Rappel du Cours 2: Fonction Transmission de mouvements

Leçon 01: Transmission sans transformation de mouvement
et sans modification de vitesse angulaire

B- Embrayages et freins

Les embrayages:

   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 élevée.

« 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.

Les phases de fonctionnement:

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

1) 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).

2) 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.

3) 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.

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 systèmes limiteurs de couple, qui vont donc patiner lorsque le couple sollicité devient trop important.

Classification:

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

* la géométrie de la surface de friction :

- disques, le contact étant effectif suivant une couronne ;

- tambour (dans le cas de certains embrayages centrifuges) ;

- 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):

- monodisque ;

- bidisque à sec à commande unique ou à commande séparée (double) ;

- multidisque humide ou à sec.

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 :

- Fonctionner à sec ;

- Fonctionner sous bain d'huile.

* Selon le principe de commande:

- Commande mécanique ;

- Commande hydraulique ;

- Commande électrique asservie électroniquement ;

- Centrifuge (dans ce cas la commande n'est pas volontaire mais induite par l'action sur l'accélérateur).

* Le sens de la commande:

- Commande d'embrayage pour les dispositifs normalement débrayés (cas de petits engins tels tondeuses et motoculteur), ou des engins à embrayage centrifuge (cyclomoteur, modèles réduits radiocommandés) ;

- Commande de débrayage pour les dispositifs normalement en prise.

Architecture:

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 ».

Embrayage multidisque:

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

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

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

Cette configuration bien plus compacte radialement que celle à un seul disque est celle retenue sur les motocyclettes. Un embrayage multidisque est souvent utilisé quand le coefficient de frottement est diminué, par exemple lors d'un emploi en zone lubrifié. L'addition des disques augmente la surface de frottement et compense donc le coefficient.

Embrayage électrorhéologique:

    Les progrès récents dans l'électrorhéologie permettent de penser à une nouvelle génération d'embrayage. Se basant sur la capacité de changement entre l'état solide et l'état liquide d'un fluide électrorhéologique. Ce type d'embrayage permet de connecter ou isoler le couple d'entrée et celui de sortie très facilement et rapidement.

Le principe de l'embrayage électrorhéologique est très simple. Quand un champ électrique est appliqué, le fluide électrorhéologique (ER) se solidifie et relie le disque d'entrée et le disque de sortie. Quand ce champ est enlevé, le fluide ER revient à l'état normal (fluide). Le disque de sortie est donc isolé presque instantanément du disque d'entrée.

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

Cas particulier de la boîte automatique:

    Il n'y a pas d'embrayage à disques avec une boîte de vitesses automatique classique : il est remplacé par un convertisseur de couple hydraulique. En effet, la manœuvre automatisée d'un embrayage classique est assez délicate. Ce dispositif s'apparente à un embrayage centrifuge, l'état de l'accouplement ne dépendant en fait que de la vitesse de rotation du moteur. Les passages de vitesse avec une boîte automatique étant eux-mêmes obtenus par actions sur des embrayages internes à la boîte. Le convertisseur de couple induit un glissement variable, mais aussi une augmentation substantielle du couple moteur disponible.

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

Les freins:

   Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.

Les freins constituent un organe de sécurité important :

- sur les véhicules, ils permettent de réguler la vitesse, et de s'arrêter, donc notamment d'éviter une collision (freinage d'urgence)

- sur les machines ayant des pièces en mouvement, la gestion du mouvement est un élément important du travail de la machine, et en cas de défaillance ou d'accident, l'arrêt de la machine est une nécessité absolue.

Dans un véhicule, le conducteur exerce un effort sur une commande (pédale dans le cas d'une automobile, levier dans le cas d'un deux roues et dans les anciennes voitures, etc.), et cet effort est transmis au frein. Cette transmission peut se faire :

- par câble (deux-roues) ;

- par circuit hydraulique (véhicule automobile, certains deux-roues) ;

- par circuit pneumatique (camions, trains) ;

- par circuit électrique ;

- par circuit mécanique

- l'homme frein: ce dit d'un homme qui a du mal.... comme davy

Dans le cas d'un circuit pneumatique, on peut « inverser » la logique d'effort : sans pression dans le circuit, le frein est serré (par un puissant ressort), et la pression sert à écarter le frein. Ainsi, la moindre défaillance du circuit (fuite) provoque un freinage. C'est le principe adopté dans les trains français : le signal d'alarme provoque une ouverture du circuit et donc un freinage immédiat.

Frein à disque:

Le frein à disque utilise un disque solidaire de la roue à freiner, le disque est serré entre deux plaquettes d'usure logées dans un étrier fixé à la suspension, elle même reliée au châssis.

Le frein à disque est un système de freinage performant pour les véhicules munis de roues en contact avec le sol : automobile, avion, train, etc. et pour diverses machines.

Ce système transforme l'énergie cinétique du véhicule en chaleur.

Ils se composent de deux parties

- Une partie fixe, l'étrier, solidaire des structures du véhicule

- Une partie mobile, le disque, entraîné par la roue

Principe de fonctionnement:

    L'étrier supporte les deux plaquettes qui, sous l'action d'une commande généralement hydraulique, pressent le disque, empêchant ainsi sa rotation

    Le rappel des plaquettes et de l'étrier flottant s'effectue d'une part par le joint carré situé entre le piston et le cylindre de l'étrier et d'autre part par le léger voile du disque

   Les plaquettes sont fabriquées dans un matériau plus tendre que les disques et s'usent progressivement.

     Le frein à disque est un système utilisant un disque fixé sur le moyeux ou la jante de la roue et des plaquettes venant frotter de chaque côté du disque. Les plaquettes sont maintenues dans un étrier fixé au véhicule. Un ou plusieurs mécanismes poussent sur les plaquettes, le plus souvent des pistons hydrauliques, les plaquettes viennent serrer fortement le disque. La force de frottement entre les plaquettes et le disque crée le couple de freinage.

Étrier fixe ou flottant:

   Afin d'assurer la pression des plaquettes sur les deux faces du disque, la première solution qui vient à l'esprit est de mettre un poussoir de chaque côté du disque. Ce dispositif est assez rare car, il complique la construction du frein.

Le plus souvent, on monte un piston d'un seul côté et la deuxième plaquette est fixé dans l'étrier, qui lui monté flottant, assure le serrage sur l'autre côté du disque.

Dans les années 60 à 70, Honda utilisa sur ses motos un montage à étrier pivotant. Ce montage a l'inconvénient d'user les plaquettes de travers, ce qui induit une efficacité variable au fur et à mesure de leur usure des plaquettes.

Pour conserver une construction simple et une efficacité régulière, on préfère maintenant un montage par étrier coulissant, où l'étrier se déplace perpendiculairement au plan du disque.

Avantages / Inconvénients:

   Par rapport au frein à tambour, le frein à disque a l'avantage d'être plus progressif car il n'est pas autoserrant. En revanche, il nécessite une plus grande pression pour être efficace, la pression du conducteur est transmise par un système hydraulique bien souvent assisté (c'est pourquoi la commande en est rarement mécanique, car il est malcommode d'obtenir une démultiplication suffisante par un système de leviers).

Sensibilité à l'eau:

Le disque est perforé, l'étrier est à double piston. La commande est hydraulique.

Habituellement, le frein à disque fonctionne à l'air libre, ce qui lui permet d'évacuer les calories du freinage par ses deux faces. En revanche, cela l'expose aux projections d'eau, ce qui provoque un retard au freinage lorsqu'il est mouillé (nécessité de le sécher en quelques tours avant de récupérer le mordant). Pour contrer cet ennui, il est d'usage de perforer les disques des motos de nombreux trous destinés à rompre le film liquide.

Technique et Technologie:

Disque ventilé en acier.

Toutes sortes de matériaux peuvent être utilisés.

Pour les disques :

- Acier inoxydable (assez cher, peu accrocheur)

- Fonte (le plus économique, rouille facilement, le plus lourd, le plus utilisé)

- Carbone (hors de prix, extrêmement léger, très endurant, véhicules de sport très haut de gamme)

Les plaquettes sont généralement formées d'un support en acier, assurant la fixation dans les étriers, sur lequel est fixé par collage un patin en matériau composite, s'usant progressivement au cours de l'usage. La composition du patin varie suivant le matériau du disque et suivant les fabricants. L'amiante a été longtemps utilisée dans la composition de ces patins et elle y est désormais interdite.

L'étrier peut être flottant, muni d'un seul piston poussant sur une plaquette, l'autre plaquette reste bloquée dans l'étrier qui se déplace sur des barres, ou d'une ou plusieurs paires de pistons (afin d'augmenter la surface de pression et de freinage sans augmenter le diamètre du disque).

De nombreux modèles de motos sont munis de deux disques sur la roue avant, mais rien ne prouve que cela freine mieux qu'un seul bon disque correctement calculé.

Frein de moto Buell : le disque est fixé à la jante et l'étrier (à triple piston) est à l'intérieur

Les motos Buell sont munies d'un grand disque fixé au pourtour de la jante. L'efficacité est supérieure, mais le coût aussi.

Le diamètre des disques est un facteur important en compétition. L'effet gyroscopique (comprenez par là l'agilité au changement d'angle de la moto, dans un pif paf, par exemple) devient prononcé lorsque cette notion de diamètre augmente. En d'autres termes, l'agilité diminue. Par conséquent, nous ne verrons jamais le genre de disque que propose Buell sur certains de ses modèles.

Le système de commande peut être indépendant pour les différents disques ou être couplé avant-arrière par un répartiteur (cas général des voitures et du freinage intégral de certaines motos (Moto Guzzi)).

Afin d'éviter le blocage en cas d'adhérence réduite, le frein à disque se prête bien à l'ajout d'un ABS. Le système relâche brièvement le freinage lorsqu'il détecte une décélération anormale de la roue.

Frein à tambour:

Fonctionnement:

Grâce à la pression du circuit de freinage

- Les pistons des cylindres de roues repoussent les mâchoires de freins;

- Les garnitures se plaquent contre les tambours;

- Le frottement freine la rotation;

Caractéristiques:

- Légèreté, afin de réduire les masses non suspendues

- Résistance à l'abrasion

- Stabilité du coefficient de frottement

- Bonne conductibilité thermique, afin d'évacuer rapidement la chaleur produite pendant le freinage et de réduire la température des garnitures

- Faible niveau sonore en fonctionnement

- Les tambours sont construits en alliage d'aluminium (légèreté et bonne conductibilité thermique) ou en fonte (grande résistance à l'abrasion). La résistance à l'abrasion de l'alliage léger étant faible, on prévoit généralement, dans le premier cas, une couronne intérieure rapportée en fonte.

Le frein à tambour est constitué d'un cylindre au sein duquel des mâchoires munies de garnitures s'écartent pour réaliser le freinage, et d'un système de compensation d'usure. L'écartement est réalisé grâce à une came. Les mâchoires reviennent en position grâce à un ressort.

Un frein à tambour est un système de freinage constitué d'une cloche (le tambour), à l'intérieur de laquelle se trouvent au moins deux mâchoires munies de garnitures. Leur fonction est de s'écarter grâce à des cames ou des pistons qui provoquent le frottement de la garniture dans le tambour.

Ces cames sont actionnées par une commande mécanique (câble, tirant) et les pistons sont actionnés par une commande hydraulique.

Par rapport au frein à disque caractérisé par sa progressivité, le frein à tambour a tendance à freiner en tout ou rien, car lorsque les mâchoires sont écartées, elles se trouvent « aspirées » par le tambour. Lorsque le frein à tambour est puissant, il provoque facilement des blocages de roues dangereux pour la stabilité du véhicule.

Lorsque les mâchoires sont écartées par une seule came, le frein est peu efficace mais le risque de blocage est faible.

Lorsqu'elles sont écartées en plusieurs points (frein double came, ou plus), le nombre de points d'aspiration des garnitures augmente, et avec lui, la force de freinage et le risque de blocage.

C'est la raison pour laquelle la plupart des véhicules, surtout les véhicules à deux roues, sont maintenant équipés de freins à disque.

Sur le plan technique, le frein à tambour est relativement étanche, se refroidissant généralement par son pourtour parfois muni d'ailettes. Malgré tout, le refroidissement est relativement inefficace, ce qui peut entraîner une surchauffe. Cependant certains modèles disposent d'ouïes de refroidissement qui forcent l'air à circuler à l'intérieur.

Les déformations des tambours et leur faible endurance à l'échauffement entraînent la disparition progressive de ce type de frein sur les véhicules récents. De plus, les freins à disques engendrent moins d'effet gyroscopique particulièrement préjudiciable à motocyclette.

En rouge les garnitures, en jaune des pivots, en vert la came. En montant, la came écarte les garnitures et les plaques contre le tambour.

Le frein à tambour d'une moto : à gauche, le tambour, à droite les garnitures. On distingue la came en haut.

Le frein à sangle:

Fonctionnement :

   La fermeture de la poignée provoque la tension du câble. Ce dernier fait pivoter le levier qui vient faire frotter la sangle sur la cloche et ainsi freiner la roue

Avantages & Inconvénients:

- Bonne puissance

- montage difficile

- pas d'usure de la jante

Frein à sabot ou frein à bloc:

Le frein à sabot est constitué d'une pièce mobile, le sabot, qui vient s'appliquer sur la roue ou un dispositif qui en est solidaire. Il est encore employé, notamment dans les transports ferroviaires.

ABS:

De l'allemand Antiblockiersystem : un dispositif de frein anti-blocage (voir ABS). Le principe de fonctionnement est simple : un calculateur électronique gère un bloc d'électrovannes sur la circuiterie de freinage et surveille la rotation de chacune des roues individuellemnt, à l'aide d'un capteur implanté sur chacune d'elles. Si le calculateur détecte le blocage (ralentissement significatif par rapport aux autres roues) d'une roue, le frein de celle-ci est relâché immédiatement (sans que le conducteur n'ait à modifier son action sur la pédale de frein). Le calculateur va permettre la pression de freinage la plus forte possible en supprimant les blocages des roues.

Contrairement aux idées reçues, l'ABS ne réduit pas les distances de freinage, il permet uniquement d'éviter le blocage des roues, le conducteur garde ainsi le contrôle de la trajectoire de son véhicule.

Frein de secours et de stationnement:

Frein à main, frein à vis, frein de parking.

Frein de bicyclette:

- Frein à mors d'une bicyclette.

- Frein à mors, transmission par câble ou par huile

- Rétropédalage

- Frein à disque hydraulique et mécanique

Frein rhéostatique:

Le freinage rhéostatique permet de modifier le mode de fonctionnement des moteurs de traction d'un train en leur faisant jouer le rôle de générateurs pour reproduire de l'énergie électrique. L'énergie cinétique, liée à la masse en déplacement, est convertie en énergie électrique que l'on envoie vers des résistances mortes qui la dissipent sous forme de chaleur.

Frein à courants de Foucault:

Type de frein utilisé notamment sur les camions et autocars, appelé aussi ralentisseur.

Frein magnétique:

Où et comment sont utilisés les freins magnétiques:

     Le frein magnétique est employé dans la technologie ferroviaire pour accroître l'effort de freinage. Il est utilisé en complément du freinage pneumatique et, dans certains cas, en complément du freinage dit "électrique" comme par exemple sur les [MI2N] [1] (matériel RATP de la ligne A et SNCF sur la ligne E du RER) Ce système n'est utilisé que pour les freinages dit "d'urgence" ( en cas d'incident et non pas pour un arrêt normal comme arrêt en gare, ...) car il est nécessaire d'arrêter le train sur une distance la plus courte possible. À titre d'exemple une train de banlieue avec une Z 20500 il faut environ 800m pour obtenir l'arrêt pour une rame qui circule à 140km/h contre environ 500m pour une rame MI2N circulant à la même vitesse.

Quelques dates:

    Le système des freins magnétiques est apparu à partir de 1969 sur les voitures "grand confort" premières voitures à circuler à 200 km/h sur le "Capitole" puis sur les rames RTG en 1972. Ce système fut ensuite mis de côté jusque dans les années 1990 ou il est réaparu sur les rames MI2N, X73500, ... Et très bientôt sur les rames POS du TGV Est Européen qui feront la liaison France/Allemagne.

Principe de fonctionnement:

    Les freins magnétiques se composent d'un ensemble (vérins plus patin) fixé sur le châssis du bogie [2] [3] (images extraites du site de Florent Brisou). Lors d'un freinage d'urgence, les patins descendent contre le rail grâce aux vérins. Ensuite, un champ magnétique est créé pour plaquer les patins sur le rail, ce qui permet de créer un effort de freinage supplémentaire en complément des freins à disque, à semelle et voire électrique sur certaines rames.

    Le principal avantage de ce système est qu'il offre un effort de freinage constant puisque dans le cas d'un freinage par disque, si l'effort de pression exercé sur les disques est trop important il y a risque d'enrayage (blocage de l'essieux qui glissera sur le rail) et donc un risque d'allongement significatif de la distance d'arrêt. Ce risque est important en cas de pluie, ... ce qui est préjudiciable pour la sécurité des circulations qui est la base des réglements ferroviaires.

Quelques exemples commenté:

Retour au sommaire