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Chapitre 2 : Les embrayages
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CHAPITRE 2 : LES EMBRAYAGES
1 / DEFINITION :
Les embrayages ou accouplements temporaires sont des accouplements ncessaires
pour accoupler des machines dont le couple moteur est faible bas rgime (Moteurthermique). Ils servent aussi la sparation des arbres en plein rgime de rotation.
Figure 1
2/ CLASSIFICATION :
EMBRAYAGES
A griffes et dents
A friction Electromagntique poudre
A disques A cnes A Mchoires A rubans
ALevier
Electromagntique Pneumatique Hydraulique
Suivant la nature des forces dembrayage
Suivant la forme des surfaces de frottement
Suivant le mode de commande et de transmission de la pression
Ligne darbre
Moteur
PmIm, m
Embrayage ou
(Accouplement
temporaire)
Rcepteur
Pr, Ir, r
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3 / EMBRAYAGES A GRIFES ET A DENTS
Ce dispositif simple permet lembrayage par commande manuelle, lectromagntique
ou pneumatique.
Figure 2
Inconvnient:
Difficile dembrayer en marche et surtout en charge
Avantage :
Les arbres accoupls ont absolument la mme vitesse angulaire.
PROFIL
Carr
3 < < 10
Trapzodal
Symtrique
60 < < 90
Triangulaire
A denture fine
Trapzodal
Asymtrique
En
dveloppante
de cercle
F igu re 3
Le calcul de rsistance des griffes et des dents se fait la flexion et la pression.
Moteur Rcepteur
R
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3
Manchon griffes:
La similitude avec le manchon dilatation est frappante (Chapitre 1). La griffe (4) est monte
coulissante sur un arbre et est manuvre avec une fourchette. (Fig.4)
Fig.4.
4 / EMBRAYAGES A FRICTION :
Un embrayage friction est un embrayage mcanique, il permet de lancer un moteur
vide, de manuvrer une bote de vitesses sans arrter le moteur, de coupler en marche
plusieurs appareils sur le mme moteur.
Figure 5
4.1 / PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT ET CALCUL DES EMBRAYAGES A
FRICTION.
Les embrayages friction sont prvus pour raliser lentranement progressif de deux
arbres en marche et leurs sparations rapides ou lentes.
Dans le fonctionnement de ces embrayages, on distingue 4 priodes :
1
Rcepteur
Cr, Ir, rMoteur
CmIm,
m
2
3 4 5
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1. Engagement : les surfaces actives se rapprochent et sont serres lune lautre; larbre
men est acclr jusqu' la vitesse de larbre manant.
2. Embrayage engag :Les arbres (menant et men) tournent la mme vitesse.
3. Dbrayage :Les surfaces actives se desserrent et scartent ; larbre men poursuit sa
rotation dcroissante jusqu larrt complet.
4. Embrayage dbray :Les surfaces actives sont spares par un jeu ; larbre men est
immobile, larbre menant continue tourner ou est galement immobile.
4. 2 / MATERIAUX.
Le choix des matriaux, aura une grandes importance sur la valeur du coefficient de
frottementf, sur la pression de contact admissible Padmet sur la temprature maximale
admissible des surfaces frottantes Tl.
Les corps sont gnralement en fonte.
Les disques dembrayages sont en tle dacier revtue ou non de frodo.
Quand les disques dembrayage sont sans garnitures, ils sont tremps.
Caractristiques de matriaux de disques des embrayages et de freins
Matires en contact Etat f Pression
Padm
daN/cm2
Temprature : Tl(C)
En continu Brivement
Acier durci Acier durci Huil 0.05 0.1 5 40 100 200
Acier durci Mtal Fritt 150 300
Acier durci Acier durci Circulation
dhuile
0.02 0.1 5 50 100 200
Acier durci Mtal Fritt 150 300
Fonte grise Fonte grise sec 0.15 0.25 10 20 200 300
Fonte grise Acier sec 0.1 0.2 5 15 150 250
Acier ou
Fonte grise
Rsine
synthtique
ou phnol
sec 0.2 0.3 1 10 100 150
Acier ou
Fonte grise
Toile
amiante
imprgn
sec 0.25 0.35 1 25 150 350
1 daN/cm2 = 0.1 MPa
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Le Frodo :matire souple base damiante (compos de silice, magnsium) et une faible
quantit dalumine et doxydes de fer se trouve ltat de minerai en Amrique du nord) ,
arm de fibre textiles ou plus souvent de fils de laiton , daspect brun fonc.
La Socit Frodo construit de trs nombreuses nuances. Un ordre dide :
Coefficient de frottement sur fonte sec f = 0.3
Coefficient de frottement sur fonte ltat gras f = 0.15
Temprature supporte: 300 C pendant quelques secondes.
200 C service normal
Puissance moyenne admise : 400 w/dm2.
Puissance limite maxi : 4.5 kw/dm2.
Pression de contact frodo mtal 1 20 daN/cm2
(des valeurs voisines de 0.7 daN/ cm2 assure une grande douceur lembrayage.)
Certains frodo peuvent fonctionner dans lhuile, dautres non.
Certaines varits permettent dobtenir des valeurs plus leves pour les caractristiques
prcdentes.
4. 3 / Couple transmissible par un embrayage :
Il faut que quelque soit lacclration, lembrayage ne patine pas en fonctionnement normal ;soit CmCr.
Cm: couple moteur.
Cr : couple rcepteur.
Soit le systme form d'un moteur, d'une transmission et d'un rcepteur.
Figure 6
En appliquant le principe fondamental de la dynamique au systme (moteur, transmission et
rcepteur), on obtient :
On isole Larbre moteur et on applique la PFD :
Cm-Cad= Imdt
md (a)
CrCm
EmbrayageIm Ir
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On isole Larbre moteur et on applique la PFD :
Cad-Cr= Irdt
rd (b)
Les acclrations moteur et rcepteur sont gaux, les relations (a) et (b) donnent lexpression
du en fonction des caractristiques du systme :
Cad =rm
mrrm
II
ICIC
+
+
Avec :
Im : moment dinertie de la partie motrice.
Ir : moment dinertie de la partie rceptrice.
dt
md : lacclration angulaire du moteur.
Cad: couple dadhrence (couple transmissible)
Remarques:
Si Cm et Cr donns, on a intrt avoir Irminimal et Immaximal.
Si Cad= Cm, lembrayage est sur-dimensionn.
Si Cad= Cr, lembrayage est sous-dimensionn.
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4 .4 / Expression du couple dadhrence dun embrayage disques
Soit Cadle couple dadhrence transmissible par lembrayage.
Soit Fala force axiale du ressort (5) applique sur le plateau (2), glissant sur larbre rcepteur
(4) contre le plateau moteur (1).On suppose quon a une distribution uniforme de la pression P, entre les surfaces frottantes.
(cette distribution quilibre la pousse axiale Fa)
On isole le disque (3) et on considre un anneau lmentaire daire ds :
dS = 2d avec (r < < R )
La force axiales est donne par :
Fa= P (R2-r
2)
Le moment rsultant Cadde la force de frottement
lmentaire dT=fpdS sur la surface dS en O:
Figure 7
Cad = R
rf P dS =
R
rf P2 d = 2 f P
R
r2d
Cad= f P
33
rR3
2 et P = Fa/(R
2-r
2)
En supposant que le contact est parfait entre les surfaces de contact S 1et S2et que les
pices sont infiniment rigides, lexpression du couple du couple dadhrence sur la surface S1
en remplaant P par sa valeur :
Ce qui donne Cad= f Fa 22
33
32
rR
rR
Ce qui donne pour n surfaces frottantes : Cad= n fFa 22
33
32
rR
rR
Si on pose Rm= 22
33
32
rR
rR
Ce qui donne Cad= n fFa Rm
S1S2
R
r
R
dS
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Embrayage de voiture automobile (Figures 8 et 9):
Figure 8
Cest un embrayage mono disque, reprsent en position embray (Fig.9). Le disque 3,
solidaire du moyeu 5, porte les couronnes de friction 1 et 2 fixs sur lui par des rivets creux
tte drase. Le moyeu cannel 5 peut librement coulisser sur larbre conduit 7.
Le volant 10, fix lextrmit de larbre moteur 8 par les boulons freins 4, est centr sur lui
et positionn par 9. La gorge A empche le lubrifiant de tomber sur les surfaces dadhrence.
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Le plateau mobile 11 est pouss par neuf ressorts 24 prenants appuis sur le couvercle
23 solidaire du volant. Leffort exerc par chaque ressort est de lordre de 50 daN. Sous
chaque ressort, une rondelle de Frodo 25 forme un isolant thermique.
Pour dbrayer, il
faut carter le plateau 11
vers la droite, ce qui est le
rle des leviers 16 (trois
leviers 120).Chaque
levier prend appui, par
lintermdiaire dun galet
cylindrique 14, sur le
mplat dun axe 13
immobilis dans les bras
de la chape 15 solidaire du
couvercle.
Le trou du levier laisse
laxe un jeu suffisant pour
quil puisse rouler sur le
mplat, ce roulement tant
rendu ncessaire par la
liaison levier-plateau.
Cette liaison, assure par
un axe mont sur
roulement aiguilles,
constitue en effet un point
fixe du levier.
Figure 9 : Embrayage de voiture automobile
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5/ Embrayage contact conique :
5.1/ Couple dadhrence
Figure 10
On suppose que la distribution de la pression est uniforme entre les surfaces frottantes.
Le couple transmissible est pour nsurfaces frottantes actives et en remplaant P par sa
valeur :
Cad= nf Fasin
13
222
33
rR
rR
; P = Fa/(R
2-r
2)
Remarque : A cause du termesin
1, le couple dadhrence dun embrayage conique est plus
important que celui dun embrayage a disques pour une mme effort axial et mme
encombrement.
dx /cos
dx
4
Cm
1 53
Cr
y
R
PdS
Far
x
dS
O
On isole (4)
xx
y
O
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5.2/ Conception dun embrayage S.E.G :
Le mcanisme est contenu lintrieur dun carter en deux pices 8 et 17 visses lune
sur lautre, solidaires de larbre 6, et portant intrieurement les surfaces femelles de friction ;
Le filetage nest pas bloqu mais arrt par des vis tton de manire permettre un rglage
de la distance axiale des surfaces de friction. (Figure 11)
Deux anneaux 9 et 10 dont la jante porte les surfaces mles de friction peuvent
coulisser sur larbre 5.
Lcartement de deux anneaux coniques jusquau contact avec la cloche pour obtenir
lembrayage ou leur rapprochement pour le dbrayage sont commands par deux groupes
identiques dorganes, comprenant un ressort 4 , un levier coud 13 et une biellette articule
sur 13 par laxe 15.
Un manchon coulissant 16 clavet sur 5 commandes les biellettes.
Dans la position dbray (trait mixte fin), le ressort lgrement band maintient les
deux anneaux coniques appuys lun sur lautre.
Figure 11 : embrayage S.E.G
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Dans la position embraye, le ressort, fortement band par le levier, a trs lgrement dpass
la position dquilibre instable. Les surfaces de friction tant venues en contact, il est en
position dquilibre stable.
La disposition symtrique des surfaces de contact fait quil ny a pas de pousse latrale. Le
jeu axial des anneaux sur les broches permet la dilatation des arbres. Ce sont les surfaces
coniques de contact qui centrent les arbres. Le sens de rotation est indiffrent.
6 / Embrayage contact cylindrique ( patins):
La surface de contact cylindrique apporte un problme particulier. Le contact ne peut
se crer ou se supprimer que par modification du diamtre de la pice sur laquelle on agit :
celle-ci doit donc tre dformable.
La surface dformable peut tre des patins qui se dplacent suivant le sens radial ou
comme lexemple de la figure (12).
6.1 / Expression du couple dadhrence et distribution des efforts :
Cad= RdT = R f dN
Cad= R f p dS avec dS = R b d
Cad=
fbpdR0
2
Cad = R2f b p
Figure 12
Expression de p en fonction de N:
dN = p dS
dN = p cosR ddb
N =
dpRb
2
2
cos
N = 2 p R f sin2
2/sin.Rb2
NP
=
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Soit alors un couple dadhrence de:
Cad =2
sin2
RfN pour n patins : Cad = n
2sin2
RfN
Si n = 2 et Cad =2
sinRfN
6.2 / Expression du couple dadhrence pour un embrayage par expansion:
Le couple dadhrence pour un embrayage par expansion a pour expression :
Cad= (Q-P) r
Avec :
Q = P
f
e si on a le sens 1
Q = P/
f
e si on a le sens 2
f : coefficient de frottement.
: angle denroulement.
r: rayon du tambour.
sens 1 Cad= P(
f
e -1) r
Figure 12
sens 2 Cad= P(1-1/f
e ) r
6.3 / Embrayage de machine outil fonctionnant par expansion :
La couronne du cylindre extrieur est rendue expansible par une fente longitudinale
place ici la partie infrieure de lembrayage.
Les deux leviers 4 et 5 articuls sur des chapes solidaires des lvres de la fente prennent lun
sur lautre un appui de position rglable par vis et contre crou.
Lcartement des extrmits de 4 et 5 opposes lappui est command par un coin mont sur
un manchon. (Fig.13)
1
r
PQ
2
-
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F
Figure 13 : Embrayage par expansion
7 / Embrayages centrifuges :
Les masses sont guides en translation :
La figure 14 un type dembrayage centrifuge simple, mais peu perfectionn. Il est combin
avec la poulie du moteur lectrique sur lequel il est mont.
Le moteur 10 clavet sur larbre 7 entrane 4 masselottes 8 portant extrieurement une
garniture 9. Ces masselottes loges dans des alvoles sont maintenues en place par les
boulons et les ressort 5 de tension rglable. Lintervalle B est garni de graisse. Les
roulements ne servent quau dmarrage, ce qui explique quil ny ait pas de systme
dtanchit pour le lubrifiant. Celui-ci est projet, le cas chant, par les trous A plutt que
de se trouver conduit sur les surfaces dadhrence.
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Figure 14 : Embrayage centrifuge
Embrayage centrifuge Kostob-segor :
Lembrayage Kostob se substitue la poulie lisse dun moteur lectrique.
Son moyeu 2 est clavet sur larbre moteur.
Les deux masses 3 sont articules sur le moyeu par lune de leurs extrmits en deux
points diamtralement opposs. Larticulation comporte un joint lastique. Chaque masse est
rappele dans une position centripte par un ressort fix sa seconde extrmit. Elle porte une
garniture de friction.
Figure 15 : Embrayage centrifuge
La jante de la poulie ferme par le couvercle 4 est libre en rotation sur le moyeu. Elle
devient solidaire de celui-ci lorsque les masses projetes par la force centrifuge viennent,
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malgr laction des ressorts antagonistes, sappuyer sur la face interne de la jante.
Larticulation lastique facilite le portage correct des surfaces malgr lusure de la garniture.
(Fig.15)
8 /EMBRAYAGE ELECTRIQUE (Embrayage Ferlec : (Fig.16))
La force pressante nest plus exerce par des ressorts, mais produite par une attraction
magntique. Lintensit du courant dexcitation est commande par la pdale dacclrateur.
Lembrayage se fait progressivement en mme temps que la vitesse.
Lorsquon envoie du
courant lenroulement, Le
champ magntique cr attire
larmature 4 vers la culasse 2.
Le plateau de pression 12
solidaire de 4 serre alors le
disque de friction 9 contre le
plateau intermdiaire 11
solidaire de la culasse 2. Il y a
naissance dun couple de
frottement proportionnel
lattraction magntique.
Suivant la valeur de ce couple
et du couple rsistant, il se
produit une friction avec
glissement ou un
entranement total.
Si lon coupe le
courant (en manuvrant le
levier de vitesse, par
exemple) lattraction cesse,
larmature sloigne de la
culasse sous laction des
ressorts 24 : il y a dbrayage.
Figure 16 : Embrayage lectrique
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9 / CONVERTISSEUR DE COUPLE :
Le convertisseur de couple permet dassurer La liaison entre le moteur et la bote de vitesses
dune voiture automobile.
Lembrayage courant, disque de friction, est remplac par un convertisseur de couple
hydraulique et un organe de coupure incorpor. Ce dernier est indispensable au Changement
des vitesses qui ne peut se faire que lorsque larbre dentre de la bote nest pas soumis au
couple moteur. (Fig.13)
Le convertisseur de couple diffre du coupleur hydraulique par ladjonction dun racteur.
Il comporte trois lments munis daubages guidant le passage de lhuile (huile spciale pour
transmission automatique).
Un rotor impulseur ou pompe 1 solidaire de larbre moteur ;
Un rotor rcepteur ou turbine 2 solidaire de larbre dentre 3 dans la bote de vitesses ;
Un racteur 4 mont sur une roue libre cames 5 qui ne permet sa rotation que dans le
sens moteur.
Figure 17 :
convertisseur de couple
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10 / Les coupleurs
1) Coupleurs hydrauliques :
Les coupleurs hydrauliques ne sont pas, proprement parler, des embrayages : en
gnral, ils ne permettent pas la sparation complte de l'arbre menant et de l'arbre men.Cette condition ne peut tre ralise que lorsque l'on vidange compltement l'huile du
coupleur.
a) Fonctionnement : (Voir figure 18)
Chacun des demi-tores est pourvu de cloisons radiales. La cavit est remplie 30 %
d'huile minrale spciale. Ce liquide assure la liaison avec glissement.
La rotation de l'arbre moteur provoque une acclration de la masse hydraulique qui
cre une dpression centrale et chasse l'huile vers la priphrie, l'huile projete ne peut
s'chapper qu'en pntrant dans un compartiment du demi-tore rcepteur et en chassant devant
elle (vers l'axe) l'huile contenue dans ce compartiment (car '
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finalement, constitue des masses solides entre palettes et carter, jusqu'au moment ou les
vitesses de l'arbre primaire et du carter deviennent synchrones.
Le coupleur centrifuge poudre est :
-Un embrayage automatique.
-Limiteur de couple (lorsque le couple rsistant atteint 20 % environ du couple
transmis au dmarrage).
-Filtre de vibration de torsion (moteur combustion interne).
Avantages :
Dmarrage automatique, diminution de la dure de pointe au dmarrage pour moteurs
lectriques, dmarrage et ralenti sans dsaccouplement pour moteur thermiques, rendement
pratiquement gale 1 en marche normal, possibilit de mise en parallle de plusieurs mot
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Figure 18 : convertisseur de couple
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11 / ETUDE DU TRAVAIL DE FROTTEMENT( Wf ).
Le travail lmentaire est : dWf= Cad (M r) dt
Si la dure de la friction est t0 , le travail de glissement est :
Wf= 0
0
t
Cad(M r) dt
On a
t = 0 r= 0
t = t0 r= M
ce qui donne :
r=0t
m t
La vitesse de glissement est :m=g r
Daprs le thorme du moment dynamique appliqu au rcepteur on a :
Cad-Cr = Irdt
dr
Ce qui donne :
Wf= 0.5.IrM2 + 0.5 CrMt0 en joule.
Remarquons que lexpression de lnergie due au frottement dpend de linertie du
rcepteuret du temps de patinage t0.
12 / ETUDE DES TEMPERATURES.
Le travail de frottement prcdemment calcul se transforme intgralement en chaleur.
Cette chaleur rchauffe les particules mtalliques par conductibilit ; elle se propage dans lair
par rayonnement. Lair brass par les parties en mouvement va refroidir les autres par
convection.
Deux cas peuvent se produire:
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Entre deux patinages, les surfaces frottantes ont le temps de se refroidir.
Entre deux patinages, les surfaces frottantes nont pas le temps de se refroidir. Ce qui
implique que la temprature augmente jusqu dpasser la valeur limite maximale admissible,
ou dtrioration des surfaces frottantes.
a / Embrayage faible dissipation de chaleur
Cest le cas de tous les embrayages nutilisant pas le frrodo comme garnitures. La
relation gnrale utilise est :
Wf= M Cm(Ti- To)
O :
Wf est le travail d au frottement ( en calories )
M est la masse ( en Kg)
Cmest la chaleur massique de la matire ( en Cal/ C.Kg)
Tiest la temprature finale,
Toest la temprature initiale.
b / Embrayage forte dissipation de chaleur
Par le frrodo , il ne peut schapper que peut de chaleur , les formules ont t tablies
exprimentalement. La base de calcul est la suivante :
Puissance spcifique maximale de glissementPsp.M(en chevaux /dm2):
Psp.M= Cad* maxi/Surface frottante totale
Si lembrayage patine pendant t secondes est ceci, cycliquement toutes les T secondes, la
puissance spcifique moyenne de glissement par cycle Psp.m(en chevaux /dm2) sexprime :
Psp.m= 0.5 Psp.M* (t / T)
La temprature maximale admissible sera donn par :
Avec
Tlla temprature maximale admissible,
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Tala temprature ambiante,
tdure de patinage,
epaisseur du paroi mtallique frottante en mm,
Vla vitesse circonfrentielle moyenne du rcepteur au cours dun cycle dopration en m/s),
sa valeur est en gnral gale Rmoy* (maxi+ mini) / 2
Les embrayages avec des surfaces en ferodo sont en gnral utilis pour les applications
suivantes et ont pour valeurs maximales :
Voitures de tourisme : 5.15 Kw/dm2
Camions: 3.68 Kw/dm2
Tracteurs : 2.2 Kw/dm2
En pratique, des abaques sont utiliss, pour rsoudre les capacits calorifiques en
fonction du nombre de manuvre par heure.
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Application : EMBRAYAGE CENTRIFUGE
Prsentation du sujet :
Larbre moteur (1) entrane constamment en rotation le plateau (8), le plateau mobile (6),
ltrier (5), les masselottes (3), les ressorts de rappel (2).Lorsque larbre (1) tourne au ralenti, les leviers (4) restent dans la position dbraye. Larbre
rcepteur (10) nest pas entran.
A la vitesse de rgime de larbre (1), les masselottes scartent de laxe, les extrmits (C)
des leviers sappuient sur (6). Le disque porte frodo (7) est pinc entre (6) et (8) est entran
par adhrence. Sa rotation est transmise larbre rcepteur (10) par le corps (9). Lembrayage
est tudier a la vitesse du rgime N = 1050 tr/mn. Lembrayage comporte deux leviers (4)
portant chacun son extrmit (A) 2 masselottes (3). Chaque masselotte a une masse m =
0,135 Kg, un tige de masse m1 = 0.095 kg. On nglige les masses des autres pices pour le
calcul.
Remarque importante : les dimensions et les donnes utiles pour les calculs seront prisent
directement du dessin densemble Ech. 1 :1
Donnes :
- raideur dun ressort K = 1000 N/m
- Puissance nominale du moteur (1) P0= 5 CV
- Inertie des parties mobiles (arbre moteur volant dinertie arbre intermdiaire) cot
moteur Im = 0.35 kg m
- Inertie des parties mobiles cot rcepteur Ir = 0.06 kg m
- Couple rcepteur Cr = 26 Nm
La pression admissible par un embrayage est Padm2 MPa
I/ ETUDE TECHNOLOGIQUE :
I-1- Donner le type de la liaison entre les pices (8) et (1).
.
Par quoi est assure cette liaison ?
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I-2- Donner le type de la liaison entre les pices (8) et (5).
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Expliquer le rle de cette liaison.
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I-3- Expliquer le rle des ressorts (2).
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II/ ETUDE DYNAMIQUE: (en position embraye)
II-1- Calculer le couple dadhrence Cad de lembrayage en fonction de (Cm, Im, Cr et Ir).
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.
.
.
.. Cad =..
interprtation:......
On suppose que :
- Les liaisons en A et B sont parfaites.
II-2- Calculer leffort FA d aux masselottes et au tige sur chaque levier ABC, en tenons
compte de leffet des ressorts (2).
.
.
.
..FA=
II-3- Calculer la force extrieure FC applique sur chaque levier ABC.
.
.
.
.FC =
II-4- Dterminer leffort normale de pression total (N) sur le plateau (6).
.
. N =
On suppose que :
- Le coefficient de frottement f = 0,3.
II-5- Calculer le couple (Cad) transmis par lembrayage en fonction de ( R, r , f, N et n)..
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.
. Cad=
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Faire une conclusion :
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II-6- Calculer la puissance (P) transmissible par lembrayage.
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. P =
Conclusion...
II-7- Vrifier si lembrayage peut supporter la pression exerce par leffort normale rsultante
(N).
.
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IV/ ETUDE GRAPHIQUE :
Complter sur le dessin densemble la liaison entre larbre moteur et larbre rcepteur en
reprsentant :
Le montage du roulement (11).
La liaison (9) (10).
Les ajustements ncessaires entre (11) et (1) et entre (9) et (10).
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