L`embrayage à compensation automatique d`usure

L'embrayage à compensation automatique
d'usure - deuxième génération
Dipl.-Ing. Karl-Ludwig Kimmig
Introduction
Depuis le début de sa commercialisation, l'embrayage à compensation
automatique d'usure "SAC" a largement fait ses preuves sur près d'un
million de véhicules. Dans le cas des véhicules de forte puissance
notamment, on a pu ainsi améliorer sensiblement le confort de la
commande d'embrayage. De même, et c'était aussi notre objectif, nous
avons réussi à faire en sorte qu'un seul et même embrayage couvre la
durée de vie d'un véhicule.
Malgré le surcoût que représente le "SAC" en comparaison d'un
embrayage conventionnel, on a pu constater dans certains cas une
réduction du coût global du système d'embrayage (embrayage +
commande), ceci s'expliquant par:
•
la disparition du servoamplificateur.
•
les dimensions plus réduites de l'embrayage.
•
la diminution du nombre de modèles différents d'embrayages et de
systèmes de commande.
•
la disparition du ressort de compensation.
5
Les figures 1 et 2 donnent un aperçu général des applications actuelles du
système "SAC" et des développements escomptés jusqu'en l'an 2000.
nombre des applications
660
0
440
0
220
0
0
1998
1998
1996
1996
1994
2000
2000
année
Figure 1:
Développement du nombre des applications „SAC“
nombre des applications
20
10
0
200
215
230
240
260
300
330
taille de l’embrayage [mm]
Figure 2:
6
Répartition des projets „SAC“ en l’an 2000
350
400
Les observations effectuées jusqu'ici sur les systèmes installés en série
nous permettent de retenir les éléments suivants:
•
Le "SAC" présente une grande fonctionnalité et une grande fiabilité.
•
Malgré des contraintes importantes concernant certaines pièces telles
que les ressorts, l'anneau de compensation, le couvercle du
mécanisme d'embrayage et le segment de progressivité, malgré la
relative complexité d'une application en grande série, la fabrication du
système ne présente aucune difficulté.
•
L'utilisation du "SAC" a permis de réduire considérablement l'effort sur
la pédale, lequel est ainsi bien moindre que dans le cas d'un
embrayage conventionnel. Cela dit, il est encore possible, une fois les
phénomènes de dosage et d'excitation de broutement optimisés, de
réduire sensiblement cet effort sur les systèmes actuellement montés
en série.
Ces dernières années, on a imaginé comment il était possible d'améliorer
le système, pour ce qui concerne notamment l'effort sur la pédale et la
caractéristique de montée en couple au réembrayage. Il est en outre
possible à terme, tout en maintenant une même fonctionnalité, de réduire
considérablement les coûts de matériaux et de fabrication.
Les pages qui suivent présentent les différentes solutions proposées:
Principe de fonctionnement du système "SAC"
(Self Adjusting Clutch)
Sur les embrayages conventionnels, l'effort de commande augmente au fur
et à mesure de l'usure des garnitures. Dans le cas du système "SAC", cette
usure est compensée par un système de compensation d'usure, de telle
sorte que l'effort de commande reste constant.
Le système prévoit notamment, ce qui n'est pas le cas pour les
mécanismes d'embrayages conventionnels, une correction de la position
du diaphragme en cas d'usure (fig 3.). Celle-ci s'effectue de telle sorte que,
quelle que soit l'usure (des garnitures en particulier), la position angulaire
du diaphragme et ainsi l'effort de commande, de pression restent
constants. Cette compensation d'usure est possible si le diaphragme, au
lieu d'être riveté au couvercle du mécanisme ou fixé par des languettes de
maintient des joncs précontraintes comme dans le cas d'un plateau
d'embrayage conventionnel, est maintenu axialement contre le couvercle
par une force déterminée (effort capteur).
7
Entre le diaphragme et le couvercle se trouve un anneau à rampes, lequel
vient se loger dans les rampes du couvercles et se déplace
tangentiellement sous l'action de ressorts à pression.
embrayage conv.
SAC
ressorts à pression
joncs
anneau à
rampes
couvercle
capteur d’effort
butée de couvercle
Figure 3:
Comparatif embrayage conventionnel / „SAC“
L'effort capteur est déterminé de telle sorte qu'en situation normale il
s'oppose à l'effort de commande. Si, en cas d'usure des garnitures, l'effort
de commande augmente et ne peut plus être efficacement contré par
l'effort capteur au niveau du diaphragme principal, ce dernier s'écarte de
son appui sur le couvercle et se déplace axialement en direction du volant
moteur. Le jeu qui en résulte est rattrapé par le mécanisme à rampes
précontraint qui se trouve entre le diaphragme et le couvercle du
mécanisme. L'effet de compensation dure jusqu'à ce que l'effort de
commande retombe au niveau de l'effort capteur et que le diaphragme
retrouve sa position angulaire initiale.
Les figures 4a et 4b représentent schématiquement les forces s'appliquant
au diaphragme lors du processus de compensation d'usure.
8
MD
MD
F com
F com
Figure 4a: Embrayage conventionnel à l’état neuf et en cas d‘usure
MD
F Capteur
MD
F Capteur
F Capteur
F com
MD
F com
F com
Figure 4b: „SAC“ à l’état neuf et en cas d’usure avant et après
compensation
Sur la figure 4a, nous avons, pour simplifier, représenté le diaphragme d'un
embrayage conventionnel fixé au point de rotation. En raison de sa forme,
le diaphragme produit un couple, lequel est neutralisé par la rotation du
diaphragme répondant à l'effort de commande exercé sur les becs. L'usure
des garnitures entraîne une altération de la position angulaire du
diaphragme, ce qui implique, en raison de la courbe caractéristique du
diaphragme, une augmentation du couple engendré par le diaphragme et
donc de l'effort de commande.
Dans le cas du système "SAC", le diaphragme, au lieu d'être maintenu
fixement, est seulement maintenu axialement par l'effort capteur (fig. 4b). A
l'état neuf, l‘effort capteur et l‘effort de commande s'équilibrent. En cas
d'usure, l'effort de commande augmente et pousse le diaphragme vers la
gauche à l'opposé de l'effort capteur, de telle sorte que la cale
précontrainte par les ressorts sur le côté droit du diaphragme, ainsi
délestée, peut compenser la différence de jeu. Après quoi le diaphragme
retrouve sa position angulaire initiale, de même que l'équilibre entre l‘effort
capteur et l‘effort de commande soit rétabli.
9
Caractéristique d'effort de commande propre au
système "SAC"
Le système "SAC", tel qu'il est actuellement monté en série sur les
véhicules les plus variés, a permis de réduire considérablement l'effort à la
pédale et donc d'améliorer sensiblement le confort de la commande
d'embrayage.
Dans un premier temps, le profil de la courbe d'effort de commande propre
au "SAC" est moins intéressante que celle d'un embrayage conventionnel
car elle présente une différence plus importante entre son maximum et son
minimum (ensellement). Il est donc indispensable de procéder à une
modification du système de débrayage en fonction de cette courbe
particulière:
effort
usure
embrayage conv.
à neuf
max
SAC
min
course de commande
Figure 5:
Comparatif des caractéristiques d’effort de commande propre
embrayage conventionnel – „SAC“
Celle-ci est due à l'équilibre des forces s'exerçant sur le diaphragme. Si l'on
représente ce dernier en coupe (fig 6), on observe l'action contraire de
différents efforts, à savoir ceux du segment de progressivité (FP), des
languettes de rappel (FL), et du diaphragme-capteur (FC), d'une part, et
l'effort de commande d'autre part. La somme des efforts du segment, de la
languette et du capteur, appelée aussi effort capteur global, détermine le
niveau limite de l'effort de commande. Si lors du débrayage l'effort de
commande (Fcom), dépasse l'effort capteur global(FCtot), ce qui se produit
en cas d'usure, le diaphragme est écarté du couvercle du mécanisme
10
(anneau à rampes) et le mécanisme à rampes peut compenser la
différence de jeu.
F ctot
FL
FP
MD
points de compensation
effort
FC
usure
surcourse
F com
F com
course de commande
Figure 6:
Effort au diaphragme principal au „SAC“
La figure 6 montre clairement les deux points de la course de commande
où l'effort de commande peut dépasser l'effort capteur global. Dans le
premier cas, il s'agit du point de compensation d'usure. Ce point se trouve
dans la zone ou l'effort exercé par le segment de progressivité est proche
de zéro. C'est ici qu'intervient la compensation en cas d'usure. Le
deuxième point concerné, apparaissant lors du débrayage, se trouve dans
la zone de surcourse, au-delà du point de compensation d'usure, et
provoque un effet de compensation involontaire. Il faut donc veiller à
maintenir un écart suffisamment important entre la fin de course et ce point
de compensation involontaire. Il est indispensable pour cela de faire en
sorte que le minimum de la caractéristique de l'effort de commande soit
nettement inférieur à la caractéristique de l'effort capteur global et/ou que la
surcourse soit supprimée au moyen d'une butée sur le couvercle.
Dans le cas du système "SAC", nous sommes aujourd'hui en mesure
d'envisager deux techniques permettant d'intervenir plus facilement sur la
caractéristique de l'effort de commande, et donc de réduire encore cet
effort.
11
Adjonction d'un ressort (diaphragme) supplémentaire
Il est relativement facile d'obtenir une caractéristique de l'effort de
commande suffisamment plate en adjoignant au système un ressort à
caractéristique linéaire, lequel vient se river sur le couvercle du
mécanisme. Ce diaphragme agit sur la caractéristique de l'effort de
commande en réhaussant son niveau minimal, et produit ainsi une courbe
générale plus plate.
embrayé
débrayé
ressort
supplémentaire
Figure 7:
„SAC“ avec ressort (diaphragme) supplémentaire
Ainsi que le montre la figure 7, ce diaphragme agit directement sur la butée
et n'influe que la caractéristique de l'effort de commande, sans altérer les
caractéristiques des forces s'exerçant à l'intérieur du système
d'embrayage, si bien qu'il ne gêne en rien le mécanisme de compensation
du "SAC", lequel conserve toute son efficacité.
Le niveau maximal de la caractéristique de l'effort de commande, lequel est
lié au déplacement des becs du diaphragme en direction du volant moteur
au fur et à mesure de l'usure des garnitures, reste constant tant que cette
usure ne dépasse pas 1,5 mm environ. Dans le cas d'une usure plus
importante, 2,5 mm par exemple, on observe une légère augmentation de
la caractéristique de l'effort de commande, de l'ordre d'environ 10%.
12
usure
à neuf
effort
effort de
commande
ressort
supplémentaire
course de commande
Figure 8:
Caractéristiques d’efforts de commande propre avec ressort
(diaphragme) supplémentaire
On peut obtenir la même fonction sans adjonction de diaphragme
supplémentaire, en positionnant les becs du diaphragme plus bas. Ceux-ci,
lorsqu'on actionne le mécanisme, viennent alors s'appuyer sur la butée du
couvercle une fois que la caractéristique de l'effort de commande a atteint
son maximum; si l'effort est maintenu, ils se trouvent contraints par tension
élastique.
becs de diaphragme
positionnés plus bas
Figure 9:
ressort
suppémentaire
Comparatif du système „SAC“ avec des becs de diaphragme
positionnés plus bas et un diaphragme supplémentaire
13
Système "SAC" avec augmentation de l'effort capteur
lors de la course de débrayage
Par l'adjonction d'un diaphragme supplémentaire, on aplatit le profil général
de la caractéristique d'effort commande en réhaussant son niveau
minimum. Une meilleure solution consisterait cependant à abaisser le
niveau maximum et donc par là-même le niveau général de cette même
courbe.
Ceci est possible si, en modifiant l'équilibre des éléments ressorts en
présence, tels que le diaphragme principal, le diaphragme-capteur et les
languettes de rappel, on produit une augmentation de l'effort capteur global
au-delà du point de compensation d'usure, pendant la course de
débrayage.
F ctot
FL
FP
MD
FC
effort
points de compensation
usure
sur course
F com
FA
course de commande
Figure 10: Caractéristique d’effort de commande en cas d’augmentation et
de chute de la courbe d’effort capteur
La figure 10 montre l'effet ainsi produit: si l'on admet un équilibre des forces
s'exerçant sur le diaphragme, le niveau maximal de l'effort de commande, à
niveau minimal constant et pour une même sécurité de surcourse, se
trouve abaissé si l'effort capteur global augmente entre le point de
compensation d'usure et le point de compensation en surcourse. Sur les
systèmes "SAC" existants, la courbe d'effort capteur chute légèrement
entre ces deux points, du fait que les languettes de rappel se détendent
lorsqu'on allonge la course de commande (course butée).
14
Il est possible d'obtenir une augmentation de l'effort capteur dans cette
zone en remplaçant les languettes à courbe caractéristique à progression
linéaire par des ressorts à courbe caractéristique dégressive.
Les languettes ondulées produisent une caractéristique d'effort dégressive
si elles sont maintenues des deux côtés sur le couvercle du mécanisme et
sont repoussées au centre par le plateau. Il s'ensuit un effet ressort qui est
lui-même fonction de l'ondulation.
languette à
caractéristique
dégressive
effort
languette à
caracteristique
dégressive
languette à
caracteristique
linéaire
languette à
caracteristique
linéaire
levée du plateau
Figure 11: Languettes de rappel à caractéristique linéaire et dégressive
On obtient une augmentation plus importante de l'effort capteur lors de la
course de débrayage, si l’action du diaphragme-capteur à caractéristique
d'effort progressive s'exerce non plus au point de rotation du diaphragme
principal, mais sur un rayon plus petit et sur les becs du diaphragme
(fig 12).
15
Jusqu’à présent le ressort capteur agit sur le diaphragme principal, sur le
même diamètre que la rampe de compensation, c’est à dire au point
d’articulation du diaphragme. De cette manière l’effort d’appui du ressort
capteur reste constant tout au long de la course de manoeuvre du
mécanisme.
jusqu’à présent
F languettes
à neuf
F languettes
F capteur
F capteur
Figure 12: Augmentation de l’effort capteur sur le diaphragme capteur
Par rapport au système "SAC" tel qu'il existe actuellement, il est possible
de réduire encore de 20 à 30% l'effort de commande. L’ensellement
observé de la caractéristique de l'effort de commande (Drop off) peut être
rattrapée de moitié par la mise en place de languettes de rappel à
caractéristique d'effort dégressive, ce qui donne un profil similaire à celui
observé sur les embrayages conventionnels.
Les différentes solutions présentées jusqu'ici permettent de réduire encore
l'effort de commande, ce qui présente un avantage certain dans le cas de
moteurs à couple important ou de commandes d'embrayage assistées. Il
existe par ailleurs un nombre considérable d'applications possibles (petits
véhicules) pour lesquelles il n'est pas nécessaire, à l'état neuf, de réduire
plus encore l'effort de commande. Cela dit, le système "SAC" présente,
comparé aux embrayages conventionnels, d'autres avantages, valables
également pour ces applications et n'impliquant pas de surcoût important, à
savoir:
16
un effort de commande constant pendant toute la durée de vie du véhicule.
•
une réserve d'usure plus importante.
•
une réduction de l'encombrement axial dans la zone des becs du
diaphragme.
C'est pourquoi la réduction des coûts est un objectif prioritaire dans le
cadre des recherches liées au développement du système "SAC".
Réduction des coûts
La réalisation d'un système de compensation d'usure nécessite pour
l'essentiel un capteur d'usure et un mécanisme de compensation. Le
système "SAC" implique donc, en comparaison d'un embrayage traditonnel
de type standard, l'adjonction ou la modification d'un certain nombre
d'éléments:
capteur d’effort
anneau de
compensation
ressorts à
pression
Figure 13: Eléments supplémentaires pour un „SAC“
17
•
un diaphragme-capteur d'effort
•
un anneau de compensation d'usure
•
un couvercle de mécanisme à rampes
•
des ressorts à pression destinés à la rotation de l'anneau de
compensation
En outre, le montage du système "SAC" est plus complexe que celui d'un
embrayage conventionnel.
Nous avons essayé de réduire le nombre d'éléments supplémentaires et de
regrouper plusieurs fonctions sur certains éléments. Il en ressort deux
méthodes possibles:
Effort capteur généré par des languettes de rappel
disposées tangentiellement
L'effort capteur global tel qu'il s'exerce au premier point de compensation
d'usure et au second (pendant la surcourse) provient pour l'essentiel de
l'effort généré par le diaphragme-capteur et les languettes de rappel. Ces
deux efforts-ressort sont déterminés de telle sorte que la courbe de leur
somme est de profil constant pendant la course d'usure (p.ex. 2,5 mm).
Etant donné qu'en cas d'usure des garnitures la force exercée par les
languettes augmente en raison d'une plus forte tension, la caractéristique
d'effort du diaphragme-capteur chute nécessairement si la course d'usure
augmente. Le diaphragme-capteur doit donc présenter une courbe
caractéristique dégressive. Dans le processus de compensation d'usure,
l'effort capteur peut s'appliquer en tout point du diaphragme principal, si
bien que le diaphragme capteur peut être également remplacé par des
languettes de rappel supplémentaires à caractéristique dégressive (fig 14).
18
à neuf
usure
effort capteur
effort
languettes
supplémentaires
languettes à
caracteristique
dégressive
levée du plateau
Figure 14: Effort capteur généré par des languettes de rappel
Dans le cas de ce premier procédé, l'effort capteur s'applique au plateau
d'embrayage, ce qui réduit l'effort du diaphragme, lequel doit donc être
conçu en fonction de cette nouvelle donnée. L'embrayage à compensation
automatique d'usure a, en plus de la réduction des coûts, l'avantage d'une
réduction de l'encombrement axial en raison de la disparition du
diaphragme-capteur.
Effort capteur généré par le diaphragme principal
L'effort capteur recherché peut aussi être produit par des becs de
diaphragme de forme adéquate, permettant au diaphragme principal, dont
la caractéristique d'effort aura été déterminée (effort capteur), de prendre
appui sur le couvercle du mécanisme (fig 15).
Avec l'usure de l'embrayage, et donc l'augmentation de l'effort de
commande, le diaphragme va être écarté du couvercle, la compensation
d'usure s'effectuant alors entre le diaphragme et le couvercle.
Afin que cependant la précontrainte de ces languettes capteur reste
constante, il est nécessaire que l'appui sur le couvercle se fasse au moyen
d'une rampe, et que le diaphragme en cas d'usure opère une rotation en
direction du couvercle.
19
FL
FP
MD
FC
languettes capteur
F com
Figure 15: „SAC“ avec effort capteur généré par le diaphragme principal
Le couple nécessaire à la rotation du diaphragme principal est généré, au
moment où le mécanisme est actionné, par le déplacement radial des
languettes en épingles à cheveux sur la rampe du couvercle inclinée
tangentiellement.
Cette légère rotation du diaphragme en cas d'usure permet ici de faire
l'économie des ressorts à pression auxquels incombent normalement, dans
le système "SAC", l'effort de traction exercé sur l'anneau de compensation.
Ce dernier doit ainsi lors être solidaire du diaphragme, et n'opérer aucune
rotation.
Comparé à un embrayage conventionnel, le système "SAC II" requiert
uniquement, en plus d'un diaphragme de conception relativement
complexe, l'adjonction d'un anneau à rampes. En revanche, on fait
l'économie des boulons de fixation du diaphragme et des joncs
d'articulation.
20
languette capteur
couvercle
languettes
capteur
Figure 16: Glissement des languettes à épingles à cheveux sur les rampes
du couvercle
Etant donné d'une part que la chaîne cinématique subit des variations dans
la vitesse de rotation, étant donné surtout l'acyclisme du moteur, le
diaphragme est soumis à des variations de couples, lesquelles peuvent
entraîner dans le cas du système "SAC" une perturbation involontaire du
réglage initial. C'est pourquoi le système "SAC II" convient surtout aux
petits embrayages, pour lesquels le moment d'inertie du diaphragme peut
rester relativement faible.
Résumé
L'embrayage à compensation automatique d'usure "SAC" a trouvé
aujourd'hui sa place sur nombre de moteurs à couple puissant utilisant des
embrayages de 215 à 300 mm. Notre propos n'était pas tant
de présenter le principe de son fonctionnement que de faire valoir les
possibilités de développement du système.
Notre objectif est double:
1) abaisser davantage, et donc optimiser le profil de la courbe de l'effort
de commande
2) réduire les coûts de fabrication.
21
Les développements envisagés présentent les possibilités et avantages
suivants:
Système "SAC" avec ressort supplémentaire
•
optimisation du profil de la caractéristique de l'effort de commande
Système "SAC" à effort capteur progressif
•
diminution de l'effort de commande
•
optimisation du profil de la caractéristique de l'effort de commande
Système "SAC" à effort capteur généré par les languettes de rappel
•
réduction des coûts de fabrication
Système "SAC" à effort capteur généré par le diaphragme principal
•
réduction des coûts de fabrication
Le système "SAC" présente encore un important potentiel de
développement et les véhicules de moindre puissance pourront également
profiter de ses avantages.
Documentation
[1]
Publication DE 195 10 905
[2]
Brevet US 54 50 943
[3]
Présentation SAE 1992 "Luk Self-Adjusting Clutch"
[4]
Colloque LUK 1994
[5]
Albers, A.: Embrayage à compensation automatique d'usure (SAC) et volant bi-masse
(ZMS) pour l'amélioration du confort de la chaîne cinématique
[6]
Publication DE 43 22 677
[7]
Publication DE 43 06 505
[8]
Publication DE 44 18 026
[9]
de Briel, SAE 960981: Self-Adjusting Technology in a Clutch
[10] Publication DE 42 39 289
[11] VDI N° 1323, Mars 1997: Selbsteinstellende Kupplungen für Kraftfahrzeuge
22