FR2951672A1 - Heat engine e.g. diesel heat engine and electric motor coupling device for hybrid motor vehicle, has coupling unit for coupling heat engine and electric motor when rotation speed of coupling disk is higher than rotation speed of wheel - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositif de couplage interposé entre un moteur électrique et un moteur thermique et chaîne cinématique pour véhicule automobile hybride comprenant un tel dispositif de couplage La présente invention concerne un dispositif de couplage interposé entre un moteur électrique et un moteur thermique et une chaîne cinématique pour véhicule automobile hybride comprenant un tel dispositif de couplage. Les véhicules automobiles conventionnels utilisent comme groupe propulseur des moteurs à essence ou des moteurs diesel. Ces véhicules automobiles à moteurs thermiques ont pour principal inconvénient, la pollution de l'environnement. Pour palier cet inconvénient, outre l'utilisation de carburant de substitution, on se dirige de plus en plus vers de concepts d'entraînement de types nouveaux. The present invention relates to a coupling device interposed between an electric motor and a heat engine and a kinematic chain for a hybrid motor vehicle. comprising such a coupling device. Conventional motor vehicles use gasoline engines or diesel engines as powertrains. These motor vehicles with thermal engines have the main disadvantage, pollution of the environment. To overcome this disadvantage, in addition to the use of substitute fuel, we are moving more and more towards new types of training concepts.
A ce propos, on connaît de l'état de la technique des dispositifs d'entraînement purement électrique pour véhicule automobile, dont une chaîne cinématique comprenant un moteur électrique alimenté par des batteries électriques, l'arbre moteur de la machine entraînant directement les roues du véhicule. Un tel système permet une conduite sans émissions, mais les performances possibles et la distance pouvant être parcourue sont toutefois limitées. Il est uniquement adapté pour une circulation à faible vitesse véhicule, par exemple en ville. Pour contourner le problème d'insuffisance de puissances de la machine électrique, ainsi que le problème d'autonomie dans le cas d'un système d'entraînement purement électrique, les constructeurs d'automobiles se sont orientés vers des dispositifs d'entraînement à motorisation hybride qui combine un moteur thermique avec un moteur électrique dans la même chaîne cinématique. Le moteur thermique offre une puissance importante et une grande autonomie et le moteur électrique permet une conduite sans émissions. Ainsi, lors de trajets sur des voies rapides ou des autoroutes, sur une pente ou lors d'une phase d'accélération, le véhicule est propulsé par le moteur thermique et les batteries se chargent tandis qu'en circulation urbaine, c'est-à-dire à faible vitesse, le véhicule est entraîné par le moteur électrique alimenté par les batteries. In this regard, the state of the art is known of purely electric drive devices for a motor vehicle, including a kinematic chain comprising an electric motor powered by electric batteries, the motor shaft of the machine driving the wheels of the machine directly. vehicle. Such a system allows driving without emissions, but the possible performance and the distance that can be traveled are however limited. It is only suitable for low-speed vehicle traffic, for example in the city. To overcome the problem of insufficient power of the electric machine, as well as the problem of autonomy in the case of a purely electric drive system, the car manufacturers have turned to motorized drive devices hybrid that combines a heat engine with an electric motor in the same kinematic chain. The engine offers high power and a long battery life and the electric motor allows emission-free driving. Thus, during trips on highways or highways, on a slope or during an acceleration phase, the vehicle is propelled by the engine and the batteries are charged while in urban traffic, that is, ie at low speed, the vehicle is driven by the electric motor powered by the batteries.
L'architecture d'un tel dispositif hybride est relativement complexe, il comprend généralement un moteur thermique relié par l'intermédiaire d'un vilebrequin et d'un embrayage à l'arbre d'entrée d'une boîte de vitesses, et un moteur électrique étant monté en parallèlement à l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses. Cet agencement parallèle du moteur électrique nécessite la prévision d'un espace structurel plus important que dans le cas d'un dispositif conventionnel. Pour pouvoir obtenir des puissances de propulsion suffisantes et pour pouvoir parcourir l'ensemble de la plage de vitesse du véhicule, il est alors nécessaire d'utiliser des moteurs électriques surdimensionnés afin de couvrir toute la plage de vitesses véhicules, qui nécessite un encombrement spatial plus élevé et qui en outre augmente le poids du véhicule et par conséquent les forces résistantes, induisant alors une consommation plus importante en énergie. La présente invention a pour but de réaliser une chaîne cinématique pour véhicule automobile hybride en mode 4x4 ou en mode 2x2 qui ne présente pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Pour ce faire, elle propose d'interposer un dispositif de couplage mécanique entre le moteur électrique et le moteur thermique permettant de passer de manière très simple et automatique entre les trois modes de fonctionnement, à savoir les modes de fonctionnement purement électrique, thermique ou hybride, en fonction des besoins du conducteur, tout en fournissant un couple moteur suffisant afin de balayer l'ensemble de la plage de vitesses véhicules, tout en permettant des coût de production réduits par comparaison à des chaînes cinématiques comparables. Le dispositif de couplage autorise une architecture de la chaîne 25 cinématique plus simple, et peu encombrant. A cet effet, l'invention concerne un dispositif de couplage destiné à être interposé entre un moteur thermique et un moteur électrique. Selon l'invention, il comporte - une roue dentée reliée à un premier arbre moteur entraîné par ledit 30 moteur électrique, - un disque de couplage relié à un deuxième arbre moteur entraîné par ledit moteur thermique, et - des moyens de couplage interposés entre la roue dentée et le disque permettant par force centrifuge de coupler le moteur thermique et le moteur électrique lorsque la vitesse de rotation du disque est supérieure à la vitesse de rotation de la roue dentée. Grâce au dispositif de couplage par force centrifuge réalisé selon l'invention, il devient possible de contourner les inconvénients décrits ci-dessus. The architecture of such a hybrid device is relatively complex, it generally comprises a heat engine connected via a crankshaft and a clutch to the input shaft of a gearbox, and an engine electrical connection being mounted in parallel with the input shaft of the gearbox. This parallel arrangement of the electric motor requires the provision of a larger structural space than in the case of a conventional device. In order to be able to obtain sufficient propulsion powers and to be able to cover the entire speed range of the vehicle, it is then necessary to use oversized electric motors in order to cover the entire range of vehicle speeds, which requires a larger space requirement. high and which in addition increases the weight of the vehicle and therefore the resistant forces, thus inducing a greater consumption of energy. The present invention aims to achieve a kinematic chain for a hybrid motor vehicle mode 4x4 or 2x2 mode that does not have the disadvantages mentioned above. To do this, it proposes to interpose a mechanical coupling device between the electric motor and the heat engine to pass very simply and automatically between the three modes of operation, namely purely electric, thermal or hybrid modes of operation , depending on the needs of the driver, while providing sufficient engine torque to scan the entire range of vehicle speeds, while allowing lower production costs compared to comparable kinematic chains. The coupling device allows a simpler and less space-saving kinematic chain architecture. To this end, the invention relates to a coupling device intended to be interposed between a heat engine and an electric motor. According to the invention, it comprises - a toothed wheel connected to a first drive shaft driven by said electric motor, - a coupling disk connected to a second drive shaft driven by said heat engine, and - coupling means interposed between the toothed wheel and disc allowing centrifugal force to couple the engine and the electric motor when the speed of rotation of the disc is greater than the speed of rotation of the gear. Thanks to the centrifugal force coupling device produced according to the invention, it becomes possible to overcome the disadvantages described above.
L'utilisation d'un tel dispositif comme moyens de variation de couples s'est avérée particulièrement avantageuse. Car il permet de faire passer le véhicule en mode d'entraînement électrique, en mode d'entraînement par le moteur thermique, ou en mode hybride sans utiliser d'actionneurs spécifiques. Selon une forme de réalisation de l'invention, lesdits moyens comprennent au moins un élément de couplage monté rotatif autour d'un axe de rotation sur le disque, la rotation dudit disque permettant de déplacer ledit élément de couplage d'une position dite au repos dans laquelle il est libre vers une position dite d'engrènement avec la roue dentée par force de centrifuge due à la rotation du disque dans laquelle il transmet un couple de rotation du disque dans un sens de roulement à la roue dentée. De préférence, l'élément de couplage est relié au disque au moyen d'un axe de fixation, ledit axe étant bloqué en fixation sur ledit disque au moyen d'un écrou frein. En outre, l'élément de couplage est reçu sur l'axe par l'intermédiaire de deux roulements à billes. The use of such a device as torque variation means has proved particularly advantageous. Because it allows to pass the vehicle in electric drive mode, drive mode by the engine, or hybrid mode without using specific actuators. According to one embodiment of the invention, said means comprise at least one coupling element rotatably mounted about an axis of rotation on the disk, the rotation of said disk making it possible to move said coupling element from a rest position. in which it is free to a so-called meshing position with the gear wheel by centrifugal force due to the rotation of the disk in which it transmits a rotational torque of the disk in a rolling direction to the toothed wheel. Preferably, the coupling element is connected to the disk by means of a fixing pin, said pin being locked in attachment to said disk by means of a lock nut. In addition, the coupling element is received on the shaft via two ball bearings.
Selon une forme de réalisation, ledit élément de couplage se présente sous une forme dentée ayant une forme coopérant avec le creux de la roue dentée. Selon une autre forme de réalisation de l'invention, le disque et la roue dentée sont configurés pour tourner dans le même sens. L'objet de la présente invention concerne encore une chaîne cinématique d'entraînement hybride électrique/thermique pour véhicule automobile, comprenant un moteur thermique, un moteur électrique relié à l'arbre d'entrée d'une transmission à boîte de vitesse par l'intermédiaire d'un embrayage interposé. Selon l'invention, elle comprend un dispositif de couplage tel que défini ci- dessus interposé entre le moteur thermique et le moteur électrique, ledit dispositif de couplage permettant de coupler le couple moteur thermique avec le couple moteur électrique en fonction du besoin pour que le véhicule automobile puisse fonctionner respectivement en mode d'entraînement électrique, en mode d'entraînement par le moteur thermique, ou en mode hybride. According to one embodiment, said coupling element is in a toothed form having a shape cooperating with the hollow of the toothed wheel. According to another embodiment of the invention, the disk and the toothed wheel are configured to rotate in the same direction. The subject of the present invention also relates to a hybrid electric / thermal drive train system for a motor vehicle, comprising a heat engine, an electric motor connected to the input shaft of a transmission with a gearbox by the intermediate of an interposed clutch. According to the invention, it comprises a coupling device as defined above interposed between the heat engine and the electric motor, said coupling device for coupling the heat engine torque with the electric motor torque according to the need for the motor vehicle can operate respectively in electric drive mode, drive mode by the engine, or hybrid mode.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue schématique d'une chaîne cinématique comprenant un 5 dispositif de couplage selon l'invention interposé entre un moteur thermique et un moteur électrique ; en figure 2 : une vue schématique d'une autre forme améliorée de réalisation de la chaîne cinématique de la figure 1 ; en figures 3A et 3B: un vue schématique de dessus montrant l'agencement 10 des différents éléments constituant le dispositif de couplage selon l'invention, en particulier dans la figure 3B, l'élément de couplage étant dans une position dite d'engrènement avec la roue dentée ; en figure 4: une vue schématique d'une vue en coupe montrant la zone d'assemblage entre le disque et l'élément de couplage. 15 La figure 1 représente une forme de réalisation de la chaîne cinématique 6 selon l'invention qui comprend d'amont en aval vers un train de roues motrices (non représenté) un moteur thermique 2 et un moteur électrique 3. Entre le moteur thermique 2 et le moteur électrique 3 relié aux arbres de transmissions 20 transversaux du train est interposé un dispositif de couplage 1 qui permet de coupler le couple fourni par le moteur thermique avec celui du moteur électrique. De façon connue, la chaîne comporte également une source qui est un ensemble de batteries électriques, telles que des batteries d'accumulateur qui sont destinées à alimenter le moteur électrique 3. Le moteur électrique 3 peut 25 fonctionner en moteur ou en générateur d'énergie électrique. Ainsi lors d'une phase de freinage, l'énergie de freinage peut être récupérée et transformée en énergie électrique par le moteur électrique afin de recharger les batteries qui jouent alors le rôle de stockage d'énergie électrique. La figure 2 montre une forme alternative améliorée de la chaîne 30 cinématique 6' de la figure 1, en interposant un alternateur 16 entre la sortie du moteur thermique 2 et le dispositif de couplage 1 de l'invention. Cet alternateur est également relié à une batterie 17 pour une alimentation permanente. Dans une autre forme améliorée de la chaîne cinématique, cette batterie est reliée au moteur électrique 3 via un onduleur 18 de manière à transformer l'énergie de la 35 batterie en courant alternatif pour alimenter le moteur électrique 3. Other features and advantages of the invention will be better understood on reading the detailed description which follows with reference to the drawings which show: in FIG. 1: a schematic view of a kinematic chain comprising a coupling device according to FIG. invention interposed between a heat engine and an electric motor; in FIG. 2: a schematic view of another improved embodiment of the kinematic chain of FIG. 1; in FIGS. 3A and 3B: a schematic view from above showing the arrangement 10 of the various elements constituting the coupling device according to the invention, in particular in FIG. 3B, the coupling element being in a so-called meshing position with the gear wheel; in Figure 4: a schematic view of a sectional view showing the assembly area between the disk and the coupling element. FIG. 1 shows an embodiment of the kinematic chain 6 according to the invention which comprises, from upstream to downstream, to a set of drive wheels (not shown) a heat engine 2 and an electric motor 3. Between the heat engine 2 and the electric motor 3 connected to the transverse transmission shafts of the train is interposed a coupling device 1 which couples the torque supplied by the heat engine with that of the electric motor. In known manner, the chain also comprises a source which is a set of electric batteries, such as accumulator batteries which are intended to supply the electric motor 3. The electric motor 3 can operate as a motor or an energy generator electric. Thus during a braking phase, the braking energy can be recovered and converted into electrical energy by the electric motor in order to recharge the batteries which then play the role of storing electrical energy. FIG. 2 shows an improved alternative form of the kinematic chain 6 'of FIG. 1, interposing an alternator 16 between the output of the heat engine 2 and the coupling device 1 of the invention. This alternator is also connected to a battery 17 for a permanent power supply. In another improved form of the drive train, this battery is connected to the electric motor 3 via an inverter 18 so as to transform the energy of the battery into alternating current for powering the electric motor 3.
Dans la forme de réalisation représentée, le dispositif de couplage 1 comprend une roue dentée 9 reliée à un premier arbre moteur entraîné par ledit moteur électrique 3, un disque de couplage 8 relié à un deuxième arbre moteur entraîné par ledit moteur thermique 2, et des moyens de couplage interposés entre le disque 8 et la roue dentée 9 permettant par force centrifuge de coupler le moteur thermique 2 et le moteur électrique 3. Le disque 8 et la roue dentée 9 sont coaxiaux, leur centre de rotation étant sur le même axe. Les figures 3 et 4 représentent plus en détail la structure d'un tel dispositif de couplage. Les moyens de couplage sont constitués par des éléments de couplage 7 qui se présentent sous la forme d'un cliquet ayant une forme coopérant avec le creux 14 de la roue dentée 9. Sur les figures 3A et 3B, à titre d'exemple, le dispositif comporte trois cliquets 7. Ces cliquets sont fixés de manière rotative par l'intermédiaire d'un moyen de fixation sur le disque. Lorsque le disque est au repos, c'est-à-dire non entraîné par le moteur thermique, les cliquets sont également au repos. Lorsque le disque tourne, leur forme est définie de sorte qu'ils sont susceptibles de tourner autour de leur axe de rotation 10 de sorte qu'une des deux extrémités ayant une forme pointue 15 du cliquet vient s'engager dans un creux 14 de la roue dentée 9. Ce mouvement de rotation est obtenu par la force centrifuge. In the embodiment shown, the coupling device 1 comprises a toothed wheel 9 connected to a first drive shaft driven by said electric motor 3, a coupling disk 8 connected to a second motor shaft driven by said heat engine 2, and coupling means interposed between the disk 8 and the toothed wheel 9 allowing centrifugal force to couple the heat engine 2 and the electric motor 3. The disk 8 and the toothed wheel 9 are coaxial, their center of rotation being on the same axis. Figures 3 and 4 show in more detail the structure of such a coupling device. The coupling means are constituted by coupling elements 7 which are in the form of a pawl having a shape cooperating with the hollow 14 of the toothed wheel 9. In FIGS. 3A and 3B, by way of example, the device comprises three pawls 7. These pawls are rotatably fixed by means of a fixing means on the disk. When the disc is at rest, that is to say not driven by the heat engine, the pawls are also at rest. When the disc rotates, their shape is defined so that they are rotatable about their axis of rotation so that one of the two ends having a sharp shape of the pawl engages in a recess 14 of the toothed wheel 9. This rotational movement is obtained by the centrifugal force.
De cette façon, les cliquets transmettent le couple de rotation du disque à la roue dentée. La figure 4 illustre plus en détail la fixation du cliquet 7 sur le disque 8. Le cliquet et le disque sont pourvus d'un trou dans lequel est reçu un axe de fixation classique 13. Une extrémité de cet axe est solidarisée au disque au moyen d'un écrou frein 11. Le cliquet est solidarisé à l'axe au moyen de deux roulements à billes 12 qui sont disposés de part et d'autre du cliquet 7. Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur la figure 1, la chaîne cinématique hybride peut entraîner toute seule les roues du train avant ou celles du train arrière pour véhicule automobile en fonctionnement 2x2. In this way, the pawls transmit the rotational torque of the disk to the toothed wheel. FIG. 4 illustrates in more detail the fixing of the pawl 7 on the disk 8. The pawl and the disk are provided with a hole in which a conventional fixing pin 13 is received. One end of this pin is secured to the disk by means of a brake nut 11. The pawl is secured to the axis by means of two ball bearings 12 which are arranged on either side of the pawl 7. In the embodiment of the invention shown in Figure 1 , the hybrid drivetrain can drive alone the wheels of the front axle or those of the rear axle for a motor vehicle in operation 2x2.
Il est également possible d'envisager un group d'entraînement comprenant une première chaîne cinématique hybride entraînant un premier train de roues et une deuxième chaîne hybride entraînant un second train de roues pour un véhicule automobile en fonctionnement tout électrique 4x4. La chaîne cinématique hybride électrique/thermique comporte d'amont en 35 aval vers les arbres de transmission de roues le moteur électrique 3 accouplé à l'arbre d'une transmission à boîte de vitesse 5 par l'intermédiaire d'un embrayage interposé 4 et un moteur thermique 2. Le dispositif de couplage 1 qui permet de coupler le moteur thermique avec le moteur électrique pour que le véhicule automobile puisse fonctionner respectivement en mode d'entraînement électrique, ou en mode hybride est interposé entre le moteur thermique 2 et le moteur électrique 3. Ce dispositif de couplage permet d'adapter de manière automatique et uniquement par force centrifuge les modes de fonctionnement en fonction du besoin en couple moteur demandé par le conducteur du véhicule. It is also possible to envisage a drive unit comprising a first hybrid drive train driving a first set of wheels and a second hybrid chain driving a second set of wheels for a motor vehicle in all-electric 4x4 operation. The hybrid electric / thermal drivetrain comprises upstream downstream towards the wheel drive shafts the electric motor 3 coupled to the shaft of a transmission with a gearbox 5 via an interposed clutch 4 and a heat engine 2. The coupling device 1 which couples the heat engine with the electric motor so that the motor vehicle can operate respectively in electric drive mode, or in hybrid mode is interposed between the engine 2 and the engine 3. This coupling device allows to adapt automatically and solely by centrifugal force the operating modes according to the engine torque required by the driver of the vehicle.
En effet lors du démarrage du moteur électrique et à faible vitesse véhicule, Le véhicule qui est en régime de faible vitesse véhicule fonctionne en mode d'entraînement électrique. Le disque 8 ne tourne pas et, par conséquent les cliquets 7 sont en position dite de repos. Lorsqu'on active le moteur thermique, en tournant par exemple la clé de contact, le moteur thermique fonctionne en ralenti en entraînant la rotation du disque 8. Par la force centrifuge, les cliquets 7 viennent s'appuyer sur la crête des dents de la roue (Figure 3A). Au fur à mesure de l'augmentation de la vitesse de rotation du disque, en accélérant avec la pédale d'accélérateur, le disque 8 est amené à tourner à une vitesse supérieure à la vitesse de la roue dentée, et par la force centrifuge, les cliquets 7 tournent vers l'intérieur de telle sorte que l'extrémité 15 de chaque cliquet vient s'engager dans un creux 14 de la roue dentée 9 tel qu'illustré sur la figure 3B. De cette façon, le dispositif de couplage permet d'ajouter le couple du moteur thermique au couple du moteur électrique, le véhicule fonctionne alors en mode hybride. Indeed when starting the electric motor and low speed vehicle, the vehicle that is in low speed vehicle is operating in electric drive mode. The disc 8 does not rotate and therefore the pawls 7 are in the so-called rest position. When the heat engine is activated, for example by turning the ignition key, the heat engine operates at an idle speed by causing the disk 8 to rotate. By centrifugal force, the pawls 7 come to rest on the crest of the teeth of the engine. wheel (Figure 3A). As the speed of rotation of the disc increases, accelerating with the accelerator pedal, the disc 8 is rotated at a speed higher than the speed of the gear wheel, and by the centrifugal force, the pawls 7 rotate inwardly so that the end 15 of each pawl engages in a recess 14 of the toothed wheel 9 as illustrated in Figure 3B. In this way, the coupling device makes it possible to add the torque of the heat engine to the torque of the electric motor, the vehicle then operates in hybrid mode.
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-
2009
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