étape de commande (106) intervient sur ledit organe en démarrant le groupe moto ventilateur.

8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape d'estimation (112) de la qualité d'une huile de lubrification de la boîte de vitesse en fonction d'une nature et d'une fréquence de dépassement de seuil de température.

9. Procédé selon la revendication 8, comprenant une étape (114) pour réduire la périodicité de vidanges d'huile lorsque la qualité estimée se dégrade. 20

10. Dispositif de protection thermique d'une boîte de vitesses de véhicule, comprenant un processeur ordonnancé pour exécuter un programme qui intervient sur un organe du véhicule, extérieur à ladite boîte de vitesse, lorsqu'une température dans la boîte de vitesse, 25 dépasse un seuil critique de façon à réduire une quantité de chaleur transmise à la boîte de vitesse.

11. Dispositif selon la revendication 10, comprenant un premier composant (99) agencé pour simuler une 30 capacité thermique de la boîte de vitesse et au moins un deuxième composant (1,2,3,4) agencé pour simuler une quantité de chaleur, transmise par le moteur à la boîte de vitesse et pour communiquer ladite quantité de chaleur au premier composant, de façon à estimer ladite 35 température. 15

12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, comprenant un modèle numérique pour simuler une évolution de température de la boîte de vitesse en fonction de paramètres préalablement memorisés à partir d'un calibrage de prototype et en fonction d'un régime de fonctionnement en temps réel du véhicule, de façon à estimer ladite température.

13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 10 12, dans lequel le processeur est agencé pour limiter le couple d'un moteur.

14. Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le processeur est agencé pour limiter le couple 15 moteur lorsque la température dans la boîte de vitesse, dépasse le seuil critique (S2) pendant une durée prédéterminée (Ad).

15. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 20 14, dans lequel le processeur est agencé pour démarrer un groupe moto ventilateur.