Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail TP Licence GMPE Objectifs du TP : - Fonctionnement et architecture d’un embrayage. - Expression du couple transmissible par un embrayage. - Analyse mécanique des fonctions techniques réalisées par un embrayage. - Analyse des problématiques techniques spécifiques au fonctionnement d’un embrayage. Matériel : - Embrayage monté et démonté. - Dossier Ressource 1. Schéma de principe d’un embrayage Question 1 : Après avoir lu les trois premières parties du dossier ressource et à l’aide des embrayages montés et démontés mis à votre disposition, colorier les différentes classes d’équivalence de l’embrayage sur le plan fourni ci-dessous Compléter alors le schéma de principe de cet embrayage. Tube guide 8 B F 1/9 Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail TP Licence GMPE 2. Analyse mécanique des fonctions techniques réalisées par un embrayage. 2.1. Fonction Technique : transmettre le couple moteur. 2.1.1. Calcul du couple transmissible par un embrayage. Objectif : Calculer le couple transmissible par un embrayage et mettre en évidence les paramètres d’influence sur ce couple. Hypothèses de l’étude : - La pression de contact de 1 sur 3 est supposée répartie uniformément. - On suppose que le frottement entre les surfaces de contact est modélisable par les lois de Coulomb et on se placera en tout point à la limite de glissement. Modèle d’étude et notations : dS 2rdr 3 1 y 2 N x r Ri Cm Re p1 / 3 er n y O M 1/ 3 z Soit en un point M quelconque de la surface de frottement : 13 fp13 df1 / 3 p13 n 13t et à la limite du glissement avec f le coefficient de frottement. Question 2 : Déterminer l’expression de N S p13 dS en fonction de Re, Ri et p13 2/9 t TP Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail Licence GMPE Question 3 : Déterminer l’expression du couple transmissible par l’embrayage E modélisé précédemment : C1 / 3 dS OM t S 13 en fonction de f, p13 , Re et Ri. Question 4 : Un embrayage automobile ayant 2 surfaces de contact, en déduire l’expression de son couple transmissible en fonction des paramètres précédents. Question 5 : Montrer alors que : 3 3 3 3 C1E/ 3 E 4 R e Ri 4 R e Ri f 2 soit : C1 / 3 N f 2 2 3 3 Re Ri2 N R e Ri Question 6 : Quels sont les paramètres d’influence sur l’intensité du couple transmissible par l’embrayage et les conséquences technologiques induites. Expliquer comment varie ce couple en fonction de ces paramètres. Question 7 :Quelles hypothèses vous paraissent discutables ? Justifier votre réponse. Conclusion : Pour assurer un couple transmissible élevé ( 100 à 350 Nm ) il faut imposer : - un effort de commande élevé ( 1000 à 2000N ). - Un coefficient de frottement stable et élevé ( 0,3 à 0,4 ). - Une surface de contact de grande dimension ( e=160 à 245mm et i=110 à 150mm ). Les problèmes techniques rencontrés sont d’assurer : - Une pression de contact répartie uniformément. - Un coefficient de frottement constant au cours du fonctionnement de l’embrayage. - Un effort presseur important tout en ayant un faible effort de commande à fournir par le conducteur pour assurer le débrayage. 2.1.2. Réalisation des contraintes technologiques Obtention d’un effort presseur constant et uniformément réparti Lire la partie du §4 du dossier ressource relatif à l’obtention d’un effort presseur constant et uniformément réparti. Question 8 : Observer le montage des garnitures sur le disque qui vous est fourni et expliquer en quelques mots en quoi cette solution technologique résout les problèmes de répartition de la pression de contact. Question 9 : Observer la courbe de charge d’un diaphragme donnée ci-après. La loi de comportement vous semble-t-elle conforme à l’intuition ? Expliquer. 3/9 TP Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail Question 10 : Pour chacun des cas de figure envisagés ci-dessous, expliquer comment évoluera l’effort presseur avec l’usure et déterminer le réglage qui vous semble le plus judicieux. - le diaphragme est réglé de façon à ce que le point d’embrayage à neuf soit en b. - le diaphragme est réglé de façon à ce que le point d’embrayage à neuf soit en c. - le diaphragme est réglé de façon à ce que le point d’embrayage à neuf soit en d. Licence GMPE Course induite par l’usure Obtention d’un effort presseur élevé pour un effort de commande faible Fcable pédale Ffourchettebutée d1 d3 d4 d2 Fconducteur pédale Fcable fourchette Question 11 : En étudiant successivement l’équilibre de la pédale d’embrayage et de la fourchette de commande, déterminer l’effort à la butée en fonction de l’effort à la pédale et des caractéristiques géométriques du mécanisme de commande. Donner alors l’expression du facteur d’amplification de l’effort de commande. 4/9 Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail TP Licence GMPE 2.2. Fonctions techniques : permettre le démarrage et le passage des vitesses. La problématique pour réaliser le démarrage du véhicule est que le moteur thermique ne peut pas délivrer son couple à l’arrêt et ne peut pas le délivrer instantanément non plus ( si on lâche l’embrayage brusquement le moteur va caler ). L’embrayage doit donc adapter la puissance du moteur durant la phase de patinage de façon à vaincre le couple résistant sans caler le moteur. y objectif : expliquer comment l’embrayage permet d’assurer le démarrage du véhicule et dégager les contraintes technologiques induites. Im : inertie du moteur. IR : inertie du récepteur. Modélisation de la chaîne de transmission : R : vitesse de rotation en CE sortie d’embrayage. m Cm Im O R 0 CR IR m x :vitesse de rotation du moteur. Cm : couple moteur C R :couple résistant. On notera CE l’intensité du couple transmis par l’embrayage. Description de l’opération d’embrayage : L’opération d’embrayage se déroule en 3 étapes durant lesquelles le véhicule est à l’arrêt : - phase de debrayage : CE=0. - appui sur l’accélerateur : CE=0 , Cm et m0 - phase d’embrayage : m croissent. est la vitesse atteinte en fin d’accélération. C E 0 . L’embrayage patine jusqu’à la réalisation de la condition de démarrage. Soit C E C 0 C R . Le moteur atteint son point de patinage et m mpatinage Hypothèses : En première approximation, on supposera le couple moteur constant sur toute la période d’embrayage Te. On supposera également que le couple d’embrayage CE prend instantanément sa valeur C0 au moment de l’enclenchement. (voir figure ci-contre) m m0 mpatinage t CE C0 Te t 5/9 TP Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail Licence GMPE Question 12 : Ecrire le Théorème de l’énergie-puissance appliqué à l’arbre moteur isolé en fonction de Cm , C E , Im et m . Question 13 : Exprimer C E en fonction des autres termes et déterminer le signe de ces termes. Question 14 : Déterminer, sous les hypothèses du problème, le terme m sur l’intervalle correspondant à la période d’embrayage. m0 mpatinage Question 15 : Montrer que : CE Cm I m TE Question 16 : En discutant sur les termes de l’expression précédente et sur l’évolution de CE , expliquer ce qui se passe en terme énergétique au cours de la période d’embrayage. On discutera notamment l’influence du terme inertiel. Question 17 : Discuter l’influence de la période d’embrayage : - si la période d’embrayage est trop courte ( Te 0 ). - si le régime moteur atteint en phase d’accéleration est trop faible. Conclusion : L’embrayage permet en phase de démarrage d’assurer la mise en charge progressive du moteur et d’utiliser les inerties du moteur pour créer un couple permettant d’amorcer le mouvement. Cette phase de glissement de l’embrayage est source de dégagement d’énergie calorifique et d’usure pour la garniture. Avec le couple transmissible, cette capacité de l’embrayage à dissiper une énergie calorifique importante et à supporter des températures élevées (200 à 250°C) est le critère prépondérant pour dimensionner un embrayage. D’autre part, la recherche du point de patinage nécessite une grande progressivité de l’embrayage. Cela signifie qu’il faut pouvoir régler le couple d’embrayage de façon précise et maîtriser ses variations en fonction de la course de la pédale. Cela permet de réaliser une opération d’embrayage sans à-coups pour le moteur et sans usure excessive pour l’embrayage. Cette progressivité est obtenue par le montage élastique des garnitures sur le voile ( voir § précédent). L’ étude de la Fonction Technique :permettre le passage des vitesse aboutit à mettre en évidence les mêmes exigences techniques pour l’embrayage à savoir sa capacité à dissiper l’énergie calorifique notamment en phase de rétrogradage et progressivité de l’opération d’embrayage. 6/9 Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail TP Licence GMPE 2.3. Fonction Technique : filtrer les vibrations de torsion. La problématique à l’origine de la réalisation de cette Fonction Technique est que le moteur étant source de vibrations importantes, il faut éviter de transmettre celles-ci à la transmission. 2.3.2. Principe de fonctionnement du moyeu amortisseur. Question 18 : Repérer sur le disque représenté ci-contre et sur le disque démonté qui vous est fourni les éléments constitutifs du moyeu amortisseur Question 19 : Expliquer succinctement le principe de fonctionnement de celui-ci. Expliquer notamment comment et à quel niveau sont filtrées les vibrations de torsion induites par les acyclismes. 2.3.3. Influence du moyeu amortisseur sur le comportement vibratoire de la transmission. Objectif : mettre en évidence l’influence du moyeu amortisseur sur la réponse vibratoire de la transmission. Modèle : moyeu amortisseur y m m m m b Cmoyeu m m: b: roue : Cmoyeu : m : m : b : x Iéq O Céq b roue arbre moteur. arbres de la transmission ramené à un arbre unique équivalent coaxial à l’arbre moteur, d’inertie équivalente Iéq.. et d’élasticité équivalente en torsion Céq arbre de sortie vers les roues ramené à un arbre équivalent coaxial à l’arbre moteur. élasticité en torsion du moyeu amortisseur. paramètre de rotation du moteur. variation d’amplitude de rotation du moteur dû aux acyclismes. variation d’amplitude de rotation du mouvement de la transmission. 7/9 Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail Licence GMPE - On se place à un régime moteur constant en moyenne tel que : m0 cste TP Hypothèses : soit également : m m t - On suppose que les variations d’amplitude du moteur et de la transmission sont de type sinusoïdales soit : 0 m A sin t avec 2 , T la période du mouvement et A l’amplitude T du mouvement sinusoïdal. b X sin t X est l’amplitude de la réponse vibratoire au niveau de la transmission. Pour comprendre cette dernière hypothèse, représentons graphiquement l’évolution de la vitesse du moteur et de la vitesse de la transmission : m (t ) m m m0 A sin t vitesse de rotation du moteur m0 A temps T On envisage donc les irrégularités du moteur comme des variations sinusoïdales autour d’une valeur moyenne correspondant à la vitesse moyenne de rotation du moteur. Ceci n’est pas éloigné de la réalité car les acyclismes du moteur peuvent être décrits par une superposition de fonctions sinusoïdales. La réponse de la transmission est évidemment de la même forme et l’objectif est d’en minimiser l’amplitude. L’équation de moment dynamique en projection sur l’axe (O ; x ) pour l’arbre de transmission isolé peut s’écrire sous la forme : b Par la suite, on posera 0 Cmoyeu Céq I éq Cmoyeu Céq I éq b Cmoyeu I éq m . Cette quantité est appelé pulsation propre et constitue une caractéristique propre de la transmission. L’équation précédente devient alors : b 02 b C moyeu I éq m . 8/9 Fonctions et caractéristiques d’un embrayage Dossier travail TP Licence GMPE Remarque : si vous ne connaissez pas la notion de pulsation propre ou de résonance vibratoire, demander des compléments d’information au professeur. Question 20: Compte tenu de la forme de m et b , montrer que l’équation précédente permet d’exprimer l’amplitude X de la réponse vibratoire de la ACmoyeu transmission sous la forme : X ( ) Question 21 : Déterminer I éq X lim 1 2 2 0 puis donner l’allure du graphe 0 f X . Interpréter ce résultat physiquement. Question 22 : Au regard des résultats établis précédemment, discuter l’influence des différents termes et la possibilité physique de les modifier. Justifier alors l’intérêt du moyeu amortisseur en terme de réponse vibratoire de la transmission. Connaissez vous une autre solution technologique susceptible de réaliser la même fonction ? Conclusion : Le rôle du moyeu amortisseur est donc de limiter l’amplitude des oscillations transmises à la boite de vitesse et de déplacer la fréquence propre principale de la transmission hors des plages de fonctionnement les plus utilisées. Sur un embrayage classique, ceci est obtenu en disposant circonférentiellement des ressorts entre le disque de friction et le moyeu cannelé. Toutefois, on ne peut pas introduire un élément trop élastique, car la course des ressorts est limitée. En effet, dans certaines configurations de fonctionnement et en particulier au ralenti, on risque d’exciter le moyeu amortisseur et donc de créer des chocs dans le moyeu et la transmission A titre d’exemple, on peut voir sur les deux courbes ci-dessous l’allure du couple délivré par un moteur au ralenti et l’allure du couple transmis après filtrage par le moyeu amortisseur. 9/9