TP ATS BOITE DE VITESSES Série 4 BOITE DE VITESSES. CI6 : Chaînes de solides indéformables

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1 LYCEE EUGENE LIVET NANTES BOITE DE VITESSES CI6 : Chaînes de solides indéformables CI9 : Solutions technologiques, matériaux, fabrication L objet de ce TP est de calculer et d analyser les efforts s appliquant sur l arbre primaire afin de vérifier le chargement des roulements. Lycée Livet (Nantes) 1 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

2 BOITE DE VITESSES 1 MISE EN SITUATION 1 L'automobile est aujourd'hui en quasi exclusivité mue par un moteur thermique. Ces moteurs ont des caractéristiques de fonctionnement (couple maximal et puissance) qui ne permettent pas leur couplage direct sur les roues des véhicules terrestres : Leur rendement varie beaucoup avec le régime (en particulier aux très basses vitesses), et leur démarrage est délicat. Ils ne tournent que dans un seul sens. Le couple moteur est plutôt faible (600 N.m correspond à un gros moteur) ; de plus il est très inconstant dans la plage d'utilisation de ces moteurs. Ces caractéristiques générales imposent pour l'usage d'un véhicule terrestre : La possibilité de dissocier le moteur des roues du véhicule, pour les vitesses proches de l'arrêt : c'est en partie le rôle de l'embrayage. Mais cela suppose que celui-ci puisse rester en position débrayée. La possibilité d'inverser le sens de rotation au niveau des roues pour assurer la marche en arrière. L'augmentation du couple disponible sur la roue (l'essieu moteur), le réducteur à engrenages étant la solution la plus commune. De plus, les conditions d'usage : arrêt court, limitation de vitesse, ralentissement, relief, imposent des allures de fonctionnement différentes. Un véhicule doit donc disposer d'un organe de transmission de puissance proposant : Un rapport nul (appelé point mort). Un rapport de marche arrière. Une ou plusieurs gammes de rapports étagés pour la marche avant. Il s'agit donc d'un ensemble de réducteurs disposés dans un même boîtier. La dénomination «boîte de vitesses» est en partie erronée puisque, en réalité, son rôle est d'adapter le couple. Cette appellation est liée aux premières machines industrielles qui recevaient l'énergie motrice d'un arbre moteur commun, animé par un moulin à eau ou une machine à vapeur tournant à vitesse constante. Des systèmes de pignons permettaient le choix d'une vitesse de fonctionnement. La dénomination anglo-saxonne est donc plus juste : gearbox (littéralement : boîte à engrenage), cependant, toutes les boîtes de vitesses ne sont pas construites sur le principe de transmission par engrenages. La technologie renaissante des véhicules électriques annonce l'abandon de cet organe de transmission. En effet les moteurs électriques sont de plus en plus performants (couple important et compacité inégalée, rendement sans égal). Ils peuvent dorénavant être directement implantés dans la roue, ce qui élimine tous les éléments de transmission (différentiel, cardans...). L objet de ce TP est de calculer et d analyser les efforts s appliquant sur l arbre primaire afin de vérifier le chargement des roulements. 2 SCHEMATISATION DE LA BOITE DE VITESSE : La boîte manuelle dite «à pignons toujours en prise» «à prise constante» est la plus utilisée de nos jours; elle se distingue sur ce point des boîtes de machines outils qui disposent d'engrenages désaccouplés. 1 Source : Wikipedia Lycée Livet (Nantes) 2 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

3 Ce type de boîte est constitué généralement de deux arbres portant des pignons : L arbre d entrée (ou primaire) lié à l arbre moteur via l'embrayage, porte les pignons primaires fixes. Il y a autant de pignons que de rapports de boîte. L arbre de sortie (ou secondaire) portant des pignons fous (engrenant respectivement avec un pignon de l'arbre d'entrée), les systèmes de crabotage et les synchroniseurs. Le troisième arbre n'intervient que pour la marche arrière. Il contient un pignon pouvant coulisser et s'intercaler entre un pignon de l'arbre d'entrée et un autre de l'arbre de sortie ; ainsi, on dispose d'un engrenage de plus entre les deux arbres (soit deux inversions de sens de rotation au lieu d'une), d'où la marche inversée. C'est le seul cas où l'engrenage n'est pas toujours en prise. L'arbre de sortie est lié au couple conique du différentiel, intégré au carter de la boîte (pour les véhicules à traction avant) ou reporté sur le pont arrière (pour les véhicules à propulsion). Le changement de rapport se fait par manipulation de coulisseaux actionnant crabots et synchroniseurs grâce aux fourchettes de commandes liées temporairement au levier de vitesses. Question 1 Réaliser le schéma cinématique de la boite de vitesses en position point mort (sans aucune vitesse enclenchée). Vous mettrez en évidence : l arbre d entrée l arbre de sortie les liaisons entre les arbres et le carter de boite de vitesses les différentes roues en prise et leur liaison avec les arbres les liaisons entre les arbres et les synchroniseurs les synchroniseurs seront modélisés par un rectangle avec la lettre S à l intérieur. PIGNON SYNCHRONISEUR La synchronisation sera à schématiser comme cicontre S ARBRE Liaison àdéfinir S Liaison à définir Remarque : Ne pas tenir compte de la marche arrière et donc de l arbre intermédiaire. Question 2 Sur le schéma précèdent, tracer la chaîne de transmission de puissance pour le rapport de 1 ère vitesse. Lycée Livet (Nantes) 3 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

4 3 MODELISATION DES ACTIONS MECANIQUES SUR L ARBRE PRIMAIRE Nous allons nous intéresser aux actions mécaniques s appliquant à l arbre primaire lorsque le 1 er rapport est engagé. En effet, c est dans cette configuration que les roulements de l arbre primaire sont les plus sollicités. Nous supposerons ici que : l arbre primaire tourne dans le sens positif autour de l axe (O, x ) (Cf système d axes sur le document réponse 1 et 2), l action de l embrayage sur l arbre primaire se modélise par un torseur couple de moment M L x LO max Question 3 Question 4 Question 5 = 42000mm.N = Oemb 1 Sur le document réponse 1, réaliser le schéma d architecture relatif au guidage de l arbre primaire lorsque le 1 er rapport est engagé. Définir le sens de l hélice sur les deux roues dentées relatives au 1 er rapport. Réaliser le bilan des actions mécaniques s appliquant à l arbre primaire. Question 6 Représenter sur les 4 vues du document réponse 2 l action en D de l arbre secondaire 2 sur arbre primaire 1. Faites apparaître l angle de pression (α = 20 ) ainsi que l angle d inclinaison de denture (β = 22 ) Question 7 Calculer la coordonnée y D du point D sachant que le module m de la roue 1 est de 2,5. Question 8 Ecrire les différents torseurs des actions mécaniques sur l arbre primaire. O 4 DETERMINATION DES ACTIONS S APPLIQUANT SUR LES ROULEMENTS Question 9 En appliquant le PFS à l arbre primaire, déterminer les actions mécaniques s appliquant sur les roulements. 5 CONCLUSION Les actions mécaniques sur les roulements sont un des points d entrés permettant de choisir les roulements. Le choix définitif se fait en considérant en particulier la durée de vie souhaitée, la fréquence de rotation ainsi que le milieu extérieur. Lycée Livet (Nantes) 4 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

5 ANNEXE 1 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT 2 2 Source Wikipedia Lycée Livet (Nantes) 5 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

6 ANNEXE 2 : COURBE CARACTERISTIQUE D UN MOTEUR 3 Remarque : La consommation indiquée est la consommation spécifique. La consommation spécifique est la quantité de carburant nécessaire au moteur (en gramme) pour délivrer une puissance de 1 kw pendant 1 heure. 3 Source Wikipedia Lycée Livet (Nantes) 6 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

7 ANNEXE 3 : SCHEMA DE STRUCTURE DE LA CHAINE DE TRANSMISSION VILEBREQUIN zone étudiée EMBRAYAGE BOITE DE VITESSES DIFFERENTIEL ARBRE DE TRANSMISSION GAUCHE ARBRE DE TRANSMISSION DROIT ROUE GAUCHE ROUE DROITE Lycée Livet (Nantes) 7 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

8 ANNEXE 4 : DONNEES TECHNIQUES 1ere 2e 3e 4e 5e couple réducteur P.S.A. Primaire Secondaire Vitesse en km / h à 1000 tr / mn moteur RENAULT Primaire Secondaire Lycée Livet (Nantes) 8 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

9 DOCUMENT REPONSE 1 : SCHEMA D ARCHITECTURE DE L ARBRE PRIMAIRE Boite RENAULT O y A B x D Lycée Livet (Nantes) 9 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc

10 DOCUMENT REPONSE 2 : ACTION DE L ARBRE SECONDAIRE SUR LE PRIMAIRE y y 1 D D 2 x z y D u D x z u Lycée Livet (Nantes) 10 / 10 4 tp boite de vitesses -pfs.doc