Etude des relations entre le comportement et la...

N dordre: 04 ISAL 0017 Anne 2004

Thse

Etude des relations entre le comportement et la fabrication des synchronisateurs des botes

de vitesses manuelles

prsente devant LInstitut National des Sciences Appliques de Lyon

pour obtenir

le grade de docteur

Ecole doctorale : Mcanique, Energetique, Gnie Civil, Acoustique (MEGA)

Spcialit : Mcanique

par Lszl LOVAS

Soutenue le 22 mars 2004 devant la Commission dexamen

Jury

DBRCZNI dm Professeur, Universit de Miskolc Invit ELED Andrs Professeur, USTE-Budapest Invit GOGU Grigore Professeur, IFMA Rapporteur MRIALIGETI Jnos Professeur, USTE-Budapest Co-directeur PLAY Daniel Professeur, INSA-Lyon Directeur associ RIGAL Jean-Franois Professeur, INSA-Lyon Co-directeur SARTOR Marc Professeur, INSA-Toulouse Rapporteur Laboratoires de recherche: INSA-Lyon: Laboratoire de Mcanique des Contacts et des Solides USTE-Budapest: Dpartement des Elments et des Transmissions de Vhicules

INSA DE LYON DEPARTEMENT DES ETUDES DOCTORALE Septembre 2003

Ecoles Doctorales et Diplmes dEtudes Approfondies

habilits pour la priode 1999-2003

ECOLES DOCTORALES

n code national

RESPONSABLE

PRINCIPAL

CORRESPONDANT

INSA

DEA INSA

n code national

RESPONSABLE

DEA INSA

CHIMIE DE LYON

(Chimie, Procds, Environnement)

EDA206

M. D. SINOU UCBL1 04.72.44.62.63 Sec 04.72.44.62.64 Fax 04.72.44.81.60

M. R. GOURDON 87.53 Sec 84.30 Fax 87.17

Chimie Inorganique 910643

Sciences et Stratgies Analytiques 910634

Sciences et Techniques du Dchet 910675

M. R. GOURDON Tl 87.53 Fax 87.17

ECONOMIE, ESPACE ET

MODELISATION DES COMPORTEMENTS

(E2MC)

EDA417

M.A. BONNAFOUS LYON 2 04.72.72.64.38 Sec 04.72.72.64.03 Fax 04.72.72.64.48

Mme M. ZIMMERMANN 60.91 Fax 87.96

Villes et Socits 911218

Dimensions Cognitives et Modlisation

992678

Mme M. ZIMMERMANN Tl 60.91 Fax 87.96 M. L. FRECON Tl 82.39 Fax 85.18

ELECTRONIQUE,

ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE

(E.E.A.)

EDA160

M. D. BARBIER INSA DE LYON 85.47 Fax 60.82

Automatique Industrielle 910676

Dispositifs de lElectronique Intgre 910696

Gnie Electrique de Lyon 910065

Images et Systmes 992254

M. M. BETEMPS Tl 85.59 Fax 85.35 M. D. BARBIER Tl 85.47 Fax 60.82 M. J.P. CHANTE Tl 87.26 Fax 85.30 Mme I. MAGNIN Tl 85.63 Fax 85.26

EVOLUTION,

ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE ,

MODELISATION

(E2M2)

EDA403

M. J.P FLANDROIS UCBL1 04.78.86.31.50 Sec 04.78.86.31.52 Fax 04.78.86.31.49

M. S. GRENIER 79.88 Fax 85.34

Analyse et Modlisation des Systmes Biologiques 910509

M. S. GRENIER Tl 79.88 Fax 85.34

INFORMATIQUE ET

INFORMATION POUR LA SOCIETE

(EDIIS)

EDA 407

M. L. BRUNIE INSA DE LYON 87.59 Fax 80.97

Documents Multimdia, Images et Systmes dInformation Communicants

992774 Extraction des Connaissances partir des Donnes

992099

Informatique et Systmes Coopratifs pour lEntreprise 950131

M. A. FLORY Tl 84.66 Fax 85.97 M. J.F. BOULICAUT Tl 89.05 Fax 87.13 M. A. GUINET Tl 85.94 Fax 85.38

INTERDISCIPLINAIRE

SCIENCES-SANTE

(EDISS)

EDA205

M. A.J. COZZONE UCBL1 04.72.72.26.72 Sec 04.72.72.26.75 Fax 04.72.72.26.01

M. M. LAGARDE 82.40 Fax 85.24

Biochimie 930032

M. M. LAGARDE Tl 82.40 Fax 85.24

MATERIAUX DE LYON

UNIVERSITE LYON 1

EDA 034

M. J. JOSEPH ECL 04.72.18.62.44 Sec 04.72.18.62.51 Fax 04.72.18.60.90

M. J.M. PELLETIER 83.18 Fax 85.28

Gnie des Matriaux : Microstructure, Comportement Mcanique, Durabilit

910527 Matriaux Polymres et Composites

910607 Matire Condense, Surfaces et Interfaces

910577

M. J.M.PELLETIER Tl 83.18 Fax 85.28 M. H. SAUTEREAU Tl 81.78 Fax 85.27 M. G. GUILLOT Tl 81.61 Fax 85.31

MATHEMATIQUES ET

INFORMATIQUE FONDAMENTALE

(Math IF)

EDA 409

M. F. WAGNER UCBL1 04.72.43.27.86 Fax 04.72.43.00.35

M. J. POUSIN 88.36 Fax 85.29

Analyse Numrique, Equations aux drives partielles et Calcul Scientifique

910281

M. G. BAYADA Tl 83.12 Fax 85.29

MECANIQUE,

ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE

(MEGA)

EDA162

M. F. SIDOROFF ECL 04.72.18.61.56 Sec 04.72.18.61.60 Fax 04.78.64.71.45

M. G.DALMAZ 83.03 Fax 04.72.89.09.80

Acoustique 910016

Gnie Civil 992610

Gnie Mcanique 992111

Thermique et Energtique

910018

M. J.L. GUYADER Tl 80.80 Fax 87.12 M. J.J.ROUX Tl 84.60 Fax 85.22 M. G. DALMAZ Tl 83.03 Fax 04.78.89.09.80 M. J. F. SACADURA Tl 81.53 Fax 88.11

En gris : Les Ecoles doctorales et DEA dont lINSA est tablissement principal

Novembre 2003

INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON Directeur : STORCK A. Professeurs : AMGHAR Y. LIRIS AUDISIO S. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE BABOT D. CONT. NON DESTR. PAR RAYONNEMENTS IONISANTS BABOUX J.C. GEMPPM*** BALLAND B. PHYSIQUE DE LA MATIERE BAPTISTE P. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS BARBIER D. PHYSIQUE DE LA MATIERE BASKURT A. LIRIS BASTIDE J.P. LAEPSI**** BAYADA G. MECANIQUE DES CONTACTS BENADDA B. LAEPSI**** BETEMPS M. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE BIENNIER F. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS BLANCHARD J.M. LAEPSI**** BOISSE P. LAMCOS BOISSON C. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE BOIVIN M. (Prof. mrite) MECANIQUE DES SOLIDES BOTTA H. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Dveloppement Urbain BOTTA-ZIMMERMANN M. (Mme) UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Dveloppement Urbain BOULAYE G. (Prof. mrite) INFORMATIQUE BOYER J.C. MECANIQUE DES SOLIDES BRAU J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Thermique du btiment BREMOND G. PHYSIQUE DE LA MATIERE BRISSAUD M. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE BRUNET M. MECANIQUE DES SOLIDES BRUNIE L. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION BUFFIERE J-Y. GEMPPM*** BUREAU J.C. CEGELY* CAMPAGNE J-P. PRISMA CAVAILLE J.Y. GEMPPM*** CHAMPAGNE J-Y. LMFA CHANTE J.P. CEGELY*- Composants de puissance et applications CHOCAT B. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine COMBESCURE A. MECANIQUE DES CONTACTS COURBON GEMPPM COUSIN M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures DAUMAS F. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et Thermique DJERAN-MAIGRE I. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL DOUTHEAU A. CHIMIE ORGANIQUE DUBUY-MASSARD N. ESCHIL DUFOUR R. MECANIQUE DES STRUCTURES DUPUY J.C. PHYSIQUE DE LA MATIERE EMPTOZ H. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION ESNOUF C. GEMPPM*** EYRAUD L. (Prof. mrite) GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE FANTOZZI G. GEMPPM*** FAVREL J. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS FAYARD J.M. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS FAYET M. MECANIQUE DES SOLIDES FAZEKAS A. GEMPPM FERRARIS-BESSO G. MECANIQUE DES STRUCTURES FLAMAND L. MECANIQUE DES CONTACTS FLEURY E. CITI FLORY A. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATIONS FOUGERES R. GEMPPM*** FOUQUET F. GEMPPM*** FRECON L. REGROUPEMENT DES ENSEIGNANTS CHERCHEURS ISOLES GERARD J.F. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES GERMAIN P. LAEPSI**** GIMENEZ G. CREATIS** GOBIN P.F. (Prof. mrite) GEMPPM*** GONNARD P. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GONTRAND M. PHYSIQUE DE LA MATIERE GOUTTE R. (Prof. mrite) CREATIS** GOUJON L. GEMPPM*** GOURDON R. LAEPSI****. GRANGE G. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE GUENIN G. GEMPPM*** GUICHARDANT M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE GUILLOT G. PHYSIQUE DE LA MATIERE

GUINET A. PRODUCTIQUE ET INFORMATIQUE DES SYSTEMES MANUFACTURIERS GUYADER J.L. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE GUYOMAR D. GENIE ELECTRIQUE ET FERROELECTRICITE HEIBIG A. MATHEMATIQUE APPLIQUEES DE LYON JACQUET-RICHARDET G. MECANIQUE DES STRUCTURES JAYET Y. GEMPPM*** JOLION J.M. RECONNAISSANCE DE FORMES ET VISION JULLIEN J.F. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures JUTARD A. (Prof. mrite) AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE KASTNER R. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Gotechnique KOULOUMDJIAN J. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION LAGARDE M. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE LALANNE M. (Prof. mrite) MECANIQUE DES STRUCTURES LALLEMAND A. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et thermique LALLEMAND M. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Energtique et thermique LAUGIER A. PHYSIQUE DE LA MATIERE LAUGIER C. BIOCHIMIE ET PHARMACOLOGIE LAURINI R. INFORMATIQUE EN IMAGE ET SYSTEMES DINFORMATION LEJEUNE P. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE LUBRECHT A. MECANIQUE DES CONTACTS MASSARD N. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITE MAZILLE H. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE MERLE P. GEMPPM*** MERLIN J. GEMPPM*** MIGNOTTE A. (Mle) INGENIERIE, INFORMATIQUE INDUSTRIELLE MILLET J.P. PHYSICOCHIMIE INDUSTRIELLE MIRAMOND M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Hydrologie urbaine MOREL R. MECANIQUE DES FLUIDES ET DACOUSTIQUES MOSZKOWICZ P. LAEPSI**** NARDON P. (Prof. mrite) BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS NELIAS D. LAMCOS NIEL E. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE NORMAND B. GEMPPM NORTIER P. DREP ODET C. CREATIS** OTTERBEIN M. (Prof. mrite) LAEPSI**** PARIZET E. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE PASCAULT J.P. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES PAVIC G. VIBRATIONS-ACOUSTIQUE PECORARO S. GEMPPM*** PELLETIER J.M. GEMPPM*** PERA J. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Matriaux PERRIAT P. GEMPPM*** PERRIN J. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITE PINARD P. (Prof. mrite) PHYSIQUE DE LA MATIERE PINON J.M. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION PLAY D. MECANIQUE PONCET A. PHYSIQUE DE LA MATIERE POUSIN J. MODELISATION MATHEMATIQUE ET CALCUL SCIENTIFIQUE PREVOT P. INTERACTION COLLABORATIVE TELEFORMATION TELEACTIVITE PROST R. CREATIS** RAYNAUD M. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matriaux REDARCE H. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE RETIF J-M. CEGELY* REYNOUARD J.M. UNITE DE RECHERCHE EN GENIE CIVIL - Structures RICHARD C. LGEF RIGAL J.F. MECANIQUE DES SOLIDES RIEUTORD E. (Prof. mrite) MECANIQUE DES FLUIDES ROBERT-BAUDOUY J. (Mme) (Prof. mrite) GENETIQUE MOLECULAIRE DES MICROORGANISMES ROUBY D. GEMPPM*** ROUX J.J. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON Thermique de lHabitat RUBEL P. INGENIERIE DES SYSTEMES DINFORMATION SACADURA J.F. CENTRE DE THERMIQUE DE LYON - Transferts Interfaces et Matriaux SAUTEREAU H. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES SCAVARDA S. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE SOUIFI A. PHYSIQUE DE LA MATIERE SOUROUILLE J.L. INGENIERIE INFORMATIQUE INDUSTRIELLE THOMASSET D. AUTOMATIQUE INDUSTRIELLE THUDEROZ C. ESCHIL Equipe Sciences Humaines de lInsa de Lyon UBEDA S. CENTRE DINNOV. EN TELECOM ET INTEGRATION DE SERVICES VELEX P. MECANIQUE DES CONTACTS VERMANDE P. (Prof mrite) LAEPSI VIGIER G. GEMPPM*** VINCENT A. GEMPPM*** VRAY D. CREATIS** VUILLERMOZ P.L. (Prof. mrite) PHYSIQUE DE LA MATIERE Directeurs de recherche C.N.R.S. :

BERTHIER Y. MECANIQUE DES CONTACTS CONDEMINE G. UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE COTTE-PATAT N. (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE ESCUDIE D. (Mme) CENTRE DE THERMIQUE DE LYON FRANCIOSI P. GEMPPM*** MANDRAND M.A. (Mme) UNITE MICROBIOLOGIE ET GENETIQUE POUSIN G. BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE ROCHE A. INGENIERIE DES MATERIAUX POLYMERES SEGUELA A. GEMPPM*** VERGNE P. LAMCOS Directeurs de recherche I.N.R.A. : FEBVAY G. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS GRENIER S. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS RAHBE Y. BIOLOGIE FONCTIONNELLE, INSECTES ET INTERACTIONS Directeurs de recherche I.N.S.E.R.M. : KOBAYASHI T. PLM PRIGENT A.F. (Mme) BIOLOGIE ET PHARMACOLOGIE MAGNIN I. (Mme) CREATIS** * CEGELY CENTRE DE GENIE ELECTRIQUE DE LYON ** CREATIS CENTRE DE RECHERCHE ET DAPPLICATIONS EN TRAITEMENT DE LIMAGE ET DU SIGNAL ***GEMPPM GROUPE D'ETUDE METALLURGIE PHYSIQUE ET PHYSIQUE DES MATERIAUX ****LAEPSI LABORATOIRE DANALYSE ENVIRONNEMENTALE DES PROCEDES ET SYSTEMES INDUSTRIELS

Etude des relations entre le comportement et la fabrication des

synchronisateurs des botes de vitesse manuelles

Rsum

Les synchronisateurs assurent le changement de vitesses dans les botes de vitesses

manuelles. Leur structure, leur fonctionnement, et des problmes de fonctionnement sont

prsents travers le synchronisateur de type Borg-Warner. Des modles mathmatiques des

phnomnes applicables la description du fonctionnement sont recueillis, puis incorpors

dans un logiciel de simulation numrique. Les rsultats de la simulation, confronts aux

rsultats de mesures sur banc dessais de fonctionnement de synchronisateur, permettent

dexpliquer les origines de la deuxime bosse deffort de changement, phnomne cl pour

lagrment de passage de vitesses. De mme, les simulations mettent en relief le rle du

comportement dynamique du synchronisateur. Le stick-slip, facteur dexcitation interne, a un

effet dcisif sur la dfinition de linstant de la fin de linterdiction de passage. La discussion

des rsultats permet de proposer des amliorations dintrt pratique.

Mots cls:

Automobile, bote de vitesses, synchronisation, simulation numrique, stick-slip

Study of the relations between behaviour and fabrication of

manual gearbox synchronizers

Abstract

Synchronizers allow gear changing in manual gearboxes. Their structure, their

behaviour as well as problems of behaviour are presented using the Borg-Warner type

synchroniser. Mathematical models of phenomena which can be used for description of the

behaviour are collected, and then included in numerical simulation software. Simulation

results, compared to measured data on synchronizer test rig, allow explaining reasons of the

double bump, key phenomenon for the feel of gear changing. Then, simulations highlight the

importance of the dynamical behaviour of the synchronizer. Stick-slip, as a main component

of the internal excitation, determines the moment of the end of the indexing phase. Discussion

of the results permits to suggest improvements of practical use.

Keywords:

Car, gearbox, synchronisation, numerical simulation, stick-slip

REMERCIEMENTS

Ce travail a t ralis dans le cadre dune thse en cotutelle entre lInstitut National

des Sciences Appliques de Lyon et lUniversit des Sciences Techniques et Economiques de

Budapest, Hongrie. Les laboratoires daccueil des deux institutions sont le Laboratoire de

Mcanique des Contacts et des Solides de lINSA-Lyon et le Dpartement des Elments et de

Transmissions de Vhicule de lUSTE-Budapest.

Je tiens tout dabord remercier trs chaleureusement Messieurs les Professeurs Jean-

Franois RIGAL et MRIALIGETI Jnos pour mavoir accueilli au sein de leurs quipes

respectives et davoir accept dassumer la co-direction de ce travail de recherche. Je tiens

galement remercier Monsieur le Professeur Daniel PLAY pour avoir suivi de prs le

droulement des trois annes de recherche, ainsi que pour avoir accept dtre membre du

jury.

Je suis profondment reconnaissant Messieurs les Professeurs Grigore GOGU de

lInstitut Franais de Mcanique Applique, et Marc SARTOR de lINSA de Toulouse pour

avoir accept dtre les rapporteurs de ce travail et de faire partie du jury.

Je remercie trs sincrement Messieurs les Professeurs DBRCZNI dm de

lUniversit de Miskolc, Hongrie, et ELED Andrs de lUSTE-Budapest davoir accept

dtre membres du jury.

Je tiens remercier Messieurs les Professeurs Robert PROGRI, Ren GRAS et Jean

BLOUT de lISMCM pour leurs prcieux conseils qui ont largement facilit la

comprhension du sujet.

Je voudrais remercier Monsieur le Professeur Daniel NELIAS, Messieurs les Matres

de Confrence Michel LARACINE, Tarek MABROUKI, et Michel QUERRY ainsi que

Monsieur Laurent DESHAYES, PhD pour leur disponibilit, et leur soutien scientifique et

moral durant les annes de recherche.

Enfin, je remercie galement la Socit FEDERAL MOGUL Sintered Products pour

les discussions que jai pu avoir au dbut de ce travail de recherche et pour mavoir donn

accs des rsultats dessais.

Csaldomnak

A ma famille

I

TABLE DES MATIRES

INTRODUCTION GNRALE

INTRODUCTION GNRALE ......................................................................................................................... 1

CHAPITRE I: INTRODUCTION

I-1. PROBLMATIQUE...................................................................................................................................... 3

I-2. DESCRIPTION ET NECESSIT DES SYNCHRONISATEURS.......................................................... 12

I-2-1. GNRALITS ................................................................................................................................ 12 I-2-2. DESCRIPTION D'UN SYNCHRONISATEUR SIMPLE CNE .................................................................... 14

I-3. FONCTIONNEMENT DES SYNCHRONISATEURS ............................................................................ 23

I-3-1. POINT MORT................................................................................................................................... 24 I-3-2. ARMEMENT.................................................................................................................................... 25 I-3-3. SYNCHRONISATION ........................................................................................................................ 27 I-3-4. DVIRAGE DE LA BAGUE ................................................................................................................ 34 I-3-5. VOL LIBRE ..................................................................................................................................... 37 I-3-6. APPROCHE DE LA ROUE.................................................................................................................. 38 I-3-7. MONTE DE LA DUXIME BOSSE SUR LE DIAGRAMME D'EFFORTS ................................................. 39 I-3-8. DVIRAGE DE LA ROUE .................................................................................................................. 42 I-3-9. VOL LIBRE FINAL ........................................................................................................................... 44 I-3-10. CONCLUSION DE LA DESCRIPTION DES SYNCHRONISATEURS ........................................................ 46

I-4. LA PERCEPTION DU CHANGEMENT DE VITESSES ....................................................................... 47

I-4-1. LA QUALIT DE LA PERCEPTION ET SES INDICATEURS..................................................................... 47 I-4-2. ERREURS FRQUENTES DE CHANGEMENT DE VITESSES................................................................... 53

I-5. CONCLUSION............................................................................................................................................. 59

CHAPITRE II: MODLISATION DU COMPORTEMENT

II-1. INTRODUCTION ...................................................................................................................................... 60

II-2. MODLE RELIANT LA QUALIT PERUE DE CHANGEMENT DE VITESSES AUX CARACTRISTIQUES MCANIQUES......................................................................................................... 62

II-3. MODLE POUR CALCULER LE TEMPS DE SYNCHRONISATION ET L'ANGLE DU CHANFREIN D'INTERDICTION ................................................................................................................... 63

II-4. MODLE DU PROCESSUS DE SYNCHRONISATION ...................................................................... 66

II-4-1. CALCUL DE LA PRIODE DU FROTTEMENT VISQUEUX.................................................................... 66

II

II-4-1-1. Cas des stries circonfrencielles ........................................................................................... 68 II-4-1-2. Cas des stries radiales........................................................................................................... 70 II-4-1-3. L'influence de la pression sur la viscosit en priode du frottement visqueux...................... 72

II-4-2. CALCUL DE LA PRIODE DU FROTTEMENT MIXTE .......................................................................... 73 II-4-3. CALCUL DE LA PRIODE DU FROTTEMENT MIXTE EN INCORPORANT L'EFFET DE LA VARIATION DE LA TEMPRATURE ............................................................................................................. 76 II-4-4. CALCUL DE LA PRIODE DE FROTTEMENT SOLIDE ......................................................................... 77

II-5. MODLE DU PROCESSUS DE DVIRAGE ET DE LA DEUXIEME BOSSE ................................ 78

II-5-1. MODLE DU PROCESSUS DE DVIRAGE DE LA BAGUE DE SYNCHRONISATEUR ............................... 78 II-5-1-1. Le dbut du dvirage de la bague de synchronisateur .......................................................... 79 II-5-1-2. La fin du dvirage de la bague de synchronisateur............................................................... 80

II-5-2. LE VOL LIBRE ................................................................................................................................ 80 II-5-3. LA PHASE DE DEUXIME BOSSE..................................................................................................... 80 II-5-4. VARIATION DE LA VITESSE AXIALE DURANT LA MONTE DE LA DEUXIME BOSSE ........................ 84 II-5-3. MODL DU DVIRAGE DE LA ROUE.............................................................................................. 88

II-6. MODLE DE LCHAUFFEMENT LORS DE LA SYNCHRONISATION...................................... 91

II-7. MODLES DE PERTE DANS LES SYNCHRONISATEURS ............................................................. 93

II-5-1. PERTE PAR BARBOTAGE................................................................................................................ 93 II-5-2. PERTES DANS LES PALIERS, BUTES AXIALES ET DANS LE JOINT SPI .............................................. 95

II-8. MODLE DU STICK-SLIP DURANT LE CHANGEMENT DE VITESSES..................................... 96

II-8-1. DESCRIPTION DU GLISSEMENT AVEC OSCILLATION ....................................................................... 92 II-8-2. DESCRIPTION DE LOSCILLATION STICK-SLIP ................................................................................ 94

II-8-2-1. Phase glissement ................................................................................................................... 94 II-8-2-2. Calcul de la dure limite de glissement pour le stip-slick ..................................................... 95 II-8-2-3. Calcul de la priode et des amplitudes.................................................................................. 96

II-9. CONCLUSION ........................................................................................................................................... 98

CHAPITRE III: OUTIL DE SIMULATION NUMRIQUE ET VALIDATION EXPRIMENTALE

III-1. SIMULATION NUMRIQUE ................................................................................................................ 99

III-1-1. INTRODUCTION............................................................................................................................ 99 III-1-2. MODLE NUMRIQUE ................................................................................................................ 101 III-1-3. LOGICIEL DE SIMULATION ......................................................................................................... 102

III-2. VALIDATION EXPRIMENTALE PARTIR DES MESURES FAITES SUR UN BANC DESSAIS .............................................................................................................................................. 117

III-2-1. INTRODUCTION.......................................................................................................................... 117 III-2-2. CONDITIONS GNRALES POUR LEXPLOITATION DES RSULTATS ............................................. 117 III-2-3. MESURES AU BANC DESSAIS BFS............................................................................................. 120

III-2-3-1. Description du banc dessais de synchronisateur BFS ...................................................... 120 III-2-3-2. La procdure de mesure sur banc dessais BFS ................................................................ 121 III-2-3-3. Etude dun paire de courbes issue des mesurs au banc BFS ........................................... 123

III-2-3-3-1. Phase de la loi de commande 1 ......................................................................................................123 III-2-3-3-2. Phase de la loi de commande 2 ......................................................................................................124 III-2-3-3-3. Phase de la loi de commande 3 ......................................................................................................127

III-2-4. OBSERVATIONS EXPERIMENTALES ............................................................................................ 128 III-2-4-1. Signes de lapparition de la deuxime bosse ..................................................................... 128 III-2-4-2. Facteurs en rapport avec la 2e bosse ................................................................................. 131 III-2-4-3. Synchronisations successives ............................................................................................. 133

III

III-2-4-4. Phnomne prouvant leffet alatoire de la position relative des griffes de la bague et de la roue............................................................................................................................. 134

III-3. CONCLUSION........................................................................................................................................ 135

CHAPITRE IV: CONFRONTATION DES RESULTATS DES MESURES ET DE SIMULATION NUMRIQUE, TUDE DES RSULTATS

IV-1. VALIDATION DU LOGICIEL AVEC DES RESULTATS ISSUS DE LA LITTERATURE................................................................................................................................................ 136

IV-1-1. COMPARAISON DES COURBES MESURES ET SIMULES.............................................................. 136 IV-1-2. EFFET DES GORGES.................................................................................................................... 137

IV-2. LE PROBLME DE LA DEUXIEME BOSSE.................................................................................... 139

IV-2-1. LE PHENOMENE DE BASE: LECHAUFFEMENT ............................................................................ 139 IV-2-2. LINFLUENCE DE LRREUR DANGLE DE CNICIT ............................................................. 141 IV-2-3. LINFLUENCE DE LA DIFFRENCE ENTRE LE COEFFICIENT DE FROTTEMENT DYNAMIQUE ET STATIQUE .......................................................................................................................................... 143 IV-2-4. LINFLUENCE DES PERTES SUR BFS .......................................................................................... 143 IV-2-5. LINFLUENCE DES MATERIAUX.................................................................................................. 144 IV-2-6. LINFLUENCE DE LA COUCHE DE MOLYBDENE........................................................................... 144 IV-2-7. LINFLUENCE DE LANGLE DE CHANFREIN DES GRIFFES DE LA ROUE ......................................... 145

IV-3. APPLICATION DE LA SIMULATION AUX VALEURS MESURES SUR BFS......................... 145

IV-4. ETUDE DE LA MONTE DE LA DEUXIME BOSSE.................................................................... 148

IV-5. ETUDE DU DVIRAGE DE LA ROUE .............................................................................................. 151

IV-6. EFFET DES EXCITATIONS INTERNES. RLE DU STICK-SLIP ............................................... 154

IV-6-1. LE DBUT DE LA SYNCHRONISATION ......................................................................................... 156 IV-6-2. LA SYNCHRONISATION .............................................................................................................. 157 IV-6-3. LE DVIRAGE DE LA BAGUE....................................................................................................... 161 IV-6-4. MONTE DE LA DEUXIME BOSSE.............................................................................................. 162 IV-6-5. DVIRAGE DE LA ROUE ............................................................................................................. 163 IV-6-6. RCAPITULATION DU STICK-SLIP............................................................................................... 167

IV-7. CONCLUSION........................................................................................................................................ 167

CONCLUSION GNRALE, AMLIORATIONS POSSIBLES

CONCLUSION GNRALE, AMLIORATIONS POSSIBLES............................................................... 170

BIBLIOGRAPHIE

BIBLIOGRAPHIE............................................................................................................................................ 174

IV

ANNEXE 1: TUDE DE LEFFET DE LARCHITECTURE DE LA BOTE SUR LE CHANGEMENT DE VITESSES

A1. TUDE DE LEFFET DE LARCHITECTURE DE LA BOTE SUR LE CHANGEMENT DE VITESSES ................................................................................................................................................... 178

A1-1. PROBLMATIQUE DE LA MARCHE ARRIRE .................................................................................. 178 A1-2. EQUATIONS POUR LE CALCUL DES RSISTANCES.......................................................................... 179 A1-3. NOMENCLATURE DES PAIRES DENGRENAGES.............................................................................. 180 A1-4. BOTES DEUX ARBRES............................................................................................................... 182

A1-4-1. Botes 4 vitesses.................................................................................................................. 182 A1-4-2. Botes 5 ou 6 vitesses.......................................................................................................... 188

A1-5. BOTES PRISE DIRECTE .............................................................................................................. 208 A1-5-1. Botes 4 vitesses.................................................................................................................. 208 A1-5-2. Botes 5 ou 6 vitesses.......................................................................................................... 211

ANNEXE 2: SOLLICITATIONS DES SYNCHRONISATEURS

A2. SOLLICITATIONS DES SYNCHRONISATEURS............................................................................... 221

A2-1. LE MOYEU.................................................................................................................................... 221 A2-1-1. Efforts extrieurs sur le moyeu.............................................................................................. 224

A2-2. LE BALADEUR.............................................................................................................................. 225 A2-2-1. Efforts extrieurs sur le baladeur.......................................................................................... 228

A2-3. LE MCANISME DE VERROUILLAGE.............................................................................................. 229 A2-3-1. Efforts extrieurs sur le doigt................................................................................................ 230 A2-3-2. Efforts extrieurs sur la bille................................................................................................. 230 A2-3-3. Efforts extrieurs sur le ressort............................................................................................. 231

A2-4. LA BAGUE DE SYNCHRONISATEUR ............................................................................................... 232 A2-4-1. Efforts extrieurs sur la bague.............................................................................................. 235

A2-5. LE CNE RECEPTEUR.................................................................................................................... 235 A2-5-1. Efforts extrieurs sur la roue ................................................................................................ 238

A2-6. LA FOURCHETTE .......................................................................................................................... 238 A2-6-1. Efforts extrieurs sur la fourchette........................................................................................ 240

A2-7. CINMATIQUE ET LIAISONS .......................................................................................................... 242 A2-7-1. Cannelures ............................................................................................................................ 242 A2-7-2. Glissire ................................................................................................................................ 243

A2-7-2-1. Glissire avec contact plan sur plan..................................................................................................243 A2-7-2-2. Glissire avec contact bille sur plan .................................................................................................244 A2-7-2-1. Glissire avec contact cylindre sur cylindre .....................................................................................244

A2-7-3. Surfaces coniques.................................................................................................................. 245 A2-7-4. Liaison lastique ................................................................................................................... 245

ANNEXE 3: CALCUL DE LA PRIODE DU FROTTEMENT VISQUEUX

A3. CALCUL DE LA PRIODE DU FROTTEMENT VISQUEUX........................................................... 248

ANNEXE 4: MODLE DU STICK-SLIP

A4. MODLE DU STICK-SLIP...................................................................................................................... 254

A4-1. DESCRIPTION DU GLISSEMENT AVEC OSCILLATION ...................................................................... 256

V

A4-2. DESCRIPTION DE LOSCILLATION STICK-SLIP ............................................................................... 258 A4-2-1. Phase glissement ................................................................................................................... 258 A4-2-2. Calcul de la dure limite de glissement pour le stip-slick..................................................... 259 A4-2-3. Calcul de la priode et des amplitudes ................................................................................. 260

ANNEXE 5: DESCRIPTION DU LOGICIEL (TAT ACTUEL)

A5. DESCRIPTION DU LOGICIEL (TAT ACTUEL) .............................................................................. 264

VI

NOMENCLATURE

A surface

aax acclration axiale

atg acclration tangentielle

b demi-longueur de la gnratrice du cne

E module dlasticit

Fax force axiale

Fax,bague force axiale exerce sur la bague lors de la sparation de la bague du cne de la

roue

Ftg force tangentielle

Fp facteur de positivit

f1 coefficient de frottement sur les cnes

f2 coefficient de frottement sur les chanfreins du baladeur et de la bague de

synchronisateur

f3 coefficient de frottement sur les chanfreins du baladeur et de la roue

fs coefficient de frottement sur les cnes la fin de la synchronisation

fv coefficient de frottement sur les cnes au dbut de la synchronisation

h distance normale entre surfaces en approche

i rapport des vitesses angulaires de larbre men et menant

k1 amortissement du mcanisme de changement lintrieur de la bote de vitesses

k2 amortissement du mcanisme de changement lextrieur de la bote de vitesses

M1 couple de frottement de synchronisation sur les cnes

M2 couple de dvirage sur les chanfreins

Mperte couple venant des pertes dans la bote de vitesses

m1 masse du mcanisme de changement lintrieur de la bote de vitesses

m2 masse du mcanisme de changement lextrieur de la bote de vitesses

N force normale sur le chanfrein du baladeur

Ndyn force normale sur le chanfrein du baladeur, venant du comportement dynamique de la

chane de transmission

N2 force normale sur la surface latrale des griffes de la bague de synchronisateur

n nombre des gorges sur la surface conique de la bague de synchronisateur

VII

nut,min vitesse de rotation minimale utile du moteur

nut,max vitesse de rotation maximale utile du moteur

P puissance

p pression

Q chaleur

q flux de chaleur

Ra rugosit des surfaces coniques

Re nombre de Reynolds

r rayon effectif du pneu de la roue

r1 rayon moyen des cnes

r2 rayon moyen des griffes

S variable de Stribeck

s raideur

s1 raideur du mcanisme de changement lintrieur de la bote de vitesses

s2 raideur du mcanisme de changement lextrieur de la bote de vitesses

T temprature

t temps

x dplacement axial

y dplacement tangentiel

vax vitesse axiale du baladeur

vtg vitesse tangentielle sur les surfaces coniques

angle de cne du synchronisateur

angle du chanfrein du ct des cannelures du baladeur

des angle du chanfrein du ct des cannelures du baladeur, sens descente des vitesses

mon angle du chanfrein du ct des cannelures du baladeur, sens monte des vitesses

erreur dangle de conicit entre la bague de synchronisateur et le cne de la roue

angle de dvirage, correspondant au dplacement tangentiel

R acclration tangentielle de la roue

mech rendement mcanique

R inertie synchroniser, contenant celle de la roue et des pices de la transmission

rduites la roue

angle dantilcher sur les cannelures du baladeur

VIII

viscosit

coefficient de Poisson

indicateur de position relative alatoire des ranges des griffes

densit

1 angle de cne de frottement correspondant f1



coefficient de partage de la chaleur

C vitesse angulaire du baladeur

R vitesse angulaire de la roue synchronise

e vitesse angulaire de larbre dentre de la bote de vitesses

m vitesse angulaire du moteur

s vitesse angulaire de larbre de sortie de la bote de vitesses

s1 vitesse angulaire de lengrenage de la 1re vitesse sur larbre dentre de la bote de

vitesses

s2 vitesse angulaire de lengrenage de la 2me vitesse sur larbre dentre de la bote de

vitesses

INTRODUCTION GENERALE

1

Introduction gnrale

Le synchronisateur de bote de vitesses commande manuelle a t prsent en 1928

par Chrysler. Depuis, son principe de fonctionnement a conquis le monde de lautomobile. Le

synchronisateur est utilis par chaque constructeur, et il est produit en grande srie pour

lindustrie automobile. Quoiquil soit connu sous son aspect technologique et utilis depuis

longtemps, son fonctionnement en dtail (synchronisation et toutes les autres phases) nest pas

connu et dcrit de faon utile pour les nouvelles gnrations de produit.

Les tudes concernant le comportement du synchronisateur se sont concentres pour la

majeure partie sur ltude du contact par frottement des surfaces coniques, et la validation de

ces tudes sest faite par voie exprimentale. Ces dernires annes, les demandes sont

orientes vers la notion de systme et tourns vers ltude plus gnrale du comportement du

synchronisateur. Des tudes ont t poursuivies, des modles de simulation numrique

raliss laide de grands logiciels de simulation sont publis, valids par des mesures.

Lapproche globale restait un niveau de description aussi global.

Ce travail sinscrit dans la mme ligne: ltude et la simulation numrique du

fonctionnement global du synchronisateur. Mais avec un niveau de description beaucoup plus

fin et une rflexion sur les phnomnes physiques lmentaires. Le point de dpart de ce

travail est ltude bibliographique, en parallle avec ltude minutieuse des mesures

effectues dans les essais, et des pices mmes du synchronisateur. Ceci faisant, le but de

cette premire partie du travail tait la comprhension la plus complte possible du

comportement. Par la suite, la recherche et llaboration des modles dvnements

lmentaires, susceptibles de se produire durant le fonctionnement ont t menes. Les

modles de description du comportement des vnements lmentaires ont t relis et inclus

dans un logiciel de simulation numrique du comportement global. Les rsultats de la

simulation, confronts aux rsultats des mesures, ont permis de justifier la validit de

lapproche, de quantifier des effets notamment sur les forces dactionnement, et de faire

avancer la comprhension du processus de changement de vitesse.

Le premier chapitre propose une description des pices constituant le synchronisateur.

Puis, les phases successives de fonctionnement sont prsentes. Enfin, les diffrents

problmes de fonctionnement sont mentionns daprs la bibliographie. Une grande attention

2

est consacre ltude du problme de la deuxime bosse (effort de manuvre lors de

lenclenchement final de la vitesse).

Le deuxime chapitre prsente les diffrents modles labors pour la synchronisation,

ainsi que les modles des vnements lmentaires applicables lors du changement de

vitesses.

Le troisime chapitre commence avec la prsentation de la structure du logiciel de

simulation numrique. Ensuite, on prsente les moyens de mesure, et quelques observations

partir des donnes mesures.

Le quatrime chapitre contient la validation des rsultats de simulation numrique par

les rsultats de mesure obtenus au cours dessais. Ceci permet de continuer la rflexion sur le

fonctionnement et de proposer ltude des phnomnes dexcitation interne lors du

fonctionnement du synchronisateur. Les rsultats de la simulation issus de cette proposition

expliquent une nouvelle composante du craquement des synchronisateurs lors du changement

des vitesses.

Loriginalit du travail que nous prsentons dans cette thse provient:

de lintroduction de la description de phnomnes physiques comme le coincement et

la dformation des bagues de synchronisateur et comme le stick-slip intervenant lors

du glissement relatif entre pices,

de larticulation et de linteraction entre les diffrents modles lmentaires pour

obtenir une description globale.

Ce travail a t ralis dans le cadre dun contrat de co-tutelle de thse entre lINSA de

Lyon et lUniversit des Sciences Techniques et Economiques de Budapest, Hongrie.

CHAPITRE I: INTRODUCTION

3

Chapitre I: Introduction

I-1. Problmatique

En 2000, 58 millions de voitures ont t produites dans le monde. La quasi totalit de

ces vhicules est quipe de moteurs combustion interne. Malgr de nombreux avantages, il

faut quand mme noter que leur puissance nest utilisable que dans un domaine restreint de

nombre de tours. Ainsi, les voitures disposent gnralement dune transmission par

engrenages qui adapte le nombre de tours du moteur. Afin de disposer dune zone utile de

vitesses suffisamment large, par exemple de 5 155 km/h, on a besoin de plusieurs rapports

de transmission. Ces rapports de transmission sont appeles vitesses, et sont obtenus dans

une bote de vitesses.

On distingue deux types de botes de vitesses : manuelles ou automatiques. Dans le cas

dune voiture avec bote de vitesses manuelle, cest le conducteur qui choisit et enclenche, ou

fait enclencher par lintermdiaire dun robot, le rapport de transmission. Dans le cas des

botes de vitesses automatiques, cela se fait en fonction des caractristiques davancement de

la voiture, mais sans intervention humaine du conducteur.

Les ventes de botes de vitesses automatiques se concentrent principalement aux Etats-

Unis et au Canada. Dans ces pays, lessence est relativement bon march, les voitures peuvent

tre de forte cylindre et grande puissance, et la plage de vitesse de rotation des moteurs est

restreinte. Ainsi dans ces pays, on utilise largement (99 %) des botes de vitesses

convertisseur de couple hydraulique et trains picyclodaux malgr le poids important et le

bas rendement (85- 90%).

Dans le reste du monde, on prfre gnralement les botes de vitesses manuelles (Fig.

I-1). Elles se composent dengrenages hlicodaux avec des axes parallles fixs. Les botes

de vitesses manuelles sont lgres, moins chres, plus faciles entretenir et de bon rendement

(de lordre de 98% avec deux couples dengrenages en prise). Elles conviennent mieux aux

voitures de petite et moyenne cylindres o le moteur a une plage de vitesse de rotation plus

large.

4

Fi

gure

I-1a

Bo

te d

e vi

tess

es m

anue

lle (R

enau

lt JH

)

5

Figure I-1b Bote de vitesses manuelle

Ces dernires annes, en Europe, de nouvelles gnrations de botes de vitesses ont t

introduites sur le march [1], [10]. Ces botes sont soit variation continue de vitesse (CVT),

soit des botes de vitesses manuelles robotises. Les botes CVT utilisent une courroie

mtallique tirante ou une chane maillons poussants monte sur des poulies diamtres

variables. Ainsi, on peut obtenir un nombre infini de rapports entre deux limites de

transmission fixes. Le rapport le plus adapt aux conditions de circulation et de stratgie de

chargement de moteur est choisi. Thoriquement, cette bote CVT serait la solution idale. En

pratique, on a besoin dune commande sophistique qui utilise une commande hydraulique

haute pression pour faire varier le rapport rapidement, en fonction du besoin. En plus, comme

la puissance totale est transmise par frottement, cela exige lutilisation des matires chres et

des technologies de qualit, tout en limitant la puissance transmissible. La fabrication en srie

de telles botes ncessite des technologies nouvelles. Enfin, le rendement des botes CVT est

plus bas que celui des botes manuelles cause de lentranement des quipements auxiliaires

indispensables tels que la pompe haute pression.

Contrairement aux botes CVT, la bote mcanique robotise utilise un maximum de

pices et de technologies dj connues. En principe, il sagit de laddition dun mcanisme

lectro-hydraulique de commande au lieu du mcanisme de levier de vitesses. Ce mcanisme

ncessite de lnergie seulement pour la dure des changements de vitesse. En ce qui concerne

le reste de la bote, elle est strictement analogue aux botes classiques de grande srie.

Des simulations rcentes [1] ont montr, quune bote robotise de 7 vitesses est

capable dassurer les mmes caractristiques dynamiques quune bote CVT. En plus, le

public europen ne se sent pas dpays, car le rgime moteur reste proportionnel la vitesse

6

du vhicule, ce qui nest pas le cas pour une bote CVT. Enfin, le rendement dune bote

robotise dpasse celui dune bote CVT en utilisation quotidienne.

Ceci est important du point de vue de lapplication des nouvelles normes anti-

pollution. En effet, ces normes de plus en plus svres, obligent les constructeurs utiliser des

moteurs de cylindre de plus en plus petite. Pour conserver la dynamique des vhicules, des

botes 6-7 vitesses doivent tre accouples ces moteurs. La commande robotise permet

dexploiter fond les capacits du couple petit moteur-beaucoup de vitesses, et assure une

diminution jusqu 25% de la consommation standard par rapport un groupe

motopropulseur traditionnel [1].

En rsum, le pilotage robotise des botes manuelles a de nombreux avantages.

Cependant, il faut veiller ce que les synchronisateurs de vitesse ne soient pas surchargs lors

des changements de rapports de vitesse. Jusqu maintenant, ils taient conus pour un

maniement avec oprateur humain, lhomme peroit et traite les problmes de changement

ventuels. Dans le cas dune robotisation, les ordinateurs le font seulement sils sont

programms pour cela. Les conditions de changement de rapport peuvent devenir

importantes, et pour pouvoir ce faire, il faut dcrire et prvoir le comportement des

synchronisateurs en dtail.

Un facteur dterminant pour le fonctionnement des synchronisateurs est le type et

larchitecture de la bote de vitesses. Pour les vhicules particuliers, on utilise deux types

darchitecture de bote de vitesses: celle prise directe, avec 3 arbres, et celle 2 arbres. Les

particularits des deux architectures sont les suivantes. Pour botes prise directe (Fig. I-2):

Arbres dentre et de sortie coaxiales,

Meilleur rendement de vitesse de prise directe, car il ny a pas dengrenages chargs,

La puissance transmise passe par deux engrenages dans chaque vitesse, sauf en prise

directe.

En gnral, cette architecture est utilise pour des motorisations moyennes et fortes. Dans ce

cas, le moteur, ainsi que la bote, sont disposs paralllement avec laxe de symtrie du

vhicule (Fig.I-3).

7

e s

I IIIII

Fig. I-2 Schma dune bote de vitesses prise directe

Fig. I-3 Chane de transmission typique pour bote prise directe

Deux particularits des botes deux arbres (fig. I-4):

Arbres dentre et de sortie parallles,

La puissance transmise passe par un engrenage dans chaque vitesse.

En gnral, cette architecture est utilise pour toutes les motorisations. La bote de vitesses

peut tre place paralllement, ou perpendiculairement laxe de symtrie du vhicule (Fig I-

5).

Fig. I-4 Schma dune bote de vitesses deux arbres

e

s

IV III I II

8

Fig. I-5 Chane de transmission typique pour bote deux arbres

Considrons maintenant ces botes du point de vue de la synchronisation. Le

synchronisateur doit acclrer ou ralentir linertie de toute la chane cinmatique entre le

disque dembrayage et la roue synchroniser, le tout rduit larbre du synchronisateur.

Ensuite, on sait quen cas dune force axiale donne, la dure de synchronisme est

directement proportionnelle linertie synchroniser. Ainsi, on a intrt placer les

synchronisateurs le plus prs possible du disque dembrayage.

Thoriquement, on peut placer tous les synchronisateurs sur larbre dentre dune

bote deux arbres, ou sur larbre intermdiaire dune bote prise directe. Naturellement,

pour des raisons dencombrement, dusinabilit et de cot, ceci nest pas toujours faisable.

Ainsi, on doit placer quelques synchronisateurs sur larbre de sortie. Ceci entrane une forte

augmentation des inerties, car dun arbre lautre, la rduction des inerties se fait en les

multipliant par le carr du rapport de transmission des vitesses. De ce point de vue, les

architectures deux arbres sont plus avantageuses, car on peut placer les synchronisateurs

directement sur larbre dentre. Pour une bote prise directe, on ne peut pas placer les

synchronisateurs sur larbre dentre, ainsi, on doit toujours synchroniser linertie rduite de

larbre dentre ajoute celle de larbre intermdiaire. La grande inertie et la forte puissance

transmise sont les deux raisons pour lesquelles on doit appliquer des synchronisateurs

compliqus deux et trois cnes pour les botes de vitesses prise directe, pour obtenir

lagrment de synchronisation voulu.

Dans la pratique, pour des raisons dencombrement, le synchronisateur 1-2 se trouve

presque toujours sur larbre de sortie. Les synchronisateurs 3-4 ou 4-5 se trouvent aussi sur

larbre de sortie des botes prise directe, car cest lui qui relie larbre dentre et celui de

9

sortie. Pour le placement des autres synchronisateurs, le choix de la position des

synchronisateurs est relativement libre.

Le tableau I-1 contient les donnes dinertie synchroniser lors du changement de

vitesses pour diffrents placements du synchro dune bote deux arbres. Les donnes

numriques sont celles dune bote Renault, type JH. On voit bien laugmentation de linertie

quand on place de plus en plus de synchronisateurs sur larbre de sortie (2e arbre). On voit

aussi bien leffet du rapport de rduction: le placement de lunique synchronisateur 1-2 sur

larbre de sortie augmente plus linertie, que le placement dun autre synchronisateur unique.

Ce tableau illustre bien limportance du choix du placement des synchronisateurs.

Inertie [kgm2] 1re 2e 3e 4e 5e

Tout sur 1er 0,00034848 0,00034848 0,00034848 0,00034848 0,00034848

1-2 sur 2e 0,00858187 0,00258999 0,00058247 0,00058247 0,00058247

2-3 sur 2e 0,00082347 0,00082347 0,00186697 0,00114164 0,00082347

5 sur 2e 0,00051751 0,00051751 0,00051751 0,00051751 0,00056805

1-2 et 3-4 sur 2e 0,01845879 0,00557082 0,00232010 0,00141873 0,00105746

1-2 et 5 sur 2e 0,01609556 0,00485760 0,00075150 0,00075150 0,00073201

3-4 et 5 sur 2e 0,00099250 0,00099250 0,00281137 0,00171914 0,00101724

Tout sur 2e 0,02597248 0,00783843 0,00261527 0,00199623 0,00118120

Tableau I-1 Les inerties en fonction du placement des synchronisateurs

Un tude plus dtaille de leffet du placement des synchronisateurs sur les botes 4,

5 et 6 vitesses se trouve dans lAnnexe 1. Cette annexe contient les quations ncessaires pour

calculer les inerties synchroniser et les diffrences de vitesses des lments do sont

originaires les pertes de puissance.

Pour prsenter brivement le fonctionnement des synchronisateurs, considrons

une bote lmentaire 2 vitesses (Fig. I-6.). Comme on vient de le mentionner, la

transmission de la puissance se fait par engrenages. Dans ce cas, un lment dun engrenage

est toujours fix sur lun des arbres de transmission de puissance gnralement appel

pignon, tandis que lautre lment appel soit pignon fou, soit roue est mont libre en

rotation sur lautre arbre. Lengrenage libre en rotation, appel roue dans ce texte, peut tre

li dune manire temporaire larbre sur lequel il tourne, par une liaison crabot. On sait, que

10

ce type dassemblage ne peut tre actionn que si la vitesse relative entre larbre et la roue est

nulle. Naturellement lors du changement de vitesses, ce nest pas toujours le cas. Considrons

la figure I-6, elle reprsente le schma dune bote 2 vitesses. La puissance est fournie sur

larbre dentre o les pignons sont fixes. La puissance est ensuite transmise larbre de

sortie o les roues sont libres en rotation.

Figure I-6 Diagramme des vitesses sans synchronisation [42]

Figure I-7 Diagramme de changement de vitesses (diagramme de Hiermann) [11] nut,min, nut,max - les vitesses de rotation utiles minimales et maximales du moteur

Considrons la vitesse 2 enclenche et supposons que la voiture monte une pente.

Dans ce cas, il est possible que le couple de rsistance sur les roues de la voiture, devienne

trop grand vaincre, et la vitesse de rotation du moteur commence diminuer. Quand elle

atteint sa limite de fonctionnement infrieure nut,min (Fig. I-7), on est oblig de changer de

vitesse, sinon la vitesse continue diminuer et le moteur cale. On suppose que la vitesse du

vhicule et la vitesse de rotation de larbre de sortie restent constantes durant le changement

de vitesses. Cette hypothse reste raisonnable dans une premire approche si lon sait que le

changement de vitesse se ralise toujours pendant un temps court, infrieur la seconde. Au

dbut du changement, la roue de la vitesse 2 (Fig. I-6) tourne fixe sur larbre de sortie (la

e

s

s1 s2

s2 s1

nut,max nut,min Vitesse de rotation du moteur

Vitesse du vhicule

Rapport i1

Rapport i2

11

roue est entrane par les roues de la voiture), et la vitesse de la roue 1 est plus petite que celle

de larbre de sortie. Pourtant, pour pouvoir enclencher la vitesse 1, elle doit tourner aussi vite

que larbre de sortie. Si lon interrompt le flux de puissance en dbrayant, les forces dinertie

et de frottement tendent ralentir davantage la roue de la 1re, et thoriquement son

enclenchement est impossible. En pratique, lenclenchement peut se faire, mais dans de trs

mauvaises conditions avec beaucoup de bruit, et en causant une usure intense de la liaison

crabot cause de la vitesse relative non nulle. Donc, on a intrt utiliser un mcanisme

appel synchronisateur pour annuler de la vitesse relative.

Le choix du synchronisateur peut influencer plus que le bon droulement du

changement de vitesses, allant de soi lors de la conception dune voiture. En effet, il faut

galement prendre en compte les ractions comportementales du conducteur lors du

changement de vitesses avec une bote manuelle. Elles se rsument par un chemin de

changement court, prcis, bien dfini, prsentant une force rsistante petite et

approximativement constante. La programmation de la commande robotise permet de

satisfaire aux besoins des clients.

Sur le march international, la concurrence des fabricants de botes de vitesses est

forte et naturellement celui qui matrise mieux le phnomne de synchronisation, peut

dvelopper et produire des synchronisateurs mieux adapts au march. Outre cela, en

possdant un outil informatique pour tudier et modliser le comportement des

synchronisateurs, le nombre dessais ncessaires au dveloppement dun nouveau produit, ou

lamlioration dune ancienne solution, peut trs largement diminuer. Ainsi, le cot du

dveloppement et le temps ncessaire peuvent tre rduit. Enfin, les connaissances acquises

augmentent la comptitivit et la capacit dadaptation.

Au niveau du synchronisateur (au minimum 4 dans une bote), une pice appele

bague de synchronisateur, faite gnralement en laiton pose problmes. Cest un autre

lment important influenant le cot des botes de vitesses. En effet, le fonctionnement et le

confort de changement de vitesses sont optimaux, si cette bague frotte sur un revtement en

molybdne. Or le molybdne cote cher, la fabrication du revtement est aussi trs onreuse.

En plus, on na pas de connaissances exactes sur le comportement de cette couche spongieuse

de revtement qui semble jouer un rle actif dans le processus de frottement. On a donc

intrt liminer la fois cette matire chre et remplacer son processus de fabrication

dautant plus que la bague en laiton ne supporte pas les efforts actuels de manuvre

ncessaires pour rduire le temps de synchronisation (les cannelures de la bague en laiton

12

susent rapidement). Par exemple, en remplaant le laiton par un matriau fritt, la rsistance

de la pice est suppose augmente et le cot diminu.

Un synchronisateur se compose de plusieurs pices interagissant de faon trs

complexe durant le fonctionnement (voir paragraphe I-3). Ltude de leurs comportements

ncessite lintgration en un seul modle de diffrents phnomnes tels que plusieurs rgimes

de frottement et de lubrification, des transferts thermiques varis, des dformations

mcaniques et thermiques qui interviennent de manire hautement transitoire. De plus, les

effets des erreurs gomtriques de forme et de position relative des pices, doivent tre

considrs dans chaque phase du fonctionnement. A notre connaissance, aucun modle

dcrivant le fonctionnement global du synchronisateur na t labor. Cependant, il existe

des modles partiels qui dcrivent certains phnomnes facilement imaginables comme le

frottement sur cne.

Dans ce travail, on essaie de recenser, complter les modles lmentaires dcrits par

la littrature et proposer de nouveaux modles afin de construire un modle global de

comportement. Cet objectif est loin dtre simple, car la complexit du processus fait appel

de nombreux phnomnes physiques regroups dans une large gamme de domaines comme la

tribologie, la mcanique gnrale, la thermodynamique.

I-2. Description et ncessit des synchronisateurs

I-2-1. Gnralits

Plusieurs architectures de synchronisateurs sont proposes selon la disposition des

faces de frottement:

- faces radiales multidisques gnralement utilises pour les hautes performances (Fig.

I-8a),

- faces coniques:

- simples extrieures ou intrieures (Fig. I-8b, I-8d),

- multiples (Fig. I-8c).

De nouveaux types de synchronisateurs apparaissent sans cesse dans la littrature.

Souvent, ils sont la reprise de la mme ide applique en diffrentes places, comme [28] et

13

[27]. Dautres sont plus novateurs, comme [35]. Dans le texte qui suit, seul le synchronisateur

simple cne intrieur sera considr.

Fig. I-8a Vue simplifie dun synchronisateur multidisques

Fig. I-8b Synchronisateur simple cne, intrieur et extrieur

Fig. I-8c Synchronisateur bicne

Fig. I-8d Coupe dun synchronisateur simple cne [11]

Dans une bote de vitesses classique, un seul engrenage transmet la puissance (les

autres sont toujours en mouvement, mais en boucle de puissance ouverte). Un mcanisme

crabot permet denclencher lengrenage. Il existe des crabots axiaux o les dents sont usines

Arbre dentre

Arbre de sortie (secondaire)

14

sur les cts des pices cylindriques (Fig. I-9), et radiaux o les dents sont realises sur le

diamtre extrieur ou intrieur.

Fig. I-9 Bote de vitesses sport crabots axiaux

I-2-2. Description dun synchronisateur simple cne

Dans les synchronisateurs, on utilise exclusivement des crabots radiaux. Dans ce cas,

un lment, en gnral la roue, est mont libre en rotation sur son arbre (arbre secondaire).

Sur cet arbre est mont un moyeu cannel au diamtre intrieur, possdant des cannelures

galement sur le diamtre extrieur. Ainsi, une douille cannele appele baladeur coulisse

sur lextrieur du moyeu. Cest le baladeur qui relie larbre secondaire la roue elle-mme

munie de cannelures (appeles griffes ou couronne crabot) (Fig. I-10).

Fig. I-10 Structure dun mcanisme crabot radial non synchronis

Le baladeur est dplac axialement par une fourchette. Il peut assurer la fixation de la

roue place droite ou gauche. Ainsi, un baladeur peut assurer lenclenchement de deux

vitesses, soit dun ct, soit de lautre. Ce type de fixation par liaison crabot fonctionne

parfaitement si les deux lments joindre ont la mme vitesse de rotation. Or, ce nest pas

toujours le cas (Fig. I-11).

Roue et griffes (libre en rotation

sur larbre secondaire)

Moyeu fix en

rotation larbre

secondaire

Baladeur:lment de

liaison entre le

moyeu et la roue

15

Fig. I-11 Rappel

Soit e la vitesse de larbre dentre, s celle de larbre de sortie. Les pignons sont

solidaires avec larbre dentre. Soient s,i les vitesses des roues, libres en rotation sur larbre

de sortie. Le rapport des vitesses est not e

si = . On remarque que la vitesse de la voiture

quipe de la boite de vitesses, peut tre dcrite par la relation suivante:

v=si0r

o i0 le rapport du pont

r le rayon effectif du pneu .

Donc, s est en rapport constant avec la vitesse du vhicule. Supposons la 1re vitesse

engage: s1 = s. Ici s2= ei2=1

2s21

s

iiii =

. Donc, le baladeur tourne avec la vitesse s, et

la roue 2 avec la vitesse s2 = 1

2s ii . Par consquent si on veut changer la vitesse de 1 2, il

faut dabord galiser les vitesses s et s2. En supposant le dbrayage et le levier de vitesse en

position neutre, la vitesse s2 diminue avec une acclration

16

a) Schma b) diagramme idalis

c) diagramme mesur

Fig. I-12 Diagramme des vitesses avec synchronisation

Sur la figure I-12, on voit diffrents aspects dun changement de vitesses 2-1. Lors du

changement lengrenage s1 est acclr la vitesse de larbre de sortie. La variation thorique

des vitesses angulaires durant le changement de vitesses est prsente sur la figure I-12b. Sur

la figure I-12c, on voit le mme processus, sur un banc dessais de synchronisateur, en

conditions relles. La figure I-12b reprsente encore la variation de la vitesse angulaire du

moteur, ainsi que celle de larbre dentre de la bote. Sur la figure I-12c, la force ncessaire

au changement, le couple de synchronisation et le dplacement de la fourchette de

changement (prsente dans les pages suivantes) sont encore reprsents.

s1 s2

s

e

s2 s1

s1

s

Effort axial Fax

Couple de frottement M1

17

Gnralement, on trouve les pignons sur larbre dentre et les roues sur larbre de

sortie: le diamtre des pignons est infrieur celui des roues. Rappelons que les

synchronisateurs ont pour but de modifier la vitesse de rotation de tous les organes qui sont

devant eux, jusquau disque dembrayage (Fig. I-13). De ce fait, on pourrait les placer sur

larbre dentre pour diminuer le nombre dorganes entraner. Cependant, il faut considrer

le fait que dans les synchronisateurs, on trouve des embrayages coniques dont lefficacit est

proportionnelle au diamtre. Etant donn lencombrement de la bote, on place les

synchronisateurs sur larbre de sortie, pour pouvoir les munir de diamtres suffisants. Un

autre argument dcoule de la fabrication.

Fig. I-13 Dfinition de la position du synchronisateur dans la chane de puissance

En effet, les pignons de faible diamtre peuvent tre intgrs directement sur larbre dentre,

et les roues peuvent tre considres en tant que pices spares montes sur larbre de sortie.

Ct synchronis Ct synchronisant

Bague synchro

Baladeur Griffes

Fourchette

Levier

18

Cest en tudiant les avantages et inconvnients de toutes ces dispositions que les

constructeurs placent gnralement les synchronisateurs sur larbre de sortie, entre des roues

montes libres en rotation. Ainsi, les embrayages coniques peuvent tre grands sans

augmenter lencombrement de la bote, et larbre dentre peut tre fabriqu en une pice avec

les pignons.

Fig. I-14 Structure dun synchronisateur simple cne

Les diffrents lments du synchronisateur sont les suivants (Fig. I-14):

Le moyeu (Fig. I-15, I-16). Il est reli larbre par des cannelures situes sur son

diamtre intrieur (montage serr ou non). Le moyeu possde galement des

cannelures sur son diamtre extrieur, o il est reli au baladeur. A la partie extrieure

du moyeu, des entailles o sont logs des mcanismes de verrouillage, sont rparties

uniformment (en gnral trois 120 pour les botes de moyenne puissance).

Fig. I-15 Description schmatique du

moyeu

Fig. I-16 Moyeu

19

Le baladeur (Fig. I-17, I-18). Cest une pice tubulaire flottante situe entre la

fourchette de commande et le moyeu. A lintrieur, elle possde des cannelures qui la

relient au moyeu. A lextrieur du baladeur, on trouve une rainure circonfrencielle

qui est le logement de la fourchette actionnant axialement tout le mcanisme.

Fig. I-17 Description simplifie du baladeur

Fig. I-18 Baladeur

Le mcanisme de verrouillage (Fig. I-19, I-20). Il a pour but de maintenir le baladeur

en position centrale sur le moyeu, entre les deux roues et en de dune force axiale

limite. Il est gnralement compos de trois lments disposs 120. Dans le cas de

gros synchronisateurs, il y a quatre lments disposs 90. Pour raliser cette liaison

temporaire entre le baladeur et le moyeu, on utilise une liaison par obstacle compose

de doigts maintenus par des ressorts. En fonction de la forme du doigt, le contact doigt

- moyeu peut se produire en un point, ou selon une ligne. On utilise soit des ressorts

hlicodaux, soit deux ressorts circlips (Fig. I-19). Les circlips sont plus faciles

produire mais peuvent casser cause des sollicitations de flexion, les ressorts

hlicodaux sont plus faciles tarer mais la porte et la position gomtrique ne sont

pas toujours matrises. Dans notre cas dtude, un mcanisme de verrouillage se

compose dun ressort hlicodal, dune bille et dun doigt (Fig. I-20). Son rle est de

maintenir le baladeur en position neutre, et dempcher le mouvement du baladeur par

rapport au moyeu, en dessous dune valeur donne de la force axiale.

20

Fig. I-19a Synchronisateur avec verrouillage deux circlips

Fig. I19b Diffrents types de mcanismes

de verrouillage

Fig. I-20 Le mcanisme de verrouillage

tudi

La bague du synchronisateur (Fig. I-21, I-22). Une bague par cne est ncessaire.

Cest un anneau, dont la surface intrieure est conique de demi-angle au sommet .

Sur cette surface, on trouve des gorges, qui servent casser le film dhuile et vacuer

rapidement le lubrifiant. Ces gorges peuvent tre radiales (Fig. I-23) ou

circonfrencielles (Fig. I-24). A lextrieur, on trouve des bossages (en gnral trois)

qui prsentent des surfaces dattaque (ou de pousse) pour les doigts des mcanismes

de verrouillage. A ct des bossages, on trouve des cannelures crabot mle (appeles

aussi griffes) de petite longueur rparties en zones (en gnral trois zones), avec des

faces chanfreines (appeles didres) dangle 2. Ces faces chanfreines permettent

lentre du baladeur avec ventuellement une lgre rotation lorsque le synchronisme

de vitesse des pices est atteint.

ressort

bille

doigt

21

Fig. I-21 Vue simplifie dune bague de

synchronisateur

Fig. I-22 Bague de synchronisateur

Fig. I-23 Gorges radiales sur la surface conique

Fig. I-24 Gorges circonfrencielles sur la surface conique

Le cne rcepteur (Fig. I-25, I-26). Il est gnralement compris dans la masse de la

roue libre en rotation. Son demi-angle au sommet correspond celui de la bague

mais il peut exister de lgres diffrences dangles (appele dconjugaison). Au grand

diamtre du cne, on trouve une cannelure-crabot femelle (appeles aussi griffes) de

caractristiques gomtriques semblables celle de la bague , mais plus longue pour

des raisons de tenue mcanique puisque ces cannelures doivent transmettre la

puissance en rgime tabli.

22

Fig. I-25 Cne rcepteur et crabot sur la

roue

Fig. I-26 Cne rcepteur et crabot sur la

roue

La fourchette (Fig. I-27). Elle est fixe sur une longue tige daxe parallle aux axes

des arbres primaire et secondaire et guide axialement dans le bti de la bote de

vitesse. La force axiale venant de la tringlerie de la bote est reue par la tige, et

transmise au synchronisateur par une fourchette. La tige possde trois positions axiales

discrtes o elle est maintenue par un mcanisme de verrouillage. La fourchette est

relativement flexible, et il existe un jeu entre les extrmits de la fourchette et la gorge

du baladeur.

Fig. I-27 Description de la fourchette de manuvre

23

I-3. Fonctionnement des synchronisateurs

Le premier pas vers la modlisation du processus de changement de vitesses est

ltude du fonctionnement du synchronisateur. Les diffrentes pices tant connues

individuellement, on prsente dans ce paragraphe le fonctionnement de lensemble, les

interactions, et le rle de chaque pice tape par tape. Pour relier la description la ralit,

on prsente un diagramme de fonctionnement idal reprsentant les variables caractristiques

du processus pour chaque tape. Il ne faut pas oublier que dans la bote, le synchronisateur

tourne continuellement, et baigne dans lhuile.

Lors des essais, on obtient des diagrammes du type reprsent sur la figure I-28. Les

phases principales de fonctionnement sont facilement identifiables. Pourtant, leur explication

et description en dtail sont compliques cause du grand nombre de pices interagissant,

transmettant des efforts et se dplaant en un intervalle de temps trs rduit. Les efforts

agissant sur les pices sont tudis en dtail dans lAnnexe 2.

Fig. I-28 Exemple de diagramme idalis

Le fonctionnement dun synchronisateur se droule dans lordre suivant:

Point mort

Armement

Synchronisation

Dvirage de la bague+Vol libre Dvirage de la roue + Vol libre

24

I-3-1. Point mort

Aucune vitesse nest enclenche. Le baladeur est verrouill en position centrale (Fig. I-29, I-

30, I-31).

Fig. I-29 Point mort

Fig. I-30 Diagramme du point mort

Fig. I-31 Synchronisateur au point mort

Pour renforcer lanalyse bibliographique, des rsultats de visualisation (Fig. I-31) avec

camra rapide [43] ont t introduits dans ce texte. Les essais ont t faits chez Federal Mogul

sur un banc dessais de bote de vitesses. Une bote JH a t modifie pour accder la zone

de synchronisation. Le baladeur a aussi t usin pour voir les cannelures (griffes) des

A

A - A

A

25

diffrentes pices. Lobjet de cette visualisation tait de dtecter les mouvements relatifs (soit

axiaux, soit en rotation) des diffrentes pices du synchronisateur.

I-3-2. Armement

Durant cette phase, la commande du synchronisateur impose une vitesse axiale

constante au baladeur (Fig. I-32).

Fig. I-32 Lois de vitesse axiale et de force axiale

Le baladeur avance pour combler les jeux de fonctionnement (Fig. I-33a). Il entrane

les doigts darmement avec les billes. Le jeu axial entre les doigts et la bague disparat, et les

doigts butent sur les bossages de la bague. Le baladeur poursuit son chemin, entranant la

bague. Quand la bague arrive suffisamment prs de la roue, les billes du verrouillage rentrent

dans leur logement, car les doigts ne peuvent plus suivre le mouvement du baladeur.

Cependant, la bague fait sortir la majeur partie de lhuile de lespace entre les surfaces

coniques, et un couple de frottement visqueux de plus en plus fort apparat, dtournant la

bague. Ceci est d lapparition dune force axiale hydrodynamique. La force de commande

doit vaincre cette force pour comprimer, puis craser et vacuer le film dhuile se trouvant

entre les surfaces coniques. Grce aux gorges de dgagement dhuile, lcrasement se fait

avec une force axiale relativement petite. Le jeu tangentiel entre la bague et le baladeur

sefface, et les chanfreins du baladeur butent sur les chanfreins de la bague (Fig. I-33b).

La dure de cette phase est de lordre de 0,05 s. Elle varie en fonction de la distance

parcourir et de la vitesse axiale du baladeur.

vax

t Fax

t

26

Fig. I-33a Armement, phase 1: le jeu axial disparat

Fig. I-33b Armement, phase 2: le jeu tangentiel disparat

Fig. II-34 Diagramme de la phase darmement

Impulsion pour dmarrer le baladeur et pour comprimer les ressorts de verrouillage

Le couple de frottement se forme

A AA A

A - A A - A

27

a) b)

Fig. I-35 Disparition du jeu axial (a) et tangentiel (b)

I-3-3. Synchronisation

Le mouvement axial du baladeur est arrt. La force axiale augmente jusqu son

maximum et y reste jusqu la fin de la phase (Fig. I-36 I-38). Sous leffet de la force axiale

et de la diffrence de vitesse angulaire, un couple de frottement mixte se forme sur les

surfaces coniques, car les gorges de la bague ont vacu presque toute lhuile. Ce couple sert

galiser les vitesses de rotation de la bague de synchronisation et de la roue. En mme

temps, un couple dit dinterdiction agit sur les griffes de la bague, entre les chanfreins du

baladeur et de la bague. Lquilibre de la bague est exprim par les quations suivantes.

Leffet de tout autre facteur tel les couples rsistants des roulements ou la variation des

coefficients de frottement est pris en compte soit par un facteur de positivit exprimental

(introduit dans les pages suivantes), soit par le calcul approch des facteurs.

Fig. I-36a Dbut de la synchronisation

Fig. I-36b Fin de la synchronisation

28

Fig. I-37 Synchronisation

Fig. I-38 Diagramme de la phase de synchronisation

Le premier couple est relatif au cne de frottement de demi-angle au sommet . On

peut dfinir un rayon moyen r1 et un couple de frottement M1:

111 sin rFfM ax =

La condition de non coincement dans ce cas est:

f15,7 et si f1=0,15 alors >8,5.

A - A

AA

29

Fig. I-39 Synchronisation

Le second couple est relatif aux crabots ou griffes extrieures qui prsentent un demi-

angle de chanfrein (demi-angle de didre). On peut dfinir un rayon moyen r2 (qui dpend

de la gomtrie du contact sur les didres et qui est estim suivant un cercle primitif

thorique) et un couple de frottement M2 dorigine diffrente de celle du cne, appel couple

de dvirage. Avec f2=tg (si f2=0,05 alors =2,86), on obtient:

( ) 222 rtgFM ax +=

Pour assurer un fonctionnement correct cest--dire rendre possible la phase dinterdiction

(mouvement relatif entre le cne du pignon et la bague de synchronisation et pas de

mouvement relatif entre le crabot et la bague), il faut que:

M1 > M2

Avec 111 sin rFfM ax = et ( ) 222 rtg

FM ax += , on obtient:

( )2211

sin +>

tgrfr

On dfinit alors un facteur de positivit Fp qui est le rapport de M1 M2, suprieur 1. Dans la

pratique, on prend un facteur Fp compris entre 1,15 et 1,4 ce qui entrane des conditions sur

les limites de variation des coefficients de frottement sur le cne et sur les griffes (Fig. I-40).

A la limite, la valeur minimale de 2 tant zro, la condition suivante doit tre vrifie:

( ) tgrFfr p 211sin =

ou bien

112 sin

frrFtg p =

do compte tenu de lincertitude sur les mouvements et sur le sens du frottement:

30

211

2211

2 sinsin +

31

Ainsi on constate que plus le couple de frottement de cne M1 augmente plus langle

de didre 2 doit diminuer et inversement (cela dans des proportions raisonnables qui assurent

toujours la rsistance mcanique de lensemble). Dans la pratique, langle peut varier entre

40 et 60.

Fig. I-42 Augmentation de langle de didre avec une force axiale constante

Lors du choix de langle , il faut galement prendre en compte leffet des pertes dans

la bote des vitesses sur la synchronisation. Durant la monte en vitesses, ces effets

sadditionnent au couple de frottement M1, durant la descente en vitesses ils se soustraient.

Ainsi, on peut dfinir des angles diffrents pour chaque cas tels que mon

32

influence la viscosit de lhuile restant entre les surfaces coniques. La chaleur absorbe cause

la dilatation de la bague de synchronisateur, donc laugmentation du diamtre effectif [11].

On suppose que la masse de la roue synchroniser est telle que lchauffement rsultant est

ngligeable. On suppose galement, que la rigidit de la bague de synchronisateur est si petite,

que sa dformation sous la force axiale compense lerreur dangle de conicit entre les

surfaces coniques [38].

La fin de la phase est dtermine par la condition dgalit des vitesses angulaires de

la bague et de la roue. Durant la phase de synchronisation, la commande fait varier la force et

la vitesse axiale au niveau du baladeur comme reprsent sur la figure I-44.

Fig. I-44 Lois de vitesse axiale et de force axiale

Comme la force axiale et le couple rsistant varient au dbut de la phase, on assiste

un court phnomne de stick-slip axial au niveau des cannelures du baladeur sur le moyeu,

produisant une petite oscillation de force axiale. Etant donn que la vitesse de glissement

varie continuellement sur les surfaces de frottement coniques durant la synchronisation, en

prsence dune force de commande axiale galement variable, le stick-slip y apparat

galement [14]. Ce stick-slip produit des oscillations au niveau du dplacement de la roue

synchronise, damplitude proportionnelle la vitesse de glissement. Ces oscillations,

superposes la variation de la vitesse angulaire venant de la synchronisation (Fig. I-45),

excitent la partie synchronise.

a) originale b) perturbe

Fig. I-45 La vitesse axiale

R

t

R

t

vax

t Fax

t

33

Dans notre cas, la partie synchronise est un systme torsionnel un ou plusieurs

degrs de libert. Sous lexcitation, il donne une rponse dynamique, qui se manifeste comme

une oscillation torsionelle, perceptible sur les surfaces coniques de la roue. Le couple rsultant

peut tre transmis la bague de synchronisation. Comme la bague de synchronisation est

coupl au baladeur au niveau des griffes, cet effet sera galement peru au baladeur, sous

forme doscillations axiales. Etant donn que cest galement au niveau du baladeur que la

force axiale est applique, elle doit donc faire face la combinaison des deux forces

mentionnes: celle assurant le frottement et celle issue de la raction du systme torsionnel

(Fig. I-46)

Fig. I-46 Composants de la force axiale

Du pommeau du levier de vitesses au baladeur, le chemin de la force peut tre

galement modlis comme un systme oscillatoire longitudinal 2 degrs de libert (Fig. I-

47) [17], [34]. En fonction de llasticit et de lamortissement prsents dans ce systme, les

oscillations du baladeur peuvent tre absorbes ou amplifies au niveau du levier de vitesses.

Fig. I-47 Modle dynamique du mcanisme de changement

Au niveau des griffes, loscillation torsionelle peut avoir des effets dsagrables. En

effet, linterdiction denclenchement de la vitesse avant le synchronisme est assur par la

force oppose au baladeur prsente au contact des griffes. Si cette force rsistante commence

varier, cela perturbe lquilibre dinterdiction. Ainsi, le baladeur peut avancer axialement

par rapport la bague (Fig. I-48). Si lavancement est trop rapide, le baladeur peut dpasser

les griffes avant que le synchronisme soit atteint. Dans ce cas, lenclenchement des vitesses se

Fax

N

Ndyn

m2 m1

s1

k1

s2

k2

Fa Fsync

34

fera avec craquements (ou croquements), provoquant de grands pics de force axiale et une

usure rapide des griffes.

Fig. I-48 Avancement du baladeur lors des perturbations

La dure de la phase est de lordre de 0,4 s. Elle varie en fonction de linertie synchroniser,

de la diffrence de vitesse angulaire initiale et de la force axiale.

I-3-4. Dvirage de la bague

Fig. I-49 Dvirage de la bague

Fig. I-50 Diagramme de la phase de dvirage de la bague

Bosse dsignant lentre en contact du baladeur avec la roue

Fax N

Fax N

Fax

AA

A - A

35

Fig. I-51 Dvirage de la bague

Fig. I-52a Dbut du dvirage

Fig. I-52b Fin du dvirage

Le dvirage est la phase qui existe quand le baladeur dtourne la bague de

synchronisation pour pouvoir avancer (fig. I-49 I-52). Il commence au moment o le

synchronisme des vitesses angulaires est atteint. Cet quilibre est aussitt perturb, car pour

dtourner la bague, il faut modifier sa vitesse. Le phnomne de dsynchronisation de la roue

est dcrit chez plusieurs auteurs [6], [12], [25], [34], il est attribu aux oscillations

torsionnelles dans la chane de transmission, ou au couple des pertes [6], [25].

Au dbut du dvirage, la force axiale diminue selon une loi impose par la commande.

La diminution de la force, couple la disparition de la grande diffrence de vitesse angulaire

sur les surfaces coniques, mne larrt de la production de chaleur. Comme les inerties

thermiques de la bague et de la roue sont trs diffrentes, celle de la roue tant suppose trs

suprieure, on suppose que la chaleur de la bague est transfre rapidement dans la roue. Suite

cela, la bague reste colle sur le cne de la roue dans une position dforme, dilate [11]. La

pression rsiduelle est suppose tre grande, ainsi le dvirage de la bague entrane galement

la roue, qui entrane son tour linertie de toute la partie synchronise. Derrien [5] suppose

36

que la bague de synchronisateur se spare de la roue au moment du dvirage, mais elle ne

donne pas dexplications cela. Murata et al. [25] inclut implicitement le mme phnomne

dans son modle. Derrien, de mme que Murata et al. ne donnent pas de raisons pour ce

phnomne, et sachant que langle de conicit est voisin de celui de coincement, on suppose

que le coincement de la bague est trs probable. En effet, sur le film du processus de

synchronisation [43], on ne voit pas le phnomne de sparation et de diffrence de vitesse

angulaire dans cette phase (de lordre de 20-40 t/min), ceci conforte lexplication prcdente.

Linterdiction tant leve, le baladeur continue son dplacement axial avec une

acclration constante pour atteindre la vitesse axiale souhaite le plus rapidement possible.

Ceci implique une acclration angulaire R galement constante. De cela, lquation de

lquilibre du baladeur:

RRperteax MtgftgfrF =++

2

22

1

La figure I-53 reprsente lquilibre des efforts au moment du dvirage de la bague de

synchronisateur. La force axiale Fax fait avancer le baladeur contre le chanfrein de la griffe de

la bague de synchronisateur. La force rsist

Etude des relations entre le comportement et la...

Documents

Transcript of Etude des relations entre le comportement et la...