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Les Secrets de technologie du système hybride de Toyota Prius 3: une leçon d'amélioration continue

Article in 'Articles d'actualité automobile multi-pages' contributed by Hortevin, 30 Août 2014. Current view count: 14479.

A. Partie Mécanique
Système E-CVT Train Epicycloïdal
3. Des roulements à billes spécial voiture hybride?

Un système d’engrenage à grand diamètre a aussi besoin des roulements à bille de grand diamètre. Par exemple, le train épicycloïdale de la Prius 3 est maintenu depuis l’extérieur par 2 roulements à bille de diamètre interne d=110mm et diamètre externe D=118mm.

Prius_3_Transmission_E-CVT_HSD_Roulement_Billes.jpg
La partie encadrée montre l'emplacement des roulements à bille

Or plus le diamètre augmente, plus on a besoin de billes dans le roulement, et plus on a de frottement, ce qui est néfaste pour le rendement global du système (=consommation de carburant).

Roulement_Bille_Composition.jpg
Voici la structure d'un roulement à billes classique

La société japonaise, NSK (Nippon Seiko KK, qui veut dire Fabrication de précision du Japon), spécialisée dans la production de roulement à billes, a donc développé un nouveau roulement à bille pour le système hybride de la Prius 3.
Comparé aux roulements à bille standards, le frottement global a donc diminué de 30-45%, ce qui représente tout de même un gain entre 1 à 2% du rendement global du système hybride !

NSK_Roulement_Bille_Voiture_Hybride.jpg


Pour y parvenir, NSK a amélioré le roulement à billes dans deux domaines :
  • Optimiser le design des éléments roulants, en réduisant notamment le nombre de billes et optimiser la taille des billes
  • Optimiser le design de la cage (l’élément qui permet de séparer les billes) pour faciliter le passage d’huile de lubrification (donc moins de frottement)

Design des éléments roulants

Le nombre de billes dans un roulement est souvent déterminé par les contraintes de son assemblage et non par le chargement appliqué.

Roulement_Bille_Montage.jpg
Voici les différents étapes du montage d'un roulement à bille: On désaxe la bague intérieur pour insérer les billes, puis on repositionne la bague intérieure pour remettre les billes à la bonne position, et les fixer avec la cage.

En effet, lors du montage de celui-ci, on désaxe la bague intérieure pour insérer les billes entre la bague extérieure et la bague intérieure. Le nombre de billes est donc déterminant : s’il y a trop peu de billes, ils risqueraient de tomber (ce processus est manuel).

NSK_Roulement_Bille_Voiture_Hybride_1.gif

NSK a donc optimisé l’outillage d’assemblage et la méthode d’assemblage, elle a donc réussi à réduire le nombre de billes d’un roulement standard imposé par les contraintes d’assemblage, on passe donc de 22-23 billes à 16-18 billes. Ce qui a permis de réduire de 20% les frottements!


Design de la cage

NSK a également amélioré la cage (qui permet de maintenir la position des billes) :

- Matériau de la cage :
Au lieu d’utiliser une cage en acier estampé, les ingénieurs ont choisit d’utiliser la résine PA46 qui a la propriété de disposer d’une excellente résistance mécanique (et en fatigue aussi) sous haute température. Elle résiste également à l’agression chimique de l’huile.

- La forme de la cage :

NSK_Roulement_Bille_Aérodynamique.jpg

(a) Dans les roulements à billes traditionnels les billes sont maintenues par une couronne, l’écart de hauteur entre la couronne et la base font que l’huile circule mal dans ces zones « creuses », cela crée des turbulences donc des forces de résistance.
(b) La solution est donc de rehausser la base pour rendre la circulation de l’huile plus fluide.
Ce qui amène un autre problème : la cage est donc beaucoup moins flexible pour pouvoir insérer les billes au sein de la cage.
(c) La solution finale est donc de créer des rainures ce qui rend le contour de cage autour de la bille suffisamment flexible pour pouvoir insérer les billes lors de l’assemblage.

NSK_Roulement_Bille_Huile_Simulation.JPG

C’est grâce à ces petites améliorations que NSK, à la demande de Toyota, parvient à développer un roulement à bille beaucoup plus performant et à réduire au final la consommation de carburant d’une voiture!
(PS : Deux ans plus tard, ce roulement à bille sera également adopté par le groupe GM, pour sa voiture hybride rechargeable Chevrolet Volt/Opel Ampera)

Source: NSK、ハイブリッドカー専用低トルク玉軸受を開発、プリウスに採用 - クルマ - 日経テクノロジーオンライン
「ハイブリッドカー向け専用低トルク玉軸受」を開発 | プレスリリース | ニュース | 企業情報 | 日本精工(NSK)

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