Pourquoi ne pas remettre les moteurs-roues au “goût du jour”

Plutôt que de faire la course à la vitesse, les constructeurs automobiles font aujourd’hui la chasse au CO2 ; C’est ici que la traction électrique devient l’une des pistes possibles à développer.

Dans la course à la réduction des émissions de CO2 et à la mise en conformité avec les plafonds imposés par les différents gouvernements, les constructeurs automobiles cherchent des moyens leur permettant d’intégrer des éléments nouveaux dans des structures existantes.

L’un d’eux vient de Protean Electric** dont le moteur électrique est intégré dans le moyeu de la roue.

Il s’agit en fait d’une adaptation moderne d’une idée ancienne. Il y a plus d’un siècle, Ferdinand Porsche a vendu 300 voitures équipées de moteurs-roues électriques. L’arrivée de l’essence bon marché y a mis fin. Mais aujourd’hui, les coûts galopants du carburant, pour les consommateurs et pour l’environnement, remettent les moteurs-roues au goût du jour. L’idée est toute simple, a expliqué Ken Stewart, vice-président développement commercial chez Protean Electric : "Pourquoi ne pas appliquer le couple directement à la roue, là où il est utile ?"

Pourquoi ne pas remettre les moteurs-roues au "goût du jour"

La solution présente aussi l’avantage de libérer de l’espace à l’intérieur du véhicule. "Non seulement le moteur s’insère dans un espace mort, mais cela permet d’éliminer l’arbre de transmission, la boîte de vitesses, le différentiel et toutes les liaisons mécaniques. Il suffit d’appuyer sur l’accélérateur qui envoie un signal électrique pour augmenter le couple au niveau de la roue."

Le moteur est encore en phase d’essai sur des prototypes. Protean compte passer à la production en série en 2014. Il serait parfait pour compléter la chaîne cinématique existante de la voiture. Pour Protean, une des principales utilisations à moyen terme, c’est de permettre aux exploitants de parcs automobiles de réduire l’empreinte carbone de leurs véhicules en les transformant en hybrides avec deux moteurs-roues électriques et deux roues entraînées par le moteur thermique, le tout géré par un logiciel intelligent. Cela intéressera aussi les constructeurs qui redessinent des modèles existants : "Les constructeurs ont réalisé qu’ils ne pourront répondre aux normes de plus en plus sévères avec leur propre technologie que pendant deux ou trois ans encore, mais après cela, il faudra d’autres approches."

À l’avenir, la motorisation au niveau des roues pourrait entraîner un remodelage complet de l’automobile, avec, par exemple, des véhicules ressemblant à des nacelles capables de faire des créneaux en roulant transversalement.

Si la roue est donc l’endroit idéal pour y loger un moteur, c’est aussi le pire.

Elle subit en effet des vibrations et les irrégularités de la route, elle reçoit des projections d’eau et heurte des trottoirs. Les joints des roues motorisées doivent obligatoirement empêcher la pénétration de corps étrangers entre le rotor et le stator. Dans cette application, les joints doivent répondre à un ensemble de contraintes thermiques et physiques. Le problème, c’est la grande diversité de conditions de fonctionnement. Imaginez que la voiture soit garée en Alaska dans une flaque qui gèle pendant la nuit. Quand le moteur démarre, le joint atteint une température de frottement potentielle de 160 °C.

Des batteries d’essais sont en cours.  Si, jusqu’ici, le joint s’est montré « sans faille », Tony Fagg spécialiste des matériaux en élastomère estime que quelques petits ajustements seront malgré tout nécessaires. Et Ken Stewart de conclure : « C’est un élément critique du moteur mais je suis très confiant. »

** Protean Electric fabrique des moteurs-roues depuis 2005. L’entreprise a équipé plusieurs véhicules prototypes, notamment une Mini Cooper, une Mercedes Brabus et une camionnette Vauxhall. Établie à Détroit aux États-Unis, elle assure son développement technique à Farnham au Royaume-Uni et envisage d’ouvrir une usine en Chine.

         

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alainraf

c’est le pire endroit car tous les ingénieurs savent que l’ennemi du confort de la tenue de route et de la mécanique est la masse suspendue sous les amortisseurs… Michelin a déjà étudié le sujet il y a plus de 30 ans; seuls sont équipés les chariots de manutention où l’encombrement a de l’importance.

Herve

alainraf a raison sur le fait que la masse non suspendue est un handicap pour la tenue de route. Michelin sont les plus en avance sur ces technos ou ils ont placé dans leur “active weel” une suspention ultra moderne gérée par calaculateur pour compenser ce probleme. Mais la roue présentée ici (qui semble être un direct drive) reste pour moi un trés bon concept pour des voitures de ville aux performances limitées. ça dégage enormément de place dans l’habitacle et doit donner de meilleures perfs en conso/autonomie . Pour aller plus loin, il faudra être capable d’alléger le dispositif, ce qui n’est peut être pas impossible. Je crois beaucoup a ce concept pour l’avenir, mais la difficulté des VE porte surtout sur la batterie

moveoneart

Le moteur roue existe pour les vélos électriques, les scooters électriques, les transporteurs électriques, les utilitaires électriques (Muses Moovile), facilite l’entretien du véhicule (absence de transmission mécanique), permettrait la mobilisation des roues de façon indépendante, bref… vive ce progrès !

tibeau

Pour les vélos électriques, on pourra quand même noter que les moteurs roues ont un moins bon rendement que les moteurs couplés au pédalier (pedelec?). En effet les moteurs couplés au pédalier profitent de la démultiplication offerte par la transmission et fonctionnent quasiment toujours à vitesse constante (entre 60 et 90 tours/min au pédalier). Un moteur roue, doit avoir une plage de fonctionnement bien plus large et son optimisation est moins bonne. Néanmoins pour les voitures c’est une très bonne idée, si on peut remodeler les voitures et diminuer leur taille (plus besoin du capot avant!) c’est toujours autant de place de gagnée en ville pour le stationnement et pour l’encombrement des routes !

sprol

Moteur-roue: attention ! Certes en théorie le rendement de transmission est optimal puisque la chaîne cinématique est réduite à sa plus simple expression (directe) mais il est par contre aussi directement influencé par la vitesse de rotation du moteur et donc de celle du véhicule. Ceci entraîne que l’efficacité baisse dès que l’on s’écarte de la vitesse optimum. Ce dernier problème d’efficacité en fonction de la vitesse de rotation du moteur électrique se pose également avec la tendance générale par les constructeurs de faire une transmission à rapport fixe (pas de boite de vitesse) et sans embrayage, sous prétexte d’une bien meilleure réponse de couple/vitesse de rotation voir même à l’arrêt du moteur électrique vis-à-vis du moteur thermique. Le problème de la masse suspendue(rebonds => tenue de route, etc.) ainsi que de l’étanchéité stator/rotor ont également été évoqués et sur les quels les constructeurs travaillent. Un aspect a toutefois ne pas négliger c’est le danger en cas de blocage ou de variation brusque du couple moteur (court-circuit, etc.) sur une seule roue, surtout si c’est une roue avant, ce qui aurait pour conséquence de dévier subitement la voiture de sa trajectoire… Bref, pour toutes ces raisons, en intégrant un moteur électrique de traction dans une voiture, on a intérêt de garder la boite à vitesses, l’embrayage et le différentielle, ceci à l’instar de la DYANE ELECTRA qui roule en Suisse (homologuée) de depuis 15 ans (108’000 km) avec 2 batterie Li-Po (200 km d’autonomie et une consommation de 10 kWh/100 km) : qui dit mieux ? Sol(id)airement 😉

Stephsea

Cela combien d’année qu’on lute contre le poids des roues et des éléments mobiles de la supension? Depuis le début des véhicules motorisés sur route, plus ou moins… Ajouter de l’inertie à tout ce qui est en “aval” de la suspension est délétère : l’inertie modifie et dégrade la tenue de route proportionnellement au carré de la vitesse, pour faire simple. Donc, si tout va bien à 10km/h, il n’en sera plus de même à 20km/h quand les contraintes pertubatrices seront multipliées par quatre… ETC. Tout n’est donc pas “si simple”.

Claude b.

Du Québec (Hydro-Québec)

Pastilleverte

et si on décalait le moteur “roue” un peu plus en aval avec juste une transmission par cardan ? Un peu comme le faisait Citroën avec les freins à disque des GS qui n’étaient pas dans les roues, mais sur les cardans ou du moins en sortie de boite de vitesse (de mémoire). (j’ai conscience de dire peut être une énormité , mais …) PS et comme dit précédemment, le problème de la batterie, ou de la PAC reste encore posé

Herve

@Sprol Il me semble qu’il n’y a pas de boite a vitesse sur la pluspart des VE actuels. (Ni d’embrayage). Contrairement a un moteur thermique, les moteurs actuellement montés sur les VE ont un trés bon rendement, quasi plat sur une large gamme de vitesse. Ajouter une boite ajoute du poids et des pertes supplémentaires, ce qui doit annuler l’interêt d’en disposer, sauf sur des vehicules concus pour un usage particulier. Quant a l’embrayage, je ne vois pas trop à quoi il servirait sur un VE.Pour débrayer, il suffit de couper l’alim du moteur.

Dan1

A Pastilleverte. “et si on décalait le moteur “roue” un peu plus en aval avec juste une transmission par cardan ?” Plus en amont de la chaîne de traction, je suppose, car le moteur roue c’est le summum de l’aval… avec ses contraintes. Ben oui, c’est faisable… tellement faisable que c’est comme ça que l’on fait actuellement et c’est pas nouveau, car les anciens VE fonctionnaient majoritairement comme cela. Pour prendre deux exemple français, c’est comme cela que fonctionne la Fluence ZE et le Zoé, avec juste un réducteur de presque 10 : C’est à partir de 3’40”.

Dan1

S’il n’y a pas d’embrayage sur les véhicules électriques, c’est peut être tout simplement parce qu’il n’y en a pas besoin : Avec un couple maximal à très bas régime (on part de zéro), le moteur électrique possède un avantage intrinsèque par rapport au moteur thermique qui commence à “donner” à partir de 1 000 à 1 300 tours/mn. Une petite courbe parle mieux qu’un grand discours. Et, il vaut mieux que le couple décline rapidement, car sinon la puissance s’envolerait dangereusement au-delà de 40 km/h !

Dan1

Et le groupe motopropulseur en photo : On voit le moteur et l’électronique de puissance, malheureusement, on voit mal le réducteur et le renvoi vers les transmissions car c’est au bout du moteur en bas et derrière.

Dan1

Apparemment les moteurs électriques Renault de la Fluence seraient d’origine Continental : Et encore :

Dan1

Un excellent document sur le moteur de la Zoé : On voit notamment très clairement, sur l’éclaté page 11, le différentiel et les connexions des transmissions classiques vers les roues.

Dan1

Sur cette image (dont j’ai déjà donné le lien), on voit bien le réducteur (on aperçoit les trois axes, arbre moteur, arbre intermédiaire et arbre du différentiel) : La transmission primaire est donc simplifiée, car entre le moteur et le différentiel, il n’y a pas d’embrayage et pas de boîte de vitesse. En revanche, la transmission secondaire est classique via une démultiplication (réducteur, un différentiel et deux arbres de transmission à joints homocinétiques).

sprol

Merci pour ces informations justifiant l’abandon de la boite de vitesses et de l’embrayage… par Renault ! Toutefois, les courbes couple et puissance en fonction de la vitesse de rotation du moteur synchrone de Renault (ou de Continental) sont en réalité pas plates mais écrêtées par l’alimentation électrique du moteur en question. Comme le rapport de réduction du groupe motopropulseur (GMP-5A) est fixe (9.32), l’évolution de la courbe de l’efficacité du moteur, qui si elle culmine certes à 90% n’est également pas plate et chute lorsque l’on s’écarte de la vitesse optimum. Il y a donc forcément différentes conditions de roulage (accélération, route, ville, montagne, etc.) ou le véhicule est plus ou moins économe en énergie, ce que certains corrigent justement en partie avec la modification du rapport de vitesses: D’autre part, pour changer le rapport de vitesses sans le recours d’un embrayage, il ne suffit pas de couper l’alimentation du moteur électrique, car le couple inertiel de la masse tournante du rotor ne permet pas une variation instantanée de la vitesse et de la position angulaire des engrenages ou éventuellement de leurs “crabots” (ergots d’accouplement). Ce sont précisément le glissement de l’embrayage, supprimant temporairement les contraintes mécaniques (couple résiduel du moteur), suivi du travail de recalage angulaire par le dispositif de “synchronisation” (bagues, crabots, etc.) qui permettent la commutation d’accouplement en douceur des pignons. Evidemment pas besoin d’embrayage avec un rapport de démultiplication fixe; la relation couple/vitesse du moteur électriques de traction étant suffisante. C’est l’option choisie par Renault. Bref, chaque technologie, avec ces “pro et contra”, peut se justifier selon le cahier des charges multicritères. Sol(id)airement 😉

Herve

Merci a Dan pour ses documents trés intéressants, Sprol, Concernant la courbe de rendement d’un moteur électrique elle n’est effectivement pas plate, mais bien meilleure qu’un moteur thermique. En principe elle culmine (jusque à 95%) à environ 75% de Pmax, mais est >80% entre 10 et 100% de la puissance nominale pour une exitation par aiments. En dessous de 10% du couple, on peut ensuite utiliser la technique du “pull and glide” qui permet de maintenir le rendement à un niveau trés élevé jusqu’a quasiment 0% de couple moyen. (Trés facile à faire sur un VE c’est que du soft). Ici renault ont choisi une exitation électrique, ce qui est un peu moins bon en regime de croisière mais permet un couple plus fort pour lancer le véhicule sans avoir a surdimentionner le moteur. Dans le cas ou vous voudriez quand même avoir une boite à vitesse (vehicule utilitaire, 4×4…) l’embrayage et les synchros ne sont pas obligatoires, le moteur électrique pouvant, une fois le rapport précédant dégagé hors couple, s’aligner sur la bonne vitesse et le bon angle par ses bobines en une fraction de seconde. Il suffit ensuite de craboter “en douceur” le second rapport puis remettre la gomme. Ce qu’il faut avant tout c’est virer du poids, c’est donc la solution la plus compacte et legère qui l’emportera au final, toutes contraintes intégrées, bien sur!

Dan1

A sprol. Merci pour les documents. Est-ce que ce dual clutch ne serait pas l’équivalent du DSG de Volkswagen ?

zelectron

moteur roue de la voiture electrique des frères Jarret, voir l’excellent site de: voir figure (5) @ Claude b. Pour la petite histoire j’étais ingénieur chez un fabricant de semi-conducteurs et j’ai fournit des thyristors pour le prototype d’un moteur roue electrique intégral dans l’atelier Jarret, alors Hydro-Québec … !

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