Dossier technique Mécanismes à friction

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Système ABS de l’Alfa Roméo 156

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1) PRESENTATION DES MECANISMES A FRICTION......................................................2

2) LES MECANISMES A SURFACE(S) DE FRICTION PLANE(S). ...................................3 Embrayage à friction monodisque à ressorts hélicoïdaux pour véhicules automobiles anciens.3 Embrayage à friction monodisque à diaphragme pour véhicules automobiles actuels.............. 4 Frein à disque pour véhicules automobiles ou motocycles. ...................................................... 5 Frein électromagnétique de moteur.......................................................................................... 6 Boîte de vitesses automatique. ................................................................................................ 7 Renvoi d’angle avec limiteur de couple. ................................................................................... 9 Limiteur de couple à disques multiples de l’ouvre-portail du laboratoire. .................................. 9

3) LES MECANISMES A SURFACE(S) DE FRICTION CYLINDRIQUE(S)......................10 Frein à tambour pour véhicules automobiles. ......................................................................... 10 Frein à sabots. ....................................................................................................................... 10

4) LES MECANISMES A SURFACE(S) DE FRICTION CONIQUE(S)..............................11 Poulie à embrayage centrifuge............................................................................................... 11 Synchroniseur de boîte de vitesses à commande manuelle. .................................................. 11 Palan électrique (avec poulie frein conique et limiteur de couple cylindrique)......................... 12

1) Présentation des mécanismes à friction. Dans le domaine de la transmission de puissance, les mécanismes à friction jouent un rôle important. En effet, ils interviennent dans la plupart des applications. On distingue :

• les embrayages : mécanismes permettant d’accoupler ou de désaccoupler deux parties d’une transmission. Ils doivent permettre le démarrage progressif du récepteur, la transmission du couple moteur sans glissement et la cessation rapide de transmission de puissance.

• les freins : mécanismes permettant de ralentir ou d’empêcher temporairement un mouvement. • les limiteurs de couple : mécanismes permettant de protéger une transmission (moteur ou

récepteur) contre les surcharges ; ils limitent le couple transmis.

Embrayage Frein Limiteur de couple

On peut classer ces mécanismes en différentes familles suivant la nature de la géométrie de (ou des) surface(s) de friction : plane, cylindrique ou conique.

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2) Les mécanismes à surface(s) de friction plane(s). Embrayage à friction monodisque à ressorts hélicoïdaux pour véhicules automobiles anciens. En amont des boîtes à vitesses, on monte aujourd'hui un embrayage monodique à sec, plus rarement un modèle bidisque. Son rôle est de :

• désolidariser le moteur de la boîte afin de pouvoir changer de rapports, ou lorsque le véhicule est arrêté moteur tournant au ralenti,

• de contribuer au confort en filtrant les vibrations provenant du moteur, • de protéger le moteur (en cas de sur régime ou de patinage excessif des roues : verglas, enlisement...).

Sur les véhicules comportant une boîte de vitesses manuelle, on emploie un embrayage à friction (commandé par le conducteur via la pédale d'embrayage), tandis qu’il est hydraulique (sans intervention humaine) lorsque la boîte de vitesses est automatique.

1. Fourchette : Actionnée par un câble ou une commande hydraulique, elle commande le déplacement de la butée. 2. Butée : En se déplaçant elle pousse 3 leviers à 120° qui tirent le plateau en arrière, libérant plus ou moins le disque et autorisant donc le passage des rapports. 3. Mécanisme de pression : Il comporte un plateau en liaison glissière avec le volant, un couvercle vissé sur la périphérie du volant, 9 ressorts hélicoïdaux plaquant le plateau sur le disque, et 3 leviers à 120°. 4. Disque d'embrayage : Il est muni de garnitures de friction (collée ou rivetée) sur ses 2 faces, et est en liaison glissière avec l’arbre primaire par des cannelures. 5. Volant moteur : Solidaire du vilebrequin, il tourne toujours au régime moteur. 6. Arbre primaire de boîte de vitesses : Il est entraîné par le disque d'embrayage (lorsque ce dernier est serré par le plateau sur le volant). 7 Ressorts amortisseur : Situés au centre du disque d'embrayage, les ressorts filtrent les vibrations et les irrégularités de fonctionnement du moteur.

Position embrayée : Le disque est fortement serré entre deux surfaces lisses (plateau et volant) par la pression des ressorts hélicoïdaux. Le tout tournera donc d'un bloc, sans glissement et sans pertes. Position débrayée : La poussée du conducteur sur la pédale contrebalance la force des ressorts hélicoïdaux. Le disque, sous l'effet des vibrations, coulisse alors légèrement sur ses cannelures pour se positionner entre les surfaces lisses (plateau et volant), sans les toucher. Les vitesses angulaires du volant-plateau (solidaires du vilebrequin) et du disque (solidaire des roues par l'intermédiaire de la transmission) peuvent alors différer sans que le disque ne frotte.

Couvercle+levier, disque et butée 0,3 à 0,5 mm par coté

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Embrayage à friction monodisque à diaphragme pour véhicules automobiles actuels. Développé aux USA par General Motors en 1936, l'embrayage à diaphragme n'a été adopté en Europe qu'à partir des années 60. Par rapport au précédent, il ne diffère essentiellement que par le remplacement des ressorts hélicoïdaux et des 3 leviers par un ressort à diaphragme (ou ressort tronconique). Dans un embrayage à ressorts hélicoïdaux la force nécessaire au débrayage augmente avec la course de la pédale, ce qui est exactement le contraire de ce qu'il faudrait. De plus, l'usure du disque diminue la pression de serrage. Alors que dans un embrayage à diaphragme :

• la force nécessaire à l'enfoncement du diaphragme (et donc à la pédale) décroît à partir d'une certaine course de la butée, (et donc de la pédale),

De plus, ce dernier :

• prend moins d'espace axialement, • est insensible à la force centrifuge qui

déforme les ressorts hélicoïdaux et les fait frotter contre leurs cages,

• répartit également la pression sur la périphérie du plateau,

Notions sur les disques.

Le disque est composé d'ensembles coaxiaux en tôle emboutie : - celui du centre comportant un moyeu rapporté coulissant sur les cannelures de l'arbre primaire, - et l'autre constituant la couronne avec ses garnitures. Ces ensembles sont reliés par des ressorts hélicoïdaux qui absorbent les vibrations dues aux irrégularités cycliques du moteur. L'épaisseur d'un disque de voiture varie entre quelque 10 mm neuf et environ 6 mm à la limite d'usure. Son diamètre est choisi en fonction du couple maximal que le moteur peut développer, mais l'embrayage doit toutefois être assez grand pour faire face à la charge thermique et à l'usure. Les garnitures doivent résister non seulement à la chaleur, mais aussi à l'abrasion, à l'usure, à la force centrifuge, ne pas émettre de bruit de friction, présenter peu de déformation thermique, être les plus légères possible tout en supportant une pression de serrage de 3 à 6 bars. Les premières garnitures étaient composées de fibres d'amiante et de gommes naturelles, remplacées ensuite par des résines synthétiques, du caoutchouc et des fils de laiton ou de cuivre servant de support à des fibres d'amiante. Aujourd'hui, les garnitures sont produites sans solvants tels que trichloréthylène ou toluène. Les métaux lourds (plomb) en sont exclus pour répondre aux normes EU 2000/53/EG, l'amiante elle-même ayant été remplacée par des fibres de verre ou d'aramide. Pour laisser une marge de sécurité suffisante en cas de rétrogradation par erreur à trop haute vitesse, le régime d'éclatement des garnitures est situé entre 1,7 et 2 fois le régime maximum du moteur. Leur coefficient de friction contre le volant et le plateau est normalement compris entre 0,27 et 0,4 ; il diminue avec la température.

NB : Valeo a développé des garnitures collées (tout comme pour les freins), éliminant par là les rivets qui augmentent inutilement leur épaisseur, leur poids et restreignent leur limite d'usure.

Ressort à diaphragme

À gauche embrayé

A droite débrayé

Embrayage complet Disque, couvercle, diaphragme, butée

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Frein à disque pour véhicules automobiles ou motocycles. Les freins chauffent… C'est normal, leur rôle est de transformer la vitesse (énergie cinétique) de la voiture en chaleur (énergie thermique) !

Les 2 grands types de freins à disque :

NB : Sur la figure ci-contre, les flèches « » matérialisent l’arrivée du liquide de frein (commandé par la pédale de frein).

Fonctionnement. Le mécanisme est généralement fixé sur le châssis. En revanche, le disque (d’épaisseur 3 à 30 mm) tourne avec la roue. L'étrier supporte le(s) piston(s) et les deux plaquettes qui, sous l'action d'une commande généralement hydraulique, pressent le disque, empêchant ainsi sa rotation. Le rappel des plaquettes et du piston s’effectue d'une part par un joint carré situé entre le piston et le cylindre de l'étrier et d'autre part par un léger voile du disque.

Frein à disque à étrier fixe. L’étrier est fixe, et est généralement équipé de deux, voire de trois ou quatre, cylindres de frein opposés par paires.

Frein à disque à étrier flottant. L’étrier est guidé dans le support, solidaire de l’essieu. Ce frein ne possède qu’un cylindre, dont le piston appuie d’un côté contre la 1ère plaquette. La force de réaction déplace l’étrier flottant jusqu’à ce que la garniture opposée vienne en appui de l’autre côté, contre le disque. Il occupe un espace très restreint du côté de la roue. L’échauffement du liquide de frein est plus faible, car il n’y a qu’une surface de piston en contact direct avec la chaleur de la garniture. En cas de réparation, il n’y a qu’un cylindre hydraulique à déposer.

Avantages des freins à disque. Malgré la surface plus faible des garnitures et les pressions plus élevées, le frein à disque a une meilleure efficacité à chaud que celui du frein à tambour, car l’air de refroidissement peut lécher le disque des deux côtés. L’entretien et le remplacement des garnitures sont faciles, l’usure est régulière, le rattrapage du jeu se fait automatiquement, l’effet centrifuge et les hautes pressions assurent un parfait autonettoyage. Le poids, relativement faible face à la puissance de freinage, et l’absence de déformation due à ta chaleur de freinage sont également des avantages appréciables de ce type de frein.

Inconvénients des freins à disque. La surface efficace de freinage est plus petite que sur le frein à tambour, il n’y a pas d’effet d’autoserrage. On a donc besoin de forces de serrage plus élevées; pour cette raison, on a généralement recours à un système d’assistance. L’usure de la garniture est plus rapide. L’échauffement local des garnitures, important, exige l’emploi d’un liquide de frein qui évite la formation de bulles de vapeur dans les cylindres de frein. L’installation d’un frein de stationnement est plus difficile. C’est pourquoi l’on utilise généralement sur l’essieu arrière des freins de stationnement séparés.

Les plaquettes. Elles sont fabriquées dans un matériau plus tendre (Ferrodo) que les disques (fonte ou en acier coulé) et s'usent progressivement. Ces garnitures peuvent être sollicitées jusqu’à 750° environ, et momentanément jusqu’à 950° C. Leur coefficient de frottement est de 0,25 à 0,5. Leur mauvaise conductibilité thermique protège les éléments hydrauliques du frein d’un échauffement trop important. Les plaquettes sont toujours maintenues en léger contact ou à très courte distance (0,15 mm) du disque. Ce jeu est très légèrement inférieur au voile maximum admissible du disque, qui est de 0,2 mm.

Mvt del’étrier

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Frein électromagnétique de moteur.

Le moteur-frein associe, en un seul ensemble électromécanique, un moteur et un frein. Il comporte : • un moteur : rotor 7 + stator 6 assurant la motorisation, • une commande : électro-aimant 15 + ressort 16 assurant le serrage ou le desserrage du disque 3, • une friction : garniture 19 + contre-matériau assurant le freinage.

Lorsque l’électroaimant 15 est alimenté, il attire le disque 3 (guidé par les goupilles 18) : le moteur n’est pas freiné. Lorsque l’électroaimant 15 n’est pas alimenté, les ressorts 16 plaquent le disque 3 sur le flasque porte-garniture 19 (lié à l’arbre moteur) : le moteur est freiné. Frein multidisques d’Airbus A340.

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Boîte de vitesses automatique. Pour le conducteur, la conduite dune voiture à transmission automatique se limite à positionner le levier sélecteur le long de sa grille, pour choisir le sens de marche et le genre de conduite, puis agir sur la pédale d’accélérateur, et éventuellement celle du frein, pour doser la vitesse du véhicule. La grille du levier sélecteur est normalisée comme suit :

• P : Parking, la transmission est bloquée. • R : Reverse, la marche arrière est enclenchée. • N : Neutral, l’arbre de sortie n’est pas entraîné par le moteur. • 1 ou 2 ou 3 : la boîte de vitesses n’utilisera que 1 ou 2 ou 3 étages de démultiplication (réduction). • D : Drive, la boîte de vitesse exploitera tous ses rapports.

Différents dispositifs de sécurité évitent tout déplacement intempestif de ce levier. En plus du levier manuel, le conducteur dispose de la commande au pied « kick-down » qui s’exécute en appuyant à fond de course sur la pédale d’accélérateur (« pied au plancher »); elle a pour effet de rétrograder la boîte au rapport précédant en vue d’une accélération immédiate du véhicule. Compte tenu de la position du levier sélecteur, la commande automatique exécute les changements de rapports en fonction des désirs du conducteur (accélération ou décélération) indiqués par ses actions du pied sur la pédale d’accélérateur, ainsi que la résistance à l’avancement dû au profil de la route et mesurée par la vitesse de rotation des roues motrices. La commande automatique, logée dans le bloc hydraulique, agit sur des freins et des embrayages internes à la boîte, qui immobilisent ou solidarisent des éléments de trains épicycloïdaux. Ces derniers procurent les différents rapports de vitesses et l’inversion de sens de rotation de l’arbre de sortie. A la différence des pignons d’une boîte de vitesses mécanique, tous les pignons d’un train épicycloïdal sont continuellement en prise. Les changements de rapport s’effectuent progressivement on serrant un embrayage à disques multiples ou bien un frein à bande. Les changements de rapport peuvent donc s’effectuer sous charge, c’est-à-dire sans interrompre la transmission du couple moteur, l’opération s’effectuant en combinant le croisement du desserrage de l’un et le serrage de l’autre. Une action correcte évite tout à-coup dans la transmission qui provoquerait des secousses ou chocs perceptibles par les passagers du véhicule.

Boîte de vitesses automatique Mercedes 7G-Tronic 1

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Boîte de vitesses automatique ZF-4HP22

(utilisé chez Audi et Jaguar)

Les embrayages 4 et 11 sont fermés. Le porte-satellites avant du train épi 9 prend appui, sous traction, par l’intermédiaire de la roue libre 15; sous poussée il est rattrapé. Le train épi 10 tourne en bloc avec l’ensemble. A la position 1 du levier de sélection, l’embrayage 8 est de plus fermé à la première vitesse afin de pouvoir freiner avec le moteur. Les embrayages 4, 6, 7 et 11 sont fermés. La roue libre 15 est rattrapée. L’arbre tubulaire avec le pignon du train épi 9 est fixe. Le train épi 10 tourne en bloc avec l’ensemble. Les embrayages 4, 5, 7 et 11 sont fermés. Les roues libres 15 et 16 sont rattrapées. Les trains épi 9 et 10 tournent en bloc avec l’ensemble et le rapport de démultiplication est de 1. Les embrayages 4, 5, 7 et 12 sont fermés. Les roues libres 14, 15 et 16 rattrapées. Le train épi 9 tourne en bloc avec l’ensemble. L’arbre tubulaire avec pignon du train épi 10 est fixe. Le convertisseur de couple 3 est court-circuité par l’embrayage 2, cela à partir d’une vitesse de marche déterminée de la voiture. Les embrayages 5, 8 et 11 sont fermés. Par l’intermédiaire du porte-satellites avant retenu du train épi 9, il se produit une inversion du sens de rotation de l’arbre de sortie. Le train épi 10 tourne en bloc avec l’ensemble.

1 : Entraînement 2 : Embrayage de pontage du convertisseur 3 : Convertisseur de couple hydrodynamique

P = Pompe R = Réacteur T = Turbine

4 ,5 et 11 : Embrayages à disques, tournants 6, 7, 8 et 12 : Freins à disques, fixes

9 et 10 : Trains épicycloïdaux 13 : Sortie 14, 15, 16 et 17 : Roues libres

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Renvoi d’angle avec limiteur de couple.

Limiteur de couple à disques multiples de l’ouvre-portail du laboratoire. Fonctions du limiteur de couple : • Protéger le moteur (qui doit pouvoir tourner quelques

secondes de plus lorsque les vantaux arrivent en butée de fin de course après la fermeture ou l’ouverture),

• Protéger les utilisateurs (qui se trouveraient accidentellement bloqués par les vantaux).

Dans ces 2 cas de figures, le vantail est bloqué, le bras motorisé s’arrête, les disques glissent les uns sur les autres, l’arbre de sortie du réducteur poursuit sa rotation, et le moteur continue à tourner...

Limiteurs de couple réalisés avec des rondelles élastiques « Belleville ». Ces rondelles jouent le rôle d’un ressort.

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3) Les mécanismes à surface(s) de friction cylindrique(s). Frein à tambour pour véhicules automobiles. Ce frein à tambour se compose essentiellement : • d'une partie mobile liée à la roue constituée du :

- tambour 1,

• d'une partie liée à l’essieu constituée du : - flasque 2, - deux mâchoires 3 et 4, articulées en A et

B avec le support de roue 0, - dispositif de serrage (cylindre de roue 5)

écartant les mâchoires, sur lesquelles sont fixées les garnitures (pièces d'usure), et les pressant sur le tambour 1.

- un ou plusieurs ressorts de traction de 150 à 300N assurant le rappel des mâchoires

Avantages. Par l’attaque de la mâchoire à l’extrémité de son bras de levier, on multiplie la force de serrage ; on obtient ainsi une force de pression supérieure à la force de serrage. De plus, la force de friction produit un couple qui tend à pousser la mâchoire comprimée 4 dans l’arrondi du tambour, ce qui augmente encore l’effet de freinage. En revanche, le couple produit par la force de friction réduit la pression sur la mâchoire tirée. Le frein à tambour est logé à l’intérieur du disque de roue, à l’abri des impuretés. Un frein de stationnement à commande mécanique peut facilement y être installé. Inconvénients. La dimension des freins à tambour est limitée par la taille de la roue. Le renouvellement des garnitures prend plus de temps que sur le frein à disque. Les dispositifs de rattrapage automatique des jeux sont plus onéreux. L’évacuation des produits résultant de l’abrasion et de la chaleur se fait mal. Le frein à tambour présente donc une diminution de l’effet de freinage en cas d’échauffement très important. Le coefficient de frottement des garnitures et tambour diminue considérablement lorsque l’échauffement est important. Le tambour métallique se dilate beaucoup plus que la mâchoire avec sa garniture, de sorte que cette dernière porte mal, par suite de sa courbe plus serrée. Remarques. 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. La surface de freinage ne doit pas comporter de traces d’usinage ni de stries, car les garnitures seraient rapidement usées. Frein à sabots.

mvt 1/3

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4) Les mécanismes à surface(s) de friction conique(s). Poulie à embrayage centrifuge. Le plan ci-dessous représente un mécanisme de poulie centrifuge dans deux positons différentes. La demi-vue supérieure correspond à la position embrayée et la demi-vue inférieure à la position débrayée. Ce mécanisme permet donc un accouplement temporaire entre un arbre d’entraînement 19 et une poulie 6 à partir d’une certaine vitesse de rotation de 19. Entre l’arbre et la poulie est disposé un embrayage centrifuge constitué de deux cônes de friction et de 16 billes qui par effet centrifuge rapprochent les deux cônes.

Synchroniseur de boîte de vitesses à commande manuelle.

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Palan électrique (avec poulie frein conique et limiteur de couple cylindrique).

Constitution. • un moteur électrique constitué d’un stator (1) et d’un rotor (2) coniques, • un arbre moteur (3) coulissant dans les bagues intérieures des roulements, • un ressort (7), • une poulie de frein (4) de forme conique et un couvercle (5) recevant la garniture (32), • des cales de réglage de l’entrefer au repos (6a) et (6b), • un réducteur à train simple comprenant les engrenages (3-17) et (18-22), • un limiteur de couple (22), (20), (19), (31), • un arbre de sortie (21) muni de la noix d’entraînement (25) de la chaîne de levage (24).

Fonctionnement. Lorsque l’alimentation électrique est coupée, le ressort (7) exerce un effort axial sur l’arbre (3) qui provoque le serrage de la poulie de frein (4) contre la garniture (32). L’arbre moteur est alors freiné et immobilisé ainsi que la charge accrochée à la chaîne, (sécurité). Lorsque le stator est alimenté en courant électrique, le champ magnétique créé attire le rotor vers la droite, ce qui supprime le contact poulie (4) - garniture (32). Le mouvement de rotation de l’arbre moteur est alors possible.