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FR3019106A1 - Moyeu motorise pour un vehicule a traction electrique - Google Patents

Moyeu motorise pour un vehicule a traction electrique Download PDF

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shaft
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Daniel Walser
Gerard Baumgartner
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Michelin Recherche et Technique SA Switzerland
Compagnie Generale des Etablissements Michelin SCA
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Abstract

Moyeu motorisé pour un véhicule automobile à traction électrique, comprenant un moyeu (3) destiné à recevoir une roue, une machine électrique de traction (5) munie d'un arbre de rotor (6) et des moyens de transmission (10) reliant l'arbre de rotor (6) et le moyeu (3) et munis d'un pignon moteur (11), dans lequel l'arbre de rotor (6) et le pignon moteur (11) sont coaxiaux, dans lequel l'arbre de rotor (6) et le pignon moteur (11) sont reliés par un moyen flexible intermédiaire (29) de liaison en rotation.

Description

Moyeu motorisé pour un véhicule à traction électrique La présente invention concerne la liaison au sol des véhicules automobiles à traction électrique, en particulier leurs roues motorisées. Dans ce domaine, on connaît des propositions comme celles décrites dans les documents WO 2009/124892, WO 2011/073320 et WO 2011/114008. Dans la présente demande, on utilise l'expression « moyeu motorisé » pour désigner l'ensemble mécanique comprenant le moyeu, le porte-moyeu, le guidage du moyeu par rapport au porte-moyeu, la motorisation électrique et les moyens de freinage du moyeu. Le moyeu motorisé est donc destiné d'une part à recevoir une roue équipée par exemple d'un pneumatique et à porter d'autre part un véhicule, généralement par l'intermédiaire de moyens de suspension. Dans la présente demande, on utilise également l'expression « roue motorisée » pour désigner l'ensemble mécanique comprenant le moyeu motorisé défini ci-dessus et la roue correspondante. L'une des difficultés en vue de l'adoption de tels moyeux motorisés sur les véhicules de série est la compatibilité avec les solutions déjà adaptées et validées par les constructeurs pour certains éléments comme les systèmes de suspension et les roues. Une autre difficulté est d'obtenir un système compact, simple et le plus léger possible afin d'en rendre le coût acceptable pour cette industrie. En particulier, l'intégration des moteurs électriques l'intérieur même des roues est particulièrement désirable parce que l'adoption de la traction électrique passe souvent par la nécessité d'embarquer des batteries pour stocker l'énergie électrique ce qui, même avec les technologies les plus performantes connues à ce jour, oblige à consacrer un volume suffisant aux batteries à bord du véhicule, sauf à réduire énormément l'autonomie d'un véhicule électrique. Un raisonnement similaire peut être fait dans le cas des véhicules à pile à combustible. Par ailleurs, si l'on veut pouvoir développer un couple de traction suffisant, il s'avère nécessaire d'installer des moyens de réduction car on ne peut, avec un moteur électrique suffisamment compact, développer un couple adéquat pour assurer directement la traction d'un véhicule de tourisme. Dans ce cas, l'arbre de rotor du moteur électrique est relié en rotation à un pignon d'entrée ou moteur des moyens de réduction.
Selon une disposition particulière déjà proposée, l'arbre de rotor du moteur électrique et le pignon d'entrée ou moteur des moyens de réduction sont coaxiaux et reliés rigidement en rotation par un accouplement par conjugaison de formes et sont respectivement portés par des paliers installés dans le carter incluant les moyens de réduction et dans le carter du moteur électrique. Ces carters sont assemblés l'un à l'autre de façon à permettre par exemple un remplacement facile du moteur électrique en laissant en place le pignon d'entrée ou moteur des moyens de réduction. On se retrouve alors dans un montage hyperstatique.
Bien que les efforts d'engrènement du pignon d'entrée ou moteur des moyens de réduction puissent être repris par les paliers qui le portent, il subsiste néanmoins des difficultés dues d'une part aux éventuels défauts d'alignement de l'arbre de rotor du moteur électrique et du pignon d'entrée ou moteur des moyens de réduction et d'autre part aux efforts périodiques et aux émissions vibratoires du moteur électrique. De telles difficultés peuvent engendrer notamment une dégradation de la qualité de l'engrènement, des contraintes non maîtrisées sur les paliers, des usures prématurées des pièces mécaniques et des vibrations induites dans la structure porteuse, préjudiciables au rendement de la transmission et au silence de fonctionnement souhaité. Une autre difficulté réside dans la disposition d'un joint d'étanchéité entre le moteur électrique et l'espace dans lequel se trouvent les moyens de transmission pour empêcher des fuites d'huile vers le moteur électrique et l'introduction de poussières dans cet espace, tout en évitant qu'un joint d'étanchéité ne subisse trop les échauffements induits.
La présente invention a notamment pour but de réduire au moins en partie au moins certaines des difficultés ci-dessus. Selon un mode de réalisation, il est proposé un moyeu motorisé pour un véhicule automobile à traction électrique qui comprend un moyeu destiné à recevoir une roue, une machine électrique de traction munie d'un arbre de rotor et des moyens de transmission reliant l'arbre de rotor et le moyeu et munis d'un pignon moteur, dans lequel l'arbre de rotor et le pignon moteur sont coaxiaux. Selon un aspect de la présente invention, l'arbre de rotor et le pignon moteur sont reliés par un moyen flexible intermédiaire de transmission en rotation. Ainsi, un tel moyen flexible de transmission est en mesure de réduire les effets de défauts d'alignement entre l'arbre de rotor et le pignon moteur. L'arbre de rotor et le pignon moteur peuvent présenter des alésages axiaux en face l'un de l'autre et le moyen flexible intermédiaire de transmission en rotation peut comprendre un arbre de transmission en rotation qui est engagé d'une part dans l'alésage de l'arbre de rotor et d'autre part dans l'alésage du pignon moteur et qui présente des portions de liaison éloignées axialement l'une de l'autre et reliées en rotation respectivement à l'arbre de rotor et au pignon moteur ; la portion médiane de l'arbre de transmission, située entre ses portions précitées de liaison, s'étendant à distance de la paroi interne de l'alésage de l'arbre de rotor et/ou de la paroi de l'alésage du pignon moteur.
L'une des portions de liaison peut être fixée à l'arbre de rotor ou au pignon moteur et l'autre portion de liaison peut être reliée au pignon moteur ou à l'arbre de rotor par des cannelures axiales. L'espace entre la portion médiane de l'arbre de transmission et la paroi interne de l'alésage de l'arbre de rotor et/ou de la paroi interne de l'alésage du pignon moteur peut être rempli d'une matière viscoélastique adhérente. L'arbre de rotor peut être porté par deux roulements situés de part et d'autre du rotor qu'il porte.
Le pignon moteur peut être porté par deux roulements situés de part et d'autre de sa portion dentée. L'arbre de rotor peut être situé à l'intérieur d'un carter de la machine électrique et l'arbre moteur peut être situé à l'intérieur d'un carter principal contenant les moyens de transmission, un joint annulaire d'étanchéité pouvant être interposé radialement entre la paroi d'une ouverture du carter principale et une portion terminale du pignon moteur située du côté de l'arbre de rotor. Un moyeu motorisé selon la présente invention va maintenant être décrit à titre d'exemple non limitatif, illustré par le dessin sur lequel : - la figure 1 représente une vue de côté de ce moyeu motorisé ; - la figure 2 représente une vue en coupe selon II-II de la figure 1 ; et - la figure 3 représente une vue agrandie d'une partie de la coupe de la figure 2, montrant une liaison entre un arbre de rotor et un arbre moteur du moyeu motorisé. Sur les figures est représenté un moyeu motorisé 1 pour véhicule automobile apte à guider et contrôler la rotation d'une roue dont uniquement la partie centrale de la jante 2 est représentée partiellement sur la figure 2. Le moyeu motorisé 1 comprend un moyeu rotatif 3 monté selon un axe 4. C'est par rapport à cet axe 4 que l'on se réfère dans la présente description pour qualifier une orientation dite « axiale » ou une orientation dite « radiale ».
Le moyeu motorisé 1 comprend une machine électrique 5 qui comprend un arbre de rotor 6 monté selon un axe 7 qui est parallèle à l'axe 4 du moyeu 3 et écarté radialement de ce dernier. Comme représenté schématiquement, la machine électrique 5 comprend un rotor interne 8 porté par l'arbre de rotor 6 et un stator externe 9.
Le moyeu motorisé 1 comprend en outre des moyens de transmission 10 de mouvement rotatif, reliant le moyeu 3 et l'arbre de rotor 6. Ces moyens de transmission 10 comprennent un pignon d'entrée ou moteur 11 qui est monté coaxialement à l'arbre de rotor 6, selon l'axe 7, et qui est distant axialement de cet arbre de rotor 6, et comprennent des étages de réduction de vitesse 12, à engrenages, reliant le pignon moteur 11 et le moyeu 3 de façon à réduire la vitesse de rotation du moyeu 2 par rapport à la vitesse de rotation du pignon moteur 11 et ainsi augmenter le couple de sortie par rapport au couple d' entrée. Selon l'exemple représenté, le moyeu motorisé 1 comprend un carter principal 13 dans lequel sont installés le moyeu 3, le pignon moteur 11 et les étages de réduction de vitesse 12. Le moyeu 3 présente une extrémité qui s'étend à l'extérieur et d'un côté du carter 13 et qui présente un flasque extérieur 3a pour le montage de la jante 2 de ladite roue. De l'autre côté, le carter 13 présente une ouverture cylindrique traversante 14 coaxiale au pignon moteur 11, selon l'axe 7.
Le pignon moteur 11 présente une portion annulaire médiane 15 présentant une denture périphérique de transmission 15a et est porté par le carter 13 par l'intermédiaire de roulements de montage 16 et 17 qui sont situés axialement de part et d'autre et à distance de la portion médiane 15. En outre, le pignon moteur 11 présente une portion cylindrique d'extrémité 18, de section réduite, qui s'étend dans l'ouverture 14 du carter 13. Un joint annulaire d'étanchéité 19 est installé entre la paroi interne de l'ouverture cylindrique 14 et la portion cylindrique d'extrémité 18 du pignon moteur 11. La machine électrique 4, qui est située de l'autre côté du carter 13 par rapport au flasque 14 du moyeu 3, comprend un carter 20 qui est monté sur le carter 13. Par exemple, le carter 13 et le carter 20 présentent une interface radiale 21 d'appui de l'un sur l'autre et le carter 20 présente un épaulement annulaire cylindrique de centrage 22 en saillie par rapport à l'interface radiale 21 et engagé juste dans une ouverture traversante cylindrique 23 du carter 20, de façon à assurer le positionnement radial du carter 20 par rapport au carter 13, selon l'axe 7.
Ainsi, les carters 13 et 20 communiquent entre eux de façon qu'il existe un espace libre entre les extrémités adjacentes de l'arbre de rotor 6 et du pignon moteur 11 au travers des ouvertures 14 et 23. Un joint torique d'étanchéité 24 est interposé entre l'épaulement annulaire cylindrique 22 et l'ouverture traversante cylindrique 23. Par exemple, le carter 20 peut être fixé sur le carter 13 par des vis (non représentées). L'arbre de rotor 6 est porté par le carter 20 par l'intermédiaire de roulements de montage 25 et 26 qui sont situés axialement de part et d'autre du rotor interne 8. L'arbre de rotor 6 et le pignon moteur 11 présentent des alésages 27 et 28 coaxiaux à l'axe commun 7 et ouverts l'un en face de l'autre. Selon l'exemple représenté, les alésages axiaux 27 et 28 traversent complètement l'arbre de rotor 6 et le pignon moteur 11.
Les moyens de transmission 10 comprennent en outre un arbre de transmission 29 coaxial à l'axe commun 7 de l'arbre de rotor 6 et du pignon moteur 11. Cet arbre de transmission 26 s'étend d'une part dans l'alésage 27 de l'arbre de rotor 6 et d'autre part dans l'alésage 28 du pignon moteur 11 et traverse l'espace précité qui sépare l'arbre de rotor 6 et le pignon moteur 11. L'arbre de transmission 29 présente des portions axiales de liaison 30 et 31 qui sont éloignées axialement et qui sont respectivement reliées à l'arbre de rotor 6 et au pignon moteur 11. Par exemple, la portion 30 de l'arbre de transmission 26 est assemblée fixement dans l'alésage 27 de l'arbre de rotor 6 par un frettage 32, de préférence sur une portion axiale d'extrémité de l'alésage 27 la plus éloignée du pignon moteur 11, tandis que la portion 30 de l'arbre de transmission 29 et le pignon moteur 11 sont reliés par un système de cannelures axiales 33, par exemple sur une portion axiale recouvrant au moins partiellement la portion dentée 15 du pignon moteur 11. Un assemblage inverse peut aussi être envisagé. Entre ses portions axiales de liaison 30 et 31, l'arbre de transmission 26 présente une portion axiale médiane allongée 34.
L'alésage 27 de l'arbre de rotor 6 et l'arbre de transmission 26 sont adaptés de telle sorte que la portion axiale médiane allongée 34 de l'arbre de transmission 26 et la portion axiale de l'alésage 27 de l'arbre de rotor 6, située entre la portion frettée de liaison 32 et son extrémité située du côté du pignon moteur 11, sont radialement à distance l'une de l'autre et aménagent un espace annulaire 35 ouvert du côté du pignon moteur 11. Dans la mesure où la portion cannelée 33 est à distance de l'extrémité de l'alésage 28 située du côté de l'arbre de rotor 6, un espace annulaire correspondant 35a ouvert du côté de l'arbre de rotor 6 pourrait être aménagé entre la portion médiane allongée 34 de l'arbre de transmission 29 et la portion correspondante de l'alésage 28 du pignon moteur 11. La portion médiane 29 de l'arbre de transmission 26 est longue et de faible section, tout en permettant naturellement de transmettre le couple entre l'arbre de rotor 6 et le pignon moteur 11. Par exemple, le rapport entre la longueur et le diamètre de la portion médiane 29 de l'arbre de transmission 26 peut être compris entre huit et douze. L'arbre de transmission 26 peut être choisi en un matériau flexible à haute limite élastique, par exemple en un acier à ressort. Lors de l'assemblage du carter 20 sur le carter 13, l'arbre de transmission 26, solidaire de l'arbre de rotor 6 par le frettage 32, peut être engagé axialement dans l'alésage 28 de l'arbre moteur 11, par déplacement axial selon l'axe commun 7, en accouplant les cannelures 33. Le démontage se produit en sens inverse. Il résulte de ce qui précède que l'arbre de transmission 26 constitue un moyen flexible intermédiaire de liaison en rotation entre l'arbre de rotor 6 et le pignon moteur 11, libre radialement entre ses portions de liaison 30 et 31, le long de sa portion médiane allongée 34. Le montage qui vient d'être décrit présente les avantages suivants.
Si le montage proposé reste en soi théoriquement hyperstatique, l'impact de cet hyperstatisme est néanmoins minimisé grâce à l'existence de l'arbre intermédiaire 26, et plus particulièrement de sa portion médiane flexible 34, sans contact avec les pièces qui l'environnent radialement. En effet, d'éventuels défauts d'alignement entre les axes de l'arbre de rotor 6 et du pignon moteur 11, portés par les carters 13 et 20 fixés rigidement l'un sur l'autre, génèrent des contraintes qui sont réduites ou minimisées grâce à la souplesse en flexion de la portion médiane flexible 34 de l'arbre de transmission 26, minimisant ainsi les effets de tels défauts sur les roulements respectifs qui portent l'arbre de rotor 6 et le pignon moteur 11. En outre, les ondulations de couple entre l'arbre de rotor 6 et le pignon moteur 11 sont au moins en partie absorbées par des déformations élastiques en torsion de la portion médiane flexible 34 de l'arbre de transmission 26. De plus, les grandes déformations dues à la résonance sont au moins en partie absorbées par le matériau constituant l'arbre de transmission 26 et plus particulièrement sa partie médiane flexible 34.
Il s'ensuit que le moyeu motorisé 1 est au moins en partie protégé contre des contraintes parasites intrinsèques et peut fonctionner sans production de bruits parasites qui pourraient en résulter. Selon une variante de réalisation, pour encore améliorer les effets ci-dessus, l'espace 35 séparant l'arbre de rotor 6 et la partie médiane 34 de l'arbre de transmission 29 et l'espace 35a séparant le pignon moteur 11 et la partie médiane 34 de l'arbre de transmission 29 pourraient être remplis d'une matière viscoélastique adaptée telle qu'un polyuréthane à haut coefficient d'amortissement, adhérant fermement à la partie médiane 34 de l'arbre de transmission 29 et aux parois des parties correspondantes des alésages 27 et 28. Par ailleurs, le positionnement du joint d'étanchéité 19 séparant les espaces intérieurs du carter 13 et du carter 20, sur une partie terminale 18 de section réduite du pignon moteur 11 permet que ce joint d'étanchéité 19 soit au moins en partie protégé contre la chaleur produite par le rotor 8 du moteur électrique 5 car la chaleur captée par l'arbre de transmission 29 est naturellement transmise à la masse du pignon moteur 11 et à l'huile de lubrification contenue dans le carter 13. En outre, le moyeu motorisé 1 proposé est capable de supporter des vitesses de fonctionnement élevées. La présente invention ne se limite pas à l'exemple ci-dessus décrit. Des variantes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre de l'invention.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Moyeu motorisé pour un véhicule automobile à traction électrique, comprenant un moyeu (3) destiné à recevoir une roue, une machine électrique de traction (5) munie d'un arbre de rotor (6) et des moyens de transmission (10) reliant l'arbre de rotor (6) et le moyeu (3) et munis d'un pignon moteur (11), dans lequel l'arbre de rotor (6) et le pignon moteur (11) sont coaxiaux, caractérisé par le fait que l'arbre de rotor (6) et le pignon moteur (11) sont reliés par un moyen flexible intermédiaire (29) de transmission en rotation.
  2. 2. Moyeu motorisé selon la revendication 1, dans lequel l'arbre de rotor (6) et le pignon moteur (11) présentent des alésages axiaux (27, 28) en face l'un de l'autre ; dans lequel le moyen flexible intermédiaire de transmission en rotation comprend un arbre de transmission en rotation (29) qui est engagé d'une part dans l'alésage de l'arbre de rotor et d'autre part dans l'alésage du pignon moteur et qui présente des portions de liaison (30, 31) éloignées axialement l'une de l'autre et reliées en rotation respectivement à l'arbre de rotor (6) et au pignon moteur (11) ; et dans lequel la portion médiane (34) de l'arbre de transmission, située entre ses portions précitées de liaison (30, 31), s'étend à distance de la paroi interne de l'alésage (27) de l'arbre de rotor (6) et/ou de la paroi de l'alésage (28) du pignon moteur (11).
  3. 3. Moyeu motorisé selon la revendication 2, dans lequel l'une (30) des portions de liaison est fixée à l'arbre de rotor (6) ou au pignon moteur et l'autre portion de liaison (31) est reliée au pignon moteur (11) ou à l'arbre de rotor par des cannelures axiales (33).
  4. 4. Moyeu motorisé selon l'une des revendications 2 et 3, dans lequel l'espace entre la portion médiane (34) de l'arbre de transmission (29) et la paroi interne de l'alésage (27) de l'arbre de rotor (6) et/ou de la paroi interne de l'alésage (28) du pignon moteur (11) est rempli d'une matière viscoélastique adhérente.
  5. 5. Moyeu motorisé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'arbre de rotor (6) est porté par deux roulements (25, 26) situés de part et d'autre du rotor (8) qu'il porte.
  6. 6. Moyeu motorisé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le pignon moteur (11) est porté par deux roulements situés de part et d'autre de sa portion dentée (15).
  7. 7. Moyeu motorisé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'arbre de rotor (6) est situé à l'intérieur d'un carter (20) de la machine électrique et l'arbre moteur (11) est situé à l'intérieur d'un carter principal (13) contenant les moyens de transmission (10) et dans lequel un joint annulaire d'étanchéité (19) est interposé radialement entre la paroi d'une ouverture (14) du carter principale (13) et une portion terminale (18) du pignon moteur (11) située du côté de l'arbre de rotor (6).
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