L’électricité, du tracteur

à la tonne à lisier, pour

gagner en motricité

Comme lors de chaque édition, le plus grand salon mondial du machinisme agricole, Agritechnica, a délivré ses Innovation Awards (prix de l’innovation) aux constructeurs ayant conçu et mis au point des nouveautés techniques majeures. Cette sélection 2019 se distingue par le fait qu’une seule Médaille d’Or a été attribuée. Elle revient à la marque John Deere qui a été récompensée pour sa nouvelle transmission électromécanique eAutoPowr, en partenariat avec Joskin pour le développement du groupe motopropulseur e8WD.

L’occasion était belle pour Le Sillon Belge de se présenter chez Joskin pour y évoquer l’implication du constructeur belge dans ce projet d’un des plus grands tractoristes mondiaux, projet qui a pour vocation de bousculer les codes voire de devenir une nouvelle référence en matière de transmission de puissance dans les années à venir.

Une transmission intelligente « 8 roues motrices »

En préambule, il est utile de donner quelques mots d’explication au sujet de cette transmission eAutoPowr développée par John Deere. Il s’agit de la toute première transmission à variation continue électromécanique destinée à un tracteur. Contrairement à une boîte de vitesses à variation continue conventionnelle comportant des parties mécanique et hydraulique, les composants mécaniques de la boîte sont dans le cas présent associés à deux moteurs électriques.

Le constructeur américain avance comme avantages des performances, une précision en termes de régulation de la vitesse d’avancement et une longévité accrues ainsi que des coûts de maintenance significativement diminués. Mais ce n’est pas tout ; l’atout principal de ce projet est de ne pas s’arrêter au seul tracteur. Son ambition est, en effet, de considérer la transmission de puissance sur l’ensemble tracteur-machine et de proposer une véritable transmission intelligente 8 roues motrices, impliquant les quatre roues du tracteur et quatre roues du matériel attelé derrière celui-ci.

C’est là qu’apparaît la nécessité pour John Deere de s’associer à un constructeur de véhicules de transport. Et le partenaire choisi n’est donc autre que le constructeur soumagnard Joskin. « C’est évidemment gratifiant pour notre société d’avoir été inclue dans ce processus de développement qui représente aussi un très beau défi technique pour nos équipes », commente Didier Joskin, CEO.

« Nous avons mobilisé nos talents internes, notamment parmi nos développeurs et techniciens, pour faire aboutir ce projet avec professionnalisme. Cet engagement commun avec un partenaire d’une envergure telle que John Deere s’est révélé bénéfique pour nos collaborateurs, et donc pour notre entreprise, grâce à des échanges professionnels de haut niveau et à la mise en œuvre de technologies de pointe. Cette collaboration a abouti à la mise au point d’un ensemble tracteur-outil cohérent, entièrement fonctionnel et plein de promesses ».

L’électricité offre réactivité, précision et puissance

Mais comment cela fonctionne-t-il ? L’étude s’est portée sur un ensemble composé d’un tracteur John Deere de la série 8R et d’une tonne à lisier Joskin 26.000 l à trois essieux. Grâce à la technologie eAutoPowr, le tracteur est capable de fournir une puissance électrique au matériel attelé, sous forme de courant continu ou alternatif. C’est ce courant qui est utilisé par le moteur électrique embarqué sur la tonne à lisier.

Pierre angulaire du système d’essieux moteurs à entraînement électrique E-Drive, ce moteur transforme l’énergie électrique en provenance du tracteur en une énergie mécanique dont la puissance peut atteindre 100 kW. Via une boîte de vitesses de transfert, ladite énergie actionne des cardans entraînant les deuxième et troisième essieux du tonneau. Le premier essieu est quant à lui libre, ce qui permet de le relever lors d’un déplacement sur route (diminution de l’usure des pneumatiques et de la résistance au roulement) mais aussi au champ de manière à procurer un report de charge supplémentaire sur les essieux moteurs du tracteur et de la tonne à lisier.

Ce relevage du premier essieu est également intéressant dans certaines conditions pour éviter l’effet bulldozer lié à l’accumulation de terre ou de boue devant la roue qui pourrait se produire du fait de la poussée des deux autres essieux.

Les deux essieux moteurs de la machine sont fournis par le constructeur allemand MAN, dont la réputation n’est plus à faire dans le secteur des poids lourds et autres véhicules de transport. « Par le passé, des solutions de ponts moteurs mécaniques étaient proposées étant donné que les tracteurs de l’époque étaient de puissance relativement contenue. Depuis lors, la puissance des tracteurs a augmenté et le recours aux ponts moteurs mécaniques a progressivement disparu », intervient Valéry Bailly, directeur commercial chez Joskin.

« Force est toutefois de constater que le poids des tracteurs n’a pas suivi une évolution parallèle à celle de leur puissance. Nombre de tracteurs modernes disposent effectivement d’une puissance importante mais se montrent légers, ce qui génère un impact défavorable sur leurs performances en termes d’adhérence. Dans le même temps, les tonnages et volumes transportés n’ont fait qu’augmenter. La combinaison de ces facteurs mène les utilisateurs à lester leurs tracteurs pour en accroître l’adhérence et à les équiper de pneus larges pour davantage de motricité. Ces dispositions présentent cependant des revers conséquents : coûts à la hausse, dégradation des sols, usure des pneus, consommation de carburant, répartition des charges inadaptée… ».

Le recours à un système de traction sur le véhicule attelé a donc tout son sens aujourd’hui et la solution de l’entraînement électrique se montre particulièrement pertinente et avantageuse : « La tendance à l’électrification de certaines fonctions dans le machinisme agricole est observée depuis quelques années et conduit à explorer de nouvelles pistes », poursuit Valéry. « En ce qui concerne l’entraînement d’essieux moteurs, l’électricité est une source d’énergie très intéressante : elle offre davantage de réactivité et de précision qu’un système mécanique, mais également un rendement et une puissance supérieurs à une solution hydraulique. »

Par ailleurs, le concept E-Drive est bien plus qu’un simple branchement à une source d’énergie électrique. Il faut en effet bien comprendre que ce projet mené conjointement avec John Deere est une véritable transmission intelligente associant intimement le tracteur et la machine. Ainsi, en fonction des informations reçues de différents capteurs embarqués sur le tracteur et sur la tonne à lisier, le calculateur du tracteur régule instantanément à la fois la transmission du tracteur et celle de la tonne, en envoyant à cette dernière exactement la quantité d’énergie optimale à cet instant pour entraîner ses deux essieux moteurs.

« La capacité d’entraînement des essieux moteurs du tracteur et de la tonne à lisier est donc adaptée en permanence pour répondre aux besoins exacts de chaque situation rencontrée. Et cela, seules l’électricité et l’électronique peuvent le faire avec autant de souplesse et de précision… ».

L’Isobus, un prérequis à maîtriser

La conception de ce véhicule à entraînement électrique E-Drive ne s’est évidemment pas déroulée en quelques semaines. Ce projet est en cours d’étude depuis de nombreux mois. Olivier Delvaux, développeur et gestionnaire de projets embarqués chez Joskin, accepte de nous dévoiler les grandes étapes du cheminement ayant mené à ce développement. Ce qui nous permet d’explorer les coulisses souvent méconnues de ce travail de conception !

« Il faut se rendre compte que l’évolution technologique dans ce domaine est fulgurante. Ainsi, à notre échelle, c’est vers 2008 que sont apparus les premiers véhicules dotés d’un véritable circuit électronique avec bus Can, Isobus… Auparavant, les différentes fonctions étaient commandées par de simples boutons-poussoirs. À cette époque, la société n’avait pas les ressources nécessaires pour développer ses applications électroniques. Joskin avait donc opté pour une solution Isobus clé sur porte livrée par un fournisseur extérieur spécialisé et renommé ».

Pour rappel, Isobus est une norme visant à échanger des données entre un terminal, un tracteur et un outil, indépendamment de leurs marques respectives. Afin de garantir la compatibilité entre ces différents intervenants, l’AEF (Agricultural industry Electronics Foundation – Fondation pour l’Électronique en Agriculture) opère les validations nécessaires.

« Joskin s’est toujours fait fort de proposer une vaste palette de possibilités dans son catalogue, permettant de fabriquer des matériels à la carte très personnalisés. Nous nous sommes rapidement rendu compte que cette solution externe n’était pas optimale dans ce contexte : lorsqu’une fonctionnalité devait être modifiée, nous n’étions pas suffisamment rapides. En effet, il fallait demander à notre fournisseur d’effectuer les adaptations nécessaires. Cela passait par la constitution d’un dossier comprenant la rédaction et la validation d’un cahier des charges, la proposition d’un devis, l’approbation d’un budget… Si ces démarches sont bien légitimes et normales dans le cadre de pareille relation commerciale, elles nous faisaient perdre un temps précieux. La décision fut donc prise de développer nos fonctionnalités en interne. Suite à un accord conclu avec notre fournisseur, il a été convenu que celui-ci nous procurerait le hardware nécessaire (composants matériels physiques du système électronique) ainsi qu’une librairie Isobus ».

Pour information, en informatique, une librairie est un ensemble de fonctions utilitaires mises à disposition pour ensuite procéder à des programmations. Il s’agit ici en quelque sorte de la première couche de base pour pouvoir écrire sur le réseau Isobus. « De notre côté, nous avons la liberté de gérer et développer nos propres fonctionnalités à partir de cette librairie. Nous pouvons donc programmer nous-mêmes les différentes commandes telles que, par exemple, la coupure des tronçons sur une rampe d’épandage. »

« Pour ce faire, nous avons en parallèle étoffé nos connaissances et compétences en la matière, en participant notamment à des formations chez notre fournisseur ou encore à des événements internationaux tels que les Plugfests. Ces dernières sont des réunions de l’AEF conviant 200 à 300 développeurs de terminaux et calculateurs du monde agricole, pour leur permettre de tester la compatibilité des fonctionnalités développées sur tous les terminaux Isobus du marché dotés des dernières évolutions de logiciels. L’organisation de ces réunions est millimétrée : chaque constructeur de matériel dispose de 20 minutes pour tester ses applications auprès de chaque tractoriste. Ce laps de temps est suffisant pour observer ce qu’il se passe et enregistrer les communications échangées sur le bus mais ne permet pas de procéder à l’analyse des éventuels défauts constatés. Celle-ci doit donc être réalisée a posteriori ».

Une première collaboration en 2014-2015

Les contacts entre Joskin et John Deere ne datent pas d’hier. Le premier projet commun remonte à fin 2014 – début 2015 avec le projet NIR.

À l’époque, John Deere a mis au point le capteur HarvestLab pouvant équiper ses ensileuses. Ce capteur proche infra-rouge permet d’analyser instantanément la teneur en certains éléments de la matière ensilée. L’objectif est ensuite de pouvoir intégrer ce capteur sur une tonne à lisier, de façon à connaître la composition exacte de l’effluent et maîtriser davantage la fertilisation des cultures. L’utilisation du capteur NIR permet une régulation de dose de haute précision, en travaillant non plus en volume de lisier épandu à l’hectare mais en quantité d’azote par hectare, et cela en pouvant intégrer des limites de phosphore et/ou de potassium lors de l’épandage.

Grâce à ces mesures, les débit et vitesse d’avancement peuvent être ajustés pour un dosage optimal des éléments fertilisants. « Ce projet a revêtu une grande importance pour nous », commente Olivier. « En effet, il s’agissait du premier projet Isobus dans lequel nous devions intégrer un élément externe. Et pas n’importe lequel puisque ce système nécessite des échanges de volumes importants de données entre le capteur, la tonne à lisier et le tracteur. Rien n’étant alors défini par l’AEF pour ce type d’application, nous avons en quelque sorte démarré d’une page blanche pour écrire, avec John Deere, un nouveau protocole d’échange de données ».

Répartir précisément la puissance entre le tracteur et la tonne

Les relations avec John Deere se sont poursuivies ensuite, notamment concernant l’électrification des véhicules. « La première difficulté qui est rapidement apparue concernait l’interfaçage entre le moteur électrique et l’essieu moteur : la vitesse de rotation du moteur est de loin très supérieure à celle d’un essieu. Il a donc fallu gérer l’intégration du moteur électrique mais aussi d’une boîte de vitesses sur la machine. »

La seconde difficulté était d’intégrer ce système à l’Isobus Joskin. « Des réunions de travail ont été organisées entre les deux partenaires pour définir les attentes et besoins de chaque partie et dégager les solutions techniques adaptées », se remémore Olivier. C’est ainsi que, lors du salon Agritechnica 2015, était exposé un ensemble entraîné électriquement grâce à une génératrice installée à l’avant du tracteur. Sur ce modèle, la boîte de vitesses placée sur le châssis de la machine était fournie par une entreprise française.

« Ce châssis a ensuite subi toute une batterie de tests et a été amélioré grâce à plusieurs adaptations. À cette occasion, nous avons pu apprécier le bien-fondé de notre décision de favoriser le développement des fonctionnalités électroniques en interne car nous avons pu être très réactifs. On peut somme toute voir ce châssis comme une première phase du projet actuel, qui est, lui, techniquement beaucoup plus évolué. »

John Deere a accompli un travail énorme sur la conception de sa transmission eAutoPowr. La génération du courant est à présent complètement intégrée au tracteur. Des possibilités d’électrification existent chez des tractoristes concurrents ayant recours à des génératrices produisant un courant continu. Il s’agit alors d’un approvisionnement électrique « brut » de la machine. Toute la gestion de cette alimentation repose sur le constructeur de la machine et/ou sur l’utilisateur. « La solution apportée par John Deere est beaucoup plus aboutie : c’est le tracteur lui-même qui gère automatiquement le courant alternatif produit et qui envoie le courant strictement nécessaire à la machine, sans que l’utilisateur ne doive intervenir. »

Cette solution a du sens car le tracteur reste la pièce maîtresse de la traction de l’ensemble tracteur-machine. De plus, elle permet de limiter le matériel nécessaire du côté de l’outil ; en effet, l’inverter qui contrôle la puissance moteur nécessaire est placé sur le tracteur et non sur la machine attelée, ce qui rendra du coup possible le changement d’outils de manière simple et aisée.

Comme l’a souligné précédemment Valéry, il s’agit d’une transmission intelligente dont le dosage est savamment réparti entre le tracteur et la machine, nécessitant l’échange d’une multitude d’informations relatives au tracteur (angle de rotation des roues, position de l’accélérateur…) et à la tonne à lisier.

À titre d’exemple, plusieurs capteurs de vitesse sont implantés sur les essieux moteurs et sur la transmission E-Drive du tonneau permettant de mesurer le patinage de leurs roues. Si un patinage survient au niveau de la tonne mais pas du tracteur, le système de transmission réduit automatiquement la puissance envoyée à la machine et augmente celle transmise au tracteur, et vice-versa. « Si les deux véhicules patinent, la puissance envoyée à la tonne à lisier est augmentée. Simultanément, l’angle de la machine par rapport au tracteur est vérifié en permanence par sécurité pour éviter une mise en ciseau de l’ensemble ».

Capable d’alimenter la machine en courant alternatif et en courant continu, le système électrique triphasé répond aux normes de l’AEF relatives à la sécurité du matériel et des personnes, en incorporant notamment un dispositif s’assurant qu’aucune phase ne perd de conductivité.

« Par rapport au châssis de 2015, une autre modification de taille a été opérée, à savoir le remplacement de la boîte de transfert », ajoute Olivier. « Il a en effet été démontré que, pour exploiter le plein potentiel du système, une transmission spécifique devait être mise au point. Nos équipes ont identifié les caractéristiques techniques de cette boîte qui a été ensuite construite sur mesure par John Deere. Elle renferme un embrayage et un système de lubrification, dont l’huile sert également de liquide de refroidissement du moteur électrique ».

À noter par ailleurs qu’un embrayage est inclus dans le premier essieu moteur de la tonne à lisier. Celui-ci est débrayé sur route car, en virage, les vitesses de rotation des essieux avant et arrière peuvent différer significativement. Il y a donc lieu de laisser un degré de liberté supplémentaire pour éviter de freiner l’ensemble de manière inopportune et engendrer des contraintes mécaniques inutiles au système. Au champ, le problème ne se posant pas, le dispositif reste en position embrayée.

De multiples utilisations, en agriculture et ailleurs

Actuellement, cette technologie E-Drive n’est pas encore commercialisée. En 2020, de nouveaux tests de longévité grandeur nature sont prévus dans des entreprises agricoles, pour déboucher sur une mise en production probablement fin 2021.

« Je suis optimiste quant aux perspectives de commercialisation de ce système E-Drive », intervient Didier Joskin. « La machine actuelle est de gabarit imposant. La vision d’avenir est d’orienter également cette technique vers des machines de plus petite taille, notamment des véhicules à deux essieux, segment dans lequel les problématiques d’adhérence se font aussi ressentir. »

Il est de même permis d’imaginer transférer l’entraînement électrique sur d’autres catégories de véhicules, à l’image des épandeurs de fumier. Ceux-ci sont en effet caractérisés par un poids plus important à l’arrière, dû à la présence des hérissons voire d’une table d’épandage. Ce déséquilibre s’exprime encore davantage en cours de travail avec le déplacement de la matière vers l’arrière, délestant d’autant le point d’attelage au tracteur.

La benne de travaux publics est aussi un engin intéressant pour l’E-Drive : vu les charges transportées, les entrepreneurs utilisent des tracteurs puissants qu’ils montent avec des pneus larges pour améliorer le transfert de la puissance au sol. Le problème est que ces pneus coûteux s’usent ensuite rapidement sur la route, réduisant alors la rentabilité des chantiers réalisés.

Par ailleurs, un autre axe de développement consistera à exploiter l’alimentation électrique offerte par le dispositif John Deere eAutoPowr pour alimenter des fonctions de la machine, comme l’entraînement de la pompe ou du hacheur… L’utilisation de l’énergie électrique pour ces fonctions permettrait de gagner en vitesse d’exécution et en facilité de gestion, tout en simplifiant les machines.

« Le champ des possibles ouvert par cette technologie est très large. La tenue d’événements en cette période tels que les salons Agritechnica en Allemagne et Agribex en Belgique ou encore nos portes ouvertes début janvier sont pour nous de belles opportunités de débattre avec nos clients de cette innovation et d’écouter leurs remarques et suggestions. Nous les mettrons à profit pour les développements futurs de cette technologie électrique qui permettra, à n’en pas douter, de concevoir de nouvelles machines qui répondront encore mieux aux attentes de notre clientèle ».

N.H.