Chap 2 Les Embrayages GM2 ENIB

Chapitre 2 : Les embrayages

1

CHAPITRE 2 : LES EMBRAYAGES 1 / DEFINITION : Les embrayages ou accouplements temporaires sont des accouplements ncessaires

pour accoupler des machines dont le couple moteur est faible bas rgime (Moteur

thermique). Ils servent aussi la sparation des arbres en plein rgime de rotation.

Figure 1

2/ CLASSIFICATION :

EMBRAYAGES

A griffes et dents

A friction

Electromagntique

poudre

A disques

A cnes

A Mchoires

A rubans

A Levier

Electromagntique Pneumatique Hydraulique

Suivant la nature des forces dembrayage

Suivant la forme des surfaces de frottement

Suivant le mode de commande et de transmission de pression

Ligne darbre

Moteur

Pm, Im, m Embrayage ou (Accouplement

temporaire)

Rcepteur Pr, Ir, r


2

3 / EMBRAYAGES A GRIFES ET A DENTS

Ce dispositif simple permet lembrayage par commande manuelle, lectromagntique

ou pneumatique.

Figure 2

Inconvnient:

Difficile dembrayer en marche et surtout en charge

Avantage :

Les arbres accoupls ont absolument la mme vitesse angulaire.

PROFIL

Carr

3 < < 10

Trapzodal

Symtrique

60 < < 90

Triangulaire

A denture fine

Trapzodal Asymtrique

En

dveloppante

de cercle

F ig u r e 3

Le calcul de rsistance des griffes et des dents se fait la flexion et la pression.

Moteur Rcepteur

R


3

Manchon griffes : La similitude avec le manchon dilatation est frappante (Chapitre 1). La griffe (4) est monte

coulissante sur un arbre et est manuvre avec une fourchette. (Fig.4)

Figure.4.

4 / EMBRAYAGES A FRICTION : Un embrayage friction est un embrayage mcanique, il permet de lancer un moteur

vide, de manuvrer une bote de vitesses sans arrter le moteur, de coupler en marche

plusieurs appareils sur le mme moteur.

Figure 5

4.1 / PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET CALCUL DES EMBRAYAGES A FRICTION. Les embrayages friction sont prvus pour raliser lentranement progressif de deux

arbres en marche et leurs sparations rapides ou lentes.

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

1

Rcepteur Cr, Ir, r

Moteur

Cm Im, m

2 3 4 5


4

1. Engagement : les surfaces actives se rapprochent et sont serres lune lautre; larbre

men est acclr jusqu' la vitesse de larbre manant.

2. Embrayage engag : Les arbres (menant et men) tournent la mme vitesse.

3. Dbrayage : Les surfaces actives se desserrent et scartent ; larbre men poursuit sa

rotation dcroissante jusqu larrt complet.

4. Embrayage dbray : Les surfaces actives sont spares par un jeu ; larbre men est immobile, larbre menant continue tourner ou est galement immobile.

4. 2 / MATERIAUX.

Le choix des matriaux, aura une grande importance sur la valeur du coefficient de frottement

f, sur la pression de contact admissible Padm et sur la temprature maximale admissible des

surfaces frottantes Tl.

Les corps sont gnralement en fonte.

Les disques dembrayages sont en tle dacier revtue ou non de frodo.

Quand les disques dembrayage sont sans garnitures, ils sont tremps.

Caractristiques de matriaux de disques des embrayages et de freins

Matires en contact Etat f Pression

Padm

daN/cm2

Temprature : Tl (C)

En continu Brivement

Acier durci Acier durci Huil 0.05 0.1 5 40 100 200

Acier durci Mtal Fritt 150 300

Acier durci Acier durci Circulation

dhuile

0.02 0.1 5 50 100 200

Acier durci Mtal Fritt 150 300

Fonte grise Fonte grise sec 0.15 0.25 10 20 200 300

Fonte grise Acier sec 0.1 0.2 5 15 150 250

Acier ou Fonte grise

Rsine synthtique ou phnol

sec 0.2 0.3 1 10 100 150

Acier ou Fonte grise

Toile amiante

imprgn

sec 0.25 0.35 1 25 150 350

1 daN/cm2 = 0.1 MPa


5

Le Frodo : matire souple base damiante (compos de silice, magnsium) et une faible

quantit dalumine et doxydes de fer se trouve ltat de minerai en Amrique du nord),

arm de fibres textiles ou plus souvent de fils de laiton, daspect brun fonc.

La Socit Frodo construit de trs nombreuses nuances. Un ordre dide :

Coefficient de frottement sur fonte sec f = 0.3

Coefficient de frottement sur fonte ltat gras f = 0.15

Temprature supporte: 300 C pendant quelques secondes.

200 C service normal

Puissance moyenne admise : 400 w/dm2.

Puissance limite maxi : 4.5 kw/dm2.

Pression de contact frodo mtal 1 20 daN/cm2

(des valeurs voisines de 0.7 daN/ cm2 assure une grande douceur lembrayage.)

Certains frodo peuvent fonctionner dans lhuile, dautres non.

Certaines varits permettent dobtenir des valeurs plus leves pour les caractristiques

prcdentes.

4. 3 / Couple transmissible par un embrayage : Il faut que quelque soit lacclration, lembrayage ne patine pas en fonctionnement normal ;

soit Cm Cr.

Cm : couple moteur.

Cr : couple rcepteur.

Soit le systme form d'un moteur, d'une transmission et d'un rcepteur.

Figure 6

En appliquant le principe fondamental de la dynamique au systme (moteur, transmission et

rcepteur), on obtient :

On isole Larbre moteur et on applique la PFD :

Cm-Cad = Im dtmd (a)

Cr Cm

Embrayage Im Ir


6

On isole Larbre moteur et on applique le PFD :

Cad-Cr = Ir dtrd

(b)

Les acclrations moteur et rcepteur sont gaux, les relations (a) et (b) donnent lexpression

du en fonction des caractristiques du systme :

Cad = rm

mrrm

IIICIC

Avec :

Im : moment dinertie de la partie motrice.

Ir : moment dinertie de la partie rceptrice.

dt

md : lacclration angulaire du moteur.

Cad : couple dadhrence (couple transmissible)

Remarques:

Si Cm et Cr donns, on a intrt avoir Ir minimal et Im maximal.

Si Cad = Cm, lembrayage est sur-dimensionn.

Si Cad = Cr, lembrayage est sous-dimensionn.

4 .4 / Expression du couple dadhrence dun embrayage disques Soit Cad le couple dadhrence transmissible par lembrayage.

Soit Fa la force axiale du ressort (5) applique sur le plateau (2), glissant sur larbre rcepteur

(4) contre le plateau moteur (1).

On suppose quon a une distribution uniforme de la pression P, entre les surfaces frottantes.

(cette distribution quilibre la pousse axiale Fa )

On isole le disque (3) et on considre un anneau lmentaire daire ds :

dS = 2 d avec (r < < R )

La force axiales est donne par :

Fa= P (R2-r2)

Le moment rsultant Cad de la force de frottement

lmentaire dT=fpdS sur la surface dS en O:

Figure 7

S1 S2

R

r

R

dS


7

Cad = R

rf P dS =

R

rf P 2 d = 2 f P

R

r2 d

Cad = f P

33

rR32 et P = Fa / (R2-r2)

En supposant que le contact est parfait entre les surfaces de contact S1 et S2 et que les

pices sont infiniment rigides, lexpression du couple du couple dadhrence sur la surface S1

en remplaant P par sa valeur :

Ce qui donne Cad = f Fa 22

33

32

rR

rR

Ce qui donne pour n surfaces frottantes : Cad = n fFa 2233

32

rR

rR

Si on pose Rm = 22

33

32

rR

rR

Ce qui donne Cad = n fFa Rm

Embrayage de voiture automobile (Figures 8 et 9):


8

Figure 8

Cest un embrayage mono disque, reprsent en position embray (Fig.9). Le disque 3,

solidaire du moyeu 5, porte les couronnes de friction 1 et 2 fixs sur lui par des rivets creux

tte drase. Le moyeu cannel 5 peut librement coulisser sur larbre conduit 7.

Le volant 10, fix lextrmit de larbre moteur 8 par les boulons freins 4, est centr sur lui

et positionn par 9. La gorge A empche le lubrifiant de tomber sur les surfaces dadhrence.


9

Le plateau mobile 11 est pouss par neuf ressorts 24 prenants appuis sur le couvercle 23

solidaire du volant. Leffort exerc par chaque ressort est de lordre de 50 daN. Sous chaque

ressort, une rondelle de Frodo 25 forme un isolant thermique.

Pour dbrayer, il faut carter

le plateau 11 vers la droite,

ce qui est le rle des leviers

16 (trois leviers

120).Chaque levier prend

appui, par lintermdiaire

dun galet cylindrique 14, sur

le mplat dun axe 13

immobilis dans les bras de

la chape 15 solidaire du

couvercle.

Le trou du levier laisse

laxe un jeu suffisant pour

quil puisse rouler sur le

mplat, ce roulement tant

rendu ncessaire par la

liaison levier-plateau. Cette

liaison, assure par un axe

mont sur roulement

aiguilles, constitue en effet

un point fixe du levier.

Figure 9 : Embrayage de voiture automobile


10

5/ Embrayage contact conique : 5.1/ Couple dadhrence

Figure 10

On suppose que la distribution de la pression est uniforme entre les surfaces frottantes.

Le couple transmissible est pour n surfaces frottantes actives et en remplaant P par sa

valeur :

Cad= nf Fa sin

1 32

22

33

rR

rR

; P = Fa / (R2-r2)

Remarque : A cause du termesin

1 , le couple dadhrence dun embrayage conique est plus

important que celui dun embrayage a disques pour une mme effort axial et mme

encombrement.

dx /cos

dx

4

Cm

1 5 3

Cr

y

R

PdS

Fa r

x

dS

O

On isole (A Mchoires 4)

x x

y

O


11

5.2/ Conception dun embrayage S.E.G :

Le mcanisme est contenu lintrieur dun carter en deux pices 8 et 17 visses lune

sur lautre, solidaires de larbre 6, et portant intrieurement les surfaces femelles de friction ;

Le filetage nest pas bloqu mais arrt par des vis tton de manire permettre un rglage

de la distance axiale des surfaces de friction. (Figure 11)

Deux anneaux 9 et 10 dont la jante porte les surfaces mles de friction peuvent

coulisser sur larbre 5.

Lcartement de deux anneaux coniques jusquau contact avec la cloche pour obtenir

lembrayage ou leur rapprochement pour le dbrayage sont commands par deux groupes

identiques dorganes, comprenant un ressort 4 , un levier coud 13 et une biellette articule

sur 13 par laxe 15.

Un manchon coulissant 16 clavet sur 5 commandes les biellettes.

Dans la position dbray (trait mixte fin), le ressort lgrement band maintient les

deux anneaux coniques appuys lun sur lautre.

Figure 11 : embrayage S.E.G


12

Dans la position embraye, le ressort, fortement band par le levier, a trs lgrement dpass

la position dquilibre instable. Les surfaces de friction tant venues en contact, il est en

position dquilibre stable.

La disposition symtrique des surfaces de contact fait quil ny a pas de pousse latrale. Le

jeu axial des anneaux sur les broches permet la dilatation des arbres. Ce sont les surfaces

coniques de contact qui centrent les arbres. Le sens de rotation est indiffrent.

6 / Embrayage contact cylindrique ( patins): La surface de contact cylindrique apporte un problme particulier. Le contact ne peut

se crer ou se supprimer que par modification du diamtre de la pice sur laquelle on agit :

celle-ci doit donc tre dformable.

La surface dformable peut tre des patins qui se dplacent suivant le sens radial ou

comme lexemple de la figure (12).

6.1 / Expression du couple dadhrence et distribution des efforts :

Cad = RdT = R f dN

Cad = R f p dS avec dS = R b d

Cad =

fbpdR0

2

Cad = R2 f b p Figure 12

Expression de p en fonction de N:

dN = p dS

dN = p cos R d db

N =

dpRb2

2cos

N = 2 p R f sin 2

2/sin.Rb2NP


13

Soit alors un couple dadhrence de:

Cad =2sin2RfN pour n patins : Cad = n

2sin2RfN

Si n = 2 et Cad =2sinRfN

6.2 / Expression du couple dadhrence pour un embrayage par expansion:

Le couple dadhrence pour un embrayage par expansion a pour expression :

Cad = (Q-P) r

Avec :

Q = Pf

e si on a le sens 1

Q = P/f

e si on a le sens 2

f : coefficient de frottement.

: angle denroulement.

r: rayon du tambour.

sens 1 Cad = P(f

e -1) r

Figure 12

sens 2 Cad = P(1-1/f

e ) r

6.3 / Embrayage de machine outil fonctionnant par expansion :

La couronne du cylindre extrieur est rendue expansible par une fente longitudinale

place ici la partie infrieure de lembrayage.

Les deux leviers 4 et 5 articuls sur des chapes solidaires des lvres de la fente prennent lun

sur lautre un appui de position rglable par vis et contre crou.

Lcartement des extrmits de 4 et 5 opposes lappui est command par un coin mont sur

un manchon. (Fig.13)

1

r

P Q

2


14

F

Figure 13 : Embrayage par expansion

7 / Embrayages centrifuges :

Les masses sont guides en translation :

La figure 14 un type dembrayage centrifuge simple, mais peu perfectionn. Il est combin

avec la poulie du moteur lectrique sur lequel il est mont.

Le moteur 10 clavet sur larbre 7 entrane 4 masselottes 8 portant extrieurement une

garniture 9. Ces masselottes loges dans des alvoles sont maintenues en place par les

boulons et les ressort 5 de tension rglable. Lintervalle B est garni de graisse. Les

roulements ne servent quau dmarrage, ce qui explique quil ny ait pas de systme

dtanchit pour le lubrifiant. Celui-ci est projet, le cas chant, par les trous A plutt que

de se trouver conduit sur les surfaces dadhrence.


15

Figure 14 : Embrayage centrifuge

Embrayage centrifuge Kostob-segor :

Lembrayage Kostob se substitue la poulie lisse dun moteur lectrique.

Son moyeu 2 est clavet sur larbre moteur.

Les deux masses 3 sont articules sur le moyeu par lune de leurs extrmits en deux

points diamtralement opposs. Larticulation comporte un joint lastique. Chaque masse est

rappele dans une position centripte par un ressort fix sa seconde extrmit. Elle porte une

garniture de friction.

Figure 15 : Embrayage centrifuge

La jante de la poulie ferme par le couvercle 4 est libre en rotation sur le moyeu. Elle

devient solidaire de celui-ci lorsque les masses projetes par la force centrifuge viennent,


16

malgr laction des ressorts antagonistes, sappuyer sur la face interne de la jante.

Larticulation lastique facilite le portage correct des surfaces malgr lusure de la garniture.

(Fig.15)

8 /EMBRAYAGE ELECTRIQUE (Embrayage Ferlec : (Fig.16)) La force pressante nest plus exerce par des ressorts, mais produite par une attraction

magntique. Lintensit du courant dexcitation est commande par la pdale dacclrateur.

Lembrayage se fait progressivement en mme temps que la vitesse.

Lorsquon envoie du

courant lenroulement, Le

champ magntique cr attire

larmature 4 vers la culasse 2.

Le plateau de pression 12

solidaire de 4 serre alors le

disque de friction 9 contre le

plateau intermdiaire 11

solidaire de la culasse 2. Il y a

naissance dun couple de

frottement proportionnel

lattraction magntique.

Suivant la valeur de ce couple

et du couple rsistant, il se

produit une friction avec

glissement ou un

entranement total.

Si lon coupe le

courant (en manuvrant le

levier de vitesse, par

exemple) lattraction cesse,

larmature sloigne de la

culasse sous laction des

ressorts 24 : il y a dbrayage.

Figure 16 : Embrayage lectrique


17

9 / CONVERTISSEUR DE COUPLE :

Le convertisseur de couple permet dassurer La liaison entre le moteur et la bote de vitesses dune voiture automobile. Lembrayage courant, disque de friction, est remplac par un convertisseur de couple hydraulique et un organe de coupure incorpor. Ce dernier est indispensable au Changement des vitesses qui ne peut se faire que lorsque larbre dentre de la bote nest pas soumis au couple moteur. (Fig.13) Le convertisseur de couple diffre du coupleur hydraulique par ladjonction dun racteur. Il comporte trois lments munis daubages guidant le passage de lhuile (huile spciale pour transmission automatique). Un rotor impulseur ou pompe 1 solidaire de larbre moteur ; Un rotor rcepteur ou turbine 2 solidaire de larbre dentre 3 dans la bote de vitesses ; Un racteur 4 mont sur une roue libre cames 5 qui ne permet sa rotation que dans le

sens moteur.

Figure 17 :

convertisseur de

couple

10 / Les coupleurs 1) Coupleurs hydrauliques :

Les coupleurs hydrauliques ne sont pas, proprement parler, des embrayages : en

gnral, ils ne permettent pas la sparation complte de l'arbre menant et de l'arbre men.

Cette condition ne peut tre ralise que lorsque l'on vidange compltement l'huile du

coupleur.


18

a) Fonctionnement : (Voir figure 18)

Chacun des demi-tores est pourvu de cloisons radiales. La cavit est remplie 30 %

d'huile minrale spciale. Ce liquide assure la liaison avec glissement.

La rotation de l'arbre moteur provoque une acclration de la masse hydraulique qui

cre une dpression centrale et chasse l'huile vers la priphrie, l'huile projete ne peut

s'chapper qu'en pntrant dans un compartiment du demi-tore rcepteur et en chassant devant

elle (vers l'axe) l'huile contenue dans ce compartiment (car '


19

-Filtre de vibration de torsion (moteur combustion interne).

Avantages :

Dmarrage automatique, diminution de la dure de pointe au dmarrage pour moteurs

lectriques, dmarrage et ralenti sans dsaccouplement pour moteur thermiques, rendement

pratiquement gale 1 en marche normal, possibilit de mise en parallle de plusieurs mot

Figure 18 : convertisseur de couple


20


21

11 / ETUDE DU TRAVAIL DE FROTTEMENT (Wf).

Le travail lmentaire est : dWf = Cad (M r) dt Si la dure de la friction est t0, le travail de glissement est :

Wf = 0

0

tCad (M r) dt

On a

t = 0 r = 0

t = t0 r = M ce qui donne :

r = 0tm t

La vitesse de glissement est : m =g r

Daprs le thorme du moment dynamique appliqu au rcepteur on a :

Cad-Cr = Ir dt

dr

Ce qui donne :

Wf = 0.5.Ir M2 + 0.5 Cr M t0 en joule.

Remarquons que lexpression de lnergie due au frottement dpend de linertie du

rcepteur et du temps de patinage t0.

12 / ETUDE DES TEMPERATURES.

Le travail de frottement prcdemment calcul se transforme intgralement en chaleur.

Cette chaleur rchauffe les particules mtalliques par conductibilit ; elle se propage dans lair

par rayonnement. Lair brass par les parties en mouvement va refroidir les autres par

convection.

Deux cas peuvent se produire:


22

Entre deux patinages, les surfaces frottantes ont le temps de se refroidir.

Entre deux patinages, les surfaces frottantes nont pas le temps de se refroidir. Ce qui

implique que la temprature augmente jusqu dpasser la valeur limite maximale admissible,

ou dtrioration des surfaces frottantes.

a / Embrayage faible dissipation de chaleur

Cest le cas de tous les embrayages nutilisant pas le frrodo comme garnitures. La

relation gnrale utilise est :

Wf = M Cm (Ti- To)

O :

Wf est le travail d au frottement (en calories)

M est la masse (en Kg)

Cm est la chaleur massique de la matire (en Cal/ C.Kg)

Ti est la temprature finale,

To est la temprature initiale.

b / Embrayage forte dissipation de chaleur

Par le frrodo , il ne peut schapper que peut de chaleur , les formules ont t tablies

exprimentalement. La base de calcul est la suivante :

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

Psp.M = Cad * maxi / Surface frottante totale

Si lembrayage patine pendant t secondes est ceci, cycliquement toutes les T secondes, la

puissance spcifique moyenne de glissement par cycle Psp.m (en chevaux /dm2) sexprime :

Psp.m = 0.5 Psp.M * (t / T)

La temprature maximale admissible sera donn par :

Avec

Tl la temprature maximale admissible,


23

Ta la temprature ambiante,

t dure de patinage,

e paisseur du paroi mtallique frottante en mm,

V la vitesse circonfrentielle moyenne du rcepteur au cours dun cycle dopration en m/s),

sa valeur est en gnral gale Rmoy* (maxi + mini ) / 2

Les embrayages avec des surfaces en ferodo sont en gnral utilis pour les applications

suivantes et ont pour valeurs maximales :

Voitures de tourisme : 5.15 Kw/dm2

Camions: 3.68 Kw/dm2

Tracteurs : 2.2 Kw/dm2

En pratique, des abaques sont utiliss, pour rsoudre les capacits calorifiques en

fonction du nombre de manuvre par heure.

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