Embrayage

L'embrayage est un système d'accouplement temporaire entre un arbre dit moteur et un autre dit récepteur. Du fait de sa transmission par adhérence, il offre une mise en charge progressive de l'accouplement qui évite les à-coups qui pourraient...

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L'embrayage est un système d'accouplement temporaire entre un arbre dit moteur et un autre dit récepteur. Du fait de sa transmission par adhérence, il offre une mise en charge progressive de l'accouplement qui évite les à-coups qui pourraient provoquer la rupture d'éléments de transmission ou le calage dans le cas d'une transmission depuis un moteur thermique.

Sur les véhicules automobiles, l'embrayage est indispensable parce que les moteurs thermiques doivent continuer à tourner même si le véhicule est à l'arrêt. Le désaccouplement favorise aussi le changement de rapport de vitesses. L'embrayage trouve par conséquent sa place sur la chaîne de transmission, entre le moteur et la boîte de vitesses, où, qui plus est , le couple à transmettre est le moins élevé.

«Embrayage» sert à désigner aussi la phase de fonctionnement où l'accouplement est établi ; il s'agit de l'opération inverse du «débrayage» durant laquelle les arbres sont désolidarisés. En fait «Embrayage» est une contraction de «Système d'embrayage».

On opposera les embrayages aux dispositifs à crabotage qui assurent un accouplement par obstacle et qui n'autorisent par conséquent pas une mise en charge progressive.

Demi-coupe d'un embrayage monodisque à diaphragme d'automobile

Les phases de fonctionnement d´un embrayage

On peut distinguer trois phases de fonctionnement pour un système d'embrayage.

En position embrayée : l'embrayage transmet totalement la puissance apportée (la voiture roule, le moteur est lié à la boîte de vitesses). C'est le plus fréquemment la position stable du système (absence d'action de commande).
En position débrayée : La transmission est interrompue. Roue libre, ou voiture arrêtée, le moteur peut continuer à tourner sans entraîner les roues. La situation est équivalente au point mort.
phase transitoire de glissement : surtout pendant l'embrayage, la transmission de puissance est progressivement rétablie. Pendant cette phase, l'arbre d'entrée et de sortie ne tournent pas à la même vitesse ; il y a alors glissement entre les disques, par conséquent dissipation d'énergie, sous forme de chaleur. Cette phase est à limiter dans le temps, même si elle est inévitable et sert à solidariser graduellement le moteur et la boîte de vitesses. L'usure des disquesse déroule pendant cette phase, fréquemment utilisée lors des démarrages en côte.

C'est la situation de glissement qui donne les conditions de dimensionnement de l'embrayage. Elle détermine le couple maximum transmissible. Au-delà, le glissement est systématique. La même configuration technologique est d'ailleurs adoptée sur les dispositifs limiteurs de couple, qui vont par conséquent patiner quand le couple sollicité devient trop important.

S'il est recommandé de débrayer le plus vivement envisageable, il faut par contre embrayer progressivement afin d'éviter des chocs qui endommageraient l'ensemble des éléments de transmission : les pièces du système d'embrayage lui même, mais également les engrenages de la boîte et du différentiel, les paliers de ces derniers, les joints de cardan, et enfin les pneumatiques.

Classification

Schéma d'un embrayage conique

Les solutions technologiques retenues pour ce système se distinguent suivant plusieurs critères :

la géométrie de la surface de friction :
- disques, le contact étant effectif suivant une couronne ;
- tambour (dans le cas de certains embrayages centrifuges) ;
- conique (abandonné actuellement sauf quelques applications à faible puissance). Son intérêt réside dans le fait qu'il est autobloquant : l'assemblage conique reste coincé en l'absence d'effort presseur. Il faut agir pour débrayer.

Selon le nombre de disques (lorsqu'il s'agit de disques)
- monodisque ;
- bidisque à sec à commande unique ou à commande scindée (double) ;
- multidisque humide ou à sec.

On nomme disque l'élément le plus souvent associé à l'arbre de sortie et pincé par deux éléments liés à l'arbre moteur. Il porte les garnitures de friction, et forme par conséquent une pièce d'usure. Le nombre de surfaces de contact est toujours pair ; ainsi les efforts presseurs n'induisent pas de contraintes dans la liaison entre le bâti et le dispositif d'embrayage, et sont en fait repris par la cloche d'embrayage.

Le nombre de disques annoncé dans un embrayage est par conséquent le nombre de disques pincés pourvus de garnitures.

La lubrification des surfaces de contact peut :
- Fonctionner à sec ;
- Fonctionner sous bain d'huile.

Selon le principe de commande
- Commande mécanique ;
- Commande hydraulique ;
- Commande électrique asservie électroniquement ;
- Centrifuge (dans ce cas la commande n'est pas volontaire mais induite par l'action sur l'accélérateur).

Le sens de la commande
- Commande d'embrayage pour les systèmes normalement débrayés (cas de petits engins tels tondeuses et motoculteur), ou des engins à embrayage centrifuge (cyclomoteur, modèles réduits radiocommandés) ;
- Commande de débrayage pour les systèmes normalement en prise.

Embrayage monodisque

Un embrayage comporte plusieurs pièces :

Le volant moteur 2, solidaire de l'arbre moteur 1.
Le disque d'embrayage 3 qui est solidarisé en rotation à l'arbre d'entrée de la boîte de vitesses 6 par des cannelures.
Le plateau de pression du mécanisme 4, assure l'adhérence du disque d'embrayage sur le volant moteur en position embrayée.
Les ressorts du mécanisme (à diaphragme notre cas), 5 sont en appui sur la butée d'embrayage 7.

Quand la commande (hydraulique ou à câble) d'embrayage est actionnée, la butée exerce une force sur le diaphragme, les plateaux s'écartent alors en libérant le disque de friction. Le mouvement est de moins en moins transmis, rendant indépendante la boîte de vitesses du moteur. Cela permet, par exemple, de rester immobile sans caler le moteur, ou de changer de vitesse.

La manœuvre inverse consiste à relâcher progressivement la commande d'embrayage, pour rétablir la liaison moteur/boîte de vitesses. Cette manœuvre se nomme «faire patiner l'embrayage».

Embrayage multidisque

Les embrayages multidisques 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 tenu en pression par des ressorts. La poussée est par conséquent, en principe ainsi qu'aux frottements près la même pour chaque disque

Cette configuration est , pour un même couple transmissible, énormément plus compacte radialement que celle à un seul disque. Elle est celle retenue sur les motocyclettes.

Embrayage électrorhéologique

Les progrès récents dans l'électrorhéologie permettent de penser à une nouvelle génération d'embrayage. Se basant sur la capacité de changement entre l'état solide et l'état liquide d'un fluide électrorhéologique. Ce type d'embrayage sert à connecter ou isoler le couple d'entrée et celui de sortie particulièrement aisément et rapidement.

Le principe de l'embrayage électrorhéologique est particulièrement simple. Lorsque un champ électrique est appliqué, le fluide électrorhéologique (ER) se solidifie et relie le disque d'entrée et le disque de sortie. Lorsque ce champ est retiré, le fluide ER revient à l'état normal (fluide). Le disque de sortie est par conséquent isolé presque instantanément du disque d'entrée.

Ce type d'embrayage a été fabriqué et testé en laboratoire. Pourtant, les limites actuelles des fluides électrorhéologiques (contrainte seuil toujours faible et stabilité non assurée) empêchent toujours sa commercialisation.

Embrayage centrifuge

Dans ces systèmes, 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.

Dimensionnement

Le couple transmissible par un embrayage dépend du matériau constituant les garnitures, du nombre et des dimensions des surfaces de frottement entre disques mais aussi de la force exercée par les ressorts.

Démonstration

Établi suivant le principe de l'équilibre strict, on peut calculer le couple maximal transmissible.

En effet, le couple $\ C$ s'obtient à partir le la longueur du bras de levier $\ l$ et de l'effort tangentiel au disque $\ T$ par la relation simple :

$C\ = l\ T\$

Mais le bras de levier correspond ici à la distance entre la surface de contact reconnue et le centre du disque. Cette distance est un rayon $\ r$ qui fluctue du rayon intérieur du disque $\ R_{i}$ (dû au perçage central) à son rayon extérieur $\ R_{e}$ . On doit par conséquent considérer le couple généré par le frottement au niveau d'un petit élément de surface du disque :

$\mathrm{d}C = r\ \mathrm{d}T$

D'autre part, cet effort tangentiel $\ T$ transmis au disque pour son entrainement dépend du cœfficient de frottement $f\$ et de l'effort normal de serrage $N\$ par la formule :

$T\ = f\ N\$ qu'on écrira, sur cet élement du surface d'un disque : $\mathrm{d}T = f\ \mathrm{d}N$

D'où $\mathrm{d}C = r\ f\ \mathrm{d}N$

Pareillement, si l'effort de serrage $\ N$ est uniformément réparti sur la surface de contact $\ S$ , on peut écrire que : $\mathrm{d}N = \frac{N}{S}\ \mathrm{d}S$
Soit, dans notre cas : $\mathrm{d}N = \frac{N}{\pi(R_eˆ2-R_iˆ2)}\ \mathrm{d}S$

Ce qui nous permet enfin d'écrire : $\mathrm{d}C = r\ f\ \frac{N}{\pi(R_eˆ2-R_iˆ2)}\ \mathrm{d}S$

qu'on intègre pour obtenir finalement le couple transmissible, en se plaçant en coordonnées cylindriques où $\mathrm{d}S = \mathrm{d}r\ .\ r\ \mathrm{d}\theta$ :

$C = \int_{r=R_i}ˆ{r=R_e} \int_{\theta=0}ˆ{\theta=2\pi} r\ f\ \frac{N}{\pi(R_eˆ2-R_iˆ2)}\ \mathrm{d}r\ .\ r\ \mathrm{d}\theta \,\, = 2 \pi\ f\ \frac{N}{\pi(R_eˆ2-R_iˆ2)} \int_{r=R_i}ˆ{r=R_e} rˆ2\ \mathrm{d}r \,$

d'où $C = f\ N\ \frac{2}{3}. \frac{(R_eˆ3-R_iˆ3)}{(R_eˆ2-R_iˆ2)}$

En règle générale, on rédigé $C = n\ f\ N\ R_{eq}$ avec $R_{eq}=\frac{2}{3}. \frac{(R_eˆ3-R_iˆ3)}{(R_eˆ2-R_iˆ2)}$

avec $n\$ le nombre (pair ou impair) de surfaces de friction

$f\$ le cœfficient de frottement entre ces surfaces

$N\$ l'effort de serrage, supposé uniformément réparti,

$R_e\$ et $R_i\$ les rayons extérieurs et intérieurs des surfaces de la couronne.

Les performances, surtout le cœfficient de frottement, restent liées à la température. Celle-ci s'élève rapidement quand les disques patinent. La totalité doit par conséquent pouvoir être refroidi.

Les matériaux constituant les garnitures sont des produits synthétiques étant jadis à base d'amiante, laquelle est actuellement interdite.

Cas spécifique de la boîte automatique

Il n'y a pas d'embrayage à disques avec une boîte de vitesses automatique classique : il est remplacé par un convertisseur de couple hydraulique. En effet, la manœuvre automatisée d'un embrayage classique est assez délicate. Ce système ressemble à un embrayage centrifuge, l'état de l'accouplement ne dépendant en fait que de la vitesse de rotation du moteur. Les passages de vitesse avec une boîte automatique étant eux-mêmes obtenus par actions sur des embrayages internes à la boîte. Le convertisseur de couple induit un glissement variable, mais également une augmentation substantielle du couple moteur disponible.

Dorénavant les boîtes de vitesses manuelles sont de plus en plus fréquemment robotisées, ce qui implique que l'embrayage est lui aussi piloté par l'électronique du calculateur de la voiture.

Transmissions hydrostatiques

Les engins pourvus d'une transmission hydrostatique, n'ont pas besoin d'embrayage. En effet c'est grace à la variation de cylindrée, de la pompe centrale ou des moteurs récepteurs qu'on contrôle la puissance délivrée, par exemple aux roues d'un engin de chantier ou d'un char.

Voir aussi

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