Robotisation d`une boîte de vitesses mécanique

Robotisation d’une boîte de vitesses mécanique
Dr. techn. Robert Fischer
Dr.-Ing. Reinhard Berger
Introduction
La densification du trafic, la multiplication des contraintes réglementaires,
l’augmentation du prix des carburants sont autant d’évolutions
unanimement déplorées par les usagers, et qui laissent supposer que l’on
s’acheminera nécessairement vers une automatisation de plus en plus
importante de la chaîne cinématique. Pour s’imposer sur ce nouveau
marché, les systèmes d´automatisation proposés devront être
économiques et apporter du confort. La robotisation de la boîte de vitesses
mécanique a pour sa part toutes les chances d’être une solution apportant
du confort, mais aussi économique en termes de coûts de fabrication et de
consommation.
Reste à savoir dans quels secteurs ce système saura, s’imposer sur le
marché.
Dans le cas du système EKM (pilotage électronique de l’embrayage), le
conducteur décide à quel moment et comment il change de vitesse, si bien
qu’on reste assez proche de la boîte de vitesses classique à commande
manuelle. Les différentes techniques d’embrayage développées par LuK
sont parfaitement maîtrisées et applicables à tous les types de véhicules,
quelle que soit la puissance du moteur. Si bien que le système EKM peut
être également proposé à des automobilistes qui préfèrent passer les
vitesses eux-mêmes, et ce quelle que soit la puissance du véhicule.
Dans le cas de la boîte de vitesses robotisée (ASG), le changement de
vitesses s’effectue automatiquement et, contrairement à la boîte automatique étagée, implique par son principe une rupture du couple, laquelle est
d’autant plus sensible que l’effort est important. C’est pourquoi nous
supposons que l’ASG s’imposera surtout sur les petits véhicules. Par
ailleurs, l’utilisation de plus en plus répandue de pédales d’accélérateur
électroniques ne peut que favoriser la commercialisation d’un tel système.
Cet exposé s’organise en trois grandes parties: nous présenterons d‘abord
le système de pilotage électronique d’embrayage en l’état actuel de série;
puis, en deuxième partie, nous traiterons des nouveaux développements
de ce système; et enfin, dans une troisième partie, il sera question de la
robotisation d’une boîte de vitesses mécanique.
97
Le pilotage électronique de l’embrayage:
Etat actuel de la série
Principe de fonctionnement
La figure 1 illustre le principe de fonctionnement du système électromotorisé EKM. Cette figure a déjà été présentée lors du dernier colloque [1]
et indiquait à l’époque les pistes envisagées pour le développement du
système. Ce dernier repose sur l’utilisation de l’embrayage à compensation
automatique d’usure SAC [2], qui réduit l’effort de commande et permet,
combiné à un système de contrôle des couples, l’utilisation d’un servomoteur de dimension réduite. Comme ce petit moteur électrique génère
très peu de chaleur, il est possible d’intégrer le servo-moteur et le boîtier de
commande dans un «actionneur intelligent», lequel remplace la pédale de
débrayage et permet ainsi un gain de confort important. Il n’est pas
nécessaire de modifier le système de débrayage ni la boîte de vitesses, la
seule contrainte étant l’adjonction de capteurs destinés à reconnaître les
rapports et l’intention de changement de rapports. Tous les autres signaux
sont déjà pris en charge par les autres organes.
embrayage à compensation
d'usure (SAC)
reconnaissance du
rapport engagé
capteur de vitesse
(existant)
capteurs
existant
"actionneur intelligent"
Figure 1:
Système électromotorisé «EKM»
Pour développer le système EKM, LuK a collaboré avec la société BOSCH
en assurant la maitrise d´oeuvre du projet.
98
Simplification du système
La simplification du système EKM était l’un de nos objectifs majeurs lors de
son développement. Il devait s’agir exclusivement d’un système «add-on»,
évitant toute modification de la boîte de vitesses, du changement de
vitesses et du système de débrayage. A cela s’ajoute la réduction à un
minimum du nombre de capteurs et la simplification du câblage (cf fig 2).
On a pu ainsi faire l’économie du capteur de course d’embrayage, de
même que du capteur de régime à l’entrée de la boîte de vitesses. Quant à
l’intention de changement de rapports, l’objectif était de la détecter au
moyen d’un capteur de course clipsé sur le levier de vitesses, évitant ainsi
d’avoir à modifier le levier de vitesses et d’altérer les sensations du
conducteur. Tout ceci a pu être réalisé par le biais de systèmes
électroniques intelligents [3].
cablage
modification de la
boîte de vitesse
modification du
levier de vitesse
capteur de régime
entrée de boîte
capteur
d'effort
capteur de
position
capteur de position
d'embrayage
modification du mécanisme
de débrayage
Figure 2:
cablage
Add-On EKM: Simplification de ma mise en oevre
Ajoutons à cela le regroupement du servo-moteur et du module de
régulation, évoqué plus haut.
99
Le pilotage au juste couple
Le pilotage au juste couple (figure 3) est indispensable si on veut améliorer
le confort au réattelage et réduire autant que possible les temps de
débrayage-réembrayage en dépit d’un moteur électrique de petite taille.
couple
couple limite de glissement
couple limite du moteur
couple d'embrayage
couple moteur
temps
Figure 3:
Le pilotage au juste couple
Un embrayage doit être en mesure de transmettre avec fiabilité le couple
moteur, et ce même dans les conditions les plus défavorables, ce qui
implique qu’il dispose d’une réserve supplémentaire suffisante. En pratique,
un embrayage complètement fermé peut transmettre de 1,2 à 2,5 fois le
couple moteur maximum. Le principe de base du pilotage au juste couple
consiste à adapter à chaque fois le couple d’embrayage au couple moteur
et ne laisser qu’une marge réduite de sécurité.
La figure 4 montre les avantages du système lors du changement de
vitesses. Dans le cas d’un système conventionnel dépourvu d’un système
de pilotage au juste couple, le couple de l’embrayage est bien supérieur au
couple moteur. Au moment où le conducteur veut changer de vitesses et
relâche l’accélérateur, le couple moteur diminue. L’actionnement du levier
de vitesses alerte le capteur d’intention de changement de rapports et
l’embrayage doit dès lors passer de la position «tout fermé» à la position
«tout ouvert», ce qui détermine le temps de débrayage. Celui-ci ne doit pas
être trop long, car l’embrayage risque de continuer à transmettre du couple
pendant la synchronisation de la nouvelle vitesse, et par là même de
100
générer des bruits de grenaille, voire des dommages au niveau de la boîte
de vitesses. La figure 4 illustre le déroulement du même processus avec un
système de pilotage au juste couple. Le couple de l’embrayage n’est que
très légèrement supérieur au couple moteur, ce qui fait que la course
jusqu’à l’ouverture complète est nettement plus réduite que dans le cas
d’un embrayage traditionnel. Si maintenant le conducteur relâche
l’accélérateur pour changer de vitesses, le couple moteur chute,
immédiatement suivi du couple de l’embrayage. Si bien qu’au moment où
la reconnaissance d’intention de changement de rapports est alertée,
l’embrayage est déjà presque ouvert, et le débrayage s’effectue très
rapidement. Ceci permet même au conducteur d’opérer des changements
de vitesses brutaux sans faire craquer ou endommager la boîte de
vitesses.
a)
b)
position vitesse
position vitesse
%
position
papillon
50
0
couple en Nm
100
couple d'embrayage
500
0
Δt delay de débrayage
moteur
-500
9
Figure 4:
10 temps en s 11
Passage de vitesse
position
papillon
50
09
10 temps en s 11
Signal d'intention de
passage de vitesse
9
couple en Nm
%
100
10 temps en s 11
Signal d'intention de
passage de vitesse
couple d'embrayage
500
0
moteur
-500
9
Δt delay de débrayage
10 temps en s 11
a) sans pilotage au juste couple et
b) avec pilotage au juste couple
Il existe une alternative au système EKM à moteur électrique, à savoir le
système EKM hydraulique. Ce dernier a d’ores et déjà été construit en
série par LuK. Il est de conception et de réalisation plus complexe que le
système électronique, mais en théorie plus rapide. Cependant, grâce au
pilotage au juste couple, les systèmes à moteur électrique permettent de
réduire considérablement le temps de débrayage-embrayage, si bien qu’ils
n’ont rien à envier aux systèmes hydrauliques.
101
Le système de pilotage au juste couple présente un second avantage lors
d’un réattelage (figure 5). Un coup d’accélérateur produit des pics dans la
caractéristique du couple et donc des vibrations ou secousses qui peuvent
être plus ou moins violentes selon les véhicules. Le système de pilotage au
juste couple permet de neutraliser celles-ci par le biais d’une très brève
phase de glissement, sans conséquence sur la consommation du véhicule
ni l’usure de l’embrayage.
régime
[rpm]
a)
b)
4000
3000
4000
4000
3000
2000
2000
1000
00
moteur
2000
1000
0
boîte de vitesse
00
2
2
moteur
boîte de vitesse
0
4
4
0
couple
[Nm]
300
300
couple d'embrayage
200
100
00
-100
-100
200
100
100
00
-100
-100
moteur
0
0
22
accelération
[m/s²]
0
0
102
4
44
moteur
0
0
2
2
44
temps [s]
0,6
0,6
0,4
0,2
0,2
00
-0,2
-0,2
2
2
temps [s]
Figure 5:
4
couple d'embrayage
temps [s]
0,6
0,6
0,4
0,2
0,2
00
-0,2
-0,2
2
temps [s]
temps [s]
300
300
2
Choc au réattelage
4
4
0
0
2
2
4
4
temps [s]
a) sans pilotage au juste couple et
b) avec pilotage au juste couple
Le système EKM avec pilotage au juste couple permet également de limiter
la sollicitation de la chaîne cinématique :
•
En cas d’un démarrage brutal, on évite les à-coups dus à une fermeture
trop brusque de l’embrayage (valable pour toutes versions du système
EKM).
•
La réserve maximale de transmission de couple disponible au niveau
de l’embrayage n’est généralement pas utilisée et l’embrayage fait
fonction de limiteur de couple.
•
Cet effet s’observe également dans le cas d’à-coups transmis par
l’arbre de sortie (en aval du système).
•
L’usure de l’embrayage tend à être moindre que dans le cas d’un
mécanisme commandé par une pédale, du fait que l’électronique,
contrairement au conducteur, apporte la réponse optimale à toute
situation (valable pour toutes versions du système EKM).
Dans l’hypothèse d’une utilisation exclusive du système EKM, on pourrait
réduire le dimensionnement de l’ensemble de la chaîne cinématique.
Le pilotage au juste couple implique la sollicitation permanente du système
de débrayage, donc des joints d’étanchéité, des conduites et de la butée.
Plus de 4 millions de kms d’essais ont démontré que cela n’était pas
gênant outre mesure, et ce pour les raisons suivantes:
•
Le système SAC impliquant un effort de débrayage minime, la charge
maximale s’en trouve réduite d’autant.
•
La course supplémentaire engendrée par la modulation du couple de
l’embrayage est compensé par une course de commande réduite à
l’ouverture de l’embrayage, si bien que la somme des courses de
commande ne dépasse pas celle d’un système classique.
103
Réalisation en série
La figure 6 présente les composants actuellement montés en série, à
savoir l’actionneur d’embrayage intelligent, lequel remplace la pédale
d’embrayage, l’embrayage à compensation automatique d’usure avec
réduction de l’effort de débrayage (SAC) et les capteurs additionnels
destinés à la reconnaissance des rapports et de l’intention de changement
de rapports.
c a p t e u r d 'in t e n s io n d e
p a s s a g e d e v ite s s e
a c tio n n e u r " in te llig e n t"
e m b r a y a g e à c o m p e n s a tio n
d 'u s u r e ( S A C )
Figure 6:
c a p te u r s d e r é c o n n a is s a n c e
d u ra p p o rt e n g a g é
Add-on EKM: Composants
L’actionneur d’embrayage comprend le vérin émetteur habituellement
intégré au bloc-pédale. Il pourrait tout aussi bien piloter un système de
débrayage semi-hydraulique que le système à butée annulaire hydraulique
ou mécanique. Son adaptation à un système de commande d’embrayage
exclusivement mécanique serait possible au prix de quelques minimes
modifications.
104
La simplicité des composants représentés ici permet de conclure à une
grande fiabilité du système. Cette simplicité s’explique également par le fait
qu’on a pu, grâce à une recherche poussée dans le domaine des
composants électroniques, faire l’économie, par exemple, d’un capteur de
régime à l’entrée de la boîte de vitesses et d’un capteur de course
d’embrayage. Les quelques extraits de presses qui suivent montrent assez
que cela ne s’est pas fait au détriment du confort de conduite:
...le plaisir de passer les vitesses,surtout
boîte
d'une s vitesses
quand on choisi l'embrayage automatique.
is
a
s
s
se
t
se le
Il fonctionne tellement bien qu'il vous fait
lors de ue (on pas arfaitemen
é
ip
u
oublier toutes les merveilles automatiques
...éq
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o
t
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et électroniques du monde...
semi - brayer), un d'ensemble tte 7/1997
é
t
o
FAZ 10/1997
Autofl
sans d au concep
é
intégr
...L'embrayage automatique
développé par LuK représente
un nouveau progrès dans le
domaine du confort...
mot 17/1997
...le nouvel embrayage automatique...
Passer les vitesses devient un vrai
plaisir, et devrait convaincre les
automobilistes les plus réticents du
bonheur de trouver à chaque fois le
bon rapport, pour un meilleur confort
et une conduite plus économique...
Handelsblatt 26.06.97
Figure 7:
tique avec
mi - automa débrayer
se
e
ît
o
b
u
o
...
ns
manuelle, sa David Coulthard
commande
it
a
ir
n qui sédu Welt 28.06.97
(une versio
ie
D
.
lui - même)..
Critiques de presse concernant l´EKM LuK
105
Le pilotage électronique d’embrayage:
Nouveaux développements
Objectifs
Le système tel qu’il existe actuellement en série représente déjà une
solution peu coûteuse et très performante. Il aura d’autant plus de chances
de pénétrer le marché qu’il saura présenter les avantages d’un système
compact, économique, intégrant un grand nombre de fonctions
supplémentaires.
LuK s’est fixé les objectifs suivants :
•
réduction de l’encombrement et du poids.
•
amélioration des possibilités d’application du système dans le véhicule.
•
pilotage de couples plus élevés.
•
extension des fonctionnalités du système.
•
réduction des coûts
L’actionneur d’embrayage
Le système tel qu’il existe actuellement en série comprend des composants
ayant déjà fait leur preuves dans d’autres applications du domaine de
l’automobile, ce qui justifiait pleinement leur utilisation. Il s’agit entre autres
d’un mécanisme à vis sans fin et d’un entraînement par biellettes. Ceci
offre l’avantage d’une plus grande souplesse et permet de compenser les
tolérances sans réglage préalable à neuf.
Les nouveaux développements du système ont en outre permis de réduire
les modules électroniques de commande et de puissance. Il devrait donc
être possible de réduire le poids et l’encombrement du système et,
finalement, d’améliorer son rendement.
Le choix confirmé d’une conception modulaire permet en outre de faciliter
l’installation de l’actionneur d’embrayage, qu’il est notamment possible de
monter directement sur la boîte de vitesses.
106
S e r ie
n o u v e a u d é v e lo p p e m e n t
E n c
M is
P e r
c o û
o m b r e m e n t/P o id s
e e n o e u v re
fo rm a n c e
t
Figure 8:
- 3 0 %
Ý
+ 5 0 %
- 1 0 %
Nouveau développement de l´actionneur d´embrayage
L’embrayage
Grâce à l’embrayage à compensation automatique d’usure SAC, utilisé
conjointement au système EKM, l’effort nécessaire au débrayage est bien
moindre que sur un embrayage classique, ce qui réduit d’autant l’effort
imposé à l’actionneur. L’optimisation de l’ensemble embrayage-actionneurmodules est un de nos objectifs de recherche, et devrait permettre d'obtenir
des composants plus simples et plus économiques. Le maintien en position
fermée de l’embrayage par l’application d’une force extérieure représente
un début de solution. C’est ce que LuK appelle «Active Clutch» (AC) (cf fig
9).
L’ Active Clutch tel qu’il est présenté ici est de conception plus simple que
le SAC ou qu’un embrayage classique. Il suffit d’un levier pour l’actionner,
107
ce qui induit un rapport direct entre la course de commande, l’effort de
commande et le couple de l’embrayage, et facilite ainsi le réglage et la
modulation (dosabilité).
levier
(diaphragme sans précontrainte)
débrayage mécanique
ressort de compensation
réducteur autobloquant
moteur electrique
⇑
Encombrement/Poids
Mise en oeuvre
⇑
Coût (embrayage)
-20%
Figure 9:
Active Clutch (AC): schéma de principe
Comment et pourquoi est-il possible de simplifier l’embrayage à ce point ?
Le contrôle des couples entraîne une relation particulière entre la
distribution des couples de l’embrayage et de la course de commande
d’une part, et la fréquence d’utilisation d’autre part. On sait que les temps
de repos et donc de délestage du système sont proportionnellement
importants, et ce non seulement en fonction de la réglementation en
vigueur mais aussi dans la pratique quotidienne des automobilistes. Il
s’ensuit que la courbe des distributions des couples atteint son maximum
au moment où le couple d’embrayage est relativement faible (tirage faible
charge et rétro - cf fig 10a).
Si l’on observe maintenant la caractéristique de l’effort de commande du
système SAC, on constate que cet effort est le plus important au moment
où la courbe des distributions des couples atteint son maximum (fig 10b).
L’idée était donc de revoir la construction de l’embrayage afin de ramener à
zéro la caractéristique de l’effort de commande, ce qui est possible grâce à
l’ Active Clutch (cf fig 10c).
108
distribution des
couples transmis
a)
charge partielle
et rétro
couple
limite
moteur
ajustement
course
b)
effort
SAC
compensation
course
c)
compensation
effort
AC
course
Figure 10: Active Clutch (AC), charge en pilotage au juste couple
109
L'énergie globale du travail de l’actionneur qui limite la capacité de
l’actionneur d’embrayage est la même quel que soit le système utilisé, AC
ou SAC, mais reste en tous les cas nettement inférieure à celle d’un
embrayage classique, ainsi que le montre la figure 11. Grâce à un système
approprié de compensation d’usure on peut, dans le cas de l’ Active Clutch,
réduire encore sensiblement l’effort nécessaire et donc le travail de
l’actionneur (zone hachurée fig 11), ce qui permet soit d’obtenir des
couples plus élevés, soit de réduire la taille du moteur électrique.
effort
a)
course
b)
conventionnel
∅
effort butée
effort
actionneur
Figure 11: Active Clutch (AC) – comparatif
110
SAC
AC
travail
actionneur
Reconnaissance d’intention de passage et du rapport engagé
On utilise aujourd’hui un capteur d’intention de passage de vitesse et deux
capteurs pour la reconnaissance des rapports:
j
2
j
j
1
2
1
3
c a p te u r 3
5
3
4
c a p te u r 1
R
c a p te u r 2
Figure 12: Reconnaissance d´intention de passage et du rapport engagé
avec 3 capteurs
Le capteur 3, destiné à reconnaître les rapports dans le sens du passage
de vitesse, et le capteur d’intention de passage de vitesse enregistrent en
fait tous deux le même déplacement, dans la même direction. La nécessité
d’avoir recours à deux capteurs dépend largement de l’ensemble des
mécanismes d’articulation situées en amont de la boîte de vitesses, au
niveau desquels, en raison des jeux et des phénomènes d’élasticité qu’on
observe, il est difficile d’établir clairement le rôle effectivement joué par la
reconnaissance de l'intention de passage de vitesse et du rapport engagé.
Pour rendre possible l’économie d’un troisième capteur, y compris dans le
cas de mécanismes présentant beaucoup de jeu et d’élasticité, on
111
positionne le capteur sélecteur de rapports en position oblique, si bien qu’il
remplit ainsi les deux fonctions, à savoir reconnaissance des rapports à
l’entrée de la boîte et sélection du nouveau rapport. Dans ce cas de figure,
le signal du capteur d’intention de passage de vitesse transmis à la boîte
de vitesses suffit, même s’il est moins efficace, pour permettre d’identifier
sans risque d’erreur le rapport engagé.
j
2
j
3
j
2
c a p te u r 2 (e n b ia is ) c a p te u r 1
3
5
4
E n c o m b r e m e n t/P o id s
M is e e n o e u v r e
C o û t (e m b ra y a g e )
R
Ý
1
1
Ý
-3 0 %
Figure 13: Reconnaissance de l´intention de passage et du rapport
engagé avec 2 capteurs
Dans le cas de figure le plus favorable, deux capteurs suffiront à l’avenir
pour assurer les fonctions de reconnaissance des rapports et de l’intention
de passage de vitesse.
112
Le glissement
Auparavant, les recherches menées pour le développement du système
EKM visaient essentiellement à réduire les vibrations par glissement [4].
Cet objectif a été abandonné, car l’usure, dans le cas de systèmes
fonctionnant uniquement par glissement, était globalement très importante.
L’usure spécifique due à un glissement permanent de l’embrayage s’est
avérée bien plus importante que lors du démarrage et du changement de
vitesses.
Le système SAC présente, en raison d’une réserve d’usure plus importante, une perspective intéressante. On s’efforcera néanmoins de réduire
sensiblement l’usure liée aux systèmes de régulation par glissement.
Ces systèmes présentent en outre l’inconvénient d’une consommation plus
élevée. Cependant, il ne faut pas oublier que le confort de la chaîne
cinématique incite les conducteurs à utiliser les rapports les plus élevés, et
donc à moins consommer, ce qui s’est également confirmé pour le double
volant amortisseur «DVA».
LuK s’est donc proposé de travailler à l’optimisation de l’ensemble du
système.
La figure 14 met en relation le comportement des différents paramètres
hors glissement. On observe qu’à l’aide d’amortisseurs de torsion de
conception classique (14/2), il est possible, lorsque le véhicule est en
marche, de maintenir l’amplitude des oscillations angulaires à l’entrée de la
boîte de vitesses en dessous du niveau de celles générées par le moteur.
Si l’on à recours au glissement, on admet d’abord qu’on peut faire
l’économie de l’amortisseur de torsion. Mais si l’on utilise un disque
d’embrayage rigide, l’amplitude des oscillations angulaires est alors bien
plus importante qu’en présence d’un amortisseur de torsion. Dans
l’exemple présenté ici, cette amplitude est à 1600 t /min environ 4 fois plus
importante.
Pour améliorer le fonctionnement du système par le biais du glissement, on
peut considérer approximativement que le glissement à opérer devra être
de même importance que l’amplitude des oscillations angulaires
normalement observées. Ce qui supposerait qu’en présence d’un disque
d’embrayage rigide on ait à produire un glissement extrêmement important,
et ce pour toutes les phases de la conduite.
L’optimisation du système d’embrayage à glissement est possible par le
biais d’un amortisseur de torsion simplifié, sans élément de frottement et
raideur faible. La figure (14/4) montre que le découplage sans glissement
est meilleur qu’avec l’amortisseur de torsion amélioré, et ce dès un régime
de 1300 t/min.
113
200
1: excitation moteur
2: Amortisseur
de torsion idéal
Δ regime [1/min]
150
3: friction rigide
4: Amortisseur de torsion simplifié
(faible raideur, faible hyset)
100
50
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
regime [1/min]
Figure 14: Excitation de la chaîne cinématique avec système non-glissant
Comment l’optimisation du système est-elle possible? Si, en présence d’un
amortisseur de torsion simplifié, on a recours au glissement, il est possible
d’éliminer la résonance à bas régime. Il est intéressant de noter qu’il se
produit une nouvelle résonance, représentée figure 15 par un trait fin, de
niveau supérieur à la résonance observée hors glissement. Cela est dû à
une nouvelle répartition des masses tournantes. Dans le cas du système
vibratoire hors glissement, la chaîne cinématique est prise entre la lourde
masse tournante du moteur et la masse du véhicule ; dans le cas du
système à glissement, la masse tournante du moteur est remplacée par la
masse tournante du disque d’embrayage, beaucoup plus petite. Dans
l’exemple présenté ici, il ne serait pas pertinent d’opérer un glissement
autour de 1600 t/min, puisqu’à ce moment-là l’amplitude des oscillations
angulaires hors glissement est bien moins importante (cg fig 16). Reste à
expliquer l’origine de cette résonance dans le cas d’un système à
glissement. A la base, il faut rappeler que dans un tel système le
découplage n’est jamais parfait. Le profil de la courbe de frottement, les
variations de régime au niveau du glissement, de même que les défauts
géométriques générant du voile et autres, induisent des excitations
transmises à la chaîne cinématique par l’embrayage à glissement.
114
200
Δ régime [1/min]
150
1: DVA
2: Amortisseur de torsion simplifié
"glissant"
3: Amortisseur de torsion simplifié
sans glissement
4: Amortisseur de torsion
conventionnel
100
5: Excitation moteur
50
0
5 00
10 00
15 00
2 00 0
2 50 0
3 0 00
r é g im e [ 1 /m in ]
13% du temps total
de conduite
Figure 15: Optimisation avec embrayage piloté en glissement
La figure 15 montre que grâce au système à glissement amélioré et à
l’utilisation d’un amortisseur de torsion à faible raideur (15/2 et 15/3), on
obtient une amélioration sensible de l’isolation vibratoire comparé à
l‘amortisseur de torsion conventionnel. Toutefois la qualité du découplage
est inférieure à celle du double volant amortisseur DVA (15/1).
Un tel système à glissement a obtenu des résultats intérressants lors un
essai clientèle: Les phases de glissement représentaient seulement 13%
du temps global de conduite révélant une augmentation de la
consommation de l’ordre de 0,4% et une augmentation de l’usure de l’ordre
de 13%, aisément rattrapée par l’embrayage SAC.
Cependant, cet exemple concerne un véhicule à propulsion, sur lequel le
régime de résonance est naturellement plutôt bas dès le départ. Sur les
véhicules à traction avant, la courbe de résonance est en générale bien
plus élevée et il n’est pas possible de l’éliminer des phases de conduite les
plus fréquentes, y compris en utilisant un amortisseur de torsion à très
faible raideur. Une version améliorée du système, peut faire mieux que les
solutions traditionnellement proposées, mais des essais menés pour un
véhicule de gamme moyenne présentent une usure supérieure d´environ
40 % et une augmentation de la consommation de environ 0,8 %.
115
Robotisation d’une boîte de vitesses mécanique
Construction
Les enseignements que l’on a pu tirer de l’utilisation en série de l’automatisation de l’embrayage (EKM) ont avantageusement contribués au
développement de la robotisation de la boite de vitesse mécanique (ASG).
actionneur d'embrayage avec calculateur EKM integré
réconnaissance du
rapport engagé
réconnaissance d'intension
de passage de vitesse
EKM
ASG
actionneur d'embrayage avec calculateur ASG integré
actionneur de boîte de vitesse
Figure 16: Add-on EKM et ASG
Le système d’articulations situé en amont de la boîte de vitesses, ainsi que
ses capteurs de reconnaissance des rapports et d’intention de passage,
indispensables sur le système EKM, peuvent cette fois être supprimés. Le
tout est remplacé par un actionneur de boîte de vitesses asservi (fig 16).
116
En optant résolument pour un système de type additionnel (add-on), on
peut d’éviter des modifications de la boîte de vitesses, ce qui suppose une
grande souplesse d’application du système. L’ASG est conçue comme un
assemblage modulaire, utilisant un grand nombre de composants
standards. L’adaptation de l’actionneur à la boîte de vitesses se fait par un
réducteur, les moteurs électriques et les boîtiers de commande sont de
conception standard pour tous utilisateurs, permettent une production en
grande série. La collaboration avec BOSCH s’avère, là encore, fructueuse.
c a lc u la te u r
m o te u r
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Figure 17: Réalisation modulaire de l´ASG
L’électronique de commande s’est considérablement réduite. C’est
pourquoi, sur les moteurs équipés du système ASG, la fonction de
commande et l'amplificateur sont intégrés à l’actionneur d’embrayage.
Notre partenaire, BOSCH, prend en charge le système d’exploitation, le
pilotage électronique des moteurs électriques et le calcul de l’instant de
changement de rapports, adaptable au profil du conducteur. LuK met au
point le pilotage de l’embrayage et des moteurs de la boîte de vitesses,
établit le cahier des charges concernant le moteur à explosion, et assure la
coordination de l’ensemble du système de changement de vitesses.
Chaque constructeur a sa propre idée du pilotage d'une boîte de vitesses
robotisée. Le concept élaboré par LuK propose un vaste éventail
d’applications, qui permettent de déterminer au mieux à quel moment et
comment s’effectuera le changement de vitesses, en fonction du choix
constructeur.
117
Processus de passage de vitesse
Une boîte de vitesses robotisée pose le problème fondamental de
l’interruption de couple. Celle-ci est représentée en figure 18 par l’intervalle
situé entre le rapport antérieur et le nouveau rapport. On procède dans un
premier temps à une réduction du couple, aussi bien au niveau du moteur
qu’au niveau de l’embrayage, puis on libère le rapport engagé, la
synchronisation s’effectue et on engage le nouveau rapport, à la suite de
quoi on procède à une nouvelle montée en couple.
Passage de vitesse
Accélération
ancien
rapport
Interruption
du couple
nouveau
rapport
baisse du couple
montée en couple
temps
engagement
désengagement
et choix
synchronisation
Figure 18: ASG: Phases de changement de rapport
On peut distinguer dans ce processus deux types de phénomènes à
évaluer différemment quant aux contraintes qu’ils appliquent à l’élément de
couplage :
•
des phénomènes ayant une incidence sur l’accélération du véhicule
•
des phénomènes correspondant à des temps morts absolus
Pour les phases ayant une incidence sur l’accélération du véhicule, on
observe qu’il est indispensable de brider le «moteur électrique» actionneur,
des variations trop brusques dans les accélérations du véhicule pouvant
avoir des effets désagréables. Seule l’optimisation du système permet
d’obtenir une interaction bien équilibrée du moteur, de l’embrayage et de la
boîte de vitesses. Au moment de la synchronisation, le double débrayage,
par exemple, est un moyen de délester le système.
118
Accélération
Les temps morts, cependant, requièrent la vitesse maximale des
actionneurs. Il convient alors de veiller à ce que, lors du désengagement du
premier rapport et de la phase rapide qui s’ensuit, la synchronisation ne
soit pas trop violemment sollicitée.
Influence de l'accélération du véhicule
⇒ contrôle des actionneurs
temps
temps mort
⇒ vitesse maxi. de l'actionneur
Figure 19: Optimisation de l´interruption de couple
Pour résoudre ces contradictions, LuK a développé un composant
élastique de couplage qui réagit dès que la force de couplage franchit un
certain seuil, et ne présente ensuite, dans un premier temps, qu’un faible
niveau d’effort (cf fig 20).
Ce composant élastique de couplage présente les avantages suivants :
•
Les phases de roue libre qui sont des temps morts absolus, sont plus
courtes si l’on a au préalable précontraint ce composant élastique
intégré (lors du désengagement du rapport antérieur et de la position
verrouillée des synchros).
•
Le maintien de la force de couplage à un niveau déterminé assure un
changement de vitesses facile et confortable.
•
La limitation de l’ effort par élasticité protège la boîte de vitesses et les
actionneurs.
119
charge
course
Figure 20: Elasticité de couplage lors du passage de vitesse
Mesures
Les effets observés sur plusieurs modélisations du processus de
changement de rapports sont illustrés par différentes mesures.
La figure 21a présente l’accélération du véhicule lors d’un changement
rapide de rapport sans contrôle spécifique de la vitesse des actionneurs. La
brusque chute du couple induit un «choc au débrayage» dont les effets
vibratoires sont ressentis par la synchronisation. Le réembrayage très
rapide induit un fort pic d’accélération suivi d’une phase de glissement dûe
à la limitation de couple maximum transmissible par l’embrayage. Après
cette phase de glissement on observe des effets vibratoires dits de
«balancement» du véhicule.
Comparativement, la figure 21b illustre une phase d’accélération lors d’un
changement de rapport optimum en confort. La chute et la reprise de
couple comme la synchronisation sont plus longues alors que les temps
morts sont limités au minimum.
120
a) changement de rapport inconfortable
choc de
synchronisation
choc au
réembrayage
Accélération
Balancement
temps
choc au débrayage
Accélération
b) changement de rapport confortable
temps
Figure 21: Mesure de passage de vitesses
Les phases de changement de rapport définies fig. 18 et 19 sont également
représentées en couleurs fig. 21.
121
Perspectives
LuK développe le système additionnel ASG à moteurs électriques dans le
cadre de plusieurs projets clients, l’objectif étant de lancer le système sur le
marché d’ici l’an 2000. Jusqu’à ce jour, plusieurs dizaines de véhicules en
ont été équipés, lesquels sont actuellement testés chez nos clients.
Parallèlement à cela, nous travaillons d’ores et déjà au développement
d’une nouvelle génération d’ ASG, dont la conception cette fois est
radicalement différente de celle d’un changement de vitesses classique à
commande manuelle. Ces nouvelles boîtes présentent les mêmes
avantages que le système additionnel ASG, avec des coûts unitaires de
production nettement moindres.
Résumé
Le système de pilotage électronique d’embrayage EKM, présenté il y a
quatre ans, est désormais fabriqué en série. Nos clients disposent ainsi
d’une solution économique, performante et fiable.
Les nouveaux développements du système visent essentiellement à en
réduire le poids et l’encombrement, à l’adapter à des moteurs plus
puissants, à étendre ses fonctionnalités, et enfin réduire le coût de sa
fabrication. Des éléments de réponse sont d’ores et déjà apportés, tels que
de nouveaux actionneurs d’embrayage, plus compacts, un embrayage
simplifié (Active Clutch), la suppression d’un capteur ainsi que le recours à
un système de glissement permanent à bas régime.
La boîte de vitesses robotisée ASG apparaît comme un prolongement
logique et avantageux du système EKM. L’ensemble du système
d’articulations situé en amont de la boîte de vitesses, qui comprend les
capteurs de reconnaissance des rapports et de l’intention de changement
de rapports, est supprimé et remplacé par un actionneur de boîte de
vitesses asservi. Là encore il est essentiel de proposer un système «addon» évitant d’avoir à modifier la boîte de vitesses. Les recherches concernant «l’incidence» de l’interruption du couple sur le processus de
changement de rapports confirment ce que nous supposions déjà, à savoir
que le système électromotorisé ASG permet des changements de vitesses
aussi rapides et confortables que le système hydraulique.
Au regard des attentes de la clientèle telles qu’elles s’expriment
actuellement, et de l’accroissement des possibilités techniques existantes,
nous sommes convaincus du large succès que les deux systèmes, EKM et
ASG, rencontreront sur le marché. Cela vaut en particulier pour les petits
véhicules et les pays en voie de développement, où l’on ne trouve
pratiquement pas de boîte automatique.
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Documentation
[1]
Kremmling, B.; Fischer, R.:
Automatisierte Kupplung – Das neue LuK-EKM.
5. Internationales LuK-Kolloquium 1994, S. 89-111
[2]
Reik, W.:
Selbsteinstellende Kupplungen für Kraftfahrzeuge.
VDI-Berichte 1323, Kupplungen in Antriebssystemen ’97, S. 105-116
[3]
Fischer, R.; Salecker, M.:
Strategien zur Kupplungsansteuerung.
VDI-Berichte 1323, Kupplungen in Antriebssystemen ’97, S. 269-290
[4]
Albers, A.:
Elektronisches Kupplungsmanagement (EKM) – Die mitdenkende Kupplung.
4. Internationales LuK-Kolloquium 1990, S. 77-102
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