Accouplements, Embrayages, Freins

Les accouplements sont utilisés pour transmettre la vitesse et le couple, ou la puissance, entre deux arbres de transmission en prolongement l'un de l'autre comportant éventuellement des défauts d'alignement.

II existe une étonnante diversité de solutions aux possibilités complémentaires pouvant répondre à une multitude de cas posés. A eux seuls ils occupent toute une industrie.

La plupart des accouplements décrits dans ce chapitre sont disponibles commercialement.

quelle est la valeur du couple si la puissance transmise est de 10 kW à 500 tr/min ?

À couple constant, si la vitesse augmente, la puissance transmise augmente dans les mêmes proportions.

Accouplement permanent : il est dit permanent lorsque l'accouplement des deux arbres est permanent dans le temps. Le désaccouplement n'est possible que par démontage du dispositif.

Accouplement temporaire : il est dit temporaire lorsque l'accouplement ou le désaccouplement peuvent être obtenus à n'importe quel moment, sans démontage du dispositif, suite à une commande extérieure (intervention humaine ou commande automatisée).

Accouplement ou joint homocinétique : un accouplement est dit homocinétique lorsque la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée (N₁) est rigoureusement identique à celle de l'arbre de sortie (N₂). N₂ = N₁ à tout instant.

Le choix d'un type d'accouplement dépend d'abord des défauts d'alignement pouvant exister entre les deux arbres : désalignements radial, axial, angulaire et écart en torsion.

Ils doivent être utilisés lorsque les arbres sont correctement alignés (ou parfaitement coaxiaux).

Leur emploi exige des précautions et une étude rigoureuse de l'ensemble monté, car un mauvais alignement des arbres amène un écrasement des portées, des ruptures par fatigue et des destructions prématurées du système de fixation.

Très utilisés, précis, résistants, assez légers, encombrants radialement, ils sont souvent frettés ou montés à la presse.

La transmission du couple est en général obtenue par une série de boulons ajustés. En cas de surcharge, le cisaillement des boulons offre une certaine sécurité.

Dans le cas des petits accouplements, c'est le plus simple. Les deux goupilles travaillent au cisaillement et offrent une certaine sécurité en cas de surcharge. Le principe de calcul est le même que précédemment.

Variantes : goupilles remplacées par des clavettes ou des cannelures. L'arrêt en translation du manchon peut être réalisé par une vis de pression agissant sur la clavette, par une goupille passant entre les deux extrémités des deux arbres, par un circlips...

Ce sont les plus récents. Ils présentent une grande facilité de montage et de démontage et permettent l'utilisation d'arbres lisses sans rainure de clavette. La transmission du couple est obtenue par adhérence après serrage des vis.


4. Manchon à goupilles.	5. Manchon à douille biconique.

Souvent utilisés, ils tolèrent plus ou moins, suivant le type de construction, des défauts d'alignement limités entre les deux arbres.

Cette flexibilité fait que le mouvement des différents composants de l'accouplement s'effectue sans résistance et sans efforts antagonistes significatifs.

Composés de pièces rigides, ils peuvent corriger un ou plusieurs défauts d'alignement particuliers, mais transmettent le couple intégralement sans amortissement des irrégularités et des chocs de transmission (ni écart ni jeu en torsion : d_θ = 0).

Joint d'Oldham : il supporte uniquement des désalignements radiaux (d_R) et permet la transmission entre deux arbres parallèles présentant un léger décalage.

Le joint est construit autour de deux glissières à 90° ; plusieurs variantes sont possibles.

Au cours de la rotation, le centre I du plateau intermédiaire (2) décrit un cercle de diamètre O₁0₃ (l'angle O₁IO₃ étant constamment égal à 90°).

Le joint est parfaitement homocinétique : les angles de rotation IO₁I' et IO₃I' sont constamment identiques (interceptent tous deux l'arc II').


7. Le point I se déplace sur le cercle de diamètre O₁O₃	8. Homocinétisme du joint d'Oldham

Accouplements à denture bombée : il supporte uniquement des désalignements angulaires (da) modérés (obtenu grâce à la forme bombée de la denture), plusieurs variantes.


9. Exemple de réalisation	10. Mise en évidence du désalignement d_α

En plus de pièces rigides, ils se composent de parties totalement élastiques, ressorts ou blocs élastomères, permettant la flexibilité en torsion.

Ils sont conçus pour transmettre le couple en douceur (réduisent et amortissent les chocs et les irrégularités de transmission) tout en corrigeant plus ou moins les différents défauts d'alignement.

Les réalisations utilisant des éléments en élastomère (membrane, blocs...) supportent en même temps et à des degrés divers tous les types de désalignements.

Il existe de nombreuses réalisations plus ou moins concurrentes, quelques cas typiques seulement sont proposés. Seuls les désalignements permis les plus significatifs sont indiqués sur les figures.


11. Élastique en torsion d_θ	12. Élasticité en flexion d_α et en torsion d_θ


13. Ressort carré triple fil (d_α, d_θ)	14. Grand angle d_α, axial d_A et d_θ	15. Élasticités d_R, d_A d_θ

16. Désalignement d_θ et d_R	17. Désalignements d_A et d_θ	18. Désalignements d_α et d_θ

Les accouplements élastiques supportent des défauts angulaires (d_α) inférieurs à 3° environ.

Pour des désalignements supérieurs, il faut utiliser les joints de cardans et assimilés (d_α ou α jusqu'à 45°).

Non flexibles en torsion (dθ = 0), ils peuvent transmettre des couples très élevés.

Encore appelé joint universel ou joint de Hooke, son invention remonte au XVIe siècle (Jérôme Cardan). Le mouvement se transmet par l'intermédiaire d'un croisillon libre en rotation par rapport aux deux arbres (deux liaisons pivots d'axes perpendiculaires et concourants).

Inconvénient : c'est un joint non homocinétique ; bien que le nombre de tours parcourus par les deux arbres soit le même, la vitesse de rotation de l'arbre d'entrée (N₁) n'est pas égale à chaque instant à celle de l'arbre de sortie (N₂). Il existe des fluctuations, fonctions de l'angle a des deux arbres.

Sur un même tour, l'arbre 2 prend successivement de l'avance puis du retard par rapport à l'arbre 1 pour finir tous deux sur la même « ligne ».

Ce phénomène est générateur de vibrations importantes d'autant plus élevées que α et N₁ sont grands.


21. Schéma de principe du joint de cardan	22. Fluctuation de la vitesse N2

Correction pour avoir homocinétisme, joints en série : l'utilisation de deux joints de cardan en série avec trois arbres dont les angles a sont identiques permet de corriger le défaut précédent. Bien que la rotation de l'arbre intermédiaire (N₂) soit irrégulière, celle de l'arbre de sortie (N₃) est rigoureusement identique à celle de l'arbre d'entrée (N₃ = N₁ à tout instant). Les fluctuations de l'un sont compensées par celles de l'autre.

23. Groupements homocinétiques de cardans
(plans de symétrie des fourches confondues).

Pour couvrir les besoins des industries (automobile...) d'autres types de joints ont été développés et certains sont parfaitement homocinétiques par construction (N₂ = N₁à tout instant).

Joint tripode : il est basé sur trois sphères articulées à 120° pouvant coulisser dans trois cylindres coaxiaux parallèles à l'un des arbres. Particularité : il permet une liberté en translation supplémentaire.

Joint à quatre billes (type Rzeppa) : il est basé sur quatre billes à 90° pouvant rouler dans des chemins (analogie avec les roulements) de forme torique.


25. Joint tripode assemblé	26. Joint homocinétique à quatre billes, type Rzeppa

Basés sur les propriétés du frottement, les embrayages réalisent l'accouplement, ou le désaccouplement, de deux arbres au gré d'un utilisateur ou d'un automatisme, après les avoir amenés à la même vitesse de rotation.

Ils ne supportent pas ou très peu les défauts d'alignement et peuvent être classés à partir de la forme des surfaces frottantes (disque, cylindrique, conique) et de l'énergie du système de commande (mécanique, hydraulique, électromagnétique, pneumatique).

a) Embrayages à disques Ces embrayages sont les plus utilisés ; le nombre de disques est variable et dépend de l'encombrement ou de la place disponible pour loger l'embrayage. A couple transmis identique, un monodisque sera plus encombrant radialement (plus grand diamètre) et moins axialement (moins large) qu'un multidisque.

29. Représentation simplifiée d'un embrayage multidisques
à commande hydraulique ou pneumatique.

d : diamètre intérieur de la surface frottante
(valeurs usuelles : 0,45D < d < 0,8 D ; valeur optimum : d ≈ 0,58D)

Pour faire les calculs, choisissons l'élément de surface dS dont l'aire (annulaire) est limitée par les rayons r et (r + dr):

Le couple élémentaire (dCf), transmissible par frottement, est le produit de cette force de frottement par le rayon r :

Le couple total transmissible s'obtient par intégration sur toute la surface (r variant de d/2 à D/2).

Pour les freins comme pour les embrayages, les garnitures sont des matériaux composites, mélange de carbone, soufre, particules métalliques diverses (cuivre, laiton, bronze, fer...), céramiques et autres. Le tout est lié par une résine synthétique ou un élastomère (si l'on veut donner plus de souplesse) après frittage ou moulage.

La technologie est la même que celle des embrayages. Il existe de nombreuses variantes : monodisques, multidisques, etc. Rôle : il limite le couple transmissible entre deux arbres afin de protéger le mécanisme contre les surcharges (comme limiter le couple au démarrage) et les blocages.

Le tarage du couple est en général obtenu par un système presseur à ressort.

Les freins fonctionnent de la même manière que les embrayages mis à part que l'un des arbres, fixe, sert de base pour arrêter progressivement le second par absorption de l'énergie cinétique des masses mobiles. Cette énergie est transformée en chaleur puis dissipée dans l'air ambiant.

Ils ont pour eux une grande puissance de freinage sous un faible effort de commande. Aux vitesses élevées et en usages intensifs on leur préfère les freins à disques. Il existe plusieurs variantes.

La mâchoire comprimée supporte l'essentiel du freinage (environ les 2/3) et de ce fait s'use plus vite. L'effort de freinage peut être fourni par un vérin hydraulique (encore appelée cylindre) ou par un dispositif à came.


34. Principales données.	35. Allure des pressions normales.

L'expérience montre que la distribution des pressions ρ sur la mâchoire peut être résumée par :

Pour l'élément de surface choisi (dS = b.r.dθ), la force de frottement appliquée est

Le couple de freinage (dCf) engendré par cet élément est le produit de la force de frottement par le bras de levier r (dCf = f.p.r.dS).

Ils sont utilisés sur certains équipements industriels pour réaliser des couples de freinages très élevés. Le couple de freinage est exactement le même que pour une mâchoire intérieure (voir formule du paragraphe précédent).


37. Exemple de frein à tambour à mâchoires extérieures	38. Principe du frein à sabot pivotant

Cas d'un sabot pivotant : le sabot est supposé symétrique par rapport à l'articulation. Principales formules (même principe de détermination que précédemment) :

Ils ont pour eux la stabilité du couple de freinage, notamment aux vitesses élevées et une bonne tenue dans des conditions sévères d'utilisation (services intensifs, surcharges, etc).

Ils permettent une meilleure évacuation de la chaleur que les freins à tambour, un freinage plus progressif et sont plus faciles à entretenir. Cependant, à encombrement égal et à effort de commande identique (F) leur couple de freinage est deux à quatre fois plus faible.


40. Frein à disque à deux pistons et étrier fixe	41. Étrier mobile, cas 1

42. Étrier mobile, cas 2	43. Disque ventilé

Le couple transmis, très faible ou nul au démarrage, augmente progressivement avec la vitesse de rotation (varie avec le carré de cette vitesse). Les moteurs peuvent ainsi démarrer à vide ou sans charge.

Sous l'effet de la rotation de l'arbre d'entrée (roue pompe), le fluide intérieur (huile spéciale) est accéléré, l'énergie cinétique acquise est ensuite transmise à l'arbre de sortie (roue turbine) entraînant ainsi sa rotation.

En fonctionnement normal il y a toujours un léger glissement entre les deux arbres (2 à 4 %).

Ils ne doivent pas être confondus avec les coupleurs. Ils permettent, grâce à un troisième organe (aubages ou ailettes de réaction pouvant modifier le sens de circulation du fluide) de faire varier le couple.

Il y a modification du couple lorsque la roue turbine se bloque ou tourne au ralenti alors que la roue pompe est à sa vitesse maximale. Le couple peut alors être multiplié par deux ou plus.

Si la pompe et la turbine tournent à la même vitesse les aubages de réaction tournent eux aussi dans le même sens et le convertisseur fonctionne comme un coupleur, sans amplification du couple.

Variante 1 : elle est souvent installée sur les véhicules routiers avec des boîtes automatiques.

Variante 2 : implantée sur de grosses installations, elle utilise des aubages réglables (par servomoteurs ...) permettant de gommer les différences entre couple moteur et couple récepteur (fonction égalisatrice). Lorsque les aubages mobiles obturent complètement la circulation d'huile, le moteur est presque déchargé.

Elles permettent la transmission dans un seul sens de rotation et le débrayage dans l'autre. L'entraînement est obtenu par coincement ou arc-boutement du rouleau entre les deux arbres, « effet de cône », le ressort assurant le contact entre les trois éléments.


46. Variante 1	47. Variante 2