Boîte de vitesses automatisée pour poids lourd de gros tonnage

Boîte de vitesses automatisée pour poids lourd de gros tonnage Boîte ZF-ASTRONIC / IVECO-EUROTRONIC (d'après BPT2001 - SI3) Contexte de l'étude [pic] Figure 1 : Poids lourd équipé de la boîte ZF-ASTRONIC À mesure que le trafic s'intensifie sur les routes, les transporteurs
apprécient de plus en plus la facilité de maniement des véhicules et
cherchent à améliorer le cadre et les conditions de travail des chauffeurs.
L'utilisation de moteurs puissants permet de réduire la tâche du
conducteur, mais pour les transports lourds il est nécessaire d'utiliser
des boîtes de vitesses ayant un grand nombre de rapports. La conception de
telles boîtes, faciles à manier, demande une attention particulière. Les
activités des constructeurs de véhicules et de boîtes de vitesses se sont
orientées, dans le passé, vers des boîtes mécaniques automatisées avec des
équipements supplémentaires tels que vérins de commande, capteurs, ou vers
des boîtes à commande automatique associant en général un coupleur
convertisseur et des trains épicycloïdaux.
[pic] Figure 2 : Vue extérieure de la boîte de vitesses
[pic]
Figure 3 : Poste de conduite La société ZF, spécialiste de la conception de boîtes de vitesses, a quitté
cette voie pour développer, en collaboration avec IVECO, les boîtes de
conception complètement intégrée de type ASTRONIC ou EUROTRONIC. Toutes les
fonctions de la boîte sont rassemblées dans une unité. Le conducteur n'a
pas besoin d'embrayer, il ne lui reste plus qu'à déclencher le passage des
vitesses. Il peut donc entièrement se concentrer sur la conduite de son
véhicule. De plus, le système de contrôle de la boîte évite toutes les
erreurs éventuelles de manipulation, ce qui entraîne une augmentation de la
fiabilité de la transmission.
L'automatisme de commande intégrée à la transmission a permis à ZF
d'obtenir une réduction de l'encombrement et du poids de plus de 15%, soit
environ 40 kg, par rapport à une boîte manuelle classique, tout en gardant
une fiabilité comparable. Le constructeur IVECO propose actuellement deux
exécutions de cette boîte pour les poids lourds : une boîte à 12 rapports
de 245 kg, associée à un moteur de 9,5 litres de cylindrée développant 276
kW et une boîte à 16 rapports de 266 kg, associée à un moteur de 13,8
litres de cylindrée développant 345 kW.
L'étude proposée est centrée sur la conception et la commande de ce type de
boîte. Cette boîte, à commande automatisée, est spécialement développée
pour les véhicules industriels lourds équipés d'un moteur diesel à gestion
électronique ou EDC. |[pic] |1 : Boîte de vitesses |
| |2 : Unité de commande de|
| |la boîte |
| |3 : Commande de |
| |l'embrayage |
| |4 : Sélecteur de vitesse|
| | |
| |5 : Écran de contrôle |
| |6 : Boîtier électronique|
| | |
| |7 : Pédale |
| |d'accélérateur |
| |8 : Pédale de frein |
| |[pic] |
Figure 4 : Boîte de vitesses et commande La boîte de vitesses ASTRONIC ou EUROTRONIC se commande de manière aisée et
logique. Si l'on veut conserver un contrôle direct sur le véhicule il est
toujours possible de sélectionner les rapports par voie manuelle. Ces
opérations se déroulent alors rapidement et en souplesse. Le levier de
changement de vitesses ne peut se déplacer que selon un seul axe. Ce qui
exclut des erreurs de sélection. Pour monter ou descendre les rapports, il
suffit de déplacer logiquement le levier vers l'avant ou vers l'arrière. Si
l'on déplace le levier en position extrême, vers l'avant ou vers l'arrière
(+2 ou -2), on saute un rapport. Mais, l'unité de gestion électronique
n'autorise cette opération qu'à la condition qu'elle soit possible. Ce
dialogue entre la boîte de vitesses et le moteur assure un bon
fonctionnement et empêche le risque d'emballement par exemple. L'unité de
gestion électronique évite toutes les surcharges du moteur et de la
transmission.
L'écran de contrôle, disposé sur le tableau de bord, indique les rapports
que l'on peut sélectionner avec, éventuellement, des conseils appropriés.
Cet écran fait également fonction d'élément d'auto-diagnostic du système,
en signalant les risques de défectuosités, par exemple en cas de surchauffe
de l'embrayage. S'il s'agit d'une véritable panne, un dispositif de marche
avec ménagement est activé, de manière à établir un programme de changement
de vitesses adapté à la situation, pour permettre d'atteindre le point
service le plus proche.
[pic] Figure 5 : Schéma de la transmission [pic] Figure 6 : Architecture générale Les figures présentent l'architecture de la transmission de puissance du
poids lourd et le principe de la boîte de vitesses étudiée. Pour obtenir le
nombre de rapports nécessaire à une transmission de poids lourd, un
doubleur de gamme et un groupe relais sont placés de part et d'autre de la
boîte centrale à crabots à quatre rapports.
[pic] Figure 7 : Coupe de la boîte de vitesses [pic] Figure 8 : Schéma cinématique avec un seul arbre intermédiaire représenté
I : La boîte et sa commande Le but de cette première étude est d'analyser la réalisation de cette boîte
et en particulier de justifier pourquoi le constructeur a supprimé, sur une
partie de la boîte (boîte centrale), les synchroniseurs qui ont été
développés il y a quelques dizaines d'années pour faciliter le changement
de rapport des boîtes à commande manuelle. En simplifiant, un synchroniseur
est l'association d'un crabot et d'un embrayage ; le but de l'embrayage
étant d'assurer la synchronisation des vitesses du pignon fou et de l'arbre
lors d'un changement de rapport. 1) Architecture de la boîte Le doubleur de gamme et la boîte centrale comportent deux arbres
intermédiaires similaires. Ceci n'est pas une solution technologique
classique.
) Justifier rapidement ce choix du constructeur.
) Préciser les précautions à prendre lors de la réalisation et lors du
montage de ces arbres.
Le groupe relais est réalisé à partir d'un train épicycloïdal.
) Justifier ce choix technologique. 2) Changements de rapport [pic] Figure 9 : Passage des rapports Sur le schéma utilisé pour étudier un changement de rapport, on note
respectivement m, e, i et s les arbres du moteur, d'entrée de la boîte,
intermédiaire et de sortie de boîte. La fréquence de rotation de l'élément
j par rapport au carter de la boîte est notée ?j. Les deux rapports de la
boîte centrale sont : Pour simplifier l'étude, le rapport du doubleur de gamme est pris égal à : On suppose qu'il n'existe que des crabots, et donc pas de synchroniseur,
entre le baladeur et les pignons fous notés b et d. Les différentes phases
d'un changement de rapport sont :
- débrayage,
- passage au point mort,
- synchronisation,
- engagement du rapport,
- embrayage.
Le baladeur est en liaison glissière avec l'arbre de sortie. Pour ne pas
détériorer les crabots, le baladeur ne doit se déplacer que lorsque la
fréquence de rotation du pignon fou par rapport au baladeur est nulle.
L'étude porte sur cette phase de synchronisation.
Pour simplifier les calculs, on suppose que, lors d'un changement de
rapport, la fréquence de rotation de l'arbre de sortie notée ?s reste
constante, c'est-à-dire que le véhicule avance à vitesse constante. De
plus, on suppose que le véhicule avance en ligne droite. Le moment
d'inertie de l'élément j par rapport à son axe d'inertie est noté Ij.
On note I le nom du rapport lorsque le baladeur est dans la position
gauche, pour une liaison complète entre le pignon b et l'arbre de sortie et
II le nom du rapport lorsque le baladeur est dans la position droite avec
une liaison complète entre le pignon d et l'arbre de sortie.
) Après débrayage et passage au point mort, en supposant que les
différentes pertes dans la boîte sont modélisées par un couple résistant ou
couple de frottement dans la liaison pivot entre l'arbre intermédiaire et
le bâti, noté Cfeq, et en utilisant les hypothèses proposées, établir
l'équation de mouvement permettant de déterminer la fréquence de rotation
de l'arbre intermédiaire. La démarche et les notations utilisées doivent
être clairement précisées.
) En supposant que le couple résistant Cfeq est constant, monter que
l'évolution de la fréquence de rotation de l'arbre intermédiaire est une
fonction affine du temps. 2.1 Étude simplifiée de la phase de synchronisation lors de la montée des
rapports au passage I à II L'évolution de la fréquence de rotation du moteur est proposée en
pointillé.