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Embrayage

L'embrayage est un dispositif 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 (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...).

Sur les véhicules automobiles, l'embrayage (L'embrayage est un dispositif 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...) est nécessaire parce que les moteurs thermiques doivent continuer à tourner même si le véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) est à l'arrêt. Le désaccouplement facilite aussi le changement de rapport de vitesses. L'embrayage trouve donc sa place sur la chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) de transmission, entre le moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance....) et la boîte de vitesses (Une boîte de vitesse est le second maillon de la chaîne de transmission du couple d'un moteur au roues d'un véhicule. La boîte de vitesses propose plusieurs rapports entre la vitesse de rotation de l'arbre...), où, de plus, le couple à transmettre est le moins élevé.

" Embrayage " désigne également la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de fonctionnement où l'accouplement est établi ; il s'agit de l'opération inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) du " débrayage " pendant laquelle les arbres sont désolidarisés. En fait " Embrayage " est une contraction de " Dispositif d'embrayage ".

On opposera les embrayages aux systèmes à crabotage qui assurent un accouplement par obstacle et, n'autorisent donc pas une mise en charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) progressive.

Demi-coupe d'un embrayage monodisque à diaphragme d'automobile
Demi-coupe d'un embrayage monodisque à diaphragme d'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence. C'est un des moyens de...)

Les phases de fonctionnement

On distingue trois phases de fonctionnement pour un dispositif d'embrayage.

  • En position embrayée : l'embrayage transmet intégralement la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) fournie (la voiture roule, le moteur est lié à la boîte de vitesses). C'est le plus souvent la position stable du dispositif (absence d'action de commande).
  • En position débrayée : La transmission est interrompue. Roue libre (Un système mécanique peut fonctionner en roue libre, s'il est capable d’interrompre momentanément l’entraînement en rotation d’un organe entraîné qui peut néanmoins continuer de tourner librement.), ou voiture arrêtée, le moteur peut continuer à tourner sans entraîner les roues. La situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou...) est équivalente au point (Graphie) mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la mort des étoiles). Chez les organismes...).
  • phase transitoire de glissement : en particulier pendant l'embrayage, la transmission de puissance est progressivement rétablie. Pendant cette phase, l'arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide composée d'un tronc qui...) d'entrée et de sortie ne tournent pas à la même vitesse ; il y a alors glissement entre les disques, donc dissipation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Cette phase est à limiter dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), même si elle est inévitable et permet de solidariser graduellement le moteur et la boîte de vitesses. L'usure des disques a lieu pendant cette phase.

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 (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes...). La même configuration technologique est d'ailleurs adoptée sur les systèmes limiteurs de couple, qui vont donc patiner lorsque le couple sollicité devient trop important.

Classification

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

  • la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) de friction :
    • disques, le contact étant effectif suivant une couronne ;
    • tambour (dans le cas de certains embrayages centrifuges) ;
    • conique (Les coniques constituent une famille très utilisée de courbes planes algébriques, qui peuvent être définies de plusieurs manières différentes, toutes équivalentes entre elles.) (abandonné aujourd'hui 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de disques (quand il s'agit de disques)
    • monodisque ;
    • bidisque à sec à commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) unique ou à commande séparée (double) ;
    • multidisque humide ou à sec.

On appelle disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) l'élément généralement associé à l'arbre de sortie est pincé par deux éléments liés à l'arbre moteur. Il porte les garnitures de friction, et constitue de ce fait 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 système d'embrayage, et sont en fait repris par la cloche d'embrayage.

Le nombre de disques annoncé dans un embrayage est donc le nombre de disques pincés munis de garnitures.

  • La lubrification des surfaces de contact peut :
    • Fonctionner à sec ;
    • Fonctionner sous bain d'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à...).
  • 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 pas l'action sur l'accélérateur).
  • Le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) de la commande
    • Commande d'embrayage pour les dispositifs 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 dispositifs normalement en prise.

Architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.)

Embrayage monodisque

Coupe d'un embrayage monodisque à diaphragme

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 (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) 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.

Lorsque la commande (hydraulique ou à câble) d'embrayage est actionnée, la butée exerce une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les...) 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 (On distingue :).

La manœuvre inverse consiste à relâcher progressivement la commande d'embrayage, pour rétablir la liaison moteur/boîte de vitesses. Cette manœuvre s'appelle " faire patiner l'embrayage ".

Embrayage multidisque

Un embrayage multidisque à sec sur une moto sportive. On voit nettement les ressorts.
Les pièces d'un embrayage multidisque : à gauche, la cloche et la noix, à droite les disques

Les embrayages multidisques fonctionnent selon le même principe, sauf qu'on utilise un empilement de disques, un sur deux étant en relation avec le moteur, un sur deux étant en relation avec les roues. Cet empilement est maintenu en pression par des ressorts.

Un disque sur deux est cranté sur son pourtour, lui permettant d'être solidaire de la cloche d'embrayage, un sur deux est cranté à l'intérieur, lui permettant d'être solidaire de la noix d'embrayage.

La position embrayée permet de rendre solidaires la cloche et la noix d'embrayage.

Cette configuration bien plus compacte radialement que celle à un seul disque 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 (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) d'un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...) électrorhéologique. Ce type d'embrayage permet de connecter ou isoler le couple d'entrée et celui de sortie très facilement et rapidement.

Le principe de l'embrayage électrorhéologique est très simple. Quand un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence...) est appliqué, le fluide électrorhéologique (ER) se solidifie et relie le disque d'entrée et le disque de sortie. Quand ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) est enlevé, fluide ER reviendra à l'état normal (fluide). Le disque de sortie est donc isolé presque instantanement du disque d'entrée.

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

Dimensionnement

Le couple transmissible par un embrayage dépend du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) constituant les garnitures, des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) des surfaces de contact entre disque et de la force exercée par les ressorts.

Établi suivant le principe de l'équilibre strict, le couple maximal transmissible se calcule par :

C = n\ f\ F\ R_{eq} avec R_{eq}=\frac{2}{3}. \frac{(R^3-r^3)}{(R^2-r^2)}

où :

  • n\ est le nombre (pair ou impair) de surfaces de friction (sd),
  • f\ le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et...) de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) au contact des disques (sd),
  • F\ la force globale du système presseur (en N),
  • R_{eq}\ le rayon équivalent (R rayon maxi, r rayon mini (MINI est une marque automobile de BMW Group. L'ancien modèle Mini était construit par MG Rover.) de la zone de contact, en m),
  • C\ le couple transmissible (en N.m).

Ces performances sont aussi liées à la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...). Celle-ci s'élève rapidement lorsque les disques patinent. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) doit donc pouvoir être refroidi.

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) constituant les garnitures sont des produits synthétiques étant autrefois à base d'amiante (L’amiante (nom masculin) est un terme désignant des minéraux à texture fibreuse utilisés dans l’industrie. Ce sont des...), laquelle est aujourd'hui interdite.

Cas particulier de la boîte automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour...)

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 (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les champs d'investigation qu'elle propose regroupent plusieurs domaines :). En effet, la manœuvre automatisée d'un embrayage classique est assez délicate. Ce dispositif s'apparente 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 (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en...) un glissement variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle est utilisée pour marquer un rôle dans une formule, un...), mais aussi une augmentation substantielle du couple moteur disponible.

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

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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