FR3140598A1

FR3140598A1 - Frein de stationnement et machine électrique comportant un tel frein

Info

Publication number: FR3140598A1
Application number: FR2210244A
Authority: FR
Inventors: Eric Dumas
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2022-10-06
Filing date: 2022-10-06
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2042-10-06
Also published as: CN120225406A; WO2024074653A1; EP4598782A1; KR20250079006A; FR3140598B1

Abstract

L’invention concerne un dispositif de frein de stationnement (40) adapté à être installé dans un carter (20) de machine électrique (1) qui loge un arbre rotatif (10) et au moins un roulement (32) de guidage dudit arbre rotatif, comprenant : - un support (47) annulaire adapté à s’interposer entre ledit roulement et ledit carter, - un baladeur (45) annulaire qui est monté coulissant sur le support, entre deux positions extrêmes, qui est bloqué en rotation sur ledit support, et qui présentent des crabots adaptés à craboter une roue crantée couplée audit arbre rotatif, et - un actionneur (41) adapté à déplacer le baladeur entre ses deux positions extrêmes. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Frein de stationnement et machine électrique comportant un tel frein

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne de manière générale le freinage des véhicules automobiles.

Elle concerne plus particulièrement un dispositif ayant une fonction de frein de stationnement.

Elle concerne également une machine électrique équipée d’un tel dispositif et un véhicule automobile comprenant une telle machine électrique.

Etat de la technique

On connaît différents types de freins de stationnement.

On connaît par exemple les freins à main, qui comportent une poignée permettant de tirer un câble métallique raccordé à une mâchoire de frein adaptée à bloquer les roues arrière du véhicule.

On connaît aussi les freins de stationnement électriques qui comportent un actionneur permettant ici encore d’actionner des câbles raccordés à des mâchoire de frein.

Si ce second système permet un gain de place par rapport au premier, il s’avère encore encombrant et il présente en outre un coût important.

On connaît alors du document DE102017217829 un dispositif agencé autrement, utilisable sur les véhicules électriques. Dans ce document, le dispositif de freinage comporte un mécanisme de cliquet qui est adapté à se verrouiller sur une roue crantée fixée à l’arbre du moteur électrique du véhicule. Ainsi, ce dispositif permet de bloquer la rotation de l’arbre du moteur électrique et, par conséquent, celle des roues du véhicule.

Ce dispositif reste toutefois encombrant. Il ne permet en outre pas de réduire les bruits du moteur électrique.

Présentation de l'invention

Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose de placer le frein de stationnement au plus près du moteur.

Plus particulièrement, on propose selon l’invention un dispositif de frein de stationnement adapté à être installé dans un carter de machine électrique, lequel carter loge un arbre rotatif et au moins un roulement de guidage dudit arbre rotatif. Selon l’invention, ce dispositif de frein de stationnement comprend :
- un support annulaire adapté à s’interposer entre ledit roulement et ledit carter,
- un baladeur annulaire qui est monté coulissant sur le support, entre deux positions extrêmes, qui est bloqué en rotation sur ledit support, et qui présente au moins un relief (typiquement un ou plusieurs crabots) adapté à craboter une roue crantée couplée audit arbre rotatif, et
- un actionneur adapté à déplacer le baladeur entre ses deux positions extrêmes.

Le caractère annulaire du support et du baladeur permet de placer ces éléments autour de l’arbre rotatif de la machine électrique. Ainsi, grâce à l’invention, le dispositif peut être positionné dans le carter de la machine électrique, au plus près du rotor, dans un espace qui était jusqu’alors souvent laissé libre. Il s’avère alors peu encombrant et s’installe dans un espace protégé et lubrifié, ce qui garantie son bon fonctionnement à moindre coût et à long terme.

L’avantage de placer le support entre le carter est le roulement est que ce support peut alors réduire les bruits de roulement. S’il est réalisé dans un matériau adéquat, il peut en effet présenter une raideur supérieure à celle que présenterait le carter, ce qui réduira les vibrations et donc les bruits.

Typiquement, lorsque ce support est réalisé en fonte grise, il permet d’amortir les acyclismes de l’arbre rotatif et d’assurer une bonne lubrification autour du roulement lorsque ce dernier tourne à très grande vitesse et rentre en « lévitation ».

Ce support, lorsqu’il est réalisé dans un matériau adéquat, peut par ailleurs présenter un coefficient de dilatation plus proche de celui du roulement que le carter, de sorte que le jeu autour du roulement sera moins sensible aux variations thermiques, ce qui réduira encore le bruit.

En réduisant les vibrations, ce support permettra en outre de garantir une plus longue durée de vie à l’ensemble de la machine électrique.

On notera enfin que l’intérêt de placer ce dispositif de frein de stationnement au plus près du rotor de la machine électrique, et non près des roues du véhicule, est que le couple de freinage qu’il devra assurer pour bloquer le véhicule sera plus faible que celui qu’il devrait assurer s’il était placé au niveau des roues. En effet, ce couple de freinage sera divisé par le rapport de réduction de vitesse prévu entre l’arbre rotatif du moteur et les roues. Il est donc possible d’utiliser un dispositif de frein de plus petites dimensions.

D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du dispositif conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :

- le support est formé d’une seule pièce monobloc ;

- le support est réalisé en fonte ;

- le support délimite une face interne dont une partie cylindrique de révolution accueille ledit roulement ;
- le support délimite une face externe dont une partie cylindrique de révolution est adaptée à être installée dans une ouverture du carter ;

- le support et le baladeur présentent des cannelures qui coopèrent ensemble ;

- les cannelures s’étendent sur une face externe du support et sur une face interne du baladeur ;

- il est prévu, entre l’actionneur et le baladeur, une partie élastiquement déformable adaptée à permettre à l’actionneur de se déplacer lorsque le baladeur est bloqué par la roue crantée.

L’invention propose également une machine électrique comportant :
- un carter,
- un rotor logé dans le carter,
- un arbre rotatif qui est fixé au rotor, qui est monté pivotant dans le carter au moyen d’au moins un roulement, et qui porte une roue crantée, et
- un dispositif de frein de stationnement tel que précité, dont le baladeur crabote la roue crantée lorsqu’il se trouve dans l’une de ses positions extrêmes uniquement.

Préférentiellement, la roue crantée est frettée sur ledit arbre rotatif.

L’invention propose aussi un véhicule automobile comportant un châssis, des roues, et une machine électrique telle que précité, dont l’arbre rotatif est constamment couplé à une partie au moins desdites roues.

Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Description détaillée de l'invention

La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.

Sur les dessins annexés :

est une vue schématique en coupe d’une machine électrique conforme à l’invention, comprenant un dispositif de frein de stationnement illustré en position inactive ;

est une vue homologue de celle de la , sur laquelle le dispositif de frein de stationnement est illustré en position intermédiaire ;

est une vue homologue de celle de la , sur laquelle le dispositif de frein de stationnement est illustré en position activée.

Sur la , on a représenté une machine électrique 1 d’un véhicule automobile.

Ce véhicule automobile pourrait être de tout type.

Il s’agit par exemple d’une voiture électrique ou hybride, comportant un châssis et des roues, dont la machine électrique sert de moteur de traction des roues motrices. Dans cette éventualité, la machine électrique est de préférence couplée aux roues motrices par un réducteur de vitesses et un différentiel. Ce couplage est continu, en ce sens qu’il n’est pas possible de découpler les roues motrices de la machine électrique.

Comme le montre la , la machine électrique 1 comporte classiquement un carter 20 extérieur qui est réalisé en plusieurs pièces assemblées pour délimiter une chambre logeant un rotor 60 et un stator 70 annulaire.

Il pourrait s’agir d’une machine électrique de tout type, à flux axial ou radial, à rotor bobiné ou non…

Classiquement, le stator 70 est fixé au carter tandis que le rotor 60 est prévu pour pivoter dans le stator 70.

Le rotor 60 présente une ouverture centrale par laquelle il est monté fixement sur un arbre rotatif 10, qui forme donc l’arbre de sortie de la machine électrique 1.

Classiquement, cet arbre rotatif 10 est monté dans le carter 20 de façon à pouvoir tourner par rapport à celui-ci autour d’un axe de rotation A1.

Il est pour cela équipé de deux roulements 31, 32, ici des roulements à billes, dont les bagues intérieures sont frettées sur l’arbre rotatif 10 et dont les bagues extérieures sont placées dans des ouvertures 21, 22 coaxiales prévues dans le carter 20 et faisant office de paliers. Ainsi l’arbre rotatif 10 est-il guidé en rotation autour de son axe de rotation A1.

On notera ici que l’arbre rotatif 10 présente d’un côté (le côté droit sur les figues) une réduction de section 11 permettant de l’engager dans un premier des roulements 32 et qu’il est dépourvu de telle réduction de section du côté opposé puisque le second roulement 31 présente un diamètre supérieur à celui du premier.

On notera également que les deux ouvertures 21, 22 accueillant les roulements 31, 32 sont de mêmes diamètres. Alors, seul le second roulement 31 présente une bague extérieure directement frettée dans l’ouverture 21 du carter 20.

Selon l’invention, la machine électrique 1 est en effet équipée du côté du premier roulement 32 d’un dispositif de frein de stationnement 40.

Ce dispositif est conçu pour agir directement sur l’arbre rotatif 10 de la machine électrique 1 afin de freiner le véhicule lorsque ce dernier est stationné.

Dans un véhicule électrique ou hybride tel que défini ci-dessus, la machine électrique reste en effet toujours couplée aux roues motrices du véhicule puisqu’il n’est prévu ni embrayage, ni boîte de vitesses entre la machine électrique 1 et les roues motrices. Il est au contraire prévu un simple réducteur de vitesses (typiquement mono-rapport à prise constante). Par conséquent, le blocage de l’arbre rotatif 10 de la machine électrique 1 permet de bloquer les roues motrices, et donc d’assurer un freinage en stationnement performant.

A cet égard, on peut noter que si un couple s’exerce au niveau de roues, le couple ressenti au niveau de l’arbre rotatif 10 sera réduit grâce au réducteur de vitesses, si bien qu’il sera moins contraignant de freiner le véhicule au niveau de l’arbre rotatif 10 qu’au niveau des roues.

Ici, le dispositif de frein de stationnement 40 est placé autour de l’arbre rotatif 10. La partie permettant de réaliser mécaniquement le freinage est située entre le rotor 60 et le premier des roulements 32, à l’intérieur du carter 20. Elle est donc particulièrement peu encombrante.

Pour réaliser le freinage recherché, le dispositif comprend un support 47 annulaire fixé au carter 20, et un baladeur 45 annulaire monté sur le support 47 avec un seul degré de liberté, à savoir une mobilité de coulissement entre deux positions extrêmes :
- une position inactive ( ), et
- une position activée ( ) dans laquelle le baladeur 45 est craboté à une roue crantée 12 qui est fixée sur l’arbre rotatif 10.

Dans le mode de réalisation illustré sur les figures, la roue crantée 12 présente une forme d’anneau, avec deux faces principales planes, une face interne cylindrique de révolution autour de l’axe de rotation A1 et une face externe présentant au moins un relief (ici cette face externe présente plusieurs crabots).

Cette roue crantée 12 est frettée sur l’arbre rotatif 10, à proximité du rotor 60 (entre ce dernier et le premier roulement 32).

Les crabots présentent des formes identiques et sont régulièrement répartis sur le pourtour de la roue crantée 12. Ils forment par exemples des créneaux dont les faces latérales s’étendent radialement par rapport à l’axe de rotation A1. Ils sont ainsi « profilés » en ce sens qu’ils présentent des sections orthogonales uniformes le long de l’axe de rotation A1.

Le support 47, sur lequel coulisse le baladeur 45 afin de venir craboter cette roue crantée 12, est installé dans l’ouverture 22 du carter 20, de manière à s’interposer entre le bord de cette ouverture 22 et la bague externe du premier roulement 32.

Il s’agit d’une pièce monobloc issue d’une opération de fonderie. Il est de manière préférentielle réalisé en fonte grise, ce qui lui confère des propriétés lubrifiantes et amortissantes.

Ce support 47 forme donc une interface de raideur élevée entre le premier roulement 32 et le carter 20, ce qui permet de réduire les bruits générés par la rotation de l’arbre rotatif 10.

Il est en effet réalisé dans un matériau qui présente une raideur supérieure à celle du matériau du carter 20. En outre, du fait de sa présence, l’ouverture 22 du carter 20 présente un diamètre supérieur à celui qu’elle devrait présenter en l’absence de support 47, de sorte que le carter 20 présente lui-même une raideur supérieure à celle qu’il présenterait en l’absence de support 47. De cette manière, l’arbre rotatif 10 est mieux guidé, mieux amorti et il vibre moins, ce qui réduit les contraintes et les bruits.

Comme le montre la , ce support 47 présente une première partie d’extrémité 47A qui s’interpose entre le roulement 32 et le carter 20, une seconde partie d’extrémité 47B opposée sur laquelle coulisse le baladeur 45, et une couronne intermédiaire 47C qui s’étend entre ces deux parties et qui s’appuie contre la face interne du carter 20 afin de bloquer le support 47 dans l’ouverture 22.

La première partie d’extrémité 47A présente une forme de bague, avec une face interne frettée sur la bague externe du premier roulement 32, et une face externe frettée dans l’ouverture 22. Ces deux faces sont cylindriques de révolution autour de l’axe de rotation A1.

La couronne intermédiaire 47C présente une forme de rondelle, avec deux faces principales planes et orthogonales à l’axe de rotation A1, dont l’une d’entre elles s’appuie contre la face interne du carter 20.

Elle présente des diamètres intérieur et extérieur respectivement plus petit et plus grand que ceux des deux parties d’extrémité 47A, 47B. Elle forme ainsi une saillie vers l’intérieur par rapport aux faces internes de ces deux parties d’extrémité, qui s’appuie contre la bague externe du premier roulement 32 pour la bloquer latéralement. Elle forme en outre une saillie vers l’extérieur par rapport aux faces externes de ces deux parties d’extrémité, qui s’appuie contre la face interne du carter 20. Pour maintenir cet appui, il est ici prévu des vis de fixation du support 47 dans le carter 20.

La seconde partie d’extrémité 47B présente une forme de bague, avec une face externe de forme particulière pour guider la translation du baladeur 45 le long de l’axe de rotation A1 et bloquer la rotation de ce baladeur autour de cet axe.

Cette face externe forme pour cela des cannelures profilées, qui coopèrent avec des cannelures de formes correspondantes, en négatif, portées par le baladeur 45.

Ce baladeur 45, dont on rappelle qu’il présente aussi une forme annulaire, comporte alors sur sa face intérieure des cannelures.

Ici, ces cannelures s’étendent sur une partie seulement de la longueur de cette face intérieure. En effet, l’une des extrémités de cette face externe, celle tournée vers la roue crantée 12, porte au moins un relief en saillie. En pratique, elle en porte plusieurs identiques qui forment des crabots adaptés à coopérer avec ceux de la roue crantée 12. Ces crabots présentent pour cela des formes complémentaires de ceux de la roue crantée 12.

Ainsi, le baladeur 45 peut coulisser de sa position inactive ( ), dans laquelle les crabots du baladeur sont situés à distance de ceux de la roue crantée 12 afin de ne pas coopérer avec eux, à sa position activée ( ) dans laquelle les crabots coopèrent les uns avec les autres.

Lors de ce coulissement, le baladeur 45 passe par une position internétaire représentée sur la , dans laquelle les crabots du baladeur 45 s’engagent dans ceux de la roue crantée 12. Cet engagement nécessite que l’arbre rotatif 10 présente une position angulaire précise autour de l’axe de rotation A1 par rapport au baladeur 45, ce qui se fait sans difficulté lorsque le rotor 60 est pilotable en position angulaire. Sinon, le crabotage pourra se faire mécaniquement, au moment où les crabots de la roue crantée 12 s’aligneront avec les espaces prévus entre les crabots du baladeur 45.

Afin de faire coulisser le baladeur 45 entre ses positions extrêmes inactive et activée, il est prévu un actionneur 41.

On pourrait utiliser tout type d’actionneur, par exemple un servomoteur électrique, un système électromagnétique à aimant mobile…

Cet actionneur comporte un support fixé au carter 20 et un bras coulissant.

Ici, ce bras mobile porte une cage, laquelle est donc mobile en translation. Cette cage est prévue pour exercer un effort de traction ou de poussée sur une bielle 43 dont une extrémité est articulée sur un bras 44 adapté à faire coulisser le baladeur. En l’espèce, ce bras 44 est monté pivotant sur le carter 20 et il présente une extrémité en saillie vers l’intérieur du carter 20 qui s’étend dans une gorge périphérique prévue en creux dans la face externe du baladeur 45, et une extrémité en saillie vers l’extérieur du carter, sur laquelle est articulée la bielle 43.

Ainsi, le mouvement de poussée ou de traction exercé sur la bielle 43 permet de forcer le bras 44 à pivoter dans un sens ou dans un autre, autour d’un axe orthogonal à l’axe de rotation A1, afin de faire coulisser le baladeur 45 entre ses deux positions extrêmes.

Dans l’éventualité où le rotor 60 est pilotable en position angulaire, on pourrait prévoir que l’actionneur 41 et la bielle 43 soient articulés l’un sur l’autre par une simple liaison pivot.

Toutefois, par mesure de sécurité, on préférera prévoir des moyens de liaison élastique entre l’actionneur 41 et la bielle 43, de manière que si le baladeur 45 est bloqué par la roue crantée 12 (car leurs crabots ne sont pas correctement positionnés les uns par rapport aux autres), ces moyens de liaison élastiques permettent à l’actionneur de faire coulisser la cage sans dommage et sans forcer.

Ici, ces moyens de liaison élastique comportent un ressort qui est logé dans la cage et qui est pris en sandwich entre l’une des faces internes de cette cage et un disque fixé à l’extrémité de la bielle 43.

A ce stade, on pourra noter que, classiquement, un lubrifiant diélectrique est employé pour lubrifier les roulements 31, 32. Ce lubrifiant permettra de lubrifier naturellement la jonction entre le baladeur 45 et son support 47, ce qui garantira au dispositif de frein de stationnement 40 un bon fonctionnement et une durée de vie prolongée.

On notera également que lorsque le véhicule est à l’arrêt dans une pente et que le dispositif de frein de stationnement 40 est activé, il peut s’avérer difficile de faire passer ce dispositif en position inactive du fait des efforts qui s’exercent sur lui.

Par conséquent, pour faciliter le déplacement du baladeur 45, la machine électrique 1 pourra être pilotée pour faire tourner l’arbre rotatif 10 sur une faible course (de l’ordre de 1 degré) et dans un laps de temps assez court pendant lequel les contraintes s’exerçant sur le dispositif seront réduites.

De manière plus générale, on pourra, avant chaque désactivation du dispositif de frein de stationnement 40, faire pivoter l’arbre rotatif 10 dans un sens puis dans l’autre, afin de s’assurer que le baladeur puisse à un moment coulisser sans difficulté sur son support 47.

La présente invention n’est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention.

Claims

Dispositif de frein de stationnement (40) adapté à être installé dans un carter (20) de machine électrique (1) qui loge un arbre rotatif (10) et au moins un roulement (32) de guidage dudit arbre rotatif (10), comprenant :
- un support (47) annulaire adapté à s’interposer entre ledit roulement (32) et ledit carter (20),
- un baladeur (45) annulaire qui est monté coulissant sur le support (47), entre deux positions extrêmes, qui est bloqué en rotation sur ledit support (47), et qui présente au moins un relief adapté à craboter une roue crantée (12) couplée audit arbre rotatif (10), et
- un actionneur (41) adapté à déplacer le baladeur (42) entre ses deux positions extrêmes.
Dispositif de frein de stationnement (40) selon la revendication 1, dans lequel le support (47) est formé d’une seule pièce monobloc.
Dispositif de frein de stationnement (40) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le support (47) est au moins en partie réalisé en fonte.
Dispositif de frein de stationnement (40) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le support (47) délimite une face interne dont une partie cylindrique de révolution accueille ledit roulement (32), et une face externe dont une partie cylindrique de révolution est adaptée à être installée dans une ouverture du carter (20).
Dispositif de frein de stationnement (40) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le support (47) et le baladeur (45) présentent des cannelures qui coopèrent ensemble.
Dispositif de frein de stationnement (40) selon la revendication 5, dans lequel les cannelures s’étendent sur une face externe du support (47) et sur une face interne du baladeur (45).
Dispositif de frein de stationnement (40) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel il est prévu, entre l’actionneur (41) et le baladeur (45), une partie élastiquement déformable (42) adaptée à permettre à l’actionneur (41) de se déplacer lorsque le baladeur (45) est bloqué par la roue crantée (12).
Machine électrique (1) comportant un carter (20), un rotor (60) logé dans le carter (20), et un arbre rotatif (10) qui est fixé au rotor (60), qui est monté pivotant dans le carter (20) au moyen d’au moins un roulement (32), et qui porte une roue crantée (12),
caractérisée en ce qu’elle comporte en outre un dispositif de frein de stationnement (40) conforme à l’une des revendications 1 à 7, dont le baladeur (45) crabote la roue crantée (12) lorsqu’il se trouve dans l’une de ses deux positions extrêmes uniquement.
Machine électrique (1) selon la revendication 8, dans laquelle la roue crantée (12) est frettée sur ledit arbre rotatif (10).
Véhicule automobile comportant un châssis et des roues, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une machine électrique (1) conforme à l’une des revendications 8 et 9, dont l’arbre rotatif (10) est constamment couplé à une partie au moins desdites roues.