M 24 Dispositifs de Transmission Dénergie Mécanique
Short Description
Dispositifs de Transmission Dénergie Mécanique...
Description
ROYAUME DU MAROC
OFPPT
Office de la Formation Professionnelle et de la Promotion du Travail DIRECTION RECHERCHE ET INGENIERIE DE FORMATION
RESUME THEORIQUE & GUIDE DE TRAVAUX PRATIQUES
DISPOSITIFS DE MODULE N 24 : TRANSMISSION D’ÉNERGIE MÉCANIQUE
SECTEUR :
ELECTROTECHNIQUE
SPECIALITE :
ELECTROMECANIQUE
NIVEAU :
QUALIFICATION
ANNEE 2010
Résumé de Théorie et Guide de travaux pratiques
Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
Document élaboré par :
Nom et prénom ZINE THAMI
EFP I.S.T.A LAAYOUNE
DR D.R.P.S
Dinca Carmen Mihaela
CDC Génie Electrique DRIF
Révision
Validation -
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Résumé de Théorie et Guide de travaux pratiques
Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
SOMMAIRE 1. Transmission de l’energie mecanique .........................................................................7 1.1. Introduction .........................................................................................................7 1.2. Energie................................................................................................................7 1.3. Couple.................................................................................................................7 1.4. Travail .................................................................................................................9 1.5. Puissance..........................................................................................................10 2. Accouplements ..........................................................................................................11 2.1. Généralités ........................................................................................................11 2.2. Définition ...........................................................................................................11 2.3. Classification des accouplements .....................................................................12 3. Embrayage ................................................................................................................27 3.1. Généralités ........................................................................................................27 3.2. Classification .....................................................................................................27 3.3. Embrayage classique à friction..........................................................................28 4. Boite de vitesses .......................................................................................................37 4.1. Introduction .......................................................................................................37 4.2. Nécessité d'une boîte de vitesses .....................................................................38 4.3. Boîte manuelle à engrenages parallèles ...........................................................38 4.4. Boîte de vitesses robotisée ...............................................................................42 4.5. Boîte séquentielle..............................................................................................43 4.6. Boîte à crabots ..................................................................................................44 4.7. Boîte de vitesses automatique ..........................................................................44 5. Réducteur ..................................................................................................................46 5.1. Définition ...........................................................................................................46 5.2. Classification des réducteurs.............................................................................46 5.3. Réducteur à étages ...........................................................................................47 5.4. Réducteur planétaire ou épicycloïdal ................................................................48 Tp1 – installation d’un accouplement rigide.....................................................................52 Tp2 – installation d’un accouplement semi élastique.......................................................53 Tp3 – etude d’un embrayage centrifuge ..........................................................................54 Tp4 – étude d’une boite de vitesse classique d’un tour parallèle.....................................55 Tp5 – étude d’un réducteur de vitesse classique.............................................................56
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MODULE : 24
Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
DISPOSITIFS DE TRANSMISSION D’ÉNERGIE MÉCANIQUE Durée : 50 heures OBJECTIF OPERATIONNEL
COMPORTEMENT ATTENDU Pour démontrer sa compétence le stagiaire doit : entretenir et réparer des dispositifs de transmission d’énergie mécanique, selon les conditions, les critères et les précisions qui suivent.
CONDITIONS D’EVALUATION • Travail individuel. • À partir : - de directives; - d’un problème de fonctionnement simulé ou réel; - de volumes de référence; - de manuels d’entretien et techniques; - de plans relatifs à l’équipement. • À l’aide : - d’équipements industriels; - d’outillage; - d’instruments de mesure; - d’équipements de sécurité.
CRITERES GENERAUX DE PERFORMANCE • • • • •
Respect des règles de santé et de sécurité au travail. Méthode de travail. Précision du travail. Travail soigné et propre. Utilisation appropriée de l’outillage et de l’équipement.
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Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
OBJECTIF OPERATIONNEL DE COMPORTEMENT PRECISIONS SUR LE COMPORTEMENT ATTENDU
CRITERES PARTICULIERS DE PERFORMANCE
A. Poser un diagnostic
-
Exactitude du diagnostic
B. Planifier le travail
-
Repérage exact des symboles sur les plans et les manuels techniques Respect des étapes du processus de planification
-
C. Sélectionner les outils et l’équipement
-
Choix approprié des outils et de l’équipement
-
Respect des mesures de protection
E. Démonter, remonter, ajuster, entretenir et réparer des dispositifs tels que : - variateurs et réducteurs de vitesse; - boîtes d’engrenages; - accouplements et limiteurs de couples; - embrayages et freins.
-
Respect des méthodes de démontage et de remontage Respect des normes du fabricant Respect des jeux et des tolérances Précision de l’alignement
F. Effectuer des essais
-
Respect des spécifications de fonctionnement
G. Ranger et nettoyer l’aire de travail, l’outillage et l’équipement
-
Rangement et nettoyage appropriés du poste de travail
H. Consigner les interventions
-
Concision et pertinence des informations présentée
D. Appliquer les règles de santé et de sécurité au travail
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Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
Présentation du Module Le module «Dispositifs de transmission d’énergie mécanique» est un module qui permet aux stagiaires d’acquérir les connaissances relatives aux dispositifs de transmission d’énergie mécanique .Il vise donc à rendre le stagiaire apte à détecter les anomalies du bon fonctionnement de la transmission mécanique Une présentation succincte des principaux éléments de la transmission à savoir : • accouplements • embrayage • boite de vitesses • réducteurs
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Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
Module 24 : DISPOSITIFS DE TRANSMISSION D’ÉNERGIE MÉCANIQUE RESUME THEORIQUE
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1. TRANSMISSION DE L’ENERGIE MECANIQUE 1.1.
Introduction
Dans un contexte de transmission de puissance les mouvements servent principalement à transférer de l’énergie mécanique d’une pièce d’un mécanisme à une autre. Il y a trois types de systèmes de transmission couramment employés : Fluidique (huile, air) Electrique, les éléments et notions de ce type de transmission d’énergie qui sont nécessaires à l’exercice du métier électromécanicien Mécanique, ce sont les transmissions mécaniques Les éléments des transmissions mécaniques tels que arbres et accouplements, embrayages, limiteurs de couples boites de vitesses, variateurs et réducteur de vitesses. Ces systèmes sont indispensables pour faire fonctionner une machine de production comme tour parallèle, fraiseuse. 1.2.
Energie
L’énergie est l’aptitude d’un système physique à produire de travail. Dans les barrages on emmagasine de l’énergie sous forme de réserve d’eau ,il s’agit d’une énergie potentielle , alimentant les turbines d’un barrage est transformé en électricité qui est acheminé à l’aide de réseau de distribution De cette manière ,vous êtes en mesure ,dans votre foyer , de faire fonctionner un ventilateur produit un travail en déplaçant un volume d’air à une vitesse donnée ,comme tout corps en mouvement ,possède une énergie capable de produire un travail ; il s’agit d’énergie cinétique . L’énergie cinétique est mesurée par le travail fournie pour la mettre en mouvement .Le concept d’énergie englobe toutes les formes que peut prendre l’énergie mécanique , thermique ,électrique ,chimique , éolienne , nucléaire ,solaire etc.
1.3.
Couple
Le terme de couple vient de ce qu’il associe deux grandeurs : une force et un bras de levier .Dans un moteur thermique, cette force, c’est la pression que les gaz exercent sur les pistons .Le bras de levier, c’est la longueur des manetons u vilebrequin. Le couple correspond à la force avec laquelle un cycliste appuie sur les pédales multipliée par la longueur du bras de manivelle.
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Avant l'introduction des unités SI, on mesurait le moment du couple (M) en mètres kilogrammes (mkg). Un cycliste qui appuie de tous ses 90 kg sur un bras de manivelle long de 0,17 m développe un couple de 0,17 m x 90 kg = 15,3 mkg, soit 0,17 x 90 x 10 = 153 N.M Depuis 1954, l’unité internationale de couple est le newton-mètre (symbole Nm ou Nm). 1.3.1. Rôle de la transmission Elle agit comme un multiplicateur de couple. C’est pourquoi on distingue le couple moteur (disponible au vilebrequin) et le couple de traction (disponible aux arbres de roues). 1.3.2. Couple antagoniste Impossible de parler du couple moteur sans évoquer le couple antagoniste, grandeur généralement méconnue mais dont la valeur constitue pourtant l’autre caractéristique technique essentielle des moteurs d’automobiles. Le couple antagoniste est le terme technique qui désigne ce que les conducteurs appellent couramment le ‘‘frein moteur’’. En effet, tout moteur thermique délivre inévitablement un couple antagoniste dès qu’on supprime son alimentation en carburant. OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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1.3.3. Mesure de couple antagoniste La valeur du couple antagoniste peut être calculé indirectement grâce à une expérience très facile à réaliser. Imaginons de stabiliser la vitesse de la voiture dans une descente grâce à la seule action du couple antagoniste. Il suffirait alors de connaître la masse de la voiture, sa vitesse, les caractéristiques de la transmission (démultiplication) et de l’aérodynamique (ainsi que la déclivité de la route pour calculer ensuite tous les paramètres du mouvement (résistance de l’air, composante du poids parallèle à la route, etc.). Une fois ces paramètres connus, il serait enfin possible d’isoler la valeur du couple antagoniste. 1.3.4. A quoi sert le couple antagoniste ? Le couple antagoniste se manifeste dès qu’on coupe l’alimentation du moteur, il suffit donc au conducteur de lâcher l’accélérateur pour en bénéficier !… Le couple antagoniste peut et doit servir à stabiliser la vitesse de la voiture dans les descentes comme on l’a dit à propos de l’expérience évoquée ci-dessus. Le couple antagoniste suffit pour la plupart du temps à ralentir la voiture dans presque toutes les situations de conduite non urgentes ! 1.4.
Travail
Le travail est le produit d’une force par un déplacement : Travail = Force x Distance Application : calculer le travail nécessaire pour élever une masse de 75 kg de 4 m. Travail = 75 x10 x 4 = 3000 J Calculer le travail nécessaire pour élever une masse de 600 N au 10ème étage d’un édifice dont chaque étage mesure 3,5 m de hauteur. Travail = 600 x 10 x 3,5 = 21000 J soit 21 kJ OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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1.5.
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Puissance
La puissance développée (P) est d'autant plus grande que le laps de temps (t) nécessaire pour accomplir un travail déterminé W (monter une côte, par exemple) est court. P=W/t La puissance peut aussi se calculer en utilisant la relation P = M x n (où n représente la vitesse angulaire ou "régime" de rotation).
Exemple Une voiture de masse m = 1,2 t roule en ligne droite. Son couple moteur développe une force de 3000 N. Pour aller du point A au point B (150 m), elle met 12 s. Calculer sa puissance mécanique. W = F x d = 3000 x 150 =
450000 J
W 450000 P = ------------ = --------------- = 37500 W soit 37,5 KW T 12 Calcul de la puissance – formules Comme un cheval vapeur (ch) est la puissance nécessaire pour élever 75 kg de 1 mètre en 1 seconde, si la constante 716,2 est le résultat de 60 x 75 / 2π. Le couple est donné en mkg et le régime en tr/min, la relation devient : P = M x n / 716,2 60 convertit les secondes en minutes puisque le régime est donné en tr/min, 75 provient du fait que75 kgm/s = 1 ch., et diviser par 2 π permet d'obtenir le rayon d'une circonférence parcourue de 1 m.
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Si l'on choisit les unités S.I. (Nm, kW), la constante est alors: 60 x1000 / 2 π soit 9549. Si le couple est indiqué en Nm et la puissance en ch. Puissance (P) = couple (M) x régime (n) P (en ch) = M (en mkg) x n (en tr/min) / 716,2 P (en kW) = M (en Nm) x n (en tr/min) / 9549 P (en ch) = M (en Nm) x n (en tr/min) / 7023 P (in hp) = M (in lbs-ft) x n (in rpm) / 5252
2. ACCOUPLEMENTS 2.1. Généralités Lorsque deux arbres, placés dans le prolongement l’un de l’autre, doivent être rendus solidaires, on réalise leur accouplement en utilisant un organe d’accouplement. Pour des raisons fonctionnelles, les accouplements présentent souvent des caractéristiques particulières de natures diverses. Il en résulte que les accouplements sont de types variés et qu’il convient d’abord d’en présenter une classification générale en fonction de ces caractéristiques fonctionnelles. 2.2.
Définition
Les accouplements sont des organes de transmission permettant de transmettre la puissance mécanique en rotation entre deux arbres sensiblement alignés, sans modification de la fréquence de rotation de l’ensemble et d’une manière permanente. La position relative des arbres à accoupler est donc une contrainte déterminante dans le choix des accouplements. Quatre déplacements relatifs des arbres sont répertoriés par la norme NF-E 22-611
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a) Aucun déplacement relatif possible : accouplement rigide b) Un déplacement relatif est possible - e : accouplements compensateurs de dilatation - c : accouplement de Oldham - α : accouplement universel (cardan) - θ (en cas de surcharge) : accouplement de protection c) Tous déplacements relatifs possibles, sauf θ : accouplement flexible d) Tous déplacements relatifs possibles, mais avec limitation élastique : accouplement élastique SCHEMA CINEMATIQUE
Fonction Appareil destiné à assurer, en permanence la liaison en rotation entre deux arbres.
2.3.
CLASSIFICATION DES ACCOUPLEMENTS
Il existe plusieurs classifications des accouplements : Les accouplements rigides : aucun déplacement relatif possible. Les accouplements flexibles : la liaison n’est rigide qu’en rotation tous déplacement relatifs possibles sauf θ. Les accouplements élastiques : la liaison est élastique, tous déplacement relatifs possible.
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2.3.1. Accouplements rigides Ce type de liaison consiste à lier de façon rigide les deux arbres d’un système. Aucun mouvement relatif entre les arbres n’est possible. Généralement, une pièce intermédiaire crée la liaison. Il existe de nombreux montages : vis de pression, serrage par mâchoires, montage en force, clavetage. Fonction o Permet une liaison économique de deux arbres coaxiaux, de diamètres identiques ou différents o Encombrement très réduit o Il facilite la synchronisation, l’indexage et le positionnement axial des deux arbres. -
Dispositifs d’entraînement pour faible couple
a) Accouplements à douilles
Dispositifs pour couples moyens ou importants
a)Accouplement à coquilles La figue suivante en montre les formes. Grand diamètre extérieur à cause des boulons, d’où souvent défaut d’équilibrage. Le modèle de la figure est relativement peu évidé. Un clavetage de sécurité est en général prévu.
Accouplement rigide : serrage par boulons
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Accouplement rigide: serrage par mâchoires
Accouplement rigide : serrage par vis de pression
Vue éclatée d’un assemblage par clavetage
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b) Accouplement à plateaux C’est des plus courants. Les types du commerce présentent souvent des détails de construction peu recommandables. Les plateaux sont bien centrés l’un sur l’autre, mais le souci de fabrication fait parfois réduire l’usinage d’une manière incompatible avec un équilibrage correct. Dans le modèle représenté dans la figure, les boulons sont ajustés, leurs têtes cylindriques immobilisées en rotation sont noyées. Les plateaux sont montés à force sur les arbres. Les clavettes de sécurité existent toujours. Selon les cas, l’entraînement est fait par adhérence ou par obstacle.
c) Accouplement à chaîne à rouleaux Chacun des jantes forme un pignon denté. Une chaîne double rend les pignons solidaires. Un carter en tôle bourré de graisse et rendu étanche par des joints toriques, enferme l’ensemble. Une faible liberté existe entre les plateaux.
d) Accouplement à denture interne
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e) Accouplement à membranes
Membrane
Le principal inconvénient des accouplements rigides est qu’ils ne tolèrent pas de défaut d’alignement entre les arbres.
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2.3.2. Accouplements semi élastiques Il existe des accouplements dits «semi élastiques» qui permettent de rattraper de petits défauts d’alignement (typiquement les défauts d’usinage). Ces accouplements sont généralement constitués de deux parties rigides solidaires des arbres et d’une partie légèrement flexible qui rattrape les défauts d’alignement.
Accouplements Bendi-Flex et C-Flex
Exemple de caractéristiques d’un accouplement Rotex Il existe une multitude d’accouplements de ce type. Les critères devant être pris en compte lors du choix sont : le prix, l’encombrement, la vitesse de rotation maximum, le désalignement angulaire, le désalignement axial et radial et la durée de vie. Ces accouplements présentent généralement d’excellentes propriétés homocinétiques. C'est-à-dire que le mouvement de l’arbre de sortie est fidèle au mouvement de l’arbre moteur. Homocinétique: se dit d'une liaison qui permet à deux arbres, même non alignés, de conserver une vitesse de rotation identique. OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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2.3.3. Accouplements élastiques Basés sur le même principe que les accouplements semi élastiques, ceux-ci supportent des désalignements plus importants mais ne conservent pas les propriétés homocinétiques. Sur l’exemple ci-dessous, on devine facilement un retard entre le mouvement des deux arbres. Ce retard est dû à la torsion de la partie flexible. A l’heure actuelle, les dispositifs élastiques couramment utilisés sont nombreux, variés et soumis à des sollicitations souvent complexes, nous avons néanmoins tenté de les classer en fonction de ces sollicitations.
Les éléments élastiques sont tendus
Accouplement P-Flex a) Manchon Raffard à bracelet caoutchouc (ou cuir)
Les rayons de perçage des trous de broches sont très différents, de sorte qu’au repos les bracelets sont dans une position radiale. Cette disposition peut faire craindre parfois une souplesse excessive.
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b) Manchon à courroie sans fin
Une courroie sans fin de cuir passe sur des broches fixées alternativement sur les deux plateaux. Un autre type analogue à celui-ci comporte des fenêtres longitudinales traversant les jantes minces des deux plateaux, l’une des jantes étant de plus grand diamètre que l’autre (manchon zodel).
Les éléments élastiques sont comprimés ou cisaillés
a) Manchon ségor souplex
Chaque plateau possède quatre bras radiaux, laissant entre eux des alvéoles prismatiques dans lesquels sont placés les blocs élastiques. Des nombreux modèles analogues existent dans le commerce, qui utilisent des blocs ayant une autre forme. Les blocs sphériques, en particulier, donnent, s’ils sont logés entre deux surfaces planes, une excellente progressivité de la déformation.
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b) Manchon comelor Les blocs élastiques sont des cylindres de caoutchouc. Chacun des douze blocs est logé pour moitié dans l’un des douze évidements demi cylindriques de l’un et de l’autre plateau.
Les éléments élastiques sont en couronne
a) Manchon périflex ou à gaine flexible L’élément élastique n’est pas exactement un disque, mais un bandage torique coupé suivant une génératrice pour faciliter son montage.
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b) Flector
Un disque épais en caoutchouc est percé de six trous régulièrement répartis sur une circonférence. Chacun des deux arbres reçoit un plateau s’épanouissant en trois bras à 120°. Un boulon lie chaque bras ou disque, p rotégé au voisinage de ce boulon par armature métallique.
Les éléments élastiques sont fléchis
a) Manchon colombes Flexima
Les blocs D (caoutchouc entoilé) sont appuyés constamment sur les couronnes A et B de l’un des plateaux. La couronne C, appartenant au second plateau, s’appuie au milieu de la longueur du bloc. b) Manchon Flexacier Citroën
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Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
La surface latérale de chacun des deux plateaux 1 et 2 est creusée de rainures longitudinales dont l’espacement régulier est réalisé avec un très grand soin. Ces rainures s’évasent sur les faces des plateaux placées vis-à-vis. Une lame sans fin d’acier speciale3, passe successivement dans toutes les rainures (dans le plus gros modèles jusqu’au 4 m de diamètre, il y a deux ou même trois lames). Un boîtier en tôle 4 bourré de graisse protège rainures et ressort. Son étanchéité est obtenue par des joints en caoutchouc synthétique 5.
2.3.4. Accouplements articulés Cette dernière famille d’accouplements permet de corriger des défauts d’alignement très importants. L’utilisation de pièces en mouvement dans les articulations présentent deux inconvénients : l’usure des pièces et le coût de fabrication. a) Accouplements Oldham
Accouplement Oldham OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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L’alignement exact des arbres de deux machines présente des difficultés considérables. C’est une des raisons pour lesquelles les manchons élastiques qui permettent un défaut d’alignement sont tellement employés. Mais il peut se faire qu’il soit impossible d’utiliser de tels manchons, par exemple si l’entraînement en rotation doit se faire sans aucune variation de position angulaire, c'est-à-dire si à toute rotation θ de l’un des arbres doit correspondre la rotation θ de l’autre. Le joint de Oldham a cette propriété. Il a peu d’applications. Citons son emploi sur la commande de magnéto de certains avions de tourisme. L’accouplement Oldham est constitué de 3 pièces :
Deux plateaux 1 et 3 identiques sont clavetés sur les arbres à réunir. Leur face extérieure est creusée d’une rainure diamétrale. Un disque intermédiaire 2 possède les deux languettes complémentaires des rainures, ces deux languettes étant perpendiculaire. La double liaison prismatique permet au patin de voyager dans un plan perpendiculaire aux arbres tout en transmettant les couples. b) Joints de Cardan Un joint de Cardan est constitué de fourchettes (en bleu) liées rigidement aux arbres et d’un croisillon (en rouge) lié en liaisons pivots avec les fourchettes.
Vue éclatée d’un joint de Cardan OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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Ce type de liaison accepte des angles importants entre l’arbre moteur et l’arbre de sortie. Cet angle est appelé angle de brisure. L’angle de brisure maximum théorique d’un joint de cardan est de 45°. Ce type de liaison n’est pas homocinétique. c) Double joints de Cardan Pour rendre le système homocinétique, il est possible de combiner deux joints de Cardan à condition de les déphaser.
Double joints de Cardan 2.3.5. ACCOUPLEMENTS DE PROTECTION
GENARALITES Dans toutes les machines le couple résistant peut atteindre, par la suite d’un accident, une valeur très supérieure à la normale. Il existe aussi des machines réceptrices dans lesquelles, normalement, le couple résistant est variable entre des limites fort éloignées. Tels sont les laminoirs, les presses, les concasseurs et broyeur , etc. Enfin, certains mécanismes fonctionnent par suite d’un incident, devenir subitement considérable. Si on n’y porte remède préventivement, il pourra y avoir rupture d’organes importants. Un système de sécurité toujours en usage dans des mécanismes simples réside dans l’emploi de goupilles de sécurité, le manchon. Il suffit que le diamètre de la goupille soit calculé pour que le cisaillement se produise lorsque le couple limite est atteint. Outre que le remplacement de la goupille cisaillée n’est pas immédiat, l’appareil est incapable d’absorber sans rupture de la transmission une énergie qui peut n’être excessive que très passagèrement (lorsqu’il y a à coup et non blocage). Classification d’accouplement de protection
Manchon de sécurité à friction : pour entraînement continu Manchon de sécurité à billes : cliquetage et autoréarement
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Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
a) Manchon de sécurité à friction
Deux plateaux sont clavetés sur les arbres à lier. Ils sont pressés l’un contre l’autre avec interposition d’une garniture généralement plane. L’entraînement se fait donc par adhérence. Lorsque le couple limite est atteint, il y a glissement relatif des plateaux. Limiteurs de couple C’est un dispositif de sécurité destiné à protéger à l’arrêt, au démarrage, en charge, une transmission contre les sur couples. Il existe des : limiteurs à friction : pour entraînement continu limiteurs à billes : pour cliquetage et autoréarement EXEMPLES : a) Limiteurs à friction 1) Limiteur de couple Segor ’est un dispositif de sécurité
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Le plateau 1 est monté sur l’arbre moteur. Le plateau 2 et le contre plateau 3 sont calés sur l’arbre de la machine. Entraîne 2 et 3 par l’intermédiaire des garnitures 4. Les rondelles Belleville placées sous l’écrou des boulons facilitent le réglage initial et permettent le rattrapage d’usure de la garniture. Le clavetage coulissant de 2 sur l’arbre est pratiquement nécessaire. Par contre, le clavetage forcé, tolérable, seulement aux faibles vitesses de rotation, pourrait fort bien être remplacé par clavetage libre avec arrêt en translation par vis de pression, par exemple). 2) Limiteur de couple Hilliard
Les limiteurs de couple Hilliard ont été conçus pour coulisser pendant un surrégime, pendant qu’ils transmettent déjà le couple adéquat. Ils fournissent des solutions fiables aux problèmes de contrôle de couple et de surcharge en énergie des éléments de transmission : Ils incluent un ou plusieurs disques à friction montés sur un moyeu intérieur. Simple écrou de réglage qui pré-règlé facilement le couple. La similitude entre le dynamique et le statique des coefficients de frottement fournit un contrôle de couple 3) Limiteur de couple Cross Morse
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Les limiteurs de couple de Morse est un dispositif protecteur que le couple de limites a transmis dans un système d’entraînement par le glissement quand la demande de couple dépassent une valeur de préréglages en raison de charges de choc, des surcharges. Il rengage automatiquement quand le couple de surcharge a passé ; aucun rajustement n’est exigé. Il empêche des dommages de machine et élimine le temps coûteux de panne. Le limiteur de couple utilise les surfaces de frottement à ressort pour son opération ; le couple de glissade est préréglé par l’ajustement de la force de ressort. Le limiteur de couple peut être utilisé avec un pignon, une vitesse, une poulie ou une bride en tant que membre de centre maintenu entre deux revêtements de frottement.
3. EMBRAYAGE 3.1. Généralités 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 thermique. Sur les véhicules automobiles, l'embrayage est nécessaire parce que les moteurs thermiques doivent continuer à tourner même si le véhicule est à l'arrêt. Le désaccouplement facilite aussi le changement de rapport de vitesses. L'embrayage trouve donc sa place sur la chaîne de transmission, entre le moteur et la boîte de vitesses, où, de plus, le couple à transmettre est le moins élevé. « Embrayage » désigne également la phase de fonctionnement où l'accouplement est établi ; il s'agit de l'opération inverse 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 qui n'autorisent donc pas une mise en charge progressive. 3.2. Classification Les solutions technologiques retenues pour ce dispositif se distinguent suivant plusieurs critères : • Selon la géométrie de la surface de friction : o disques, le contact étant effectif suivant une couronne ; o tambour (dans le cas de certains embrayages centrifuges) ; o conique (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 de disques (quand il s'agit de disques) o monodisque ; o bidisque à sec à commande unique ou à commande séparée (double) ; o multi disque humide ou à sec. OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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On appelle disque l'élément généralement associé à l'arbre de sortie et 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 : o Fonctionner à sec ; o Fonctionner sous bain d'huile. • Selon le principe de commande o Commande mécanique ; o Commande hydraulique ; o Commande électrique asservie électroniquement ; o Centrifuge (dans ce cas la commande n'est pas volontaire mais induite par l'action sur l'accélérateur). • Le sens de la commande o 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) ; o Commande de débrayage pour les dispositifs normalement en prise.
3.3.
Embrayage classique à friction
3.3.1. Introduction Dans une automobile à moteur thermique, l'embrayage sert à interrompre la transmission du couple produit par le moteur thermique vers les roues afin de pouvoir démarrer et changer les rapports de la boîte de vitesses. Il est constitué de deux disques pressés l'un contre l'autre, pouvant s'écarter sous l'action d'une fourchette sur la butée, elle-même entraînée par l'action du pied sur la pédale d'embrayage via une tringlerie ou une liaison hydraulique.
Chaîne de transmission
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3.3.2. Fonctions Les fonctions de l'embrayage sont : • transmettre le couple moteur, avec sécurité et dans n'importe quelle circonstance de fonctionnement du véhicule ;f • accoupler et désaccoupler le moteur et la boîte de vitesses, chaque fois que le conducteur le demande, lorsqu'il embraye et débraye ; • amortir et filtrer les vibrations produites par le moteur avant leur entrée dans la boîte de vitesses ; • rendre progressif les démarrages et les nouvelles accélérations du véhicule. Un embrayage est composé de deux éléments de transmission de puissance (mécanisme et friction) et de deux éléments de commande (la fourchette et la butée) reliés au pédalier. 3.3.3. Description
Différents éléments d’un embrayage
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Coupe d’un embrayage 3.3.4. Phases de fonctionnement d´un embrayage On distingue trois phases de fonctionnement pour un dispositif d'embrayage : • En position embrayée : l'embrayage transmet intégralement la puissance 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, ou voiture arrêtée, le moteur peut continuer à tourner sans entraîner les roues. La situation est équivalente au point mort. • phase transitoire de glissement : en particulier 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, donc dissipation d'énergie, sous forme de chaleur. Cette phase est à limiter dans le temps, 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, souvent 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
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systèmes limiteurs de couple, qui vont donc patiner lorsque le couple sollicité devient trop important. S'il est recommandé de débrayer le plus vivement possible, il faut en revanche embrayer progressivement afin d'éviter des chocs qui endommageraient tous les éléments de transmission: les pièces du dispositif d'embrayage lui même, mais aussi les engrenages de la boîte et du différentiel, les paliers de ces derniers, les joints de cardan, et enfin les pneumatiques.
a) 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. Lorsque 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 s'appelle « faire patiner l'embrayage ».
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b) Embrayage multi disques
Les embrayages multi disques 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 maintenu en pression par des ressorts. La poussée est donc, en théorie et aux frottements près la même pour chaque disque Cette configuration est, pour un même couple transmissible, bien plus compacte radialement que celle à un seul disque. Elle est celle retenue sur les motocyclettes.
Position embrayée : l'utilisateur ne provoque pas d'action sur l'embrayage. Dans ce cas, la friction est plaquée sur le volant moteur pas l'intermédiaire du mécanisme. La friction assure donc la transmission du couple par frottements, et permet l'entraînement de l'arbre de la boîte de vitesses. OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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Position débrayée : la liaison est interrompue. Le moteur et la boîte de vitesses sont désolidarisés. La phase de débrayage se produit de la façon suivante : • L’utilisateur appuie sur la pédale de débrayage et de ce fait, il tire sur un câble qui actionne la fourchette ; • la fourchette transmet l'effort sur le mécanisme par l'intermédiaire de la butée ; • la butée appuie sur le diaphragme qui libère le plateau. Celui-ci s'éloigne de la friction grâce à des languettes qui ont un rôle de ressort de rappel ; • le plateau ainsi levé libère la friction ; • L’arbre de la boîte de vitesses est alors désolidarisé du moteur, et on peut par exemple changer de rapport. Position intermédiaire : le patinage. L'embrayage et la boîte de vitesses sont partiellement entraînés par la rotation du moteur, au gré du conducteur. Cette position intermédiaire permet un démarrage en douceur du véhicule, et de la même façon une reprise en douceur après un changement de rapport. Lorsqu'un conducteur émet le désir de changer de rapport avec un embrayage classique, il doit procéder comme suit : • il enfonce la pédale d'embrayage. Cette pédale agit, via une tringlerie ou une liaison hydraulique, sur la fourchette d'embrayage. Celle-ci déplace la butée qui provoque l'écartement des disques. Afin de ne pas emballer le moteur, le conducteur doit relâcher la pédale d'accélérateur ; • tout en maintenant la pédale d'embrayage enfoncée (donc en position débrayée) et la pédale d'accélérateur relâchée, il change de rapport en modifiant la position du levier de vitesse ; • lorsque le rapport désiré est enclenché, il relâche en douceur la pédale d'embrayage et enfonce la pédale d'accélérateur. Avec un embrayage classique, le conducteur doit donc contrôler le synchronisme entre la relâche de la pédale d'embrayage et l'enfoncement de la pédale d'accélérateur. Le confort du conducteur et des passagers dépend de ce bon synchronisme.
c) Embrayage semi-automatique Description de l'embrayage semi-automatique Dans un embrayage classique, le conducteur doit appuyer sur la pédale d'embrayage dès qu'il devient nécessaire de changer de rapport. Cette action n'est pas gênante lors d'une conduite normale, mais peut devenir fastidieuse dans un embouteillage par exemple. Un embrayage semi-automatique (ou automatique) peut alors devenir intéressant. Celui-ci effectue automatiquement les opérations de débrayage et d'embrayage dès que le conducteur a l'intention de changer de rapport (action sur le levier de vitesse et sur l'accélérateur). Le conducteur se passe donc de la pédale d'embrayage tout en conservant le plaisir de pouvoir changer de rapport à sa guise. L'action humaine est remplacée par un système automatique dont l'algorithme implanté dans un calculateur asservit la position des disques d'embrayage en fonction des conditions de fonctionnement.
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Lorsque le conducteur désire changer de rapport avec une voiture équipée d'un tel embrayage : • il modifie la position du levier de changement de rapport ; • un capteur détecte cette modification ; • le calculateur réagit au signal transmis par ce capteur et pilote un actionneur chargé de modifier la position de la fourchette. Cette opération de débrayage doit être effectuée aussi vite que possible car le conducteur est en train de modifier la position du changement de rapport ; • un capteur détecte que le rapport désiré est engagé ; • le calculateur de commande effectue l'opération inverse de façon à embrayer. Cette action ne sera pas quelconque et sera calculée afin d'assurer le confort du conducteur et des passagers en fonction d'informations que le calculateur reçoit de différents capteurs. Le conducteur n'a plus aucun pouvoir sur les opérations d'embrayage et de débrayage. Une vue d'ensemble de ce système est donnée dans la figure cidessous.
Vue d'ensemble du système PEA
Les différents éléments de ce système et leurs liaisons sont indiqués dans la figure ci-dessous.
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Différents éléments du système d) Embrayages centrifuges o Coupleurs Il y a continuellement confusion entre les termes : embrayage centrifuge et coupleur. D’après la norme citée plus haut, on ne doit utiliser la seconde appellation que si un glissement de longue durée peut se produire sans aucune détérioration. - embrayage centrifuge aux appareils à masselottes mobiles, celles-ci, qu’elles soient garnies ou non, étant en général prévues pour supporter un glissement d’assez coutre durée. - coupleur aux appareils dont les élément centrifugés ne souffrent pas d’un glissement permanent, grâce à leur remarquable mobilité : billes, poudre, fluide. o Embrayages centrifuges
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Certains moteurs électriques doivent démarrer à vide, parce que leur couple de démarrage est faible. D’autre part, pour gagner du temps et éviter une manœuvre, il y a intérêt à faire assurer automatiquement l’embrayage dès que la vitesse atteint une valeur convenable. La solution mécanique évidente de ce problème consiste à utiliser la force d’inertie centrifuge comme effort presseur provoquant l’adhérence. Des masses (ou masselottes), guidées en translation ou en rotation sur la partie motrice, agissent radialement à l’intérieur d’un tambour récepteur, avec une intensité proportionnelle au carré de la vitesse motrice. Constitution
• • • •
1 Moyeu 2 Masselottes 3 Ressort de traction 4 Garniture
Conception et principe de fonctionnement La rotation du moyeu profile induit une force centrifuge agissant sur les masselottes, qui devient supérieure à la force de traction des ressorts. Lorsque la vitesse est suffisante, les garnitures de friction viennent au contact de la cloche (5), et l’adhérence générée entre les garnitures et la cloche permet la transmission du couple. Avantages La conception compacte et l’effet auto progressif permettent à ce type d’embrayage de transmettre des valeurs de couples très importantes, et ce dans un volume restreint, grâce au facteur de performance de l’ordre 2,5. L’accès aisé aux ressorts de traction et aux garnitures permet un remplacement simplifié en cas d’usure. Les garnitures n’étant pas solidaires des masselottes, il arrive parfois que l’embrayage soit légèrement bruyant, sans toutefois causer de véritables nuisances. Effet auto progressif: la forme spéciale du moyeu profile permet de mettre en butée les masselottes contre le moyeu lorsqu’un couple est généré. Il en résulte l’apparition d’un force supplémentaire sur les garnitures, permettant de transmettre des couples plus importants. OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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e) Embrayage électromagnétique
Embrayage monodisque électromagnétique avec palier EMBRYAGE ELECTROMAGNETIQUE TYPE G – embrayage électromagnétique avec palier En fonction de la taille de l’embrayage, il est impératif de respecter un entrefer compris entre 0,2 et 0,5 mm le moyeu coté entré et l’armature. En cas d’utilisation avec un moyeu coté sortie qui ne serait pas fourni par SUCO, s’assurer de la présence de trous fonctionnels donnant assez d’espace aux têtes de rivet lors du montage de l’armature. Celle-ci est centrée par les vis qui maintiennent le ressort de rappel sur l’organe coté sortie. Lors du montage de l’armature, veiller à ce qu’elle puisse revenir librement à sa position de repos grâce au ressort de rappel Conception et principe de fonctionnement Le modèle de base des embrayages électromagnétiques avec palier est composé d’un stator (1) comportant une bobine surmoulée et un câble (2), d’un moyeu coté entrée (3), et d’une armature (4) sur laquelle est riveté le ressort de rappel (5). Grâce à la présence du palier, il n’est pas nécessaire de centrer le stator avec le moyeu.
4. BOITE DE VITESSES 4.1.
Introduction
Une boîte de vitesses est un élément mécanique proposant plusieurs rapports de transmission entre un arbre moteur et un arbre de sortie. Son cas d'utilisation le plus fréquent est la transmission du couple d'un moteur thermique aux roues motrices d'un véhicule. Elle est aussi utilisée dans de multiples autres contextes tel que les machine- outils, machines agricoles... La boîte de vitesses est l’élément qui adapte le couple moteur disponible, souvent constant ou peu négociable, au couple souvent très variable et nécessaire au fonctionnement d'un dispositif mécanique : mise en mouvement, entretien du mouvement, transformation de puissance. Pour un véhicule, il s'agit de la résistance inertielle au démarrage ou celle à l'avancement variant suivant les conditions de roulage (plates, montées, descentes, virages...).
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4.2.
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Nécessité d'une boîte de vitesses
Machines outils à moteur électrique
De nombreuses machines industrielles utilisent des moteurs électriques synchrones dont la fréquence de rotation est liée à celle du courant du secteur. De ce fait la fréquence de rotation utile n'est obtenue qu'à travers une transmission mécanique. Si l'usage de la machine doit proposer plusieurs vitesses de fonctionnement, comme sur un tour par exemple, alors la sélection ne peut se faire que grâce à une boîte de vitesses. C'est sans doute cette application, qui date de la révolution industrielle, qui a donné cette dénomination au dispositif. Elle est liée aux premières machines industrielles qui recevaient l'énergie motrice d'un arbre moteur commun, animé par un moulin à eau ou une machine à vapeur tournant à vitesse constante. Des systèmes de pignons, ou de poulies, permettaient le choix d'une vitesse de fonctionnement. L'arbre moteur tournait à vitesse quasi constante tant que la puissance demandée restait inférieure à celle disponible. Classification des boîtes de vitesses [ Pour les véhicules à moteur thermique, on pourra distinguer les boîtes suivant trois fonctions techniques indépendantes : • la technologie des réducteurs : par engrenages classiques, train épicycloïdal, courroie... • Le système de commande : manuelle, semi-automatique, automatique, séquentielle... • La synchronisation : autorisant le changement de rapport en marche ou à l'arrêt seulement. • Enfin l'orientation qui n'a d'influence que sur la géométrie des liaisons avec l'arbre moteur et le différentiel. L'architecture est différente suivant que le moteur est implanté transversalement (axe de rotation du vilebrequin parallèle à l'axe de rotation des roues) ou longitudinalement (axes orthogonaux) et, que le couple est transmis aux roues avant, arrière, ou aux quatre roues. À chaque combinaison correspond un modèle de boîte de vitesses différent.
4.3. Boîte manuelle à engrenages parallèles Description La boîte manuelle dite « à pignons toujours en prise » « à prise constante » est la plus utilisée de nos jours; elle se distingue sur ce point des boîtes de machines outils qui disposent d'engrenages désaccouplés. Ce type de boîte est constitué généralement de deux arbres portant des pignons : • L’arbre d’entrée (ou primaire) lié à l’arbre moteur via l'embrayage, porte les pignons primaires fixes. Il y a autant de pignons que de rapports de boîte. • L’arbre de sortie (ou secondaire) portant des pignons fous (engrenant respectivement avec un pignon de l'arbre d'entrée), les systèmes de crabotage et les synchroniseurs. • Le troisième arbre n'intervient que pour la marche arrière. Il contient un pignon pouvant coulisser et s'intercaler entre un pignon de l'arbre d'entrée et un autre de l'arbre de sortie ; ainsi, on dispose d'un engrenage de plus entre les deux OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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•
•
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arbres (soit deux inversions de sens de rotation au lieu d'une), d'où la marche inversée. C'est le seul cas où l'engrenage n'est pas toujours en prise. L'arbre de sortie est lié au couple conique du différentiel, intégré au carter de la boîte (pour les véhicules à traction avant) ou reporté sur le pont arrière (pour les véhicules à propulsion). Le changement de rapport se fait par manipulation de coulisseaux actionnant crabots et synchroniseurs grâce aux fourchettes de commandes liées temporairement au levier de vitesses.
Rapport de 1ère: la sélection valide l'engrenage disposant du plus petit pignon moteur.
Rapport de 4ème: Rapport de 2ème: la une deuxième Marche inversée: même fourchette fourchette commande un pignon est valide le rapport deux nouveaux intercalé. suivant rapports.
Fonctionnement Sélection d'un rapport Le principe de ce type de boîte repose sur le choix de plusieurs couples de pignons (appelés engrenages) offrant des rapports de transmission différents. Chaque engrenage est constitué d’un pignon d'entrée qui est fixe en translation et en rotation sur l’arbre primaire, et d’un autre pignon de sortie en liaison pivot avec l’arbre secondaire. Un rapport est enclenché lorsqu'un des pignons de sortie devient solidaire de l'arbre secondaire. Pendant ce temps les autres pignons tournent librement. On dit qu'ils sont fous. Après débrayage, pour rendre un pignon fou solidaire de son arbre, il faut dans un premier temps le synchroniser avec son arbre, c'est-à-dire annuler la vitesse de rotation relative, puis le bloquer en rotation. La manœuvre est assurée par un synchroniseur (synchro) et un crabot montés sur des cannelures, donc en liaison glissière avec l’arbre, et commandés en translation par l’une des fourchettes. L'accouplement entre le crabot et le pignon correspondant s'effectue au moyen de dents, qui peuvent être frontales (créneaux) ou périphériques (cannelures). Les OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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formes complémentaires des deux éléments assurent une transmission de la puissance par obstacle. Ce sont ces dents-là qui grognent lorsqu'on manque la manœuvre, et pas les dents d'engrenage. Le maintien du rapport enclenché se fait à l’aide d’un système de verrouillage des crabots sur l'arbre de sortie, mais aussi des coulisseaux de fourchette (entraînés par le levier de vitesses) sur le carter de boîte. Engrenages Dans ce type de boîte, on adopte généralement des engrenages à denture hélicoïdale. Ils sont plus silencieux car les dents en prise sont plus nombreuses (rapport de conduite amélioré) ; elles subissent donc chacune moins de charge que les pignons à dentures droites. Malheureusement, elles provoquent une poussée axiale, ce qui impose l'utilisation de roulements adaptés et un renforcement des paliers. La marche arrière est obtenue avec des pignons à denture droite, ce qui explique le bruit si caractéristique. Ce même bruit est identifiable sur les voitures anciennes. Ce choix est imposé par le principe même de la marche arrière puisqu'un pignon est déplacé axialement pour relier les deux arbres (un engrenage supplémentaire pour l'inversion).
EXEMPLE : Chaîne cinématique de la boite de vitesses classique de la broche d’une fraiseuse Dans la figure ci-dessous on présente l’ensemble de la boite a 6 vitesses pour la broche d’une petite fraiseuse horizontale. La partie A reçoit son mouvement de la poulie du moteur située dans la partie inférieure de la colonne Elle transmet le mouvement a un train baladeur a 3 roues dentées B monte sur l’arbre cannelé I Sur l’arbre intermédiaire II on trouve a droite, cale a demeure le train C dont les 3 roues dentées peuvent engrener avec celles du baladeur B. A gauche, le train baladeur D peut coulisser sur une certains longueur, afin de permettre a ses 2 roues dentées d’engrener avec celle du train E, celle-ci étant cale a demeure sur la broche F. La broche très largement représentée sur la figure, est montée sur des roulements et est intérieurement creuse. Dans cet alésage est place le tirant G fileté aux deux extrémités et qui tourne en même temps que la broche. Ce tirant permet au moyen de l’écrou H de bloquer I’arbre porte fraise dans le cône creux K appelé nez de la broche. Ce type de boite de vitesses est appelé boite mono poulie. Elle ne comporte qu’une seule poulie le reste étant compose d’engrenages. L’arbre II, par l’intermédiaire du couple A-C, peut avoir trois vitesses. Donc pour chaque vitesse de l’arbre II on peut obtenir deux vitesses pour la broche (2x3=6vitesses).
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Exemple : Schéma cinématique d’une boîte de vitesse. Le schéma cinématique d’un organe ou d’une machine c’est une représentation conventionnelle des transmissions et des éléments cinématiques d’une machine, qui a pour but l’étude du fonctionnement d’outillage respectif. Dans la figure ci-dessous est représenté le schéma cinématique d’une boîte de vitesse avec baladeurs, où le mouvement de rotation de l’arbre I se transmet au l’arbre II par la paire de roues dentées 3 – 6. En suite, l’arbre III est mis en mouvement par le déplacement du baladeur 7 – 8 vers la droite qui entraîne ainsi la roue 9 fixé solidaire à l’arbre principal III. L’arbre principal III peut être entraîné avec six vitesses de rotation différentes, par l’accouplement du baladeur 4 – 5 – 6 alternativement avec les roues 1, 2 et 3. A son tour, chacun des trois fréquence de rotations de l’arbre II peuvent se transmettre au l’arbre principal III par l’accouplement du baladeur 7 – 8 vers la gauche avec la roue 10 ou vers la droite avec la roue 9, obtenant finalement six fréquences de rotations différentes.
Exemple : Schéma cinématique d’une boîte de vitesse. OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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Les fréquences de rotation transmises au l’arbre III dépend du rapport de transmission de chaque variante de transmission de mouvement, comme suite :
Exercice : Calculez la fréquence de rotation de l’arbre III, nIII 5 en sachant : fréquence de rotation de l’arbre I, nI = 1 000 tours/ min, z3 = 30, z6 = 60, z7 = 65, z9 = 30. Solution : Fréquence de rotation de l’arbre III : Z3 Z7 30 65 nIII 5 = nI x ---------· x ------------- = 1 000 x ------- x ---------· = 1 080 tours/ min. Z6 Z9 60 30
4.4.
Boîte de vitesses robotisée
. Ce sont des boîtes manuelles standards auxquelles on a greffé un système automatisé, électrotechnique /qui pilote les sélecteurs et l'embrayage/ souvent associé à l'hydraulique, qui soit se comportent : • en mode automatique : comme une boîte automatique changeant les rapports au moment le plus opportun ; • soit en mode semi-automatique, assistant le conducteur en lui laissant le soin de demander, (à l'aide de boutons, palettes, ou d'un levier), le passage des rapports, mais qui n'agit que quand les conditions ad hoc sont réunies.
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4.5. Boîte séquentielle Description C'est une version dérivée de la boîte de vitesses manuelle, qui reprend le même principe mécanique de pignons et de crabots, mais avec une configuration qui implique que, le conducteur ne peut pas choisir un rapport au hasard, mais uniquement le rapport immédiatement supérieur ou inférieur à celui en service, ce qui constitue une séquence dans le passage des vitesses. C'est le cas des boîtes de motocyclettes ainsi que de nombreuses automobiles de courses. On parlera plutôt de « commande séquentielle », laquelle peut être associée à une boîte mécanique (de moto), à une boîte mécanique robotisée, ou à une boîte automatique. Ces deux dernières peuvent également être associées à une commande automatique : la boite est alors mixte : l'automatique est désactivable.
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4.6. Boîte à crabots Description
Fonctionnement Une boîte manuelle, synchronisée, possède des pignons et bagues (« synchros ») qui permettent d'accorder la vitesse de rotation de l'« arbre primaire » avec celle de l'« arbre secondaire », avant d'engager les pignons. Il s'agit le plus souvent de bagues coniques complémentaires qui vont se coincer avant l'engagement des crabots définitifs. Une boîte dite « à crabots » ne possède pas ces synchroniseurs, la vitesse passe d'un coup et, parfois violemment, si les arbres n'ont pas des vitesses de rotation proches. Le changement de rapport demande alors la pratique du double débrayage. Ces boîtes ont souvent des engrenages à dentures droites qui supportent mieux les à-coups, mais qui font nettement plus de bruit, par contre elles ont un meilleur rendement, car la poussée latérale des pignons à denture hélicoïdale est absente. 4.7. Boîte de vitesses automatique Description La transmission automatique comporte un système capable de déterminer de façon autonome le meilleur rapport de transmission. Cette transmission détermine seule le bon rapport de transmission, grâce a des informations telles que : le couple et la vitesse de rotation du moteur, l'enfoncement de la pédale de l'accélérateur, la vitesse du véhicule, le mode de fonctionnement de la boite. le couple résistant du véhicule (montée, descente) et d'autres fonctions plus complexes qui dépendent du niveau technologique de la boite de vitesses automatique. À l'identique d'une boîte de vitesses robotisée, c'est un système électro-hydraulique piloté par un calculateur électronique qui gère les passages de vitesses. Par contre le transfert de puissance est quasi continu dans une boîte de vitesses automatique, ce qui n'est pas le cas pour les autres types de boîte. Plusieurs approches pour la commande de la boite de vitesses sont aujourd'hui sur le marché :
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•
Le sélecteur de commande « PRNDL » se caractérise par le fait que chaque position définit un mode de fonctionnement spécifique. On peut ainsi trouver par exemple les positions suivantes : o P : frein de parking (Park) : la transmission est bloquée par l'enclenchement d'un verrou dans un élément tournant de l'étage de sortie ; o R : marche arrière (Reverse) ; o N : point mort (Neutral) ; o D : conduite normale avec la totalité des rapports (Drive) ; o 3 et/ou 2 : conduite soit : re e e avec les seuls rapports de 1 , 2 ou 3 , ce qui laisse le moteur prendre des tours ; e avec le seul rapport de 2 (même au démarrage) pour faciliter les départs sur neige ou verglas ; re o 1 ou L : Conduite en 1 ou (Lent), utilisée par exemple dans les fortes descentes. • Le point commun entre ces deux modes de fonctionnement est qu'il existe un lien mécanique entre le levier et la boite de vitesses. Plusieurs constructeurs offrent maintenant un système se rapprochant du système « steptronic » mais utilisant une commande électrique pour toutes les manœuvres. Le choix du mode se fait en fonction de la position actuelle de la boite et du sens dans lequel le conducteur bouge le levier. Par exemple, si le conducteur est en position « Drive » et qu'il pousse d'un cran le sélecteur, la boite automatique commandera la position « Neutre » ; Par contre si le conducteur pousse le sélecteur de deux crans, la boite commandera la position « Reverse ». Pour passer en position « Park » il faut généralement appuyer sur un bouton. Ce type de commande est intéressante car le constructeur peut placer le levier où il veut dans l'habitacle du véhicule mais demande également un niveau de sécurisation plus élevé. En effet si l'électronique devait avoir un problème, le conducteur peut ne plus avoir les moyens de se mettre dans une position sûre (« Neutre »). Fonctionnement
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5. REDUCTEUR 5.1.
Définition
En mécanique, un réducteur est un système d'engrenages dont le rapport de transmission est inférieur à 1, pour augmenter le couple moteur d'une rotation ou pour réduire la vitesse. o BUT Un réducteur mécanique à pour but de modifier le rapport de vitesse ou/et le couple entre l'axe d'entrée et l'axe de sortie d'un mécanisme. 5.2.
Classification des réducteurs
o Réducteurs d’efforts physiques
le treuil qui réduit l’effort à produire pour monter ou mouvoir une charge, • le dérailleur de la bicyclette qui permet de réduire l’effort sur les pédales en modifiant le braquet du système pédalier/pignon de roue arrière, o Réducteurs de vitesses • transmission de mouvement dans les mécanismes : • boîte de vitesses automobile, moto, machine outil, etc.. • variateur de vitesse • moto réducteur (moteur électrique + réducteur) Orientation des axes Axe moteur déporté par rapport à l’axe de sortie : c’est le cas des réducteurs à engrenages des boîtes de vitesses traditionnelles, • axe moteur dans l’axe de sortie : réducteur à engrenages planétaires, à satellites droits, coniques, train épicycloïdal, employés dans les moteurs ou turbopropulseur d’avion. • axe moteur perpendiculaire à l’axe de sortie : réducteurs et moto réducteurs par couple conique, roue et vis sans fin pour les installations industrielles, pont différentiel d’automobile, etc, • axe moteur parallèle à l’axe de sortie : transmissions classiques telles que la transmission par poulies et courroie, par chaîne et pignons et par engrenages de tous types. o Moto- réducteur Le moto réducteur est un ensemble constitué par un réducteur déjà équipé d’un moteur électrique et prêt à être monté tel quel sur les installations. En fonction du besoin, on trouve dans le commerce tous types de moto réducteurs, soit à axe moteur déporté, soit à axe perpendiculaire par rapport à l’axe de sortie. • sortie qui peut être à axe simple ou à double, • sortie mâle ou sortie femelle.
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Utilisation L’usage d’un réducteur est rendu nécessaire pour réduire la vitesse de rotation des moteurs électriques qui est généralement de 1500 tr/mn. Ces moteurs peuvent être à courant continu pour les micro réducteurs ou à courant alternatif pour les gros moto réducteurs industriels. Leur utilisation touche tous les domaines de la vie courante : • Micro réducteur : manutention des volets roulants, lève-vitre auto, essuieglace, modèles réduits, robotique, servomoteur, électroménager • moto réducteur moyen : ouverture de portail, de barrière levante, • gros moto réducteur : ascenseur, monte-charge, téléphérique, télésiège, ascenseur à bateaux, • propulsion des aéronefs : réducteur planétaire entre la turbine et l’hélice pour un avion (turbopropulseur, réduction de 25.000 à 1.500/3.000 tr/mn) ou entre la turbine et l’arbre des pales pour un hélicoptère (réduction de 25.000 à 200/400 tr. 5.3.
Réducteur à étages
Les réducteurs à étages sont constitués de plusieurs trains d’engrenages (droit ou hélicoïdaux) placés en cascade. Dans un réducteur, la roue du train de l’étage n est solidaire du pignon de l’étage n+1.
Réducteur à étage Soit le schéma cinématique du réducteur à étage suivant :
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L’arbre d’entrée est nécessairement constitué d’un pignon, il s’agit donc de l’arbre rouge. Le premier étage possède un rapport de 5:1 et le second étage 6 :1. Le réducteur présente donc un rapport de 30 :1. Pour 30 tours de l’arbre d’entrée, l’arbre de sortie fait un tour. De manière générale le rapport de réduction d’un réducteur à étage est donné par : N2 (roue menée)
Z1 x Z3
12 x 15
1
r(4/1) = −−−−−−−−−−−−−−−−−−− = −−−−−− −−− = −−−−−−− = −−−−−−−− = 0,033 N1(roue menante) Z2 x Z4 60 x 90 30 Pour diminuer les coûts de fabrication, les premiers étages (supportant des couples moins importants) sont parfois proposés avec une pignonerie en plastique. 5.4. Réducteur planétaire ou épicycloïdal A encombrement équivalent, les réducteurs planétaires peuvent supporter des couples et des rapports de réductions plus élevés que les réducteurs à étage. Le réducteur planétaire présente : - Rendement élevé - Rapports multiples disponibles - Supports standard - Installation rapide - Rentable - Travail à faible bruit disponible
Réducteurs planétaires
Il existe 4 types de réducteurs épicycloïdaux 5.4.1. Train épicycloïdal OFPPT / DRIF / CDC Génie Electrique
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Schéma cinématique général
Pour fonctionner, au moins une des pièces (porte satellite, planétaire central ou extérieur) doit être fixe avec le bâti. 5.4.2. Réducteurs trochoïdaux Ce sont des réducteurs constitués d’une couronne et d’une roue dentée comportant une dent de moins que la couronne. La roue tourne autour d’un palier excentré par rapport à l’arbre d’entrée. A chaque tour de l’arbre d’entrée, la roue se décale d’une dent par rapport à la couronne. Le rapport de réduction est donné par la formule : Ns 1 ----- = -----Nc Zc
L’arbre d’entrée est l’arbre central, l’arbre de sortie est lié avec la roue dentée.
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Principe d’un réducteur trochoïdal
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Module 24 : DISPOSITIFS DE TRANSMISSION D’ÉNERGIE MÉCANIQUE GUIDE DE TRAVAUX PRATIQUES
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TP1 – Installation d’un accouplement rigide
1.1. Objectif visé Le stagiaire devra être capable d’installer un accouplement rigide. 1.2. Durée du TP Le travail pratique proposé est d'une durée de 3 heures.
1.3. Equipements et matière d'œuvre par équipe a) b)
Equipement : Moteur générateur équipé d’un accouplement rigide Un document technique, Un poste de travail, L’outillage nécessaire à l’intervention, Consignes d’hygiène et de sécurité,
Matière d’œuvre : - Chiffons
1.4. Description du TP Au cours de cet exercice, il faut procéder au démontage et remontage d’un accouplement rigide et au remplacement des pièces usées et de celles dont le changement est impératif.
1.5. Déroulement du TP 1. Déposer l‘accouplement conformément aux consignes constructeur. 2. Examiner cette accouplement afin d’identifier les défauts susceptibles de justifier son échange. 3. Remonter le nouvel accouplement conformément aux consignes constructeur. 4. Faire essayer la machine. 5. Ranger et nettoyer votre poste de travail
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TP2 – Installation d’un accouplement semi élastique 2.1. Objectif visé Le stagiaire doit être capable d’installer et ajuster un accouplement semi élastique. 2.2. Durée du TP Le travail pratique proposé est d'une durée de 3 heures.
2.3. Equipements et matière d'œuvre par équipe a) Equipement : - Moteur générateur équipé d’un accouplement semi élastique - Accouplement semi élastique - Un document technique, - Un poste de travail, - L’outillage nécessaire à l’intervention, b) Matière d’œuvre : - Huile de mouvement - Chiffon d’essuyage
2.4. Description du TP Au cours de cet exercice, il faut procéder à l’installation d’un accouplement semi élastique et au démontage, au remontage et à l’alignement des machines.
2.5. Déroulement du TP 1. Faire d’abord la lecture complète des diverses étapes de ce TP. 2. Demander qu’on vous assigne un équipement muni d’un accouplement semi élastique. 3. Examiner cette accouplement afin d’identifier les défauts susceptibles de justifier son échange. 4. Remonter le nouvel accouplement conformément aux consignes du constructeur. 5. Faire essayer la machine. 6. Ranger et nettoyer votre poste de travail.
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TP3 – Etude d’un embrayage centrifuge 3.1. Objectif visé Le stagiaire devra être capable d’identifier les pièces de l’embrayage, en décrypter le fonctionnement. 3.2. Durée du TP Le travail pratique proposé est d'une durée de 6 heures.
3.3. Equipements et matière d'œuvre par équipe a) Equipement : - Embrayage centrifuge, - Un document technique, - Un poste de travail, - L’outillage nécessaire à l’intervention, - Consignes d’hygiène et de sécurité, b) Matière d’œuvre : - Chiffons d’essuyage - Graisse graphitée - Huile de mouvement
3.4. Description du TP Au cours de cet exercice, il faut procéder au démontage et remontage d’un embrayage centrifuge et de remplacer les pièces usées et celles dont le changement est impératif.
3.5. Déroulement du TP
1. Faire d’abord la lecture complète des diverses étapes de ce TP. 2. Demander qu’on vous assigne un équipement muni d’un embrayage centrifuge. 3. Procéder au démontage & remontage de l’embrayage, sans détérioration ni perte de pièces. 4. Utiliser de la documentation appropriée 5. Utiliser l’outillage approprié 6. Procéder au changement des pièces jugées défectueuses
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TP4 – Étude d’une boite de vitesse classique d’un tour parallèle 4.1. Objectif visé Le stagiaire devra être capable d’identifier les pièces d’une boîte de vitesses, en décrypter le fonctionnement et calculer tous les rapports.
4.2. Durée du TP Le travail pratique proposé est d'une durée de 6 heures.
4.3. Equipements et matière d'œuvre par équipe a) Equipement : - Une boîte à vitesses - Un document technique - Un poste de travail - L’outillage nécessaire à l’intervention - Consignes d’hygiène et de sécurité b) Matière d’œuvre : - Graisse graphitée - Huile de mouvement - Chiffon d’essuyage - Gazoil
4.4. Description du TP Rechercher dans la documentation du constructeur la méthode préconisée pour le démontage. Démonter en suivant soigneusement la méthode du constructeur. Remplacer les pièces usées et celles dont le changement est impératif. Respecter les consignes d’hygiène et de sécurité.
4.5. Déroulement du TP 1. Faire d’abord la lecture complète des diverses étapes de ce TP. 2. Demander qu’on vous assigne un équipement muni d’une boite de vitesses 3. Procéder au démontage & remontage de la boîte à vitesses, sans détérioration ni perte de pièces 4. Utiliser de la documentation appropriée 5. Utiliser l’outillage approprié 6. Décrypter les différentes phases de fonctionnement.
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TP5 – Étude d’un réducteur de vitesse classique
5.1. Objectif visé Le stagiaire devra être capable d’identifier les pièces d’un réducteur de vitesses, en décrypter le fonctionnement et calculer le rapport global. 5.2. Durée du TP Le travail pratique proposé est d'une durée de 6 heures.
5.3. Equipements et matière d'œuvre par équipe a) Equipement : - Un réducteur de vitesses - Un document technique - Un poste de travail - L’outillage nécessaire à l’intervention - Consignes d’hygiène et de sécurité b) Matière d’œuvre : - Graisse graphitée - Huile de mouvement - Chiffon d’essuyage - Gazoil
5.4. Description du TP Rechercher dans la documentation du constructeur la méthode préconisée pour le démontage. Démonter en suivant soigneusement la méthode du constructeur. Remplacer les pièces usées et celles dont le changement est impératif. Respecter les consignes d’hygiène et de sécurité.
5.5. Déroulement du TP 1. Faire d’abord la lecture complète des diverses étapes de ce TP. 2. Demander qu’on vous assigne un équipement muni d’un réducteur de vitesses 3. Procéder au démontage & remontage de réducteur de vitesses, sans détérioration ni perte de pièces 4. Utiliser la documentation appropriée 5. Utiliser l’outillage approprié 6. Décrypter les différentes phases de fonctionnement
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Module 24 : DISPOSITIFS DE TRANSMISSION D’ÉNERGIE MÉCANIQUE EVALUATION DE FIN DE MODULE
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O.F.P.P.T. EFP
MODULE 24 : DISPOSITIFS DE TRANSMISSION D’ÉNERGIE MÉCANIQUE
FICHE DE TRAVAIL Stagiaire : _____________________________________ Code : Formateur : ______________________________________________________ Durée : 2 heures (Exemple)
1.
1
2
a) Nommer les éléments indiqués par des numéros. b) De combien de vitesses la boîte de la figure ci-dessus dispose-t-elle ?
2. a) Etablir le schéma cinématique d’une transmission par engrenage à dentures droites représenté ci-dessous, on donne Z1 = 20 ; Z2 = 40 ; Z3 = 18 ; Z4 = 36. b) Déterminer le rapport de transmission r (4/1). c) Calculer la vitesse de rotation du pignon 4 sachant que la vitesse d’entrée est égale à 2400 tr/min.
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Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
3. Quelle est la différence entre un accouplement rigide et un accouplement élastique ? 4. Expliquer le rôle d’un limiteur de couple dans un système de transmission mécanique. 5. a) Calculer la raison et en déduire la vitesse de rotation du récepteur sachant que le moteur tourne à 1500 tr/mn. On donne : Z1 = 18 ; Z2 = 20 ; Z3 = 40 ; Z4 = 18 ; Z5 = 72 b) La roue intermédiaire (2) a-t-elle une influence sur la valeur du rapport de transmission? Jusitifier votre réponse. c) Quel est le sens de rotation de la roue 5 par rapport à la roue 1 ?
6. Quelles sont les fonctions que doit accomplir un embrayage ?
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Module 24 : Dispositifs de transmission d’énergie mécanique
O.F.P.P.T. E.F.P. Filière : EM Niveau : Qualification
Examen de fin de module
FICHE D’EVALUATION
Stagiaire : …………………………………………………….
N° 1 2 3 4 5 6
Description
Barème 4 6 2 2 2 4
TOTAL
20
Question 1 Question 2 Question 3 Question 4 Question 5 Question 6
Note
COMMISSION: 1. 2.
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LISTE DE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Ouvrage Dispositifs de transmission d’énergie mécanique Construction mécanique
Auteur
Edition CEMEQ, 1996
G. Lenormand
Foucher
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61
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