Boîte à vitesses automatique à 2 rapports

[tango zoulou]

Les boites de vitesse automatiques, ça existe déjà en Lego :

http://www.techlug.fr/Forum/topic2970.html
http://www.techlug.fr/Forum/topic601.html

Mais ça reste un peu gadget.
Les modèles existants ont soit un problème de fiabilité, soit un problème de taille (ou les deux...).

Mon objectif était de rendre ce concept utilisable en simplifiant la conception de la BV, notamment en supprimant l'utilisation du différentiel, le tout sans détruire la fiabilité.

Et c'est chose faite :







L'entrée est en rouge, la sortie en jaune.

Avec seulement 6 roues dentées et 5 groupes cinématiques, cette boite de 2 vitesses rivalise avec de simple boite manuelle, et pourtant elle est automatique.





Explications de base :

Le principe de base est le même que pour la plupart des BV auto : la boite est en 2 en temps normal, mais si la charge est trop importante alors un système mécanique commute la BV en 1 jusqu’à une charge plus faible et dans ce cas ça retourne en 2.
On ne mesure pas la puissance, seulement le couple (suffisant en lego).


Mais comment mesurer le couple ?

Il existe bien sur le différentiel, mais l'objectif est de le supprimer.


Quand on dis qu'un engrenage transmet du couple, c'est un abus de langage.
En réalité les engranges transmettent un moment (tendance à faire tourner) et un effort.
Cet effort est porté par la ligne d'action :


remarque : cette ligne est orienté d'environ 20° par rapport à la tangente. Du coup l'effort à une composante normale, et c'est elle qui fait craquer vos engrenages quand l'entraxe n'est pas assez rigide.

L’effort de denture est bien sur directement relié à la charge.
Bref, où est le rapport (si j'ose dire..) ? Et bien c'est l'effort de denture, quand celui ci dépasse une valeur d'équilibre, qui entraine le passage de la vitesse. La valeur de référence est donné par un élastique.
En terme plus simple, l’engrenage de la 2 va sauter sous une forte charge, il sera débrayé mais il entrainera l'engrenage de la 1 en contact, la boite a rétrogradé sous une forte charge.
Et quand la charge devient plus faible, c'est l'effort de l'élastique qui va recommuter en 2.

Techniquement parlant :

1 : ratio de 0.6





2 : ratio de 1





L'élastique maintient la 2 :



Des butés empêchent d'aller trop loin.


Avec ça vous pouvez comprendre le principe de la boite.
Ça à l'air simple, mais pour la concevoir, ça a été beaucoup plus fin que ça.

Explications avancées :

Dans toute boite automatique mécanique, deux problèmes se posent :
Passage de la vitesse :
On est en vitesse 1, ou en 2 : ce phénomène est discret, il ne peut prendre qu'un nombre finis d'état.
Or, il faut contrôler ce phénomène avec des phénomènes physiques continues (les variations de couple ici). D’où la difficulté.
J'ai du chercher un configuration d’engrenage qui permette lors du passage de n'avoir à la fois aucune rupture de transmission et pas trop d’engrènement simultané (sinon ça coince).
Au final la solution que j'ai trouvé est vraiment simple. Mais ça craque un peu. (j'y reviendrai)
Stabilité :
J'ai mis du temps à comprendre l'importance du phénomène d'hystérésis, mais c'est ça qui assure la stabilité de la BV.
Qu'est ce c'est l’hystérésis ? C'est quand un système n'a pas les même propriété dans un sens comme dans l'autre.
Ici, le moment qui entraine le passage de vitesse est plus important en 1 qu'en 2 grâce à une position judicieuse des pignons. Ainsi, le couple de référence pour rétrograder en 1 est plus important que celui pour revenir en 2. Une fois que la BV est en 1, elle y reste ! Sauf si grosse diminution de couple...
Sur les BV auto à différentiel, le problème est le même, mais posé sous une autre forme : mettre le diff avant ou après la BV ? Après bien sur...


Inconvénients :
- Ça craque sous une certaine valeur précise de charge. Impossible de corriger le problème, c'est due à la "conversion" continue/discret.
Mais si la boite est bien réglé (c'est à dire l'élastique bien tendu), un MOC utilisant cette BV n'aura jamais à rouler sous cette charge trop longtemps.
En outre, ça craque mais ça ne s'use pas (ou très peu alors...).
- la boite ne peut tourner que dans un sens de rotation, et l'entrée ne peut pas être inversée avec la sortie. Ça peut poser des problèmes pour faire des marches arrières...
- peu de perspective d'évolution : il est très dur de trouver d'autre configuration aussi simple et efficace.
Avantages :
- sa simplicité !
- sa fiabilité : la transmission n'est jamais rompue, applicable pour des charges de référence importantes, aucune pièces ne se délogent
- sa taille, sa facilité d'intégration à un châssis, peu de pièce et seulement des pièces basiques.
- des ratios optimum ( 1 et 0.6)
- une facilité de réglage (un seul paramètre dans l’équation : la tension de l'élastique, ça va... )
- pas de pièce merdique, genre les 8t qui frotte masse ou des 24t qui gène tout.

Extrapolation : BV automatique 3 vitesses :
Que se passe t-il si on colle deux de ces boites ? Ça fait une BV auto à 3 vitesses. Pas 4, il y deux rapports identiques, et de toute façon l'automatisme ne pourrai pas gérer la vitesse manquante.



Ça marche plutôt bien. Si la BV est bien réglé (c'est à dire une tension plus forte sur l'élastique de la boite amont), on a vraiment 3 vitesses qui passent les unes après les autres.

Évidement, si on continue sur ce principe, on peut faire une BV auto à 4 vitesses (et pas 8 ) en collant une troisième boite. Mais ça perd en intérêt...

Vidéo :

(La vidéo est provisoire, il n'y y avait pas assez de lumière et la qualité est pourave. Une autre viendra, plus explicite)



Montage de votre BV auto :
- faites attention au sens des pièces durant le montages, il existe plein de sens différents mais seul quelques un feront tourner votre boite comme il faut.
- il faut ajuster la tension de l'élastique pour que ça ne craque pas sous la charge standard (genre quand le véhicule roule en vitesse de croisière), c'est pas forcément très simple.
- la BV doit être positionné dans l'endroit de la chaine de transmission ou le couple est faible et la vitesse importante. Ça évitera de trop serrer l'élastique et de plus la boite ne peut pas commuter à des faibles vitesses.

Utilités :
-MOC roulant à forte inertie
-MOC roulant polyvalent (semi TT, semi routier)
- Que trouverez vous d'autre ? Surprenez moi...

J'essayerai de l'utiliser sur un MOC, à l'occasion.

[mathieulego]

Salut
Elle a l'air plutôt pas mal ta boite je vais essayer de l'assembler et te dirais ce que j'en pense

A bientôt

[Nico71]

On est en vitesse 1, ou en 2 : ce phénomène est discret, il ne peut prendre qu'un nombre finis d'état.
Or, il faut contrôler ce phénomène avec des phénomènes physiques continues (les variations de couple ici). D’où la difficulté.
J'ai du chercher un configuration d’engrenage qui permette lors du passage de n'avoir à la fois aucune rupture de transmission et pas trop d’engrènement simultané (sinon ça coince).
Au final la solution que j'ai trouvé est vraiment simple. Mais ça craque un peu. (j'y reviendrai)
Stabilité :
J'ai mis du temps à comprendre l'importance du phénomène d'hystérésis, mais c'est ça qui assure la stabilité de la BV.
Qu'est ce c'est l’hystérésis ? C'est quand un système n'a pas les même propriété dans un sens comme dans l'autre.
Ici, le moment qui entraine le passage de vitesse est plus important en 1 qu'en 2 grâce à une position judicieuse des pignons. Ainsi, le couple de référence pour rétrograder en 1 est plus important que celui pour revenir en 2. Une fois que la BV est en 1, elle y reste ! Sauf si grosse diminution de couple...

Ahhh ça c'est très bien d'en parler ! Le problème d’engrènement simultanée est bien connu sur les BV comme ça, ou celle rectiligne, ou celle séquentielle mal synchronisée. Pour l’hystérésis, pas définition si la BV s'adapte à la charge en fonction du couple, il sera toujours là, la seule solution serait de découpler le système qui lit le couple sur l'axe de sortie et l'actionneur de changement mais en mécanique voilou !

Sinon, tu utilises le mêmes principes que la boite de ZBLJ (qui utilise le même principe qu'une boite de vitesse à groupe cinématique mobile) mais la tienne à l'avantage d'être bien plus compact !



Après, je pense qu'il faut creuser pour avoir 3 ou 4 rapport, je pense que c'est possible au prix d'un montage plus gros et peut être moins de couple à passer

Par exemple celle la, en 3+R qui utilise non pas un groupe cinématique mobile en rotation mais en translation :



Et qui est pas si gros que ça si on ne garde que la partie engrenage (sans la partie commande), mais qui n'est pas automatique !

Merci à toi pour les explications ! c'est bien de faire vivre cette section !

[Anto]

Bravo, très bien trouvé !

Il ne reste plus qu'à la monter sur un MOC pour voir comment elle se comporte.

Pour les craquements, peut être qu'un semi point de rebroussement (deux bielles face à face : formant un angle légèrement inférieur ou égal à 180°) placé au niveau du levier de passage des vitesses enpêcherait les craquemeents. Je m'explique :
Considérons que la boîte est en 1ère vitesse. L'élastique tire sur le semi point de rebroussement (qui lui-même tire le levier de vitesses) mais la boîte ne peut pas passer en 2ème à cause du phénomène d'hystérésis. Lorsque l'effort à transmettre devient moins important (diminution de l'effet d'hystérésis), l'élastique va avoir assez de force pour faire bouger le point de rebroussement et ainse faire passer la vitesse d'un coup, évitant les craquements entre la passage des vitesses. Donc il y aurais seulement deux positions exactes.
Un schéma pour mieux comprendre :

[Cams903]

Alors la je dis chapeau pour ta BV et pour les explications ! Sujet très intéressant et très bien expliqué, j'essaierais de reproduire ta BV et de l'intégrer a un MOC (encore faudrait-il que je présente mon premier). Je suis loin d'être un expert dans ce domaine mais je lis tout cela avec beaucoup de plaisir. Continuez ainsi !

[tango zoulou]

Pour l’hystérésis, par définition si la BV s'adapte à la charge en fonction du couple, il sera toujours là

Oui, mais pas forcément dans le bon sens.
Si par exemple on met le diff avant la BV, il enregistrera une baisse de charge en passant la 1, du coup il retournera en 2, mais là la charge sera de nouveau trop importante el il repassera en 1. Bref, le système sera instable.
C'est bien l'effet d’hystérésis, mais pas dans le sens stable.

J'ai eue le même soucis sur mon premier prototype de BV auto. J'ai failli tout abandonner en pensant que c'était pas possible de corriger ça !

Sinon, tu utilises le mêmes principes que la boite de ZBLJ

Je me disais bien que j'avais vue un truc du genre quelque part.

Après, je pense qu'il faut creuser pour avoir 3 ou 4 rapport, je pense que c'est possible au prix d'un montage plus gros et peut être moins de couple à passer

Est vraiment nécessaire ?
J'ai préféré faire un montage simple compact et fiable que tout le monde peut utiliser. On peut faire pas mal de chose avec 2 vitesses.
Refaire un truc plus gros, plus complexe juste pour dire qu'il y a 4 vitesses, c'est pas refaire un gadget inutile ?

Et qui est pas si gros que ça si on ne garde que la partie engrenage

Oui mais peut on directement utiliser les efforts de denture pour passer la vitesse ? Pas sur...

Pour les craquements, peut être qu'un semi point de rebroussement [...]

Pas sur d'avoir saisis tes explications, par contre je crois voir ce que tu veux dire.
En mes termes, ça reviens à dire que la position intermédiaire (entre 1 et 2) doit être une position instable. (genre une bille sur une arrête : c'est pas possible, elle va soit à droite soit à gauche).
On peut le faire de façon simple avec un montage simple comme celui là :

Quand le levier est à droite, la BV est en 1, à gauche la BV est en 2.
Comme tu peux le voir, la position intermédiaire n'est pas possible (en pratique). Donc il ne pourrais pas y avoir de craquements.

Mais avec ça on ne peut pas revenir en 2 puisque l'élastique ne travail plus dans le bon sens.

Il faut en fait que le moment créé par l'élastique diminue quand on atteint la position intermédiaire, sans devenir négatif en 1. (pas sur que vous avez tous tout compris... )

Et c'est ce que j'ai essayé de faire, l'élastique est le plus parallèle possible au bras de levier quand la boite est en 1. Mais je suis limité par l'architecture de la BV.

Mais dans l'équation il interviens aussi la raideur de l'élastique. Pour bien faire il faut une forte précontrainte et une faible raideur pour s'approcher d'un comportement discret.


Bref, vous l'aurez compris, c'est pas simple...