WO2008104670A1 - Convertisseur de couple hydraulique pour vehicule automobile - Google Patents
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Abstract
Convertisseur de couple hydraulique pour véhicule automobile, comportant un impulseur (I), une turbine (T) et un réacteur (R) coaxiaux d'axe (A) et pourvus d'aubes d'impulseur (1), de turbine (2) et de réacteur (3) respectivement, chacune délimitée par un bord latéral intérieur (11;21;31), un bord latéral extérieur (12;22;32), un bord de fuite (13;23;33) et un bord d'attaque (14;24;34), le bord de fuite (13) de l'impulseur étant distant d'une distance axiale d1 du bord d'attaque de la turbine et le bord de fuite de la turbine étant distant d'une distance axiale d2 du bord d'attaque du réacteur, le rapport d2/d1, étant inférieur ou égal à 1,4.
Description
Convertisseur de couple hydraulique pour véhicule automobile
La présente invention se rapporte à un convertisseur de couple hydraulique notamment utilisé pour les transmissions automatiques.
On connaît de la technique antérieure un convertisseur de couple comme décrit dans US 5 168 702, et représenté sur la figure 1 , utilisé dans le domaine de l'automobile en tant qu'embrayage hydrocinétique, comportant :
- un impulseur I, d'axe A entraîné par un arbre d'entrée M couplé à un moteur non représenté, et pourvu d'un ensemble d'aubes d'impulseur 1 ,
- une turbine T, d'axe A entraînant un arbre de sortie S, et pourvue d'un ensemble d'aubes de turbine 2 en regard de l'ensemble d'aubes d'impulseur 1 , et
- un réacteur R, monté sur une roue libre autour de l'axe A, et pourvu d'un ensemble d'aubes de réacteur 3, intercalé entre les ensembles d'aubes de turbine et d'impulseur. Par « monté sur une roue libre », on entend que ledit réacteur n'est autorisé à tourner librement autour de l'axe A que dans un seul sens, l'autre sens étant appelé « sens de blocage ».
Les aubes d'impulseur 1 , de turbine 2 et de réacteur 3 sont chacune délimitées par un bord latéral intérieur 11 ;21 ;31 , un bord latéral extérieur 12 ;22 ;32, un bord de fuite 13 ;23 ;33 et un bord d'attaque 14 ;24 ;34, les bords latéraux intérieurs des aubes d'impulseur 1 1 , de turbine 21 et de réacteur 31 délimitant lors de leur rotation autour de l'axe A un noyau interne de révolution 40 autour de l'axe A.
L'ensemble est placé dans un carter étanche renfermant une certaine quantité d'un fluide hydraulique, généralement de l'huile, de faible indice de viscosité, mais de masse volumique élevée. Dans le cas d'un convertisseur, le carter étanche est totalement rempli dudit fluide hydraulique.
Un convertisseur de couple hydraulique permet un démarrage progressif du véhicule ainsi qu'une multiplication du couple moteur lorsque le rapport des vitesses de rotation i de la turbine et de l'impulseur est faible, c'est-à-dire inférieur à 0,5, de préférence inférieur à 0,2.
On définit le rapport des vitesses de rotation i par :
i = -
N i
avec N1 et Ni la vitesse de rotation de la turbine et de l'impulseur respectivement, en tour/min.
Lorsque le moteur tourne au ralenti, l'impulseur tourne à la vitesse du moteur, la turbine reçoit une légère poussée, et le réacteur ne tourne pas.
Lorsque le moteur accélère mais que le véhicule reste à l'arrêt ou commence à rouler, la rotation de l'impulseur communique à l'huile un mouvement hélicoïdal, représenté par la flèche F1 , autour du noyau interne de révolution 40. Ladite turbine reçoit ainsi un flux d'huile qui lui cède une grande partie de son énergie cinétique. La turbine peut ainsi transmettre à l'arbre de sortie un couple et l'entraîner en rotation.
Le réacteur reçoit le flux d'huile provenant de la turbine sous un angle favorable et tendant à pousser ses aubes dans le sens de blocage. Il renvoie ce flux au dos des aubes de l'impulseur, de manière synthétique. L'impulseur subit donc au dos de ses aubes une pression hydraulique provenant du réacteur, qu'il retransmet à la turbine, augmentant ainsi le couple de la turbine. On appelle cette étape la phase de conversion. Avantageusement, le convertisseur de couple hydraulique multiplie le couple moteur par un nombre supérieur ou égal à un pendant la phase de conversion. Le couple de la turbine est donc supérieur ou égal à celui de l'impulseur.
Lorsque la vitesse de rotation de la turbine augmente progressivement et se rapproche de celle de l'impulseur, le flux d'huile est renvoyé en direction du réacteur sous un angle différent. Le réacteur commence à recevoir le flux d'huile dans le prolongement de ses aubes puis, lorsque la turbine tourne sensiblement à la même vitesse que l'impulseur, dans le dos de ses aubes. Le réacteur subit au dos de ses aubes une pression hydraulique qui l'entraine en rotation dans le sens libre de sa roue libre. Il peut donc tourner autour de l'axe A. Il tourne alors sensiblement à la même vitesse que la turbine et l'impulseur.
De manière générale, on distingue deux phases de fonctionnement : une phase dite convertisseur, correspondant grossièrement à un rapport i dans la fourchette de 0 à 0,8, et une phase dite pontée, correspondant grossièrement à un rapport i dans la fourchette de 0,8 à 1 (cas où il y a un verrouillage par embrayage).
Lorsque la conversion est terminée, le convertisseur de couple hydraulique se comporte en simple coupleur.
L'utilisation d'un convertisseur de couple hydraulique permet d'obtenir :
o une progressivité et une souplesse supérieures à celles obtenues par un embrayage mécanique, o une diminution de la fréquence de passage des vitesses, o une longévité des éléments mécaniques du moteur et de la transmission plus importante. Pour un convertisseur de couple, on définit son rapport en couple, comme
étant : TR = -1- .
Cp
Avec C1 le couple de la turbine et CP le couple de l'impulseur. Le rapport de couple d'un convertisseur varie en fonction du rapport des vitesses i définit précédemment.
On définit la capacité en couple MP d'un convertisseur de couple hydraulique, comme étant le couple absorbé, en Nm, par l'impulseur lorsqu'il tourne à 1000 tour.min"1. La capacité en couple d'un convertisseur de couple hydraulique dépend du rapport des vitesses i définit précédemment.
Le choix de la capacité en couple du convertisseur dépend de la caractéristique de couple du moteur. Si la capacité en couple est trop importante par rapport au couple moteur, lors de la mise en mouvement du véhicule, la vitesse de rotation du moteur n'augmentera pas suffisamment et le véhicule sera poussif. Dans le cas inverse, si la capacité en couple du convertisseur est trop faible par rapport au couple moteur, le moteur va s'emballer, et le véhicule n'aura pas les performances d'accélérations attendues.
Jusqu'à ce jour, les convertisseurs de couple hydrauliques sont connus pour présenter soit un rapport de couple important, soit une capacité en couple importante : lorsque les convertisseurs comportent un noyau interne de révolution délimité par des coques, l'augmentation de la capacité en couple entraîne, à encombrement fixe, une réduction du rapport de couple. Dans le cas de convertisseurs ne comportant pas de noyau interne de révolution, comme dans JP 05-296344, l'augmentation du rapport de couple s'accompagne d'une réduction de la capacité en couple.
Il existe un besoin d'augmenter la capacité en couple des convertisseurs dans un encombrement fixe tout en préservant un rapport de couple minimum.
Un des buts de la présente invention est de répondre à ce besoin.
L'invention concerne un convertisseur de couple hydraulique pour véhicule automobile, comportant un impulseur I, une turbine T et un réacteur R coaxiaux d'axe A et pourvus d'aubes d'impulseur 1 , de turbine 2 et de réacteur 3 respectivement, chacune délimitée par un bord latéral intérieur 1 1 ;21 ;31 , un bord latéral extérieur 12 ;22 ;32, un bord de fuite 13 ;23 ;33 et un bord d'attaque 14 ;24 ;34, l'ensemble des aubes 2 de turbine définissant, lors de leur rotation, une enveloppe 52 de turbine, ladite enveloppe 52 comportant une surface latérale intérieure 62 de turbine, une surface de fuite 82 de turbine et une surface d'attaque
92 de turbine, définies par des bords latéraux intérieurs 21 , des bords de fuite 23 et des bords d'attaque 24, respectivement, desdites aubes 2 de turbine, lors de ladite rotation, l'ensemble des aubes 1 d'impulseur définissant, lors de leur rotation, une enveloppe 51 d'impulseur, ladite enveloppe 51 comportant une surface latérale intérieure 61 d'impulseur, une surface de fuite 81 d'impulseur et une surface d'attaque 91 d'impulseur, définies par des bords latéraux intérieurs 1 1 , des bords de fuite 13 et des bords d'attaque 14 respectivement, desdites aubes 1 d'impulseur, lors de ladite rotation, l'ensemble des aubes 3 de réacteur définissant, lors de leur rotation, une enveloppe 53 de réacteur, ladite enveloppe 53 comportant une surface latérale intérieure 63 de réacteur, une surface de fuite 83 de réacteur et une surface d'attaque
93 de réacteur, définies par des bords latéraux intérieurs 31 , des bords de fuite 33 et des bords d'attaque 34, respectivement, desdites aubes 3 de réacteur, lors de ladite rotation, les surfaces latérales de turbine, d'impulseur, de réacteur définissant ensemble une enveloppe d'un noyau interne, la surface de fuite 81 d'impulseur étant écartée d'une distance axiale extérieure d1 de la surface d'attaque 92 de turbine, la surface de fuite 82 de turbine étant écartée d'une distance axiale intérieure d2 de la surface d'attaque 93 de réacteur, la distance axiale extérieure, respectivement intérieure, correspondant à la distance axiale minimale entre les surfaces concernées au niveau des points en regard les plus proches l'un de l'autre, le convertisseur étant caractérisé en ce que le rapport des distances d2/d1 est inférieur ou égal à 1 ,4, et en ce que le réacteur comporte au moins une aube dont
le bord d'attaque décrit ladite surface d'attaque de réacteur lors de sa rotation, ladite aube étant qualifiée d'aube de réacteur « allongée ».
De manière surprenante les inventeurs ont constaté que le rapprochement du bord d'attaque des aubes du réacteur vers les bords de fuite des aubes de la turbine permet une nette augmentation de la capacité en couple du convertisseur tout en maintenant un rapport de couple satisfaisant.
L'espacement d1 entre la turbine et l'impulseur résulte de la taille du convertisseur et de la flexibilité de la turbine et de l'impulseur. Il est dimensionné de telle sorte qu'il n'y ait jamais contact entre les aubes de la turbine et de l'impulseur, quelque soit la phase de fonctionnement (le bord de fuite de l'impulseur et le bord d'attaque de la turbine se rapprochent l'un de l'autre en phase convertisseur, lors de la multiplication de couple, 0< i <0.8). Cette référence dimensionnelle est avantageusement liée principalement à la géométrie et à la rigidité du convertisseur, et peu à ses performances.
Les études paramétriques (calculs éléments finis) ont permis de mettre en évidence qu'un rapprochement du bord de d'attaque du réacteur vers le bord de fuite de la turbine permettait d'augmenter la capacité en couple du convertisseur. L'utilisation de ce rapport d2/d1 permet avantageusement selon l'invention de caractériser ce rapprochement tout en s'affranchissant des dimensions globales du convertisseur. Par ailleurs ce rapport permet de prendre en compte le rapprochement de la turbine vers le réacteur lorsque les pièces se déforment. En effet, lors de la multiplication de couple (en phase convertisseur), lorsqu'il y a un rapprochement du bord de fuite de l'impulseur vers le bord d'attaque de la turbine, il y a également un rapprochement du bord de fuite de la turbine vers le bord d'attaque du réacteur. Le rapport d2/d1 permet aussi, par sa limite basse, d'assurer un jeu minimum, d2, entre le bord de fuite turbine et le bord d'attaque du réacteur.
Le convertisseur selon l'invention comporte de préférence une pluralité d'aubes de réacteur « allongées », de préférence une sur deux. Lesdites aubes sont de préférence régulièrement réparties à la périphérie du réacteur. De préférence l'ensemble des aubes de réacteur, soit toues les aubes de réacteur, sont « allongées ».
L'invention concerne finalement une transmission automatique pour véhicules automobiles caractérisée en ce qu'elle comporte un convertisseur de couple hydraulique conforme à l'invention tel que décrit précédemment.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des figures annexées dans lesquelles : o la figure 1 représente une vue partielle, en perspective d'un convertisseur de couple hydraulique selon la technique antérieure, certaines aubes n'ayant pas été représentées pour la clarté de la figure, o la figure 2 représente très schématiquement une partie d'un convertisseur de couple hydraulique selon l'invention, o la figure 3 représente très schématiquement les enveloppes d'impulseur de turbine et de réacteur définis par les aubes d'un convertisseur de couple hydraulique selon l'invention, o la figure 4 représente les résultats d'une simulation comparant les capacités en couple Mp de convertisseurs de couple hydraulique selon l'invention et d'un convertisseur de couple hydraulique selon l'art antérieur, o la figure 5 représente les résultats d'une simulation comparant les rapports de couple TR d'un convertisseur de couple hydraulique selon l'invention avec ceux d'un convertisseur de couple hydraulique selon l'art antérieur, et o La figure 6 représente les résultats d'une simulation donnant la capacité en couple au calage (cas où i = 0) d'un convertisseur de couple hydraulique selon l'invention en fonction du rapport d2/d1.
On se reporte maintenant à la figure 2, sur laquelle on a représenté très schématiquement une aube d'impulseur 1 , une aube de turbine 2 et une aube de réacteur 3 d'un convertisseur de couple hydraulique selon l'invention.
Les aubes d'impulseur 1 sont chacune délimitées par un bord latéral intérieur 11 , un bord latéral extérieur 12, un bord de fuite 13 et un bord d'attaque 14.
Les aubes de turbine 2 sont chacune délimitées par un bord latéral intérieur 21 , un bord latéral extérieur 22, un bord de fuite 23 et un bord d'attaque 24.
Les aubes de réacteur 3 sont chacune délimitées par un bord latéral intérieur 31 , un bord latéral extérieur 32, un bord de fuite 33 et un bord d'attaque 34.
Les bords latéraux intérieurs des aubes d'impulseur, de turbine et de réacteur délimitent, lors de leur rotation autour de l'axe A, un noyau interne 40 de révolution autour de l'axe A.
On se reporte maintenant à la figure 3. Les aubes d'impulseur, de réacteur et de turbine définissent lors de leur rotation des enveloppes d'impulseur 51 , de turbine 52 et de réacteur 53 respectivement.
On entend par enveloppes d'impulseur, de turbine et de réacteur la surface délimitant le plus grand volume occupé par les aubes d'impulseur, de turbine et de réacteur, respectivement, lors de leur rotation autour de l'axe A.
De plus, on entend par aube de réacteur « allongée » une aube du réacteur dont le bord d'attaque, lors de sa rotation, parcourt sensiblement l'enveloppe de réacteur. Le réacteur peut comporter des aubes dont le bord d'attaque est plus éloigné des bords de fuite de la turbine que celui des aubes « allongées ». Les bords de ces dites aubes ne parcourent donc pas l'enveloppe de réacteur lors de leur rotation.
Ladite enveloppe de turbine 52 comporte une surface latérale intérieure 62 de turbine, une surface latérale extérieure 72 de turbine, une surface de fuite 82 de turbine, et une surface d'attaque 92 de turbine, définies par les bords latéraux intérieurs, les bords latéraux extérieurs, les bords de fuite et les bords d'attaque, respectivement, des aubes de turbine, lors de la rotation de l'ensemble desdites aubes.
Ladite enveloppe d'impulseur 51 comporte une surface latérale intérieure 61 d'impulseur, une surface latérale extérieure 71 d'impulseur, une surface de fuite 81 d'impulseur, et une surface d'attaque 91 d'impulseur, définies par les bords latéraux intérieurs, les bords latéraux extérieurs, les bords de fuite et les bords d'attaque, respectivement, des aubes d'impulseur, lors de la rotation de l'ensemble desdites aubes.
Ladite enveloppe de réacteur 53 comporte une surface latérale intérieure 63 de réacteur, une surface latérale extérieure 73 de réacteur, une surface de fuite 83 de réacteur, et une surface d'attaque 93 de réacteur, définies par les bords latéraux intérieurs, les bords latéraux extérieurs, les bords de fuite et les bords d'attaque, respectivement, des aubes de réacteur, lors de la rotation de l'ensemble desdites aubes.
On définit la distance axiale d1 comme étant la distance minimale suivant l'axe A du convertisseur de couple, entre la surface de fuite 81 de l'impulseur et la surface d'attaque 92 de la turbine au niveau des points desdites surfaces en regard les plus proche l'un de l'autre.
De même, on définit la distance axiale d2 comme étant la distance suivant l'axe A du convertisseur de couple, entre la surface de fuite 82 de la turbine et la surface d'attaque 93 du réacteur au niveau des points desdites surfaces en regard les plus proches l'un de l'autre.
Selon l'invention le rapport des distances d2/d1 est inférieur ou égal à 1 ,4, de préférence inférieur ou égal à 1 ,1 , et de préférence supérieur ou égal à 0,6, de préférence supérieur ou égal à 0,9. De préférence le rapport des distances d2/d1 est égal à environ 1.
De telles fourchettes de d2/d1 selon l'invention délimitent avantageusement, comme il est représenté sur la figure 6, une zone pour obtenir la capacité en couple maximale. En deçà de d2/d1 mini, le fluide est cisaillé et la capacité en couple diminue. Au delà de d2/d1 maxi, la capacité en couple baisse.
De manière surprenante, cette configuration permet d'augmenter la capacité en couple tout en conservant un rapport de couple satisfaisant.
La figure 6 représente ainsi les résultats d'une simulation donnant la capacité en couple Mp au calage (cas où i = 0) d'un convertisseur de couple hydraulique selon l'invention en fonction du rapport d2/d1. Nous voyons ainsi illustrées les fourchettes de d2/d1 selon l'invention.
On se rapporte à présent à la figure 4 sur laquelle on a représenté les capacités en couple Mp simulées de trois types de convertisseur de couple hydraulique pour des rapports de vitesses allant de 0 à 0,8. La courbe 101 correspond à un convertisseur de couple hydraulique selon l'art antérieur et ne possédant donc aucune aube de réacteur « allongée ». La courbe 102 correspond à un convertisseur de couple hydraulique dont toutes les aubes de réacteur sont « allongées » le rapport des distances d2/d1 pour lesdites aubes « allongées » étant de 0,61 , et la courbe 103 correspond à un convertisseur de couple hydraulique dont une aube de réacteur sur deux est « allongées » le rapport des distances d2/d1 pour lesdites aubes « allongées » étant de 0,61. Un tel rapport des distances d2/d1 pour les figures 4 et 5 est dans les fourchettes proposées de d2/d1. A un tel rapport
constant, nous pouvons voir l'influence de deux configurations possibles pour les aubes du réacteur.
On observe une amélioration des capacités en couple pouvant aller jusqu'à 40 % pour le convertisseur de couple hydraulique selon l'invention par rapport à celui de l'art antérieur.
On se rapporte à présent à la figure 5 sur laquelle on a représenté les rapports de couple TR simulés des mêmes trois convertisseurs de couple hydraulique que pour la figure 4.
On observe des rapports de couple très similaires entre les trois types de convertisseur de couple hydraulique.
Avantageusement, un convertisseur de couple selon l'invention présente ainsi une capacité en couple supérieure et un rapport de couple proche de ceux des convertisseurs de couple de l'art antérieur.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté fourni à titre d'exemple illustratif et non limitatif. En particulier la répartition des aubes de réacteurs « allongées » peut varier.
Claims
1. Convertisseur de couple hydraulique pour véhicule automobile, comportant un impulseur (I), une turbine (T) et un réacteur (R) coaxiaux d'axe A et pourvus d'aubes d'impulseur (1 ), de turbine (2) et de réacteur (3) respectivement, chacune délimitée par un bord latéral intérieur (1 1 ;21 ;31 ), un bord latéral extérieur (12 ;22 ;32), un bord de fuite (13 ;23 ;33) et un bord d'attaque (14 ;24 ;34), l'ensemble des aubes (2) de turbine définissant, lors de leur rotation, une enveloppe (52) de turbine, ladite enveloppe (52) comportant une surface latérale intérieure (62) de turbine, une surface de fuite (82) de turbine et une surface d'attaque (92) de turbine, définies par des bords latéraux intérieurs (21 ), des bords de fuite (23) et des bords d'attaque (24), respectivement, desdites aubes (2) de turbine, lors de ladite rotation, l'ensemble des aubes (1 ) d'impulseur définissant, lors de leur rotation, une enveloppe (51 ) d'impulseur, ladite enveloppe (51 ) comportant une surface latérale intérieure (61 ) d'impulseur, une surface de fuite (81 ) d'impulseur et une surface d'attaque (91 ) d'impulseur, définies par des bords latéraux intérieurs (1 1 ), des bords de fuite (13) et des bords d'attaque (14), respectivement, desdites aubes (1 ) d'impulseur, lors de ladite rotation, l'ensemble des aubes (3) de réacteur définissant, lors de leur rotation, une enveloppe (53) de réacteur, ladite enveloppe (53) comportant une surface latérale intérieure (63) de réacteur, une surface de fuite (83) de réacteur et une surface d'attaque (93) de réacteur, définies par des bords latéraux intérieurs (31 ), des bords de fuite (33) et des bords d'attaque (34), respectivement, desdites aubes (3) de réacteur, lors de ladite rotation, les surfaces latérales de turbine, d'impulseur, de réacteur définissant ensemble une enveloppe d'un noyau interne, la surface de fuite (81 ) d'impulseur étant écartée d'une distance axiale extérieure d1 de la surface d'attaque (92) de turbine, la surface de fuite (82) de turbine étant écartée d'une distance axiale intérieure d2 de la surface d'attaque (93) de réacteur, la distance axiale extérieure, respectivement intérieure, correspondant à la distance axiale minimale entre les surfaces concernées au niveau des points en regard les plus proches l'un de l'autre, le convertisseur étant caractérisé en ce que le rapport des distances d2/d1 est inférieur ou égal à 1 ,4, et en ce que le réacteur comporte au moins une aube dont le bord d'attaque décrit ladite surface d'attaque de réacteur lors de sa rotation, ladite aube étant qualifiée d'aube de réacteur « allongée ».
2. Convertisseur de couple hydraulique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le rapport des distances d2/d1 est inférieur ou égal à 1 ,1.
3. Convertisseur de couple hydraulique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le rapport des distances d2/d1 est supérieur ou égal à 0,6.
4. Convertisseur de couple hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport des distances d2/d1 est supérieur ou égal à 0,9.
5. Convertisseur de couple hydraulique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'aubes de réacteur « allongées ».
6. Convertisseur de coupe hydraulique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'aubes de réacteur « allongées », régulièrement réparties à la périphérie du réacteur.
7. Convertisseur de couple hydraulique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une aube de réacteur sur deux est une aube « allongée ».
8. Convertisseur de couple hydraulique selon la revendication 5, caractérisé en ce que toutes les aubes de réacteur sont « allongées ».
9. Transmission automatique pour véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un convertisseur de couple hydraulique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8.
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