ARTheque - STEF - ENS Cachan | Embrayage expérimental

Embrayage

expérimental

1 .

1

par

.René DUCEL sous-directeur de l'E.N.N.E.P. de Paris

Pour concevoir et construire un appareil, une machine, le technicien utilise notamment un certain

nombre de lois scientifiques. Or, il est rare que les résultats obtenus pratiquement, après réalisation,

soient rigoureusement ceux que le calcul permettait d'espérer. La «minute de vérité» que constitue

le banc d'essai, par exemple, permet de mesurer l'écart entre la théorie et la pratique. Dans certains

cas l'erreur sera acceptable, dans d'autres il faudra rechercher les raisons pour lesquelles, en cours

de conception ou de réalisation, on s'est tellement écarté des hypothèses ayant permis d'établir les

lois. Il faudra, dans ce cas, déceler les points sur lesquels on doit intervenir pour améliorer les

résul-tats obtenus.

Nous voyons donc apparaître deux types essentiels d'expérimentations:

celle qui porte globalement sur un appareil ou une machine quant

à

leur efficacité d'intervention

sur un milieu physique donné;

celle qui intéresse des phénomènes ponctuels qu'il est nécessaire de connaître et de maîtriser pour

utiliser avec le maximum de rigueur les modèles sur lesquels on s'appuiera pour construire.

Afin de familiariser l'élève de L.T. et de C.E.T.

avec cette attitude qui nous paraît être une des caractéristiques de l'esprit technologique, nous nous proposons d'étudier quel type d'expéri-mentation on pourrait réaliser sur un em-brayage, dans une première approche de l'ap-pareil.

1. FONCTION GLOBALE DE L'EMBRAYAGE

(Fig. 1)

1.1. :

En faisant varier les paramètres qui intervien-nent dans l'expression du couple de glissement d'un embrayage à friction plane ou conique, déterminer ce couple.

1.2. :

Après une recherche systématique des solutions théoriques permettant d'équilibrer un embrayage normalement embrayé, expérimenter sur l'ap-pareil l'efficacité des solutions technologiques retenues.

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f-+

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Fig. 1. -Embrayage expérimental.

Af--Il

---

---r=---1

\

~---·--~-lA

3 R' - r' 2 - - - - : : : : : : - - - i

Cas des disques les plus grands:

R-70 ~

r - 60) erreur de 0,2

OA

%i

été choisies de telle sorte que l'on puisse faire l'approximation

2 R3

- r

3

R

+

r

Cas des petits disques:

R

=

25 ~

r

=

20) erreur

Nota. - Si on calcule le couple de glissement

à

partir des hypothèses suivantes

L'usure U du disque et des plateaux est constante radialement.

L'usure U~I en un point M de la surface de glissement est donnée par la loi sur l'usure abrasive U~I

'=

k. Vg~I. P~I.t dans laque! le :

2. FONCTIONS PRINCIPALES

RElATIVES AU POINT 1.1

(Friction plane)

Cg Couple de glissement de l'embrayage. Q Poussée oxro!e sur les disques.

N Nombre de faces en mouvement relatif. Rmo)" : Rayon moyen des couronnes de contact.

Cr Couple résistant sur l'arbre récepteur.

1. Rot : rotation permise Rot : rotation non permise

Fig. 2 PARAMÈTRES VARIABLES A L'ENTRÉE FONCTIONS PRINCIPALES RÉSULTATS A DÉTERMINER A LA SORTIE

- On fait varier Q _--Fl-~ Variation de Cg

On fuit varier n Rot. - - F 2 - - > Variation de Cg

On fait varier Rmo)'. --F3-~ Variation de Cg

C,

varie pour Cr constant Rot. --F4-~ Durée de patinage.

L'expression du couple de glissement est Cg

=

Q.Rmo)'.. f.

Dans cette hypothèse, la pression radiale sur le disque varie suivant une loi hyperbolique ... et la formule ci-dessus, considérée comme une approximation quand on suppose la pression uniforme, découle logiquement du calcul! Nous nous trouvons en présence d'un cas type de problème technologique, où seule la finesse des expériences

à

réaliser permettrait de choisir le modèle qui convient. Remarquons que ce tra-vail de laboratoire, dans le cas présent, serait d'un intérêt limité car nous savons bien que f, notornrnent, ne reste pas constant quand la température s'élève.

Remarques préalables :

a} Couple moteur: Cm

'=

P . R' appliqué

à

la poulie de droite.

Couple de frottement dans le palier de droite : Cf1.

Couple de frottement au contact des joints d'étanchéité: C12.

A l'équilibre strict :

Cm

=

Cg

+

Cft

+

Cu 1 (l)

Nous constatons que la connoissonca de Cm ne nous donne pas directement Cg.

Nous pouvons espérer :

Cft négligeable devant Cm (roulements à billes). Cf2, sinon négligeable, du moins pratiquement constant (joints à lèvres à portée linéaire, plage de pression de 0

à

3 bars).

Il restera à vérifier expérimentalement si ces hypothèses sont réa 1isées.

b} Les dimensions des couronnes de contact ont

k Vg~r P~I t Et si f Q coefficient de dimension L. M-1 •T"i vitesse de glissement en Mi pression en Mi durée de patinage.

: coefficient de frottement supposé constant,

effort axial constant

R

+

r

Rmoy.

=

2.1. Conduite de l'expérimentation

Pour la conduite de l'expérimentation deux cas peuvent se présenter :

a) Les élèves ont les connaissances mathéma-tiques permettant d'établir la relation, b) Les élèves n'ont pas les connaissances (élèves

de C.E,T. mécanique automobile, par exemple),

Fig. 3

1

1 1

~III.lll.LQI-1

,!IIIII

T

Comment peut-on procéder? Dans le cas a) :

Trois démarches types peuvent, semble-t-il, être retenues

Graphe

Graphe:

2.3. Concrétisatio,n de la fonction principale F2

h

7

5

Fig. 5

Préparation de l'epporell

Disposition des disques de telle sorte que n

=

l, n

=

3, n

,=

5, n

'=

7. Par butée de (9) sur le bâti après chaque permutation de disques, on retrouve la même pression d'huile dans le bloc hydraulique (13) et par suite la même poussée axiale Q.

Expérimentation

On détermine Cg pour chaque valeur de n. Fig. 4

Expérimentation :

On fait varier Q en faisant varier la pression d'huile de 0

a

3 bars (action sur le bouton de réglage de pression (22L voir coupe 8-8,

fig. 1).

Dans le cas b) :

On retrouve ces trois possibilités,

a

ceci près que Ja loi serait donnée sans démonstration. Nous pensons qu'il sera essentiel, quelle que soit la démarche retenue, d'insister sur le fait que, pour l'appareil étudié et dans les limites de l'expérimentation, la vérité est au niveau des résultats expérimentaux et non au niveau de la loi.

2.2. Concrétisation de la fonction principale F1

Préparation de l'appareil (fig. 3) :

Disposition des disques de telle sorte que n

=

l , Soit:

Commencer par établir mathématiquement la relation en précisant les hypothèses. Expérimenter sur l'appareil.

Déterminer et expliquer les divergences entre les résultats expérimentaux et la loi. Ou encore:

Expérimenter d'abord en se limitant au tracé des différents graphes, sans interprétation, Déterminer la loi mathématique.

- Etudier les divergences.

Enfin, dans la mesure où les résultats expen-mentaux sont très proches de ceux donnés par la relation :

Expérimenter sur l'appareil et mathématiser au fur et

a

mesure les résultats des graphes. Etablir la loi mathématique.

Expliquer et justifier par des expérimenta-tions sur des phénomènes isolés pourquoi les hypothèses de la loi ont été respectées avec une bonne précision.

Expérimentation :

Sous la même pression de 2 bars.

Graphe: Cg.

2.4. Concrétisation de la fonction principale Fa

Préparation de l'appareil :

Retirer les disques précédents.

Monter sur les broches le grand plateau. Monter sur l'arbre moteur, successivement, des disques donnant au contact du grand, les rayons moyens suivants: 35, 45, 55, 65.

Fig. 6

Ils 55

l , 1 ~.c.

2'1,5

.li:>

6 ..

Expérimentation :

- Le couple résistant Cr est déterminé par la tension initiale du lien flexible s'enroulant sur la poulie de gauche.

Mesure des vitesses de rotation des arbres moteur et récepteur par compte-tours électronique Moviport.

La pression manométrique p est choisie de telle sorte que l'on ait Cg

=

Cm, Cg

<

Cm, Cg> Cm.

Déclenchement du chronomètre quand on lit la pression désirée.

Fin du glissement, donc arrêt du chrono-mètre, quand les deux arbres vont à la même vitesse.

Diagramme de variation :

Voir figure 8, page suivante

Conclusion :

Le diagramme permet de donner une première idée de la valeur de Cg pour un temps de pati-nage donné ou inversement de définir le temps de patinage résultant du choix de Cg pour un

Crdonné.

Nota. - On peut, au niveau du coefficient de

frottement, faire quelques expériences qualita-tives.

2.5. Concrétisation de la fonction principale F4

Préparation de l'appareil (fig. 7) :

Nota. - Cette étude peut être complétée en

faisant varier le moment d'inertie des organes en mouvement (masses additionnelles fixées sur les faces extérieures des poulies).

Nous laissons au lecteur le soin d'établir le mo-dèle mathématique correspondant au phéno-mène dynamique étudié.

t

o

Cri

C

1 Fig. 8 Friction Conique

Nous ne développons pas les expériences qui découlent du dessin d'ensemble de l'appareil dans lequel on remplace les disques par des cônes (voir fig. 9). Le schéma ci-contre et le

ta-bleau ci-dessous résument les différentes phases. Fig. 9 --F'5--3> Durée de patinaqe PARAMÈTRES VARIABLES A L'ENTRÉE On fait varier Q

l

On fait varier n Rot. On fait varier Rmo)".

On fait varier (J. On fa it varier C'g Rot. FONCTIONS PRINCIPALES --F'1--3> --F'2--3> --F'3--3> --F'.--3> RÉSULTATS A DÉTERMINER A LA SORTIE Variation de C'~ Variation de C'g Variation de C'g Variation de Clg

3. FONCTIONS PRINCIPALES RELATIVES AU POINT 1.2

PARAMÈTRES D'ENTRÉE FONCTIONS RÉSULTATS A OBTENIR

PRINCIPALES A LA SORTIE

Poussée axiale nécesso ire pou. pW-1

111

n'en résulte aucun effort axial sur

duire le couple d'adhérence entre les --F,--3> les paliers des arbres moteur et

éléments de l'embrcyoqe, soit Q. récepteur.

Effort nécessaire pour produire _le

l

- - Fz--3> { Un effort sur les paliers est acceptable. débrayage.

3.1. 1re famille des solutions

Données:

Elément développant l'énergie de serrage : ressort.

Le numéro des pièces indiqué est celui du dessin d'ensemble.

A. fonction

FI

Recherche des solutions à partir de la loi scien-tifique : équilibre axial des différents organes. Ensemble récepteur :

a) Isolons l'ensemble des disquesi

h] Isolons le ressort :

--

-V

..

_t5e

_f\

_1\.

_1\

_AI

y7

_i5

---+-IVV-v-t -

.~

~

VI~ : vecteur résultant des actions de 5 sur 11 ;

c) Isolons l'arbre de gauche et les organes liés

à

lui.

Conclusio'n

~ ~

Vif et V~I doivent être' deux vecteurs

directe-ment opposés.

Pour qu'il en soit ainsi

il

faut que? soit un élé. ment lié à l'ensemble isolé : plateau (5), par exemple.

SOLUTIONS TECHNOLOGIQUES

Impératif technique à respecter : les faces d'appui du ressort ont la même vitesse angulaire instantanée.

1re solution 2e solution

Ces deux types d'embrqyage que l'on peut concrétiser sur l'appareil (les broches taraudées à leur extrémité permettant de réaliser les épaulements a et b en adjoignant aux broches une vis et une rondelle) constituent un modèle technologique permettant l'étude d'embrayages industriels, type embrayages de voiture automobile (ressorts hélicoïdaux, diaphragme),

Ensemble moteur :

Les disques (10) étant clavetés coulissants sur l'arbre moteur, cet arbre n'est soumis à aucune poussée axiale.

B. Fonction F2

Dans les deux cas le débrayage est obtenu en

- 4

exerçant un effort X sur le plateau indiqué ci-dessusi deux cas peuvent se présenter :

- 4

L'organe permettant d'appliquer X est lié au bâti : il en résulte un effort directement opposé sur l'arbre au niveau du guidage en rotation (les éléments de guidage seront à

déterminer en conséquence).

- 4

L'organe permettant d'appliquer X est lié à

l'ensemble orbre-plcteou, il n'en résulte au-cune poussée axiale lors du débrayage. On étudiera quelques solutions industrielles dans ces deux directions.

3.2. 2" famille de solutions

L'étude des fonctions Fi et F2r dans le même esprit que précédemment, permet de mettre en évidence la famille de solutions ci-après, en isolant l'arbre de gauche et les organes liés à

lui (ensemble hydraulique supprimé).

Nota. - Un trou taraudé à l'extrémité de

l'arbre moteur permet de créer l'épaulement C par vis et coupelle.

Deux méplats sur un arbre moteur permettent de créer l'appui de ressort par le cavalier d.

CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES SUR l'APPAREil CHOIX DU DISPOSITIF HYDRAULIQUE

Le dispositif permettant d'exercer l'effort Q au-rait pu se limiter au seul ressort initialement étalonné, cette solution aurait permis d'éliminer le couple de frottement des joints.

La souplesse permise par le dispositif

hydrau-lique, notamment dans l'application de la

pous-sée Q variant de façon continuer et la lecture par les élèves de la pression sur le manomètre nous a conduit à retenir cette solution. Il res-tera à choisir un autre type de joints si celui qui a été choisi ne donne pas satisfaction.

Le ressort interposé entre les disques et (14) évite qu'un léger voilage de l'ensemble des disques ne provoque une surpression notable modifiant les données des différentes expé-riences.

CHOIX DES GARNITURES

d

Un premier appareil construit en ne mettant au-cune garniture au contact des disques a fait apparaître des variations très importantes du coefficient de frottement acier sur celer, en cours d'expérience. Nous pensons stabiliser ce coef-ficient en collant sur les petits disques une gare niture à définir après essais.