WO2023217871A1 - Reducteur de vitesse de groupe motopropulseur hybride - Google Patents

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casing
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Fabien Gaillard
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Renault SAS
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    • F16H3/089—Toothed gearings for conveying rotary motion with variable gear ratio or for reversing rotary motion without gears having orbital motion exclusively or essentially with continuously meshing gears, that can be disengaged from their shafts characterised by the disposition of the gears all of the meshing gears being supported by a pair of parallel shafts, one being the input shaft and the other the output shaft, there being no countershaft involved
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Definitions

  • the present invention generally relates to the hybridization of powertrains.
  • a speed reducer typically a gearbox
  • a gearbox comprising an external casing which houses at least one shaft and a pinion and which comprises a cooling and lubrication circuit adapted to project a lubricating fluid onto said shaft and pinion.
  • a motor vehicle comprising a powertrain which comprises an internal combustion engine and such a speed reducer.
  • a motor vehicle is equipped with a powertrain.
  • This powertrain can have very varied architectures.
  • it may include an internal combustion engine, a clutch, a gearbox and a differential which makes it possible to distribute the torque coming from the gearbox to two drive wheels of the vehicle.
  • a water cooling circuit including a main heat exchanger located at the front of the vehicle (the “radiator”), then makes it possible to cool the internal combustion engine in order to prevent it from heating up too much.
  • the electric machine is then generally positioned near the internal combustion engine or the radiator, so as to be able to take advantage of the water circuit to be cooled.
  • the present invention proposes to incorporate the electric machine with its cooling and lubrication system into the gearbox.
  • an electric machine which comprises an output shaft coupled to said at least one shaft of the reducer
  • a pump which is actuated by the electric machine and which is adapted to cool and lubricate the electric machine using said lubricating fluid.
  • the components of the speed reducer and the electrical machine are lubricated and cooled by the same volume of lubricant, which makes it possible to reduce the overall size of the assembly.
  • the lubrication and cooling of the electric machine are ensured by this electric machine, which drives the pump. It is thus possible to provide a fluid flow adjusted to the speed of the electrical machine to ensure always adequate lubrication and cooling, neither too low nor too high (which would reduce efficiency unnecessarily).
  • the invention it is notably possible to house the components of the speed reducer and the electrical machine in the same casing.
  • the installation of the electric machine in the speed reducer housing then proves to be relatively unrestrictive, in particular because the system allowing it to be cooled is more compact than a water cooling system.
  • a speed reduction means is provided, an input of which is coupled to the output shaft of the electric machine and an output of which is coupled to said pump;
  • the speed reduction means has a reduction ratio less than 1/2;
  • the external casing delimits three distinct chambers, including a first chamber which houses the electrical machine, a second chamber which houses the speed reduction means and a third chamber which houses the pump;
  • the speed reduction means and the pump have a common axis of rotation
  • the speed reduction means and/or the pump comprises a drive shaft which is located in alignment with the output shaft of the electric machine and which has an internal longitudinal conduit through which the lubricating fluid circulates ;
  • the output shaft of the electric machine has, over at least part of its length, an internal longitudinal conduit through which the lubricating fluid circulates;
  • the output shaft of the electric machine has at least one radial opening allowing the lubricating fluid circulating in the internal longitudinal conduit to be ejected out of the output shaft.
  • the invention also proposes a motor vehicle comprising a powertrain which comprises an internal combustion engine and a speed reducer as mentioned above.
  • FIG. 1 is a schematic view of a gearbox according to the invention
  • FIG. 2 is a view of a portion of the gearbox housing of Figure 1, on the left of which is shown an electric machine coupled to a speed reduction means and a pump;
  • FIG. 3 is a sectional view of the portion of the casing of Figure 2, on which appear the electric machine, the speed reduction means and the pump;
  • FIG. 4 is an exploded view of a first part of the gearbox of Figure 1;
  • FIG. 5 is an exploded view of a second part of the gearbox of Figure 1, on which the part of Figure 4 is shown in the assembled position;
  • FIG. 6 is a view similar to that of Figure 3, on which the oil path is shown.
  • FIG 1 there is shown a speed reducer of a group powertrain. This is more precisely a gearbox 10, but as a variant, it could be a simpler reduction gear (single-speed, or even two-speed).
  • the powertrain is preferably intended to be installed in a motor vehicle.
  • This motor vehicle can come in different forms. For example, it could be a truck, a motorcycle, a plane, a boat... However, it is preferably a car.
  • This powertrain is described as hybrid. It then comprises an internal combustion engine (not shown) and an electric machine 200.
  • the internal combustion engine comprises a crankshaft which is coupled to the gearbox 10, possibly via a clutch.
  • the electric machine 200 can have a function as a motor (its torque being added to that developed by the internal combustion engine), or as an alternator (its torque being reduced from that developed by the internal combustion engine), or both depending on the conditions encountered.
  • This electric machine 200 is here coupled to the rest of the powertrain at the level of the gearbox 10. We therefore speak of a hybridized gearbox 10.
  • the gearbox comprises an external casing 100 which houses shafts 20, 30 and pinions 40, 50 in order to offer several gear ratios.
  • This gearbox could come in different forms: manual gearboxes, robotic gearboxes, automatic gearboxes, etc.
  • gearbox 10 may comprise two shafts 20, 30 provided with facing gears 40, 50 of different diameters which mesh with each other, the gears 50 of one of the shafts 30 being for example mounted idle on this shaft (that is to say being left free to rotate on this shaft) while the others are fixedly mounted on the other shaft 20.
  • gearbox 10 uses coupling devices (we speak of a player) designed to couple one of the idler gears 50 with the shaft 30 so as to equalize their rotational speeds.
  • Such a gearbox 10 also houses a main lubrication and cooling circuit 60, which takes a lubricating fluid such as oil from the bottom of the casing 100 to eject it at different locations requiring lubrication. and cooled. This part of the gearbox 10 will not be described here in more detail as it is well known.
  • the casing 100 of this gearbox delimits a main chamber which houses the aforementioned shafts 20, 30 and pinions 40, 50.
  • this casing 100 has an excrescence so as to be able to accommodate in particular the electrical machine 200.
  • This excrescence comprises several parts, so as to facilitate the assembly of the entire hybridized gearbox. It is here formed of four parts 110, 120, 130, 140 which are fixed together so as to house the electrical machine 200 as well as a speed reduction means 300 and an oil pump 400 (these three elements 200, 300, 400 being shown in detail on the left part of Figure 2).
  • the casing 100 houses not only the electric machine 200, but also an oil pump 400 specifically and exclusively designed to cool and lubricate the electric machine 200.
  • the speed reduction means 300 is then employed so that the electric machine 200 can mechanically actuate the oil pump 400 at an ideal speed to ensure this cooling and lubrication.
  • the oil used for this purpose will be the same as that used to cool and lubricate the other components of the gearbox. So, here, this oil will be taken from the bottom of the crankcase 100.
  • the electric machine 200, the speed reduction means 300 and the oil pump 400 are here successively stacked on the same axis (called axis of rotation A1), so as to present a reduced bulk.
  • the electric machine 200 conventionally comprises a rotor 230, for example a permanent magnet rotor or a wound rotor, and a stator 220 located around the rotor 230 and comprising electric coils allowing 'establish a rotating magnetic field suitable for rotating the rotor.
  • a rotor 230 for example a permanent magnet rotor or a wound rotor
  • a stator 220 located around the rotor 230 and comprising electric coils allowing 'establish a rotating magnetic field suitable for rotating the rotor.
  • the rotor 230 is equipped with an output shaft 201 which is therefore adapted to rotate around the axis of rotation A1.
  • this output shaft 201 is equipped with two ball bearings engaged in openings provided in two flanges 210, 211 fixed to the stator 220, on either side of it. These two flanges are here held in position by bolts.
  • a longitudinal drilling 201A is in fact provided which extends over the majority of this shaft, along the axis of rotation A1.
  • This longitudinal drilling 201 A therefore opens on the side of the oil pump 400. As will clearly appear in the remainder of this presentation, it allows the oil to enter inside the electrical machine 200.
  • two series of radial openings 201 B are provided here, located near the two ball bearings and which allow the oil to be ejected towards them and towards the windings of the stator 220 in order to cool the entire electric machine 200 and lubricate it.
  • the electric machine 200 is fixed to a first part 110 of the casing 100 by screws 111, here four in number.
  • screws 111 here four in number.
  • two centering pins 112 are used to best adjust the position of the electric machine 200 relative to this first part 110 of the casing 100.
  • a second part 120 of the casing 100 is then screwed onto this first part 110 to enclose the electrical machine 200.
  • This enclosure is of course not complete, since openings are provided so that the The oil opening into the electric machine 200 can flow by gravity towards the bottom of the casing, via openings provided for this purpose.
  • the first and second parts 110, 120 of the casing 100 together delimit a space for the electric machine 200, which is part of the first chamber (which we recall houses the shafts and pinions of the gearbox).
  • the oil flowing by gravity into this space will naturally evacuate towards the bottom of the casing 100, that is to say towards the bottom of the first chamber 200A delimited by the casing 100.
  • the first part 110 of the casing 100 comprises a main wall substantially flat and orthogonal to the axis of rotation A1, with a rim in the form of a flange for its attachment to the second part 120 of the casing 100.
  • This second part comprises as to it a curved side wall around the electric machine 200, which is open on the side of the first part 110 of the casing but which is closed on the opposite side by a substantially flat wall at the center of which is provided an opening 121 for the passage of the right end of the output shaft 201 of the electric machine 200.
  • the seal at this opening 121 is here ensured by a seal 122, preferably of the lip seal type to withstand the high rotational speeds of the output shaft 201.
  • This seal is fixed in the opening 121 so that his lip rests on the output shaft.
  • the speed reduction means 300 is directly coupled to this output shaft, without any member interposing between the two.
  • This speed reduction means 300 could be presented in very varied forms.
  • this speed reduction means 300 is of the epicyclic train type. Also preferably, its input and output axes are coaxial.
  • this speed reduction means comprises a fixed crown 340, a central planetary pinion 310, and a planetary carrier 320 equipped with at least one meshed planetary pinion 330 with the central pinion 310 and the fixed crown 340.
  • the fixed crown 340 is here forcefully engaged in a bore provided in the second part 120 of the casing 100.
  • This bore is here made hollow in the right side of this second part 120 of the casing 100, so that its bottom is formed by the wall in which the opening 121 for the passage of the output shaft 201 of the electric machine is located.
  • This fixed crown 340 has an external face adjusted to the shape of the bore, and an internal face presenting straight teeth regularly distributed around the axis of rotation A1.
  • the central pinion 310 is mounted on the right end of the output shaft 201 of the electric machine 200. It is mounted in a fixed manner relative to this output shaft 201, for example by force mounting or via a splined connection coupled to an axial stop (here a 311 circlip). Other means of connection could of course be used.
  • the planet carrier 320 here comprises a shaft (called “drive shaft 301”), one left end of which is fixed to a flange here in the shape of a cross, each branch of which extends radially relative to the axis of rotation A1.
  • Each of the ends of these branches has a shaft on which a satellite pinion 330 is freely pivoted, around an axis parallel to the axis of rotation A1.
  • the speed reduction means 300 is provided for be housed in a second chamber 300A delimited by the casing 100, which may optionally be sealed relative to the first chamber 200A.
  • the casing 100 comprises a third tubular part 130, a left end of which is attached against the second part 120 of the casing and a right end of which is closed by a flat wall.
  • This wall is pierced with a central opening 131 for the passage of the drive shaft 301.
  • the seal at this opening 131 is here ensured by a seal 132, preferably of the lip seal type to withstand the high rotational speeds of the drive shaft 301.
  • This seal is fixed in the opening 131 so that its lip rests on the drive shaft 301.
  • the drive shaft 301 is then mounted to rotate freely in this third part 130 of the casing 100, around the axis of rotation A1, thanks to a ball bearing 133 which is engaged in a housing provided in this third part 130, next to opening 131.
  • the third part 130 of the casing is equipped on each of its two faces with two centering pins 136 to allow precise adjustment of the different parts of the casing 100 between them, which guarantees perfect adjustment between the axis of the output shaft 201 and the axis of the drive shaft 301.
  • the drive shaft 301 is hollow.
  • a longitudinal drilling 301A is in fact provided which extends over the entire length of this shaft, along the axis of rotation A1.
  • This longitudinal drilling 301 A therefore opens on the side of the oil pump 400 and on the side of the electrical machine 200. As will clearly appear later in this presentation, it allows the oil to enter inside the electric machine 200. It is here connected to the output shaft 201 by a cannula 500 which is huddled in the output shaft 201 (so that it is fixed there) and which pivots freely relative to the shaft training 301.
  • the oil pump 400 is then installed to the right of the third part 130 of the casing 100, in a chamber 400A which is sealed and which is delimited by the third and fourth parts 130 , 140 of housing 100.
  • This oil pump 400 is installed directly on the drive shaft 131, which allows its size to be restricted. It is therefore centered on the axis of rotation A1.
  • This type of pump has a flow rate which depends directly on the rotation speed of the drive shaft 301, which is perfectly suited to the needs of the electric machine 200.
  • FIG. 5 it comprises a toothed wheel 420 having a central opening through which it is fixedly mounted on the drive shaft 301.
  • This assembly could be carried out by force or by shrinking. However, here, it was chosen to use a key which is blocked in grooves provided in the drive shaft 301 and in the central opening of the toothed wheel 420.
  • the right end of the shaft drive 301 is threaded so that a nut 421 can be screwed there to lock the toothed wheel 420.
  • a bore is provided in the third part 130 of the casing 100.
  • This bore is here made hollow in the right side of this third part 130 of the casing 100, so that its bottom is formed by the wall in which the opening 131 for the passage of the drive shaft 301 is located.
  • the pump then includes an eccentric crown 410 with internal teeth which is placed inside this bore.
  • the fourth part 140 of the casing 100 is adapted to rest against the third part 130 to enclose the pump 400.
  • it has a disc shape, with four pierced ears allowing the passage of screws which pass through the third part of the casing 100 and are screwed into the second part 120.
  • a flat gasket 145 is used to ensure static sealing between these two casing parts 130, 140.
  • the fourth part 140 of the casing 100 has a projecting bulge on its external face, which extends in length radially relative to to the axis of rotation A1.
  • This bulge internally delimits a radial conduit 142 which makes it possible to bring the oil coming from the pump 400 into an orifice provided longitudinally in the cover, along the axis of rotation A1.
  • This orifice is connected inside the drive shaft 301 by a cannula 501 which is fitted into the casing and which can pivot freely relative to this shaft.
  • the first bore 137, the intermediate conduit 141 and the radial conduit 142 are made by drilling, which explains the use of plugs 139, 149 placed at their outlet to the outside.
  • plugs 139, 149 placed at their outlet to the outside.
  • they could be made differently, for example during the casting stage of the casing, or they could be replaced by external pipes in order to guide the flow of oil from the pump discharge zone towards the axis oil return.
  • the output shaft 201 of the electric machine 200 When the output shaft 201 of the electric machine 200 is subjected to a rotation speed Q1, it drives, via the speed reduction means 300, the drive shaft 301 at a reduced rotation speed Q2, adapted to the operation of the oil pump 400.
  • the toothed wheel 420 will give the eccentric crown 410 an eccentric circular movement which will create suction on the side of the drilling 137 and discharge on the opposite side.
  • the flow of oil used to lubricate and cool the electrical machine can reach a maximum value which is greater than 2 L/min, and which is here of the order of 6 L/min when the electric machine reaches a rotation speed of 18,000 rpm.
  • the oil supply circuit of the oil pump 400 will preferably include a non-return valve type valve (not shown) in order to prevent the oil pump 400 from rising. (the latter being above the gearbox oil level). It could also include a heat exchanger to cool the oil.
  • the lubrication of the speed reduction means can be carried out in several ways. Lifetime lubrication can be used, by enclosing a lubricant in chamber 300A when assembling the gearbox. Alternatively, a filling plug could be provided in the casing allowing a lubricant to be added to this 300A chamber and drained if necessary. Still as a variant, orifices could be provided in the wall separating the chambers 200A, 300A, so that the oil from the electric machine can be projected onto the speed reduction means 300. [0096] The present invention is in no way limited to the embodiment described and represented, but those skilled in the art will be able to make any variation conforming to the invention. [0097] In particular, it could be envisaged that the oil lubricating the components of the gearbox and the electrical machine 100 be stored not in the bottom of the casing, but in a dedicated oil tank located outside the casing, under this last.

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Abstract

L'invention concerne un réducteur de vitesse comportant un carter externe (100) qui loge des arbres et pignons de boîte de vitesses et qui comporte un circuit de refroidissement et de lubrification adapté à projeter un fluide de lubrification sur lesdits arbres et pignons. Selon l'invention, le réducteur de vitesses comporte également une machine électrique (200) qui comprend un arbre de sortie (201) adapté à être couplé à l'un desdits arbres et qui est refroidie et lubrifiée par ledit fluide de lubrification, grâce à une pompe entraînée mécaniquement par cette machine électrique.

Description

DESCRIPTION
T ITRE DE L’INVENTION : REDUCTEUR DE VITESSE DE GROUPE MOTOPROPULSEUR HYBRIDE
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] La présente invention concerne de manière générale l’hybridation des groupes motopropulseurs.
[0002] Elle concerne plus particulièrement un réducteur de vitesse (typiquement une boîte de vitesses) comportant un carter externe qui loge au moins un arbre et un pignon et qui comporte un circuit de refroidissement et de lubrification adapté à projeter un fluide de lubrification sur lesdits arbre et pignon.
[0003] Elle concerne également un véhicule automobile comportant un groupe motopropulseur qui comprend un moteur à combustion interne et un tel réducteur de vitesse.
ETAT DE LA TECHNIQUE
[0004] Pour avancer, un véhicule automobile est équipé d’un groupe motopropulseur. Ce groupe motopropulseur peut présenter des architectures très variées.
[0005] A titre d’exemple, il peut comporter un moteur à combustion interne, un embrayage, une boîte de vitesses et un différentiel qui permet de répartir le couple issu de la boîte de vitesses vers deux roues motrices du véhicule. Un circuit de refroidissement par eau, comportant notamment un échangeur de chaleur principal situé à l’avant du véhicule (le « radiateur »), permet alors de refroidir le moteur à combustion interne afin d’éviter qu’il ne chauffe trop.
[0006] Actuellement, dans un souci de préservation de l’environnement, on équipe de plus en plus souvent ces groupes motopropulseurs de machines électriques. Une telle machine électrique permet, en mode moteur, d’aider le moteur à combustion interne à propulser le véhicule automobile voire de le remplacer dans certaines phases de fonctionnement, ou, en mode génératrice, de récupérer de l’énergie mécanique pour la transformer en énergie électrique à stocker dans une batterie.
[0007] La machine électrique est alors généralement positionnée à proximité du moteur à combustion interne ou du radiateur, de façon à pouvoir profiter du circuit d’eau pour être refroidi.
[0008] L’inconvénient majeur de cette solution est qu’elle est encombrante et contraignante en ce sens que la machine électrique doit se trouver sur le trajet du circuit d’eau et que ce dernier doit être dimensionné pour refroidir efficacement non seulement le moteur à combustion interne, mais aussi la machine électrique, quels que soient leurs régimes. PRESENTATION DE L'INVENTION
[0009] Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose d’incorporer dans la boîte de vitesses la machine électrique avec son système de refroidissement et de lubrification.
[0010] Plus particulièrement, on propose selon l’invention un réducteur de vitesse tel que défini dans l’introduction, dans lequel il est prévu également :
- une machine électrique qui comprend un arbre de sortie couplé audit au moins un arbre du réducteur, et
- une pompe qui est actionnée par la machine électrique et qui est adaptée à refroidir et lubrifier la machine électrique à l’aide dudit fluide de lubrification.
[0011] Ainsi, grâce à l’invention, les organes du réducteur de vitesse et la machine électrique sont lubrifiés et refroidis par le même volume de lubrifiant, ce qui permet de réduire l’encombrement de l’ensemble.
[0012] En outre, grâce à l’invention, la lubrification et le refroidissement de la machine électrique sont assurés par cette machine électrique, qui entraîne la pompe. Il est ainsi possible d’apporter un débit de fluide ajusté au régime de la machine électrique pour assurer une lubrification et un refroidissement toujours adaptés, ni trop faibles ni trop élevés (ce qui réduirait le rendement de manière inutile).
[0013] Cet avantage est particulièrement intéressant lorsque le véhicule automobile est immobile et que la machine électrique démarre. Dans cette configuration, la machine électrique peut en effet être lubrifiée et refroidie, quand bien même le moteur à combustion interne resterait à l’arrêt.
[0014] Grâce à l’invention, il est notamment possible de loger les organes du réducteur de vitesse et la machine électrique dans un même carter. L’implantation de la machine électrique dans le carter du réducteur de vitesse s’avère alors peu contraignante, notamment car le système permettant de le refroidir est plus compact qu’un système de refroidissement par eau.
[0015] D’autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du réducteur de vitesse conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- la machine électrique et la pompe sont logées dans ledit carter externe ;
- il est prévu un moyen de réduction de vitesse dont une entrée est couplée à l’arbre de sortie de la machine électrique et dont une sortie est couplée à ladite pompe ;
- le moyen de réduction de vitesse présente un rapport de réduction inférieur à 1/2 ;
- le carter externe délimite trois chambres distinctes, dont une première chambre qui loge la machine électrique, une deuxième chambre qui loge le moyen de réduction de vitesse et une troisième chambre qui loge la pompe ;
- il est prévu des moyens d’étanchéité entre au moins les deuxième et troisième chambres ;
- la machine électrique, le moyen de réduction de vitesse et la pompe ont un axe de rotation commun ;
- le moyen de réduction de vitesse et/ou la pompe comporte un arbre d’entraînement qui est situé dans l’alignement de l’arbre de sortie de la machine électrique et qui présente un conduit longitudinal interne au travers duquel le fluide de lubrification circule ;
- l’arbre de sortie de la machine électrique présente, sur une partie au moins de sa longueur, un conduit longitudinal interne au travers duquel le fluide de lubrification circule ;
- l’arbre de sortie de la machine électrique présente au moins une ouverture radiale permettant au fluide de lubrification circulant dans le conduit longitudinal interne d’être éjecté hors de l’arbre de sortie.
[0016] L’invention propose également un véhicule automobile comportant un groupe motopropulseur qui comprend un moteur à combustion interne et un réducteur de vitesse tel que précité.
[0017] 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 DETAILLEE DE L'INVENTION
[0018] 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.
[0019] Sur les dessins annexés :
[0020] [Fig. 1] est une vue schématique d’une boîte de vitesses conforme à l’invention ;
[0021] [Fig. 2] est une vue d’une portion du carter de la boîte de vitesses de la figure 1 , sur la gauche de laquelle est représentée une machine électrique couplée à un moyen de réduction de vitesse et à une pompe ;
[0022] [Fig. 3] est une vue en coupe de la portion du carter de la figure 2, sur laquelle apparaissent la machine électrique, le moyen de réduction de vitesse et la pompe ;
[0023] [Fig. 4] est une vue éclatée d’une première partie de la boîte de vitesses de la figure 1 ;
[0024] [Fig. 5] est une vue éclatée d’une deuxième partie de la boîte de vitesses de la figure 1 , sur laquelle la partie de la figure 4 est représentée en position assemblée ;
[0025] [Fig. 6] est une vue homologue de celle de la figure 3, sur laquelle le trajet de l’huile est représenté.
[0026] Sur la figure 1 , on a représenté un réducteur de vitesse d’un groupe motopropulseur. Il s’agit ici plus précisément d’une boîte de vitesses 10, mais en variante, il pourrait s’agir d’un réducteur plus simple (mono-rapport, voire bi-rapports).
[0027] Le groupe motopropulseur est préférentiellement prévu pour être installé dans un véhicule automobile. Ce véhicule automobile peut se présenter sous différentes formes. Il peut s’agir par exemple d’un camion, d’une moto, d’un avion, d’un bateau... Il s’agit toutefois de préférence d’une voiture.
[0028] Ce groupe motopropulseur est qualifié d’hybride. Il comporte alors un moteur à combustion interne (non représenté) et une machine électrique 200.
[0029] Classiquement, le moteur à combustion interne comporte un vilebrequin qui est couplé à la boîte de vitesses 10, par l’intermédiaire éventuel d’un embrayage.
[0030] La machine électrique 200 peut avoir une fonction de moteur (son couple s’ajoutant à celui développé par le moteur à combustion interne), ou d’alternateur (son couple se retranchant à celui développé par le moteur à combustion interne), ou les deux en fonction des conditions rencontrées.
[0031] Cette machine électrique 200 est ici couplée au reste du groupe motopropulseur au niveau de la boîte de vitesses 10. On parle donc de boîte de vitesses 10 hybridée.
[0032] Comme le montre la figure 1 , de manière classique, la boîte de vitesses comporte un carter externe 100 qui loge des arbres 20, 30 et pignons 40, 50 afin d’offrir plusieurs rapports de boîte. Cette boîte de vitesses pourrait se présenter sous différentes formes : boîtes manuelle, boîte robotisée, boîte automatique...
[0033] Typiquement, elle peut comporter deux arbres 20, 30 pourvus de pignons 40, 50 en vis-à-vis de diamètres différents qui s'engrènent les uns avec les autres, les pignons 50 d'un des arbres 30 étant par exemple montés fou sur cet arbre (c’est-à-dire étant laissés libres en rotation sur cet arbre) alors que les autres sont montés fixes sur l’autre arbre 20. Afin de passer un rapport de vitesse, une telle boîte de vitesses 10 utilise des dispositifs de couplage (on parle de baladeur) conçus pour coupler l'un des pignons fous 50 avec l'arbre 30 de manière à égaliser leurs vitesses de rotation.
[0034] Une telle boîte de vitesses 10 loge également un circuit de lubrification et refroidissement principal 60, qui prélève un fluide de lubrification tel que de l’huile dans le fond du carter 100 pour l’éjecter en différents endroits nécessitant d'être lubrifiés et refroidis. [0035] Cette partie de la boîte de vitesses 10 ne sera pas ici décrite plus en détail dans la mesure où elle est bien connue.
[0036] Le carter 100 de cette boîte de vitesses délimite une chambre principale qui loge les arbres 20, 30 et pignons 40, 50 précités.
[0037] Ici, ce carter 100 présente une excroissance de manière à pouvoir loger notamment la machine électrique 200.
[0038] Cette excroissance est représentée plus en détail sur la partie droite de la figure 2.
[0039] Cette excroissance comporte plusieurs parties, de façon à pouvoir faciliter l’assemblage de l’ensemble de la boîte de vitesses hybridée. Elle est ici formée de quatre parties 110, 120, 130, 140 qui sont fixées ensemble de manière à loger la machine électrique 200 ainsi qu’un moyen de réduction de vitesse 300 et une pompe à huile 400 (ces trois éléments 200, 300, 400 étant représentés en détail sur la partie gauche de la figure 2).
[0040] L’idée est donc ici que le carter 100 loge non seulement la machine électrique 200, mais également une pompe à huile 400 spécifiquement et exclusivement conçue pour refroidir et lubrifier la machine électrique 200. Le moyen de réduction de vitesse 300 est alors employé de manière que la machine électrique 200 puisse actionner mécaniquement la pompe à huile 400 à une vitesse idéale pour assurer ce refroidissement et cette lubrification.
[0041] On notera que cette vitesse est non nulle dès lors que la machine électrique 200 commence à tourner. La pompe à huile 400 étant en effet en prise constante avec la machine électrique 200 via le moyen de réduction de vitesse 300, sa vitesse dépendra de celle de la machine électrique 200, si bien que le débit d’huile employé pour refroidir et lubrifier la machine électrique 200 sera une fonction du régime de cette machine électrique (ici une fonction linéaire).
[0042] Selon l’invention, l’huile employée à cet effet sera la même que celle employée pour refroidir et lubrifier les autres composants de la boîte de vitesses. Ainsi, ici, cette huile sera prélevée dans le fond du carter 100.
[0043] La machine électrique 200, le moyen de réduction de vitesse 300 et la pompe à huile 400 sont ici successivement empilés sur un même axe (appelé axe de rotation A1), de façon à présenter un encombrement réduit.
[0044] Par simplification, dans la suite de cet exposé, les termes « droite » et « gauche » seront utilisés compte tenu de l’orientation des trois éléments 200, 300, 400 sur les différentes figures, la machine électrique 200 étant donc située à la gauche du moyen de réduction de vitesse 300, qui est lui-même situé à la gauche de la pompe à huile 400. [0045] A ce stade, on peut décrire plus en détail les trois éléments 200, 300, 400.
[0046] Comme le montrent les figures 2 et 3, la machine électrique 200 comporte classiquement un rotor 230, par exemple un rotor à aimant permanent ou un rotor bobiné, et un stator 220 situé autour du rotor 230 et comportant des bobines électriques permettant d’établir un champ magnétique tournant adapté à faire tourner le rotor.
[0047] Le rotor 230 est équipé d’un arbre de sortie 201 qui est donc adapté à tourner autour de l’axe de rotation A1. Pour cela, cet arbre de sortie 201 est équipé de deux roulements à billes engagés dans des ouvertures prévues dans deux brides 210, 211 fixées au stator 220, de part et d’autre de celui-ci. Ces deux brides sont ici maintenues en position par des boulons.
[0048] On remarque sur la figure 3 que l’extrémité gauche de l’arbre de sortie 201 est pleine et qu’elle porte un pignon fixe 240. Il s’agit ici d’un pignon permettant de coupler cet arbre de sortie 201 avec l’un des arbres 20 de la boîte de vitesses 10.
[0049] On observe que l’extrémité droite de cet arbre est creuse. Il est en effet prévu un perçage longitudinal 201A qui s’étend sur la majeure partie de cet arbre, selon l’axe de rotation A1 . Ce perçage longitudinal 201 A débouche donc du côté de la pompe à huile 400. Comme cela apparaîtra clairement dans la suite de cet exposé, il permet à l’huile d’entrer à l’intérieur de la machine électrique 200. Pour sortir de ce perçage longitudinal 201A, il est prévu ici deux séries d’ouvertures radiales 201 B, situées à proximité des deux roulements à billes et qui permettent à l’huile d’être éjectée vers ceux-ci et vers les enroulements du stator 220 afin de refroidir l’ensemble de la machine électrique 200 et de la lubrifier.
[0050] Comme le montre la figure 4, la machine électrique 200 est fixée à une première partie 110 du carter 100 par des vis 111 , ici au nombre de quatre. On observe également que deux pions de centrage 112 sont employés pour ajuster au mieux la position de la machine électrique 200 par rapport à cette première partie 110 du carter 100.
[0051] Comme le montre cette figure 4, une deuxième partie 120 du carter 100 est alors vissée sur cette première partie 110 pour enfermer la machine électrique 200. Cet enfermement n’est bien entendu pas complet, puisque des ouvertures sont prévues pour que l’huile débouchant dans la machine électrique 200 puisse s’écouler par gravité vers le fond du carter, via des ouvertures prévues à cet effet.
[0052] Les première et deuxième parties 110, 120 du carter 100 délimitent ensemble un espace pour la machine électrique 200, qui fait partie de la première chambre (dont on rappelle qu’elle loge les arbres et pignons de la boîte de vitesses). Ainsi, l’huile s’écoulant par gravité dans cet espace s’évacuera naturellement vers le fond du carter 100, c’est-à- dire vers le fond de la première chambre 200A délimitée par le carter 100.
[0053] La première partie 110 du carter 100 comporte une paroi principale sensiblement plane et orthogonale à l’axe de rotation A1 , avec un rebord en forme de bride pour sa fixation à la deuxième partie 120 du carter 100. Cette seconde partie comporte quant à elle une paroi latérale incurvée autour de la machine électrique 200, qui est ouverte du côté de la première partie 110 du carter mais qui est fermée à l’opposé par une paroi sensiblement plane au centre de laquelle est prévue une ouverture 121 de passage de l’extrémité droite de l’arbre de sortie 201 de la machine électrique 200.
[0054] L’étanchéité au niveau de cette ouverture 121 est ici assurée par un joint 122, préférentiellement du type joint à lèvres pour supporter les fortes vitesses de rotation de l’arbre de sortie 201. Ce joint est fixé dans l’ouverture 121 de manière que sa lèvre s’appuie sur l’arbre de sortie.
[0055] Le moyen de réduction de vitesse 300 est directement couplé à cet arbre de sortie, sans qu’aucun organe ne s’interpose entre les deux.
[0056] Ce moyen de réduction de vitesse 300 pourrait se présenter sous des formes bien variées.
[0057] Il est dans tous les cas prévu pour offrir un rapport de réduction inférieur à 1/2, dont la valeur permet à la pompe à huile 400 d’être actionnée à une vitesse adaptée à celle de la machine électrique 200. Typiquement, ce rapport de réduction pourra être compris entre 1/8 et 1/10.
[0058] De manière préférentielle, ce moyen de réduction de vitesse 300 est de type train épicycloïdal. Préférentiellement aussi, ses axes d’entrée et de sortie sont coaxiaux.
[0059] En l’espèce, comme le montre bien la figure 4, ce moyen de réduction de vitesse comporte une couronne fixe 340, un pignon central 310 planétaire, et un porte-satellites 320 équipé d’au moins un pignon satellite 330 engrené avec le pignon central 310 et la couronne fixe 340.
[0060] La couronne fixe 340 est ici engagée en force dans un alésage prévu dans la deuxième partie 120 du carter 100. Cet alésage est ici pratiqué en creux dans le côté droit de cette deuxième partie 120 du carter 100, de manière que son fond est formé par la paroi dans laquelle se trouve l’ouverture 121 de passage de l’arbre de sortie 201 de la machine électrique. Cette couronne fixe 340 présente une face externe ajustée à la forme de l’alésage, et une face interne présentant des dents droites régulièrement réparties autour de l’axe de rotation A1 .
[0061] Le pignon central 310 est monté sur l’extrémité droite de l’arbre de sortie 201 de la machine électrique 200. Il est monté de manière fixe par rapport à cet arbre de sortie 201 , par exemple par un montage en force ou via une liaison cannelée couplée à une butée axiale (ici un circlip 311). D’autres moyens de liaison pourraient bien entendu être employés.
[0062] Le porte-satellites 320 comporte ici un arbre (appelé « arbre d’entrainement 301 ») dont une extrémité gauche est fixée à un flasque ici en forme de croix, dont chaque branche s’étend radialement par rapport à l’axe de rotation A1. Chacune des extrémités de ces branches présente un arbre sur lequel est monté librement pivotant un pignon satellite 330, autour d’un axe parallèle à l’axe de rotation A1 .
[0063] Ainsi, lorsque le pignon central 310 pivote, les pignons satellites 330 tournent en parcourant le pourtour de la couronne fixe 340, ce qui force l’arbre d’entrainement 301 à tourner autour de l’axe de rotation A1 à une vitesse inférieure mais dépendant de celle de l’arbre de sortie 201 de la machine électrique 200.
[0064] Comme le montre la figure 3, le moyen de réduction de vitesse 300 est prévu pour être logé dans une deuxième chambre 300A délimitée par le carter 100, qui peut être éventuellement étanche par rapport à la première chambre 200A.
[0065] Pour cela, comme le montre la figure 5, le carter 100 comporte une troisième partie 130 tubulaire dont une extrémité gauche est rapportée contre la deuxième partie 120 du carter et dont une extrémité droite est fermée par une paroi plane.
[0066] Cette paroi est percée d’une ouverture centrale 131 pour le passage de l’arbre d’entraînement 301.
[0067] L’étanchéité au niveau de cette ouverture 131 est ici assurée par un joint 132, préférentiellement du type joint à lèvres pour supporter les fortes vitesses de rotation de l’arbre d’entraînement 301. Ce joint est fixé dans l’ouverture 131 de manière que sa lèvre s’appuie sur l’arbre d’entraînement 301 .
[0068] L’arbre d’entrainement 301 est alors monté libre en rotation dans cette troisième partie 130 du carter 100, autour de l’axe de rotation A1 , grâce à une roulement à billes 133 qui est engagé dans un logement prévu dans cette troisième partie 130, à côté de l’ouverture 131.
[0069] On notera que l’étanchéité statique prévue entre les deuxième et troisième parties 120, 130 du carter 100 est réalisée au moyen d’un joint plat 134. Leur fixation est assurée par vissage.
[0070] On notera sur la figure 5, que la troisième partie 130 du carter est équipée sur chacune de ses deux faces de deux pions de centrage 136 pour permettre un ajustement précis des différentes parties du carter 100 entre elles, ce qui garantit un parfait ajustement entre l’axe de l’arbre de sortie 201 et l’axe de l’arbre d’entrainement 301.
[0071] Comme le montre la figure 3, l’arbre d’entrainement 301 est creux. Il est en effet prévu un perçage longitudinal 301A qui s’étend sur toute la longueur de cet arbre, selon l’axe de rotation A1. Ce perçage longitudinal 301 A débouche donc du côté de la pompe à huile 400 et du côté de la machine électrique 200. Comme cela apparaîtra clairement dans la suite de cet exposé, il permet à l’huile d’entrer à l’intérieur de la machine électrique 200. Il est ici connecté à l’arbre de sortie 201 par une canule 500 qui est frettée dans l’arbre de sortie 201 (si bien qu’elle y est fixée) et qui pivote librement par rapport à l’arbre d’entrainement 301.
[0072] Comme le montrent les figures 3 et 5, la pompe à huile 400 est alors installée à la droite de la troisième partie 130 du carter 100, dans une chambre 400A qui est étanche et qui est délimitée par les troisième et quatrième parties 130, 140 du carter 100.
[0073] Cette pompe à huile 400 est installée directement sur l’arbre d’entrainement 131 , ce qui permet de restreindre son encombrement. Elle est donc centrée sur l’axe de rotation A1.
[0074] Différents types de pompes pourraient être employés. Typiquement, on pourrait employer une pompe à palette ou une pompe à engrenage interne à croissant.
[0075] Toutefois, ici le choix d’une pompe volumétrique à rotor excentré a été retenu.
[0076] Ce type de pompe possède un débit qui dépend directement de la vitesse de rotation de l’arbre d’entrainement 301 , ce qui convient parfaitement aux besoins de la machine électrique 200.
[0077] Comme le montre la figure 5, elle comporte une roue dentée 420 présentant une ouverture centrale par laquelle elle est montée fixe sur l’arbre d’entraînement 301. Ce montage pourrait être réalisé en force ou par frettage. Toutefois, ici, il a été choisi d’utiliser une clavette qui est bloquée dans des rainures prévues dans l’arbre d’entraînement 301 et dans l’ouverture centrale de la roue dentée 420. L’extrémité droite de l’arbre d’entraînement 301 est quant à elle filetée si bien qu’un écrou 421 peut y être vissé pour bloquer la roue dentée 420.
[0078] De la même façon que dans la deuxième partie 120 du carter 100, il est prévu dans la troisième partie 130 du carter 100 un alésage. Cet alésage est ici pratiqué en creux dans le côté droit de cette troisième partie 130 du carter 100, de manière que son fond est formé par la paroi dans laquelle se trouve l’ouverture 131 de passage de l’arbre d’entraînement 301.
[0079] La pompe comporte alors une couronne excentrique 410 à dentures internes qui est placée à l’intérieur de cet alésage.
[0080] Ainsi, lorsque la roue dentée 420 tourne, elle entraîne la couronne excentrique 410, ce qui permet de pomper l’huile d’un côté de l’alésage pour la renvoyer du côté opposé. [0081] Deux perçages 137, 138 coaxiaux sont alors prévus à l’opposé l’un de l’autre, dans le bord de l’alésage. L’un de ces perçages 137 est ici taraudé, si bien qu’un raccord peut y être vissé, ce qui permet de connecter ce perçage au fond du carter 100, là où est puisée l’huile.
[0082] L’extrémité extérieure de l’autre perçage 137 est quant à elle fermée par un premier bouchon. Ce perçage est en revanche connecté à un conduit prévu en creux dans les troisième et quatrième parties 130, 140 du carter 100, pour conduire l’huile depuis ce perçage vers l’extrémité droite de l’arbre d’entrainement 301.
[0083] La quatrième partie 140 du carter 100 est adaptée à s’appuyer contre la troisième partie 130 pour enfermer la pompe 400. Elle présente à cet effet une forme de disque, avec quatre oreilles percées permettant le passage de vis qui traversent la troisième partie du carter 100 et viennent se visser dans la deuxième partie 120.
[0084] Un joint plat 145 est utilisé pour assurer l’étanchéité statique entre ces deux parties 130, 140 de carter.
[0085] Comme le montre bien la figure 5, la quatrième partie 140 du carter 100 présente un renflement en saillie sur sa face externe, qui s’étend en longueur radialement par rapport à l’axe de rotation A1. Ce renflement délimite intérieurement un conduit radial 142 qui permet d’amener l’huile provenant de la pompe 400 jusque dans un orifice prévu longitudinalement dans le capot, selon l’axe de rotation A1. Cet orifice est connecté à l’intérieur de l’arbre d’entraînement 301 par une canule 501 qui est frettée dans le carter et qui peut pivoter librement par rapport à cet arbre.
[0086] Sur la figure 6, on a représenté le trajet emprunté par l’huile. On y observe que l’huile arrive par le premier perçage 137 et qu’elle traverse la pompe 400 pour déboucher dans le second perçage 138. Un conduit intermédiaire 141 lui permet alors de circuler (parallèlement à l’axe de rotation A1) vers le conduit radial 142 qui est prévu dans la quatrième partie 140 du carter 100. Ainsi, l’huile peut parvenir dans l’orifice axial afin de transiter dans l’arbre d’entraînement 301 puis dans l’arbre de sortie 201 pour déboucher dans la machine électrique 200.
[0087] Ici, le premier perçage 137, le conduit intermédiaire 141 et le conduit radial 142 sont réalisés par perçage, ce qui explique l’emploi de bouchons 139, 149 placés au niveau de leur débouché vers l’extérieur. En variante, ils pourraient être réalisés autrement, par exemple lors de l’étape de fonderie du carter, ou ils pourraient être remplacés par des conduites extérieures afin de guider le flux d’huile depuis la zone de refoulement de la pompe vers l’axe de retour d’huile.
[0088] Le fonctionnement de la boîte de vitesses 10 est alors le suivant.
[0089] Lorsque l’arbre de sortie 201 de la machine électrique 200 est soumis à une vitesse de rotation Q1 , il entraîne via le moyen de réduction de vitesse 300 l’arbre d’entraînement 301 à une vitesse de rotation Q2 réduite, adaptée au fonctionnement de la pompe à huile 400.
[0090] Entrainée en rotation, la roue dentée 420 va donner à la couronne excentrique 410 un mouvement circulaire excentrique qui va créer une aspiration du côté du perçage 137 et un refoulement du côté opposé.
[0091] Grâce aux conduits internes au carter 100, un flux d’huile va alors être ramené axialement le long des deux arbres 201 , 301 (les canules assurant l’étanchéité entre le carter 100 et l’arbre d’entraînement 301 et entre l’arbre d’entraînement et l’arbre de sortie 201). Enfin, les perçages radiaux prévus dans l’arbre de sorte 201 vont alimenter en huile les parties actives et les roulements de la machine électrique 200.
[0092] Grâce à la vitesse de rotation de la machine électrique 200 et à ces perçages radiaux, l’huile est en effet naturellement projetée vers ces différents composants. Elle retombe ensuite directement dans le fond du carter 100, par ruissèlement le long des parois du carter.
[0093] Le débit d’huile utilisé pour lubrifier et refroidir la machine électrique peut atteindre une valeur maximum qui est supérieure à 2 L/min, et qui est ici de l’ordre de 6 L/min lorsque la machine électrique atteint une vitesse de rotation de 18000 tr/min.
[0094] A ce stade, on pourra noter que le circuit d’alimentation en huile de la pompe à huile 400 comportera de préférence une vanne du type clapet anti-retour (non représentée) afin d’empêcher la pompe à huile 400 de déjauger (cette dernière se trouvant au-dessus du niveau d’huile de la boite de vitesses). Il pourrait également comporter un échangeur thermique afin de refroidir l’huile.
[0095] On pourra aussi noter que la lubrification du moyen de réduction de vitesse pourra s’effectuer de plusieurs façons. On pourra employer une lubrification à vie, en enfermant un lubrifiant dans la chambre 300A au moment de l’assemblage de la boîte de vitesses. En variante, on pourrait prévoir dans le carter un bouchon de remplissage permettant d’ajouter un lubrifiant dans cette chambre 300A et de le vidanger au besoin. Encore en variante, on pourrait prévoir des orifices dans la paroi séparant les chambres 200A, 300A, pour que l’huile de la machine électrique puisse être projetée sur le moyen de réduction de vitesse 300. [0096] 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. [0097] En particulier, on pourrait prévoir que l’huile lubrifiant les organes de la boîte de vitesses et la machine électrique 100 soit stockée non pas dans le fond du carter, mais dans un réservoir d’huile dédié situé hors du carter, sous ce dernier.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Réducteur de vitesse (10) comportant un carter externe (100) qui loge au moins un arbre (20, 30) et un pignon (40, 50) et qui comporte un circuit de refroidissement et de lubrification (60) adapté à projeter un fluide de lubrification sur ledit arbre (20, 30) et/ou ledit pignon (40, 50), caractérisé en ce qu’il comporte également :
- une machine électrique (200) qui comprend un arbre de sortie (201) couplé audit au moins un arbre (20, 30), et
- une pompe (400) qui est actionnée par la machine électrique (200) et qui est adaptée à refroidir et lubrifier la machine électrique (200) à l’aide dudit fluide de lubrification.
[Revendication 2] Réducteur de vitesse (10) selon la revendication 1 , dans lequel la machine électrique (200) et la pompe (400) sont logées dans ledit carter externe (100).
[Revendication 3] Réducteur de vitesse (10) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel il est prévu un moyen de réduction de vitesse (300) dont une entrée est couplée à l’arbre de sortie (201) de la machine électrique (200) et dont une sortie est couplée à ladite pompe (400).
[Revendication 4] Réducteur de vitesse (10) selon la revendication 3, dans lequel le moyen de réduction de vitesse (300) présente un rapport de réduction inférieur à 1/2.
[Revendication 5] Réducteur de vitesse (10) selon la revendication 3 ou 4, dans lequel le carter externe (100) délimite trois chambres distinctes, dont une première chambre (200A) qui loge la machine électrique (200), une deuxième chambre (300A) qui loge le moyen de réduction de vitesse (300) et une troisième chambre (400A) qui loge la pompe (400), et dans lequel il est prévu des moyens d’étanchéité entre au moins les deuxième et troisième chambres (300A, 400A).
[Revendication 6] Réducteur de vitesse (10) selon l’une des revendications 3 à 5, dans lequel la machine électrique (200), le moyen de réduction de vitesse (300) et la pompe (400) ont un axe de rotation (A1) commun.
[Revendication 7] Réducteur de vitesse (10) selon l’une des revendications 3 à 6, dans lequel le moyen de réduction de vitesse (300) et/ou la pompe (400) comporte un arbre d’entraînement (301) qui est situé dans l’alignement de l’arbre de sortie (201) de la machine électrique (200) et qui présente un conduit longitudinal interne (301A) au travers duquel le fluide de lubrification circule.
[Revendication 8] Réducteur de vitesse (10) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel l’arbre de sortie (201) de la machine électrique (200) présente, sur une partie au moins de sa longueur, un conduit longitudinal interne (201A) au travers duquel le fluide de lubrification circule.
[Revendication 9] Réducteur de vitesse (10) selon la revendication 8, dans lequel l’arbre de sortie (201) de la machine électrique (200) présente au moins une ouverture radiale (201 B) permettant au fluide de lubrification circulant dans le conduit longitudinal interne (201A) d’être éjecté hors de l’arbre de sortie (201).
[Revendication 10] Véhicule automobile comportant un groupe motopropulseur qui comprend un moteur à combustion interne et un réducteur de vitesse (10), caractérisé en ce que le réducteur de vitesse (10) est conforme à l’une des revendications précédentes.
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