Embrayage - Définition et Explications

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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,...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...).

Sur les véhicules automobiles, l'embrayage (L'embrayage est un dispositif d'accouplement temporaire entre un arbre dit moteur et un autre dit...) 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...) 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...) et la boîte de vitesses (Une boîte de vitesse est le second maillon de la chaîne de transmission du couple d'un moteur au...), 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...) 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...) 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...) 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...)

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...), 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...) est équivalente au point (Graphie) mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si...).
  • 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...) 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...), sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...). Cette phase est à limiter dans le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), 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...). 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 la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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...) (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...) 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...) 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...) 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...).
  • 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...) 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...) 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...) 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...) d'un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) 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 (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) 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...) constituant les garnitures, des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) 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...) de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...) 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...). Celle-ci s'élève rapidement lorsque les disques patinent. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) doit donc pouvoir être refroidi.

Les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) 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...), 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...)

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...). 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...) un glissement variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...), 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.

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