Cours transmission de puissance Chapitre 2 Chapitre 2 ACCOUPLEMENTS ET EMBRAYAGES 2.1. Accouplements 2.1.1. généralités La fonction principale d'un joint d'accouplement est la transmission de puissance entre deux arbres non parfaitement alignés, et pour lesquels, il peut exister quelques défauts, tel que: - un désalignement angulaire : défaut de parallélisme entre les arbres. arbre (1) Joint d'accouplement arbre (2) - un désalignement radial : défaut de coaxialité entre les arbres. arbre (1) arbre (2) - un désalignement axial : défaut d'alignement des extrémités des arbres. arbre (1) arbre (2) Par ailleurs, les joints d'accouplement remplissent des fonctions secondaires, telles que : - l'augmentation de la durée de vie (réduction des vibrations), - l'amortissement des couples transmis lors des accélérations ou des freinages, - l'encaissement de certains déplacements axiaux pendant le fonctionnement, - l'augmentation de la sécurité en fixant un seuil de déformation acceptable. Le joint d'accouplement peut se situer à l'extérieur des composants à relier (comme ci-contre) ou à l'intérieur d'un carter. ISET KEF -1- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 2.1.2. classifications des accouplements On peut classer les accouplements comme suit: ACCOUPLEMENT Joints universels Accouplements rigides Accouplements de sécurités Accouplements élastiques 2.1.2.1. Joints d'accouplements rigides Ils doivent etre utilisés lorsque les arbres sont correctement alignés (ou parfaitement coaxiaux). Leur emploi exige des précautions et une étude rigoureuse de l’ensemble monté, car un mauvais alignement des arbres amène un écrasement des portées, des ruptures par fatigue et des destructions prématurées du système de fixation. • Accouplements à plateaux Très utilisés, précis, résistants, assez légers, encombrants radialement, ils sont souvent frettés ou montés à la presse. La transmission du couple est en général obtenue par une série de boulons ajustés. En cas de surcharge, le cisaillement des boulons offre une certaine sécurité. Accouplement à plateaux • Accouplements par collage ou soudure La liaison entre les 2 arbres est obtenue avec un manchon rendu solidaire par un cordon de soudure ou une couche de colle. ISET KEF -2- H.Mondher Cours transmission de puissance • Chapitre 2 Accouplements par obstacle Afin d'assurer l'entraînement en rotation, en plus de la mise en position, on place un obstacle (clavette, goupille). La mise en position peut s'effectuer avec un manchon ou un plateau. manchon et clavettes manchon et goupilles manchon à douille biconique 2.1.2.2. Joints d'accouplements élastiques ou flexibles D'une manière générale, ces composants sont constitués de deux éléments rigides reliés par un ou plusieurs éléments intermédiaires élastiques (élastomère ou métal), qui permettent la compensation des défauts et l'absorption des chocs. Accouplements non flexibles en torsion : • • joint d’Oldham Composés de piéces rigides, ils peuvent corriger un ou plusieurs défauts d’alignement particuliers, mais transmettent le couple intégralement sans amortissement des irrégularités et des chocs de transmission (ni écart ni jeu en torsion : dα = 0). Les couples transmis peuvent être très élevés. Accouplement à denture bombéé Il supporte uniquement des désalignements angulaires modérés (obtenu grâce à la forme bombée de la denture). ISET KEF -3- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 Accouplement élastique en torsion : En plus de piéces rigides, ils se composent de parties totalement élastiques, ressorts ou blocs élastomères, permettant la flexibilité en torsion. Ils sont conçus pour transmettre le couple en douceur tout en corrigeant plus ou moins les défauts de désalignement. 2.1.2.3. Joints universels Ils ont pour but de réunir deux arbres occupant des positions angulaires variables. En raison même du principe, la vitesse de l’arbre menée varie en fonction de sa position. Ils sont non flexibles en torsion et peuvent transmettre des couples élevés. • Joint de cardan Le joint de cardan ou joint de Hooke transmet le mouvement par l’intermédiaire d’un croisillon libre en rotation par rapport aux deux arbres. Ce joint n’est pas homocinétique bien que le nombre de tours parcourus par les deux arbres soit le même, la vitesse de rotation de l’arbre de sortie n’est par instantanément égale à celle de l’arbre d’entrée. L’angle maxi entre les deux arbres dépend de la fréquence de rotation: ISET KEF -4- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 Ce type de joint n'est homocinétique qu'en configuration "double". • Joint tripode Il se compose : - d'une tulipe (1) comportant 3 gorges parallèles décalées de 120° - d'un triaxe (2), comportant 3 axes à 120° - de 3 galets sphériques (3) • Joint à plan bissecteur Afin d'assurer l'homocinétisme, on place le point de contact dans le plan bissecteur des 2 axes d'entrée et de sortie. Joint Weiss Joint Rzeppa Joint König ISET KEF -5- H.Mondher Cours transmission de puissance 2.2. Chapitre 2 Embrayages La différence entre accouplement et embrayage résume au système de commande lié à l’embrayage et avec lequel on peut assurer la transmission ou la coupure du mouvement entre deux arbres. Pour cette raison les embrayages sont appelés parfois, des accouplements non permanents (ou temporaires). 2.2.1. généralités L'embrayage, dans une chaîne de transmission de puissance, se situe entre l'organe moteur et l'organe récepteur. Il permet à un opérateur (commande extérieure) d'accoupler ou de séparer, progressivement ou non, les arbres respectivement solidaires du moteur et du récepteur. Parmi les avantages, on peut recenser : - la sécurité : l'entraînement du récepteur peut être arrêté instantanément sans pour autant stopper le moteur. - la réduction des efforts de contact : par exemple, lors du changement de rapport dans une boite de vitesses. - la souplesse d'utilisation : l'embrayage permet de réduire et d'amortir les chocs au démarrage ou lors de changement de phase. - l'économie : permet de transmettre la puissance que lorsque cela est nécessaire. Embrayage Moteur Récepteur Commande extérieure 2.2.2. Classification On peut classer les embrayages comme suit: Embrayage Embrayage à disque Embrayage multidisques Embrayage à cône Embrayage centrifuges 2.2.2.1. Embrayage à disque ISET KEF -6- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 Cet embrayage est généralement utilisé dans les voitures. On peut l’appeler “embrayage à plateau’’ ou le plus souvent “monodisque â sec”. Son schéma est représenté sur la figure 4.1. Dans ce cas le vilebrequin est l’arbre moteur. Sur ce vilebrequin est fixé un disque massif appelé “volant”; ce dernier porte, sur son pourtour, un dégagement circulaire pour recevoir les pièces de l’embrayage. Un plateau, rendu solidaire en rotation du volant par tenons et mortaises, peut se déplacer longitudinalement. Entre le volant et le plateau se trouve un disque dit disque de l’embrayage, dont le moyeu s’appuie sur l’arbre récepteur (dans ce cas c’est l’arbre primaire de la boite de vitesses) par des cannelures, autorisant son déplacement longitudinal. Le serrage du disque. entre le volant et le plateau est assuré par des ressorts de pression prenant appui d’une part sur le couvercle formant le boîtier avec le volant et d’autre part sur le plateau de pression. Au cours de l’embrayage le mouvement de rotation est transmis du volant au disque par friction (par les forces de frottement entre les surfaces frottantes). Si on veut obtenir le débrayage (supprimer l’entraînement) il faut actionner la pédale d’embrayage. Une fourchette, prend appui dans la gorge d’une butée solidaire au plateau de pression, permet de vaincre la tension des ressorts et supprimer alors le contact entre les surfaces frottantes. Fig. 4.1 ISET KEF -7- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 L’embrayage à ressort de pression hélicoîdaux (vue eclatée) Depuis quelques années, les ressorts hélicoïdaux sont remplacés par un seul ressort de type diaphragme dont une représentation est donnée figure 4.2. Il s’agit d’un disque élastique conique dont l’intérieur est découpé suivant des rayons pour former des doigts. Les ouvertures qui terminent les fentes de séparation entre les doigts vers la périphérie sont destinées à limiter les contraintes dans ces zones particulièrement sollicitées. Elles permettent également de faire passer les éléments de fixation du diaphragme sur le couvercle. Cette solution permet la diminution du nombre de pièces et la réduction significative de l’encombrement latéral. L’implantation du diaphragme est dessinée sur la figure 4.3 dans les deux positions : embrayée et débrayée. L’ensemble est représenté schématiquement sur la vue éclatée de la figure 4.4. Fig. 4.2 Fig. 4.3 Fig. 4.4 ISET KEF -8- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 Pour augmenter l’adhérence une garniture à base d’amiante et morceaux de fils métalliques est rivetée ou cimentée sur les deux faces du disque d’embrayage (voir la figure 4.5 a et 4.5 b) Le disque présenté sur la figure 4.5 a est réalisé par des ressorts de progressivité placés entre les deux garnitures et des ressorts hélicoïdaux, placés entre le moyeu (1) et le disque (2) pour amortir les vibrations torsionnelles et permettent une petite rotation relative entre le moyeu et le disque. Fig. 4.5 2.2.2.2. Embrayage multidisques Lorsqu’un embrayage à disque unique ne permet pas de transmettre le couple moteur (sans nécessité d’utilisation d’un ressort de tension exagérée ou de dimensions très importantes) on utilise un embrayage à disques multiples. Les embrayages multidisques (figure 4.6) fonctionnent selon le même principe, sauf qu'on utilise un empilement de disques. Un disque sur deux est cranté (rainuré) sur son pourtour, lui permettant d'être liés en rotation à la cloche d'embrayage, les autres à l'intérieur, sont liès à la noix d'embrayage. Cet empilement est maintenu en pression par des ressorts. La poussée est donc, en théorie et aux frottements près la même pour chaque disque. Cette configuration est, pour un même couple transmissible, bien plus compacte radialement que celle à un seul disque. Elle est celle retenue sur les motocyclettes. ISET KEF -9- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 Fig. 4.6 2.2.2.3. Embrayage à cônes L’embrayage à cônes (voir la figure 4.7) est constitué d’un accouplement conique muni d’un système de commande (souvent très simple) pour permettre le débrayage au moment voulu. L’embrayage à cônes est très simple très robuste et permet de transmettre des couples importants avec une faible tension de ressort. Ce type d’embrayage nécessite une course de débrayage plus grande que celle utilisée en embrayage monodisque à sec. Fig. 4.7 ISET KEF -10- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 2.2.2.4. Embrayage centrifuges Dans ces dispositifs, l'embrayage est commandé par la vitesse de rotation de l'un des deux arbres : Sous l'effet de la force centrifuge, des éléments (billes, ailettes) ont tendance à s'éloigner de l'axe de rotation et c'est ce mouvement qui assure l'embrayement, soit directement, soit par l'intermédiaire de bielles. La figure 4.8 représente un embrayage centrifuge à cloche. Les masselottes (2) sont plaquées contre le moyeu profilé (1) grâce aux ressorts de traction (3), ceux-ci étant fixés aux garnitures de friction (4). Les masselottes sont bloquées axialement au moyen de disques. Chaque garniture de friction possède un tenon sur sa surface interne qui assure son positionnement sur la masselotte. Ceci interdit à la garniture de glisser. La rotation du moyeu profile induit une force centrifuge agissant sur les masselottes, qui devient supérieure à la force de traction des ressorts. Lorsque la vitesse est suffisante, les garnitures de friction viennent au contact de la cloche (5), et l’adhérence générée entre les garnitures et la cloche permet la transmission du couple. Fig. 4.8 2.2.3. Couple transmissible (Cf) Cas ou la pression p est supposée uniforme sur toute la surface frottante p= F 4F = S π D2 − d 2 ( ) Données : Cf : couple transmissible par adhérence (N.m) F : effort presseur ou force axiale (N) f : coefficient de frottement D : diametre extérieur de la surface frottante d : diamètre intérieur de la surface frottante (valeurs usuelles ISET KEF 0,45D<d<0,8D ; valeur optimum d= 0,85D) -11- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 Pour faire les calculs, choisissons l’élément de surface Ds dont l’aire (annulaire) est limitée par les rayons r et r+dr : Ds= ……………………………………….. Force de frottement exercé sur Ds : Le couple élementaire (dCf), transmissible par frottement, est le produit de cette force de frottement par le rayon r : dCf=………………………………… Le couple total transmissible s’obtient par l’intégration sur toute la surface (r variant de d/2 à D/2) Cf=………………………………………. Si on remplace p par sa valeur on obtient ………………………………………….. Si on a n surfaces frottantes en contact : ………………………………………….. 2.2.4. Coupleurs Pour montrer la différence entre coupleurs (appelés parfois emhrayages sans friction) et embrayages, on présente la définition suivante : les coupleurs présentent des dispositifs qui utilisent comme élément de transmission de couple entre l’arbre moteur et l’arbre récepteur tifiilde intermédiaire (huile, poudre ou bille en acier) Grâce aux coupleurs le couple résistant de la machine réceptrice n’est appliqué que progressivement au moteur, ce qui permet d’admettre que celui-ci démarre à vide. Cet avantage est très tmportant car il permet la mise en marche facile des moteurs thermiques. La présence de fluide intermédiaire permet de limiter l’élévation de température du coupleur et autorise des temps de démarrage relativement longs, c’est à dire la mise en vitesse dans des conditions optimales de machines réceptrices à grande inertie. Il est à noter aussi que tous les coupleurs sont des limiteurs de couple et chaque constructeur définit avec précision les conditions de fonctionnement. Les réalisations des coupleurs sont très variées. Elles peuvent être subdiviser en deux catégories, est ce suivant le fluide (élément intermédiaire): ISET KEF -12- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 − coupleurs hydrauliques (qui utilisent l’huile comme fluide) − coupleurs à poudre ou à bille • Coupleurs hydrauliques Un coupleur hydraulique se compose de deux roues à aubes renfermées dans un carter rempli d’huile. L’aube menante appele pompe”, est fixé sur l’arbre moteur et l’aube menée dite “turbine “, est fixée sur l’arbre récepteur. La figure 4.9 représente le principe d’entraînement de la roue menée. La rotation de la roue motrice remplie d’huile crée une dépression au centre de la roue, alors qu’à la périphérie l’huile par la force centrifuge, est projetée à l’extérieur. La roue menée (même forme que la roue menante, reçoit le courant d’huile qui peut ainsi faire retour à la pompe aprés avoir parcouru un chemin circulaire. La figure 4.10 représente, en coupe, le schéma du coupleur hydraulique “VulcanSynclair” Fig. 4.10 Fig. 4.9 • Coupleurs à poudre ou à billes Les coupleurs à poudre ou à billes fonctionnent sur le même principe que les coupleurs hydrauliques, en utilisant comme fluide intermédiaire : − des billes en acier (figure 4.11) − poudre d’acier (figure 4.12) ISET KEF -13- H.Mondher Cours transmission de puissance Chapitre 2 Fig. 4.12 Au démarrage, le moteur entraîne le boîtier. Ce dernier met, par les forces centrifuges, les billes ou le poudre en anneau. La rotation du disque, constitué dune simple tôle, fixé sur l’arbre récepteur se fait par pression. La progressivité du démarrage et due au glissement des billes ou de la poudre sur le disque mené. Il est à noter qu’au régime de fonctionnement nominal le glissement s’affaiblis, et on peut obtenir, par exemple, une perte de 1 tour touts les 10.000 tours de l’arbre moteur pour les coupleurs à poudre. ISET KEF -14- H.Mondher