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chapitre 2 accouplement

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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
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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
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•
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
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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
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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
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2.2.
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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− 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
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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.
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