LE CONVERTISSEUR DE COUPLE DE CONSTANTINESCO

Systèmes mécaniques de transmission de puissance

Les systèmes mécarùques de tJ.·ansmission de puissance font référence aux systèmes dont la conversion du couple moteur s’effectue à l’aide de composantes mécarùques telles que les trains d’engrenages, les poulies et les courroies, les chaînes et les roues dentées, etc. Les systèmes mécaniques sont les plus anciens et les plus répandus. Ils peuvent être économiques dans certains cas, mais peuvent aussi devenir lourds, encombrants et coûteux dans d’autres. Il existe des composantes entrant directement dans la conception des systèmes mécaniques de transmission de puissance : les embrayages, les freins et les limiteurs de couple. L’embrayage est un mécanisme permettant d’accoupler ou de désaccoupler deux parties d’une transmission. Il doit rendre possible le démarrage progressif du mécanisme de travail et garantir, à la fois, la transmission du couple sans glissement et une interruption rapide de la transmission de puissance. Le frein est un mécanisme permettant de ralentir ou d’empêcher temporairement un mouvement tandis que le limiteur de couple permet de protéger la transmission contre les surcharges. Sans entrer dans les détails, le point commun des mécanismes à friction est qu’ils utilisent la propriété de frottement ou d’adhérence des matériaux dans leur fonctionnement en éliminant le surplus d ‘énergie par transformation en chaleur (modulation de l’énergie). Par exemple, pour adapter les différentes utilisations d’une automobile aux caractéristiques du moteur thermique, la transmission de puissance peut comporter un embrayage, un réducteur à plusieurs rapports (boîte de vitesse) et un différentiel.

Transmission hydrocinétique

Dans une transmission hydrocinétique, c’est l’énergie cinétique du fluide qui réalise la transmission de puissance : il n’y a aucun lien mécanique solide qui lie directement les composantes [2]. Les coupleurs hydrocinétiques sont des turbotransmissions qui transmettent la puissance mécanique entre l’arbre d’un moteur et celui d’un mécanisme de travail par l’intermédiaire de la puissance hydraulique d ‘un fluide. Ils sont composés de deux roues à aubes disposées face à face dans un couvercle : 1 ‘impulseur et la turbine. L’impulseur reçoit 1 ‘énergie mécanique du carter puisque ce dernier est solidaire à l’arbre moteur. L’impulseur étant en rotation, en raison de la force centrifuge, le fluide est dirigé vers l’extérieur lorsqu’il frappe les aubes de la turbine et y transfère son énergie fluide. Ces dernières sont disposées de façon à ce que le fluide soit redirigé vers 1 ‘intérieur de l ‘impulseur. Ce mouvement du fluide permet de garantir le mouvement de la turbine. Par contre, la vitesse de rotation de la turbine est légèrement inférieure à celle de l ‘ impulseur, et ce, dû aux pertes énergétiques. Les coupleurs hydrocinétiques agissent comme des accouplements hydrauliques et ne permettent pas la conversion du couple.

Pour faire varier le couple entre la sortie (turbine) et 1′ entrée (impulseur ), une troisième composante est insérée entre les deux précédentes : le réacteur. Cette composante permet de réorienter le fluide en provenance de la turbine vers l ‘extérieur de l’ impulseur afin d’améliorer l ‘efficacité du système : le parcours du fluide est donc différent que celui emprunté pour un coupleur hydrocinétique. La pression du fluide sur les aubes du réacteur entraîne un effet de bouchon où le fluide est compressé, ce qui entraîne une augmentation du couple en réduisant la vitesse de rotation de la turbine. Ce type de système correspond au convertisseur hydrocinétique de couple. Un embrayage permet de raccorder l’impulseur à l’arbre de la turbine lorsque la vitesse de rotation du moteur devient suffisamment grande. Les convertisseurs hydrocinétiques de couple sont souvent utilisés aujourd’hui dans les boîtes de vitesses automatiques.

Systèmes soniques de transmission de puissance La théorie de la sonicité a été introduite et exploitée par le scientifique roumain George Constantin es co [3]. Les systèmes soniques transmettent 1′ énergie d’un point initial vers un point final par le biais de vibrations longitudinales, et ce, tant dans des milieux solides que liquides. Ainsi, les systèmes de transmission de puissance dits soniques se basent sur la propagation d’ondes pour acheminer la puissance. Le terme sonicité découle de ce principe et peut être défini comme étant la science utilisant les propriétés élastiques de la matière pour permettre la transmission de la puissance. Ainsi, puisque la puissance se transmet sous forme ondulatoire, la sonicité prône le fait que les grandeurs physiques du système, par exemple le volume, la pression, les réactions, le couple, etc. varient de façon périodique.

Du point de vue de la transmission de puissance dans des milieux liquides, cette théorie s’oppose à celles de 1 ‘hydraulique, qui elle, se base sur le fait que les liquides sont considérés comme étant pratiquement incompressibles et qui circulent dans les conduites sous la forme d ‘un débit volumique constant. La théorie de la sonicité fait référence au fait qu’une puissance issue d’un arbre en rotation ne peut être transmise à un second arbre que par le biais d’impulsions intermittentes (mouvement oscillatoire ou vibrations) [4] comme c’est le cas pour une paire d’ engrenages où la pression transmise par une dent est nulle au départ, atteint un maximum lors du contact et redevient nulle par la suite. La théorie de la sonicité est utilisée pour approfondir le concept de convertisseur de couple établi par Constantinesco. La propagation de la puissance est donc étudiée à travers un système de corps solides articulés.

Principe de fonctionnement du CCC

Le principe de fonctionnement du CCC, tel qu’avancé par Constantinesco lui-même dans quelques-uns de ses écrits [ 4-6] et rapporté par son fils lan Constantinesco [8] et d’autres scientifiques [9, 10], est introduit dans cette section. Pour expliquer le fonctionnement dynamique du convertisseur de couple de Constantin es co, supposons que la manivelle (élément 1) est sollicitée par un couple moteur constant et que 1′ arbre de sortie (liaison H) entraîne un mécanisme de travail assimilable à une certaine résistance (couple résistant constant). Si la résistance est inchangée, le balancier (élément 3) se verra osciller à une certaine amplitude. Si aucune résistance n’est appliquée à 1 ‘arbre de sortie et que le moteur fournit un couple constant (aucune limitation de la vitesse angulaire, voir la figure 36) à la manivelle, le moteur accélérera le balancier continuellement de sorte que la vitesse angulaire de l’arbre de sortie augmentera indéfiniment. Lorsqu’une résistance est appliquée à l ‘arbre de sortie, la manivelle ralentira jusqu’à une certaine vitesse angulaire. Dans ces conditions, 1 ‘arbre de sortie va effectuer un certain travail qui se doit d’être fourni par le moteur. Le moteur ralentira donc jusqu’à développer la puissance consommée à 1 ‘arbre de sortie. Si l’arbre de sortie est immobile, le travail effectué par ce dernier est aussi nul. Puisque le moteur fournit un couple constant, l’énergie est acheminée au balancier afin d’accroître sa fréquence d’oscillation : ce dernier accumule l’énergie fournie par le moteur sous forme d’énergie cinétique. Plus la fréquence d’oscillation du balancier est grande, plus les modules des réactions engendrées aux liaisons G et I de la diode mécanique sont élevées permettant ainsi, après un certain temps d’accumulation, de vaincre de nouveau la résistance.

Contrairement aux boîtes de vitesse des véhicules et leurs différents ratios de transmission prédéfinis, il suffit que la résistance augmente ou diminue pour que le balancier ajuste automatiquement le couple transmis à 1′ arbre de sortie. Dans le cas où la résistance est diminuée, 1 ‘arbre de sortie se verra être m1s en mouvement. À ce moment, une certaine puissance est consommée à 1′ arbre de sortie pour maintenir le mécanisme de travail en opération. Cet apport en puissance va automatiquement résulter en une diminution de la vitesse angulaire du moteur jusqu’à atteindre une vitesse angulaire où la puissance développée est la même que celle consommée à 1′ arbre de sortie. Si la résistance devient nulle à 1’ arbre de sortie, la vitesse angulaire du moteur augmentera et accélérera le balancier indéfiniment. Pour des valeurs particulières de la résistance à l’arbre de sortie, le moteur tournera à une vitesse angulaire minimale.

À ce moment, toute variation (augmentation ou diminution) de la résistance résultera en une augmentation de la vitesse angulaire du moteur. Il est donc évident que le comportement dynamique du convertisseur de couple de Constantinesco dépend du couple pouvant être généré à la diode mécanique afin de vaincre la résistance à l’arbre de sortie. Constantin es co avança le fait qu’une fois que la vitesse angulaire du moteur avoisine la vitesse angulaire minimale pour une certaine résistance, la variation de la vitesse angulaire du moteur est très faible, et ce, même pour des variations substantielles de la résistance. Il indiqua même qu’il est possible de concevoir un convertisseur de couple où la vitesse angulaire du moteur ne variera pas au-delà de 10 % de cette vitesse angulaire minimale. Ainsi, le CCC est une transmission mécanique à ratios variables continus où le ratio entre l’arbre de sortie et l’arbre moteur est lié à la fréquence du mouvement oscillatoire du balancier.

Son application dans le domaine de l’automobile, comparativement aux boîtes de vitesse, n’utilise aucun train d’engrenages ni embrayage, ce qui a pour effet de réduire le nombre de composantes et donc le poids. De plus, en raison de sa capacité d’accumulation, le moteur peut être dimensionné à la puissance nominale. Dans ce mémoire, une procédure dynamique pour l’étude du convertisseur de couple de Constantinesco est élaborée (section 5.5). Connaissant le comportement dynamique du convertisseur, il sera possible de confirmer ou d ‘infirmer les avancements de Constantin es co mentionnés précédemment à 1’ aide de simulations dynamiques. À noter que les membrures du CCC sont considérées comme étant rigides.

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Table des matières

REMERCIEMENTS
RÉSUMÉ
ABSTRACT
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS
CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Mise en contexte
1.2 Perspective historique
1.3 Systèmes de transmission de puissance usuels
1.3.1 Systèmes mécaniques de transmission de puissance
1.3.2 Systèmes à fluide sous pression de transmission de puissance
1.3.2.1 Transmission hydrost atique
1.3.2.2 Transmission hydrocinétique
1.3.3 Systèmes soniques de transmission de puissance1.4 Problématique
1.5 Objectifs
1.6 Structure du mémoire
CHAPITRE 2 LE CONVERTISSEUR DE COUPLE DE CONSTANTINESCO
2.1 Géométrie du convertisseur de couple de Constantinesco
2.1.1 Mécanisme pentagonal..
2.1.2 Diode mécanique
2.2 Principe de fonctionnement du CCC
2.3 Discussions sur les différentes configurations envisageables du CCC
CHAPITRE 3 BASES THÉORIQUES DES ANALYSES STRUCTOMATIQUE, CINÉMATIQUE ET CINÉTOSTATIQUE DES MÉCANISMES ET APPLICATION AU CCC
3.1 Analyse structomatique
3.1.1 Concepts théoriques concernant l’ analyse structomatique
3.1.2 Étude structomatique du convertisseur de couple de Constantinesco.
3.1.2.1 Modèle A : lorsque le couple résistant est vaincu
3.1.2.2 Modèle I : lorsque 1′ énergie du moteur est transmise au pendule.
3.1.3 Structomats requis pour décrire le mouvement du CCC
3.2 Analyse cinématique
3.2.1 Concepts théoriques concernant l’analyse cinématique des structomats
3.2.1.1 Équations non linéaires de position
3.2.1.2 Résolution du système d’équations de position
3.2.1.2 Équations linéaires de vitesse
3.2.1.3 Équations linéaires d’accélération
3.2.2 Modèles cinématiques des structomats du CCC
3.2.3 Étude cinématique du CCC
3.3 Analyse cinétostatique
3.3 .1 Concepts théoriques concernant 1 ‘analyse cinétostatique des structomats
3.3.2 Modèles cinétostatiques des structomats du CCC
3.3.3 Étude cinétostatique du convertisseur de couple de Constantinesco
CHAPITRE 4 ANALYSE DYNAMIQUE DES MÉCANISMES À MEMBRURES
4.1 Modélisation dynamique d’un mécanisme à membrures
4.1.1 Variables généralisées
4.1.2 Fonctions de transmission de position
4.1.3 Fonctions de transmission de vitesse et d’accélération
4.1.4 Matrice de transmission de vitesse et d’accélération
4.2 Expression générale des équations de mouvement
CHAPITRE 5 INTÉGRATION DES ÉQUATIONS DE MOUVEMENT
5.1 Calcul des fonctions et matrices de transmission
5.1.1 Obtention des fonctions/matrices de transmission analytiquement
5.1.2 Obtention des fonctions/matrices de transmission numériquement
5.1.3 Obtention des fonctions/matrices de transmission en utilisant les modèles cinématiques des structomats
5.1.3.1 Fonctions de transmission
5.1.3.2 Matrices de transmission
5.2 Implémentation à l’aide d’un logiciel informatique
5.3 Caractéristiques du couple moteur
5.4 Méthode de Runge-Kutta pour l’intégration des équations de mouvement
5.5 Étude dynamique du convertisseur de couple de Constantinesco
CHAPITRE 6 VÉRIFICATION DE LA PROCÉDURE NUMÉRIQUE PROPOSÉE
6.1 Mécanisme bielle-manivelle
6.2 Mécanisme pentagonal.
6.2.1 Fonctions de transmission de l’élément 3
6.2.2 Vitesse et accélération du centre de gravité de l’élément 4
6.2.3 Variation des paramètres cinématiques des coordonnées généralisées
CHAPITRE 7 DISCUSSIONS SUR LA DYNAMIQUE DU CONVERTISSEUR DE COUPLE DE CONSTANTINESC0
7.1 Comportement du CCC lorsqu’aucun couple résistant n’est imposé
7.2 Comportement du CCC lorsqu’une résistance est imposée
CHAPITRE 8 CONCLUSION
8.1 Apport de ce mémoire à la théorie des mécanismes
8.2 Recommandations
8.3 Mot de la fin
RÉFÉRENCES
ANNEXE A GEORGE CONSTANTINESCO (1881-1965)
ANNEXE B EXPRESSIONS ANALYTIQUES DES MATRICES DE TRANSMISSION DU MÉCANISME PENTAGONAL