les embrayages

Cours - Chapitre n°2 : Les embrayages 1

Les embrayages

M. Ben Jaber


1. Fonction

L'embrayage est un dispositif d'accouplement temporaire entre un arbre dit moteur et un autre dit récepteur .Il a pour fonction de:

• Assurer un accouplement progressif (embrayage) entre le moteur et le récepteur jusqu'à leur parfaite liaison en limitant les à-coups.

• Permettre le désaccouplement (débrayage) en marche ou à l’arrêt entre le moteur et le récepteur.

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2. Classification

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3. Embrayages instantanés

Embrayages à griffes Embrayages à dents

•Ils se composent de deux manchons portant des griffes ou des dents appelées crabots.

•L’un des manchons est monté coulissant sur l’arbre et est manœuvré par une fourchette

•Par rapprochement des manchons, les dents viennent en prise et il y a entraînement.

•Ces embrayages ne peuvent être utilisés que si la manœuvre s'effectue à l’arrêt ou à très faible vitesse.

•Lorsqu'il n'y a qu'un sens de rotation, la manœuvre d'embrayage est facilitée par l'emploi d'une denture asymétrique, qui permet également la réalisation du débrayage automatique, donnant à l'arbre mené la possibilité de poursuivre son mouvement lorsque l'arbre menant ralentit ou s'arrête. AvantagesLes arbres accouplés ont absolument la même vitesse angulaire.

InconvénientsDifficile d’embrayer en marche et surtout en charge

Calcul de résistanceLe calcul de résistance des griffes et des dents se fait à la flexion et à la pression.

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4. Embrayages progressifs

4. 1 Embrayages à friction Dans les embrayages à friction la transmission de puissance est réalisée par adhérence.

Ces embrayages sont caractérisés par les avantages suivants:•une mise en charge progressive de l’accouplement entre arbre moteur et arbre récepteur ce qui évite les à-coups•une manœuvre qui peut être effectuée en marche;•permet de lancer un moteur à vide, •coupler en marche plusieurs appareils sur le même moteur.

Dans le fonctionnement de ces embrayages, on distingue 4 périodes:

1. Engagement : l'arbre d'entrée et de sortie ne tournent pas à la même vitesse ; il y a alors glissement entre les disques, donc dissipation d'énergie par frottement, sous forme de chaleur. Cette phase est à limiter dans le temps, même si elle est inévitable et permet de solidariser graduellement le moteur du récepteur. L'usure aura lieu pendant cette phase.

2. Embrayage engagé : Les arbres (menant et mené) tournent à la même vitesse. L’adhérence parfaite des surfaces en contact transmet la puissance du moteur vers le récepteur.

3. Débrayage : Les surfaces actives se desserrent et s’écartent ; l’arbre mené poursuit sa rotation décroissante jusqu’à l’arrêt complet.

4. Embrayage débrayé : Les surfaces actives sont séparées par un jeu ; l’arbre mené est immobile, l’arbre menant continue à tourner.

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4.1.1 Couple agissant sur l’embrayageCe est le couple instantané appliqué sur les surfaces de friction de l’embrayage

ωm(t) = ωr(t)= ω(t)

ωm(ti) = ωm0 et ωr (ti) = ωr0

ωm(tf) = ωr(tf) = ωf

Pour t[ti ,te]

• l'arbre d'entrée et de sortie ne tournent pas à la même vitesse ; il y a alors glissement entre les surfaces actives de l’embrayage.

• Le couple agissant sur les deux parties de l’embrayage est dû aux frottements des surfaces en contact:

),,( pfsurfacesdesensionsdimfonctionCC fe

où :f: est le coefficient de frottementp: est la pression de contact

• Le couple de frottement Cf décélère l’arbre moteur et accélère l’arbre récepteur jusqu’à atteindre une même vitesse.

• à la fin de cette période Les deux arbres deviennent alors solidaire en rotation et il n’y aura plus de glissement entre les deux surfaces actives de l’embrayage

Temps d’engagement : δt = te - ti C’est le temps durant lequel il y a glissement donc frottement entre les deux surfaces actives de l’embrayage

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t[te ,tf]:

t=ti :

t=tf :


dt

d

dt

d

dt

d rm d’où:

on obtient :rm

rmmre II

ICICC

• Les deux arbres tournent à la même vitesse; il n’y a plus de glissement entre les surfaces actives de l’embrayage. L’adhérence des surfaces de contact s’établit.

• Le couple agissant sur les deux parties de l’embrayage est du à l’adhérence parfaite des surfaces en contact.

)()()( ttt rm

Pour t[te ,tf]

En appliquant le principe fondamental de la dynamique sur l’arbre récepteur puis sur l’arbre moteur , on obtient:

dt

dICC r

rre

dt

dICC m

mem

et

puisque

Pour t>tf

• L’ensemble (moteur, embrayage, récepteur) atteint la vitesse du régime permanent où il n’y a plus d’accélération:

0dt

d

dt

d rm

• Le couple moteur est égale au couple récepteur et au couple d’adhérence appliqué par l’embrayage: Cm = Cr = Ce

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4.1.2 Couple transmissible par l’embrayage

4.1.2.a Cas de l’embrayage à disque

Dans ce type d’embrayage, la surface de contact est une couronne de disque.La densité des forces de contact en un point Q de la surface de contact et à la limite de l’adhérence vaut:

upzpQf )(

2

0

2

1

)(R

RSQ

rdrdupzpdSQfF

La force résultante des forces de contact est:

On obtient: zRRpF 21

22

L’équilibre du disque implique: zFFF aa

d’où la relation qui relie la pression appliquée en tout point du disque à la force axiale exercée:

21

22 RRpFa

• p est la pression de contact (supposée uniforme)• est le coefficient d’adhérence des surfaces en contact (en pratique on prend =f le coefficient de frottement)

où:

Force axiale et pression de contact

La pression de contact vaut: 21

22 RR

Fp a

Cette pression doit vérifier la condition de résistance au matage

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2

0

2

1

)(R

R

r

SQ

O rdrdupzpurdSQfOQM

Le moment résultant par rapport au point O des forces de contact est:

On obtient: zRRpM O31

323

2

d’où la relation qui relie le couple maximal transmissible par adhérence de cet embrayage:

31

32max 3

2RRpCad

• à la pression appliquée:

21

22

31

32

max 3

2

RR

RRFC aad

• à la force axiale appliquée:

Remarque 2: Au moment du patinage (glissement entre les surfaces en contact) le couple transmis par l’embrayage est égal au couple de frottement :

21

22

31

32

3

2

RR

RRfFCC afe

Remarque1: Pour vérifier le bon fonctionnement de l’embrayage Il faut vérifier que, après engagement, le couple agissant sur les disques Ce ne dépasse pas le couple transmissible par adhérence Cad max :

maxade CC

Remarque 3: Si on a n surfaces frottantes actives alors :

21

22

31

32

max 3

2

RR

RRFnC aad

Couple transmissible

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Embrayage à disque

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4.1.2.a Cas de l’embrayage à disque Embrayage à disques multiples

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4.1.2.b Cas de l’embrayage à cône

L’embrayage à cône est un autre type d’embrayage axial. Il permet de transmettre un couple plus élevé que l’embrayage à disque, et ce, même lorsque les diamètres extérieurs sont les mêmes.

2

0

2

1sin

)( drdr

upnpdSQfFR

RSQ

La force résultante des forces de contact est:

On obtient: zRRpF 21

22

L’équilibre du disque implique: zFFF aa

d’où la relation qui relie la pression appliquée en tout point du cône à la force axiale exercée:

21

22 RRpFa

Force axiale et pression de contact

La pression de contact vaut: 2

122 RR

Fp a

Cette pression doit vérifier la condition de résistance au matage

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2

0

2

1sin

)( drdr

upnpzzurdSQfOQMR

R

r

SQ

O

Le moment résultant par rapport au point O des forces de contact est:

On obtient: zRRpM O31

32sin

1

3

2

d’où la relation qui relie le couple maximal transmissible par adhérence de cet embrayage:

31

32max sin

1

3

2RRpCad

• à la pression appliquée:

21

22

31

32

max sin

1

3

2

RR

RRFC aad

• à la force axiale appliquée:

Remarque: Si on a n surfaces frottantes actives alors :

21

22

31

32

max sin

1

3

2

RR

RRnFC aad

Couple transmissible

tg

rRz

2avec:

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Une seule surface frottante activeCommande mécanique

2 surfaces frottantes activesCommande pneumatique

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4.1.2.b Cas de l’embrayage cylindrique

La surface de contact cylindrique apporte un problème particulier. Le contact ne peut se créer ou se supprimer que par modification du diamètre de la pièce sur laquelle on agit : celle-ci doit donc être déformable.La surface déformable peut être des patins qui se déplacent suivant le sens radial ou par expansion

Embrayage à patins

Pression et force radiale:

2sin2

RbpN

La relation qui relie la pression p appliquée en tout point du patin à la force radiale N exercée:

La pression de contact vaut donc:

2sin2

Rb

Np

Couple transmissible par un seul patin:

2sin2

max NR

Cad

Couple transmissible par n patins:

2sin2

max NnR

Cad

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Embrayage à patins

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Embrayage par expansion

Couple transmissible :

ReFCad )1(max

•une couronne cylindrique est rendue expansible par une fente.

•En écartant les extrémités de la couronne on augmente son diamètre et on la mettra en contact avec la surface intérieure d’un tambour.

• La force appliquée F augmente la pression de contact ce qui crée de l’adhérence entre la couronne et le tambour.

Suivant le sens de rotation de m:

• sens n°2:

ReFCad )1(max

• sens n°1:

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Embrayage par expansion

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4.1.3 Commande des embrayages à frictionCommande pneumatique Commande électromagnétique

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4.1.3 Commande des embrayages à frictionCommande mécanique

Commande hydraulique

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Le férodoLe férodo est une matière souple , d’aspect brun foncé fabriquée à base d’amiante (composé de silice, magnésium et une faible quantité d’alumine et d’oxydes de fer ) armé de fibre textiles ou plus souvent de fils de laiton.

Propriétés mécaniques et thermiques: • Coefficient de frottement : sur fonte à sec : f= 0.3 ; sur fonte â l’état gras : f= 0.15• Température supportée: 300 °C pendant quelques secondes - 200 ° C en service normal• Pression de contact admissible : jusqu’à 2 MPa • Certains férodo peuvent fonctionner dans l’huile, d’autres non.

Le choix des matériaux, aura une grande influence sur :• la valeur du coefficient de frottement f • la pression de contact admissible Padm • la température maximale admissible des surfaces frottantes . Les corps sont généralement en fonte. Les disques d’embrayages sont en tôle d’acier revêtue ou non de férodo. Quand les disques d’embrayage sont sans garnitures, ils sont trempés.

4.1.4 Matériaux des garnitures de friction

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4.1.5 Energie dissipée par frottement

L’énergie dissipée par l’embrayage dans la phase d’engagement est égale au travail de frottement :

dttttCWe

i

t

t

rmff )()()(

Hypothèses :

• ti= 0 , te= δt et r(0)=0

• m-r varie linéairement en fonction du temps

pour t[0, δt] : m-r = 0(1-t/ δt) avec 0= m(0)-r(0)

• F a est linéaire en fonction du temps

pour t[0, δt] : Fa= F0 t/ δt

Exemple de calcul : cas d’un embrayage à disque

moyaf RtfFtC )()( 2

122

31

32

3

2

RR

RRRmoy

avec

tmoyf RfFW 006

1

t

t

ttmoy

ttmoyf

ttRfF

dttt

RfFW

0

2

32

00

2

2

0

0

0

32

)(

d’où

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4.1.6 Etude des températures

• Le travail de frottement produit pendant le temps d’engagement se transforme intégralement en chaleur ce qui augmente la température des garnitures de l’embrayage.

• Cette température ne doit pas dépasser la température limite admissible par le matériau des garnitures sinon on risque d’avoir une usure rapide et une détérioration prématurée des garnitures.

Wf : est le travail dû au frottement ( en calories)M : est la masse ( en Kg)C: est la chaleur massique de la matière ( en Cal/°C.Kg)Tf : est la température finale,Ti : est la température initiale.

)T -C(T M W iff o

ù:

Calcul simplifié

d'où:

C M

WTT f

if

On doit vérifier que cette température ne dépasse pas la température limite admissible du matériau de la garniture :

admf TT

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4.1.6 Etude des températures

Calcul empirique (issue d’une étude expérimentale) : cas d’un embrayage à disque à garniture en Ferodo

o Puissance spécifique maximale de glissement Psp.M (en chevaux /dm2):

totalefrottante Surface

. maxmax f

spM

CP

o La puissance spécifique moyenne de glissement par cycle Psp.m (en chevaux /dm2) :

T

tP 0.5 P spMspm T : La période d’un cycle

t: : temps de patinage par cycleo

ù:

o La température maximale de la garniture vaut :

On doit vérifier que cette température ne dépasse pas la température limite admissible du matériau de la garniture :

admf TT

Tf : la température maximale atteinte par les garnitures,Ta : la température ambiante,t : durée de patinage,e : épaisseur du paroi métallique frottante en mm,V : la vitesse circonférentielle moyenne du récepteur au cours d’un cycle d’opération (en m/s)

avec :

spmspmspMaf PPV

e

e

tPTT

2

10

3300

15

10

2/minmax moyRV

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4.2 Coupleurs hydrauliques

Pourquoi?

• La manœuvre d’embrayage constitue toujours une difficulté pour le conducteur qui consiste à bien doser l’effort du pied sur la pédale une fois que les plateaux sont entrés en contact.

• En vue de supprimer cette manœuvre, on utilise des embrayages hydrauliques ou coupleurs, dans lesquels l’entraînement est assuré progressivement, sans Intervention du conducteur.

Comment?

La pompe, entraînée par le moteur, fait tourner la turbine reliée à la boite de vitesse par l'intermédiaire de projection de l'huile sur cette dernière de même qu’un ventilateur entraîne le moulinet par l'intermédiaire du courant d'air produit.

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Avantages

• robuste, réversible• souplesse de marche (permet d’absorber les à-coups)• progressivité de démarrage, réglable par modification de remplissage. • entretien et usure pratiquement nuls• oscillation propre inexistante.• excellent amortisseur qui soustrait le récepteur tout entier aux vibrations de torsion inhérentes à l’emploi du moteur à explosion

4.2 Coupleurs hydrauliques

Inconvénients

• Le débrayage en marche n’est plus concevable, et même au ralenti, l‘huile circule toujours suffisamment pour laisser craindre un démarrage intempestif• L’embrayage hydraulique impose l’emploi d’une boîte de vitesses appropriée permettant la mise au point mort instantanée en marche et la mise en prise progressive des différents rapports (boîte à trains épicycloïdaux).• le rendement de ce dispositif est médiocre, en raison des pertes par frottements dans l’huile

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C'est un ensemble, inventé par l'ingénieur allemand Föttinger, qui remplit les mêmes fonctions que le coupleur hydraulique et susceptible, en plus, dans une certaine zone d'action, de fournir à la transmission un couple plus élevé que celui du moteur. Il comprend un élément complémentaire au coupleur (comportant des aubes redresseuses) appelé stator en appui sur une roue libre à un seul sens de rotation. L'arbre moteur transmet son mouvement à la pompe 1. L'huile éjectée à sa périphérie attaque les aubes de la turbine 3, puis se dirige vers le centre. Le flux rencontre les aubes du stator 2. Son sens se trouve modifié et est dirigé sur les aubes de la pompe. Cette force complémentaire s'ajoute à celle produite par la pompe, donc du moteur.

4.3 Convertisseur de couple

Coupleur hydraulique

Convertisseur de couple

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4.3 Embrayage électromagnétique à poudres

Principe de fonctionnement


La caractéristique principale des embrayages à poudre magnétique réside dans la transformation progressive du couple en fonction du courant d’excitation.

Pour générer le couple, il suffit d’exciter l’embrayage avec du courant continu. Un circuit magnétique est constitué.

Afin de transmettre le couple du rotor extérieur au rotor intérieur, l’entrefer à poudre contient une poudre de fer de composition spéciale, à haute résistance à la friction. Sous l’impulsion de l’excitation électromagnétique, cette poudre de fer à grains fins forme des chaînes magnétiques et transmet de cette manière le couple.

L’intensité de l’excitation détermine la rigidité des chaînes de poudre et ainsi la valeur du couple transmissible.

1 Rotor extérieur2 Bobine d’excitation3 Rotor intérieur4 Circuit magnétique

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Propriétés caractéristiques• M réglable linéairement via le courant d’excitation (fig. 1)• M réglable indépendamment de la vitesse (fig. 2)• M reproductible dans des laps de temps consécutifs brefs• Possibilité d’utilisation en état de glissement permanent• Constitution progressive du couple• Commutation silencieuse

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3

4.3 Coupleurs électromagnétiques à poudres

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