FR3116961A1 - Machine électrique tournante - Google Patents
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Abstract
Machine électrique tournante (7), comprenant : - un stator (10), - un rotor (12) mobile en rotation autour d’un axe (X) et au contact d’un liquide, et - un dispositif de contrôle de la machine électrique, comprenant un circuit de régulation (29) de la vitesse du rotor, ce circuit de régulation (29) comprenant un correcteur proportionnel-intégral (30), l’un au moins des paramètres (KP, KI) de ce correcteur proportionnel intégral (30) variant en fonction d’au moins une grandeur caractéristique du liquide. Figure d’abrégé: Fig 3
Description
La présente invention concerne une machine électrique tournante pour véhicule.
La machine électrique est par exemple un alterno-démarreur ou un moteur électrique, alimenté par une tension nominale de 12V ou de 48V, voire plus.
Cette machine électrique peut être intégrée à un véhicule à propulsion hybride ou purement électrique, par exemple une automobile.
Cette machine électrique présente un stator et un rotor, mobile en rotation autour d’un axe, le rotor, ainsi que le cas échéant le stator, étant au contact d’un liquide, voire baignant dans ce liquide, ce liquide pouvant être de l’huile.
Lorsqu’une telle machine électrique est accouplée à une boîte de vitesses par laquelle le couple qu’elle fournit est transmis aux roues du véhicule, il peut s’avérer nécessaire de piloter la machine de manière spécifique pour effectuer des synchronisations entre les pignons de la boîte de vitesses pour changer le rapport de boîte. Dans ce but, il est connu d’effectuer un pilotage en vitesse de la machine électrique à l’aide d’un circuit de régulation comprenant un correcteur de type proportionnel-intégral, comme divulgué dans la demande EP 3 360 709.
Il existe un besoin pour améliorer encore la précision et la rapidité de la régulation effectuée à l’aide d’un tel correcteur.
L’invention vise à répondre à ce besoin et elle y parvient, selon l’un de ses aspects, à l’aide
d’une machine électrique tournante, comprenant :
- un stator,
- un rotor mobile en rotation autour d’un axe et au contact d’un liquide, baignant notamment dans ce liquide, et
- un dispositif de contrôle de la machine électrique, comprenant un circuit de régulation de la
vitesse du rotor, ce circuit de régulation comprenant un correcteur proportionnel-intégral,
l’un au moins des paramètres de ce correcteur proportionnel intégral variant en fonction d’au
moins une grandeur caractéristique du liquide.
Selon l’invention, on agit sur le correcteur du circuit de régulation de manière à ce que l’un ou plusieurs de ses paramètres varie en fonction de l’état du liquide, cet état étant caractérisé par au moins une grandeur caractéristique de ce liquide. La grandeur caractéristique est par exemple l’une de la température du liquide, de la viscosité du liquide, ou de son débit dans l’environnement du rotor de la machine. A titre d’exemple, lorsque le liquide est de l’huile, la viscosité de ce liquide peut changer de façon importante en fonction de la température, de sorte que les frottements sur le rotor varient de façon importante, et affectent la précision et la rapidité de la régulation selon l’art antérieur qui met en œuvre des paramètres fixes.
Lorsque l’huile a une température de -5°C ou lorsque l’huile a une température de 120°C, le temps de réponse peut varier de 80 ms par rapport au temps de réponse nominal correspondant à une température de 90°C, et un dépassement en vitesse est possible.
Le fait d’adapter un ou plusieurs paramètres du correcteur à cet état spécifique du liquide permet de résoudre au moins en partie ces problèmes mentionnés.
Le rotor est par exemple soumis à des projections d’huile.
Au sens de la présente demande :
- les termes « entrée » et « sortie » se réfèrent au chemin du couple entre le vilebrequin du moteur thermique jusqu’aux roues du véhicule, le couple généré par le moteur thermique entrant d’abord lors de son parcours vers les roues dans un composant, puis sortant de ce composant,
- un composant « baigne » dans un liquide lorsqu’il est en tout ou partie immergé dans ce liquide.
Selon un exemple de mise en œuvre de l’invention, le paramètre du correcteur
proportionnel-intégral présente une première expression et une deuxième expression, différente de la première expression, en fonction de la valeur de la grandeur caractéristique, la première expression correspond à une valeur de la grandeur caractéristique inférieure à une valeur seuil, et la deuxième expression correspond à une valeur de la grandeur caractéristique supérieure à cette valeur seuil. Le changement d’expression du paramètre se fait ainsi de façon bidirectionnelle et symétrique avec une même valeur seuil.
Selon un autre exemple de mise en œuvre de l’invention, le paramètre du correcteur proportionnel-intégral a toujours une première expression et une deuxième expression, différente de la première expression, en fonction de la valeur de la grandeur caractéristique, et le passage de la première expression à la deuxième expression s’effectue lorsque la valeur de cette grandeur caractéristique devient supérieure à une première valeur seuil, et le passage de la deuxième expression à la première expression s’effectue lorsque la valeur de cette grandeur caractéristique devient inférieure à une deuxième valeur seuil, différente de la première valeur seuil. Un système de type à hystérésis est ainsi implémenté, ce qui permet d’éviter un changement d’expression lors d’un franchissement de seuil intempestif. La première valeur seuil peut être inférieure à la deuxième valeur seuil mais l’inverse est également possible.
Selon l’un ou l’autre des deux modes de réalisation ci-dessus, chaque expression du paramètre du correcteur proportionnel-intégral peut être une valeur constante. La valeur de ce paramètre peut varier de façon monotone ou non. Lorsque cette valeur varie de façon monotone, cette variation peut se faire dans le même sens que la variation de la valeur de la grandeur représentative ou dans le sens inverse. Lorsque plusieurs paramètres du correcteur proportionnel-intégral varient en fonction d’une grandeur représentative du liquide, chacun de ces paramètres peut varier de façon monotone, de même sens entre eux ou non, et de même sens ou non avec la variation de la valeur de la grandeur représentative. A titre d’exemple le gain proportionnel et le gain intégral du correcteur peuvent varier, et le gain proportionnel a sa valeur qui augmente lorsque la température du liquide augmente tandis que le gain intégral a sa valeur qui diminue lorsque la température de liquide augmente.
Selon l’un ou l’autre des deux modes de réalisation ci-dessous, et en variante de ce qui vient d’être exposé, chaque expression du paramètre du correcteur proportionnel-intégral peut être une fonction mathématique de la grandeur caractéristique du liquide.
En variante des deux modes de réalisation ci-dessus, il n’existe pas de valeur seuil et une seule expression du paramètre du correcteur proportionnel-intégral existe sur toute la plage de fonctionnement de la machine, cette expression étant une fonction mathématique de la grandeur caractéristique du liquide.
Dans tout ce qui précède, le circuit de régulation peut présenter un mode auxiliaire dans lequel le paramètre du correcteur proportionnel-intégral est indépendant de la grandeur caractéristique du liquide. Un tel mode auxiliaire est par exemple actif lorsqu’une erreur est détectée dans la machine électrique ou pour une plage de vitesses du rotor prédéterminée, par exemple.
Dans tout ce qui précède, le correcteur peut avoir une fonction de transfert dont la transformée de Laplace est:
et le gain proportionnel KPet le gain intégral KIpeuvent varier en fonction de la ou les grandeurs caractéristiques du liquide.
Dans tout ce qui précède, le liquide peut être de l’huile, et la grandeur caractéristique de l’huile peut être sa température et/ou son débit. Chacun des gains précités du correcteur proportionnel-intégral varie par exemple en fonction de la température de l’huile et du débit de l’huile dans la machine.
Dans tout ce qui précède, le correcteur proportionnel-intégral peut comprendre un intégrateur en cascade avec un gain. Le correcteur comprend par exemple :
- un premier comparateur apte à comparer une vitesse du rotor mesurée avec une valeur de consigne, un écart issu du premier comparateur étant appliqué en entrée de l'intégrateur, et
- un deuxième comparateur apte à comparer la vitesse mesurée avec une valeur en sortie de l'intégrateur, un écart issu du deuxième comparateur étant multiplié par le gain.
Le dispositif de contrôle est par exemple intégré à l’unité de contrôle de la transmission du véhicule (« TCU » en anglais) ou à l’unité de contrôle moteur (« ECU » en anglais) ou à une autre unité de contrôle distincte. Le dispositif de contrôle met par exemple en œuvre un ou plusieurs dispositifs de traitement numérique, comme des micro-contrôleurs.
Dans tout ce qui précède, le stator peut être logé dans un carter, ce carter formant une enceinte contenant de l’huile, cette huile circulant dans cette enceinte de manière à refroidir l’enroulement électrique du stator, puis venant en contact avec le rotor. En variante, l’huile peut circuler dans l’arbre solidaire du rotor, et cette huile est projetée radialement dans la machine via une ou plusieurs ouvertures ménagées dans la paroi de cet arbre.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système de transmission pour véhicule à propulsion électrique ou hybride, comprenant :
- une machine électrique telle que définie précédemment, et
- une boîte de vitesses, comprenant un carter rempli d’huile à l’intérieur duquel est reçue une pluralité de pignons, définissant des rapports de boîte,
la machine électrique étant disposée à l’intérieur du carter de la boîte de vitesses et le rotor, et le cas échéant le stator, étant au contact de l’huile de la boîte de vitesses, baignant notamment dans cette huile.
L’arbre de la machine électrique tournante est par exemple solidaire en rotation d’un arbre d’entrée de la boîte de vitesses, ou de l’arbre de sortie de la boîte de vitesses ou de pignons fous. Le cas échéant, un réducteur est interposé entre l’arbre de la machine électrique tournante et l’arbre d’entrée de la boîte de vitesses, ou entre l’arbre de la machine électrique tournante et l’arbre de sortie de la boîte de vitesses.
La boîte de vitesses peut être dépourvue de synchroniseurs sur une partie des rapports.
Le système de propulsion comprend par exemple un double embrayage, à sec ou humide, chacun des arbres de sortie du double embrayage formant alors un arbre d’entrée pour la boîte de vitesses. Dans un tel cas, l’arbre de la machine électrique tournante est par exemple solidaire en rotation de l’un ou de l’autre de ces deux arbres d’entrée de la boîte de vitesses.
La machine électrique tournante peut être une machine synchrone.
La machine électrique tournante peut présenter une puissance électrique nominale en mode moteur de 4 kW, 8 kW, 15 kW, 25 kW ou plus.
Cette machine électrique tournante peut être alimentée électriquement depuis une unité de stockage d’énergie électrique via un onduleur/redresseur de l’ensemble, cet onduleur/redresseur permettant, selon que la machine électrique fonctionne en moteur ou en génératrice, de charger un réseau de bord du véhicule ou d’être électriquement alimenté depuis ce réseau.
La tension nominale de l’unité de stockage d’énergie électrique peut être de 12 V, 48 V ou avoir une autre valeur, par exemple une autre valeur supérieure à 300 V.
La machine électrique tournante n’est pas nécessairement une machine synchrone, pouvant être une machine asynchrone.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d’un exemple non limitatif de mise en œuvre de celle-ci et à l’examen du dessin annexé sur lequel :
On a représenté sur la un système de transmission 1 auquel peut s’appliquer l’invention. Le système de transmission 1 comprend ici un double embrayage 6 pouvant être à sec ou humide, à disques ou à lamelles.
Ce double embrayage présente deux arbres de sortie 2 et 3 qui sont ici concentriques. Chacun de ces arbres définit un arbre d’entrée de boîte de vitesses 4. La boite de vitesses 4 comprend, à l’intérieur d’un carter rempli d’huile, une pluralité de pignons définissant une pluralité de rapports de vitesse R1-Rn. L’arbre 2 est ici associé à des rapports de vitesse impairs et l’arbre 3 est associé à des rapports de vitesse pairs.
Le couple en sortie de la boîte de vitesses 4 est transmis aux roues du véhicule, afin d’assurer une propulsion de ce véhicule.
Le système de transmission 1 est hybride ou électrique, comprenant une machine électrique tournante 7 représentée plus en détail sur la . Cette machine tournante 7 est implantée à l’intérieur du carter de la boîte de vitesses 4. Dans l’exemple considéré, l’arbre de la machine tournante 7 est apte à coopérer par engrènement avec un pignon 8 solidaire de l’arbre 2 d’entrée de la boîte de vitesses associé aux rapports de vitesse impairs, mais d’autres positions sont possibles pour la machine électrique tournante 7, par exemple son engrènement avec un pignon solidaire de l’arbre 3 d’entrée de la boîte de vitesses associé aux rapports de vitesse pairs.
Cette machine électrique tournante 7 peut former un alterno-démarreur du véhicule. Cette machine électrique tournante 7 peut être alimentée via un composant électronique de puissance comprenant un onduleur/redresseur par une batterie dont la tension nominale est de 12 V ou 48 V ou d’une valeur supérieure à 300 V, par exemple.
La machine électrique tournante 7 comporte un carter non représenté sur la . A l'intérieur de ce carter, elle comporte, en outre, un arbre 13, un rotor 12 solidaire en rotation de l’arbre 13, et un stator 10 entourant le rotor 12. Le mouvement de rotation du rotor 12 se fait autour d’un axe X.
Bien que non représenté, le carter peut comporter un palier avant et un palier arrière qui sont assemblés ensemble, et peuvent chacun avoir une forme creuse et porter centralement un roulement à billes respectif pour le montage à rotation de l'arbre 13.
Dans cet exemple de réalisation, le stator 10 comporte un corps 21 en forme d'un paquet de tôles doté d'encoches, par exemple du type semi fermée ou ouverte, équipées d’isolant d’encoches pour le montage de l’enroulement électrique polyphasé du stator. Chaque phase comporte un enroulement traversant les encoches du corps 21 et formant, avec toutes les phases, un chignon avant 25a et un chignon arrière 25b de part et d'autre du corps du stator. Les enroulements sont par exemple obtenus à partir d’un fil continu recouvert d’émail ou à partir d’éléments conducteurs en forme de barre tels que des épingles reliées entre elles. L’enroulement électrique du stator est par exemple triphasé, mettant alors en œuvre un montage en étoile ou en triangle dont les sorties sont reliées au composant électronique de puissance 9.
Le rotor 12 de la est formé par un empilement de tôles, comme représenté sur la . Le nombre de paires de pôles défini par le rotor 12 peut être quelconque, par exemple être compris entre trois et huit, étant par exemple égal à six ou à huit.
On constate encore sur la que l’arbre 13 est creux, de l’huile circulant à travers celui-ci. Des ouvertures ménagées dans l’arbre 13 et visibles sur la permettent la projection radiale d’huile dans la machine, de sorte que le rotor et le stator baignent dans l’huile, dans l’exemple considéré.
La machine comprend encore des capteurs de mesure de la position du rotor 12, non représentés sur la . Ces capteurs sont par exemple trois capteurs à effet Hall interagissant avec une cible magnétique solidaire en rotation du rotor, mais d’autres capteurs sont possibles tels que des résolveurs.
L’unité de contrôle de la transmission, ou l’unité de contrôle moteur, ou une autre unité
encore, peut intégrer un dispositif de contrôle de la machine électrique. Ce dispositif de
contrôle peut comprendre un circuit de régulation 29 de la vitesse du rotor, permettant un
pilotage en vitesse de la machine. Ce circuit de régulation 29 est par exemple implémenté
à l’aide d’un ou plusieurs micro-contrôleurs, et il va maintenant être décrit à l’aide de la
synchronisation entre des pignons de deux rapports de vitesse pendant laquelle la machine
électrique 7 est pilotée en vitesse.
Le circuit de régulation 29 met en œuvre un correcteur proportionnel-intégral 30 qui est par exemple réalisé similairement à ce qui est représenté sur la de la demande EP 3 360 709. Ce correcteur proportionnel-intégral 30 peut ainsi comprendre un intégrateur monté en cascade avec un gain. Le correcteur 30 peut mettre en œuvre un premier comparateur apte à comparer la vitesse mesurée Y avec une valeur de consigne Yref, un écart issu du premier comparateur étant appliqué en entrée de l'intégrateur. Un deuxième comparateur peut comparer la vitesse mesurée Y avec la valeur en sortie de l'intégrateur. L'écart issu du deuxième comparateur est appliqué en entrée du module de gain. La valeur u en sortie du module de gain est appliquée en entrée d'un bloc 35 correspondant à la fonction de transfert du processus dont la valeur de sortie Y correspond à la vitesse de la machine électrique à réguler. Le bloc 35 a par exemple une fonction de transfert dont la transformée de Laplace est :
où J désigne l’inertie du rotor de la machine électrique et f désigne le coefficient de frottement de l’huile sur le rotor en rotation.
Le correcteur proportionnel-intégral 30 a, de façon connue, une fonction de transfert dont la transformée de Laplace est
où KPdésigne le gain proportionnel et KIdésigne le gain intégral
Selon l’invention, dans l’exemple considéré, l’un au moins du gain proportionnel KP et du gain intégral KI varie en fonction d’un ou plusieurs paramètres représentatifs de l’huile. Sur la , la température de l’huile et le débit d’huile dans la machine électrique tournante 7 sont utilisés pour modifier la valeur du gain KP et la valeur du gain KI, afin d’adapter la correction fournie par le correcteur proportionnel-intégral 30 de façon dynamique à l’état de l’huile. Le gain KP et le gain KI ont ainsi une expression différente en fonction de la température de l’huile et de son débit dans la machine, dans cet exemple.
Les figures 4 à 6 décrivent différents exemples de variation des paramètres KPet KIdu correcteur 30 en fonction de la température de l’huile.
Dans l’exemple de la , le correcteur 30 stocke une table affectant à chacun des paramètres KP et KI plusieurs valeurs constantes, chaque valeur constante étant propre à une plage de température à l’intérieur de laquelle se trouve la température de l’huile. Ainsi, dans l’exemple de la , chaque paramètre KP, KI présente une expression propre à une plage de température considérée, et cette expression est ici une valeur constante, à savoir :
- une première valeur constante KP_1pour KP, respectivement KI_1pour KI, correspondant à la plage de température [-40°C ; 0°C] de l’huile,
- une deuxième valeur constante KP_2pour KP, respectivement KI_2pour KI, correspondant à la plage de température [0°C ; 25°C] de l’huile,
- une troisième valeur constante KP_3pour KP, respectivement KI_3pour KI, correspondant à la plage de température [25°C ; 80°C] de l’huile,
- une quatrième valeur constante KP_4pour KP, respectivement KI_4pour KI, correspondant à la plage de température [80°C ; 125°C] de l’huile, et
- une cinquième valeur constante KP_5pour KP, respectivement KI_5pour KI, correspondant à une température de l’huile supérieure à 125°C.
L’invention n’est pas limitée à un découpage en cinq valeurs pour les paramètres KPet KIdu correcteur 30, un découpage plus fin ou plus grossier étant possible.
L’invention n’est pas limitée non plus au même découpage pour le paramètre KPque pour le paramètre KI, le découpage pour KPpouvant être différent du découplage pour KI.
Dans l’exemple de la , le passage d’une valeur constante à l’autre pour chaque paramètre KP, KI s’effectue de façon bidirectionnelle et de façon symétrique, c’est à-dire que chaque extrémité d’une plage de température constitue un seuil provoquant un changement de valeur constante aussi bien lorsqu’il est franchi par une augmentation de température que par une diminution de température.
La diffère de ce qui vient d’être décrit en référence à la par le fait qu’un effet d’hystérésis est utilisé pour le passage d’une valeur constante à l’autre pour les paramètres du correcteur 30. Ainsi par exemple, le paramètre KI passe d’une valeur KI_1 à KI_2 lorsque la température de l’huile dépasse une température T2 mais ce paramètre KI passe de la valeur KI_2 à la valeur KI_1 lorsque la température de l’huile descend sous une température T1, différente de la température T2 et inférieure à cette température T2.
L’invention n’est pas limitée au cas où chaque expression d’un paramètre du correcteur 30 est une valeur constante.
Dans l’exemple de la , chaque expression du paramètre KP et chaque expression du paramètre KI est une fonction mathématique de la température de l’huile. Cette expression peut être la même sur toute la plage de fonctionnement de la machine électrique, ou un découpage peut être fait en plages de température, et le paramètre KP, respectivement KI, est associé à différentes fonctions mathématiques de la température, d’une plage de température à l’autre.
Dans un exemple non décrit, le circuit de régulation 29 peut présenter un mode auxiliaire dans lequel chaque paramètre KP, respectivement KI, est indépendant de l’état de l’huile. Chaque paramètre KP, KI, conserve alors une valeur constante indépendamment de l’état de l’huile. Ce mode auxiliaire est par exemple activé lorsqu’une condition prédéfinie est détectée, par exemple une défaillance dans la machine électrique ou lorsque la vitesse du rotor est dans une plage de vitesses prédéterminée, par exemple aux basses vitesses.
La représente différentes réponses indicielles fournies par un circuit de régulation selon la demande EP 3 360 709 pour différente températures de l’huile. La courbe 100 correspond à la température nominale, soit 90°C, la courbe 101 correspond à une température de 120°C et la courbe 102 correspond à une température de -5°C. On constate que les variations de température de l’huile affectent la précision et la rapidité de la réponse.
Par comparaison, la représentent des réponses indicielles fournies par le circuit de régulation 29 selon la pour les mêmes températures d’huile. On constate que la rapidité et la précision de la réponse ont été significativement améliorées.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits.
Claims (10)
- Machine électrique tournante (7), comprenant :
- un stator (10),
- un rotor (12) mobile en rotation autour d’un axe (X) et au contact d’un liquide, baignant
notamment dans ce liquide, et
- un dispositif de contrôle de la machine électrique, comprenant un circuit de régulation (29)
de la vitesse du rotor, ce circuit de régulation (29) comprenant un correcteur proportionnel-
intégral (30),
l’un au moins des paramètres (KP, KI) de ce correcteur proportionnel intégral (30) variant en fonction d’au moins une grandeur caractéristique du liquide. - Machine selon la revendication 1, l’un au moins des paramètres (KP, KI) de ce correcteur
proportionnel-intégral (30) variant en fonction de l’un au moins parmi : le débit du liquide, la température du liquide et la viscosité du liquide. - Machine selon la revendication 1 ou 2, le paramètre (KP, KI) du correcteur
proportionnel-intégral (30) ayant une première expression et une deuxième expression, différente de la première expression, en fonction de la valeur de la grandeur caractéristique, la première expression correspondant à une valeur de la grandeur caractéristique inférieure à une valeur seuil (T1, T2), et la deuxième expression correspondant à une valeur de la grandeur caractéristique supérieure à cette valeur seuil (T1, T2). - Machine selon la revendication 1 ou 2, le paramètre (KP, KI) du correcteur
proportionnel-intégral (30) ayant une première expression et une deuxième expression, différente de la première expression, en fonction de la valeur de la grandeur caractéristique, le passage de la première expression à la deuxième expression s’effectuant lorsque la valeur de cette grandeur caractéristique devient supérieure à une première valeur seuil (T1) et le passage de la deuxième expression à la première expression s’effectuant lorsque la valeur de cette grandeur caractéristique devient inférieure à une deuxième valeur seuil (T2), différente de la première valeur seuil (T1), la première valeur seuil (T1) étant notamment inférieure à la deuxième valeur seuil (T2). - Machine selon la revendication 3 ou 4, chaque expression du paramètre (KP, KI) du
correcteur proportionnel-intégral étant une valeur constante. - Machine selon la revendication 3 ou 4, chaque expression du paramètre (KP, KI) du
correcteur proportionnel-intégral étant une fonction mathématique de la grandeur caractéristique du liquide. - Machine selon l’une quelconque des revendications 3 à 6, le circuit de régulation (29)
présentant un mode auxiliaire dans lequel le paramètre (KP, KI) du correcteur proportionnel-intégral est indépendant de la grandeur caractéristique du liquide. - Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, le correcteur ayant une
fonction de transfert dont la transformée de Laplace est:
et le gain proportionnel KPet le gain intégral Kivariant en fonction de la ou les grandeurs
caractéristiques du liquide. - Machine selon l’une quelconque des revendications précédentes, le liquide
étant de l’huile et la grandeur caractéristique de l’huile étant sa température et/ou son débit. - Système de transmission (1) pour véhicule à propulsion électrique ou hybride,
comprenant :
- une machine électrique tournante (7) selon l’une quelconque des revendications
précédentes, et
- une boîte de vitesses (4), comprenant un carter rempli d’huile à l’intérieur duquel est reçue
une pluralité de roues dentées, définissant des rapports de boîte,
la machine électrique (7) étant disposée à l’intérieur du carter de la boîte de vitesses et le rotor étant au contact de l’huile de la boîte de vitesses, baignant notamment dans cette huile.
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