L'embrayage est un dispositif d'accouplement entre un arbre dit moteur et un autre dit récepteur. Du fait de sa transmission par adhérence, il permet une mise en charge progressive de l'accouplement ce qui évite les à-coups qui pourraient provoquer la rupture d'éléments de transmission ou l'arrêt du moteur dans le cas d'une transmission avec un moteur thermique.

L'embrayage est nécessaire sur les véhicules automobiles à moteurs thermiques qui doivent continuer à tourner même si le véhicule est à l'arrêt. Le désaccouplement facilite aussi le changement de rapport de vitesses. L'embrayage trouve donc sa place sur la chaîne de transmission, entre le moteur et la boîte de vitesses, où, de plus, le couple à transmettre est le moins élevé. Il est souvent fixé sur le volant moteur sur les voitures ou camions où le grand diamètre disponible permet d'utiliser un système monodisque ou bidisque. Il est plutôt en bout de vilebrequin sur les motos ou cyclos, en version multi-disque à bain d'huile (boîte manuelle) ou centrifuge à tambour (transmission automatique).

« Embrayage » désigne également la phase de fonctionnement où l'accouplement est établi ; il s'agit de l'opération inverse du « débrayage » pendant laquelle les arbres sont désolidarisés.

En fait « Embrayage » est une contraction de « Dispositif d'embrayage ».

On opposera les embrayages aux systèmes à crabotage qui assurent un accouplement par obstacle et qui n'autorisent donc pas une mise en charge progressive.

Demi-coupe d'un embrayage monodisque à diaphragme d'automobile.

Les phases de fonctionnement d'un embrayage

On distingue trois phases de fonctionnement pour un dispositif d'embrayage.

En position embrayée : l'embrayage transmet intégralement la puissance fournie (la voiture roule, le moteur est lié à la boîte de vitesses). C'est le plus souvent la position stable du dispositif (absence d'action de commande).

En position débrayée : La transmission est interrompue. Roue libre, ou voiture arrêtée, le moteur peut continuer à tourner sans entraîner les roues. La situation est équivalente au point mort.

phase transitoire de glissement : en particulier pendant l'embrayage, la transmission de puissance est progressivement rétablie. Ce moment est appelé point de patinage. Pendant cette phase, l'arbre d'entrée et de sortie ne tournent pas à la même vitesse ; il y a alors glissement entre les disques, donc dissipation d'énergie, sous forme de chaleur. Cette phase est à limiter dans le temps, même si elle est inévitable et permet de solidariser graduellement le moteur et la boîte de vitesses. L'usure des disques a lieu pendant cette phase, souvent utilisée lors des démarrages en côte.

C'est la situation de glissement qui donne les conditions de dimensionnement de l'embrayage. Elle détermine le couple maximum transmissible. Au-delà, le glissement est systématique. La même configuration technologique est d'ailleurs adoptée sur les systèmes limiteurs de couple, qui vont donc patiner lorsque le couple sollicité devient trop important.

S'il est recommandé de débrayer le plus vivement possible, il faut en revanche embrayer progressivement afin d'éviter des chocs qui endommageraient tous les éléments de transmission : les pièces du dispositif d'embrayage lui-même, mais aussi les engrenages de la boîte et du différentiel, les paliers de ces derniers, les joints de cardan, et enfin les pneumatiques.

Classification

Schéma d'un embrayage conique.

Les solutions technologiques retenues pour ce dispositif se distinguent suivant plusieurs critères :

la géométrie de la surface de friction : disques, le contact étant effectif suivant une couronne par face de disque ; tambour (dans le cas de certains embrayages centrifuges) ; conique (abandonné aujourd'hui sauf quelques applications à faible puissance). Son intérêt réside dans le fait qu'il est autobloquant : l'assemblage conique reste coincé en l'absence d'effort presseur. Il faut agir pour débrayer.

disques, le contact étant effectif suivant une couronne par face de disque ;

tambour (dans le cas de certains embrayages centrifuges) ;

conique (abandonné aujourd'hui sauf quelques applications à faible puissance). Son intérêt réside dans le fait qu'il est autobloquant : l'assemblage conique reste coincé en l'absence d'effort presseur. Il faut agir pour débrayer.

Selon le nombre de disques (quand il s'agit de disques) monodisque ; bidisque à sec à commande unique ou à commande séparée (double) ; multidisque humide ou à sec.

monodisque ;

bidisque à sec à commande unique ou à commande séparée (double) ;

multidisque humide ou à sec.

On appelle « disque » ou « friction » l'élément généralement associé à l'arbre de sortie et pincé par deux éléments liés à l'arbre moteur. Il porte les garnitures de friction, et constitue de ce fait une pièce d'usure. Le nombre de surfaces de contact est toujours pair ; ainsi les efforts presseurs n'induisent pas de contraintes dans la liaison entre le bâti et le système d'embrayage, et sont en fait repris par la cloche d'embrayage.

Le nombre de disques annoncé dans un embrayage est donc le nombre de disques pincés munis de garnitures. Des plateaux intermédiaires peuvent s'insérer entre les disques sur les modèles multidisques.

Les surfaces de contact peuvent : Fonctionner à sec avec refroidissement par air ; Être lubrifiées et refroidies par bain d'huile.

Fonctionner à sec avec refroidissement par air ;

Être lubrifiées et refroidies par bain d'huile.

La commande peut être : Mécanique ; Hydraulique ; Électrique asservie électroniquement ; Centrifuge (dans ce cas la commande n'est pas directe mais induite par l'action sur l'accélérateur).

Mécanique ;

Hydraulique ;

Électrique asservie électroniquement ;

Centrifuge (dans ce cas la commande n'est pas directe mais induite par l'action sur l'accélérateur).

Le sens de la commande peut être : Commande d'embrayage pour les dispositifs normalement débrayés (cas de petits engins tels tondeuses et motoculteur), ou des engins à embrayage centrifuge (cyclomoteur, modèles réduits radiocommandés) ; Commande de débrayage pour les dispositifs normalement en prise.

Commande d'embrayage pour les dispositifs normalement débrayés (cas de petits engins tels tondeuses et motoculteur), ou des engins à embrayage centrifuge (cyclomoteur, modèles réduits radiocommandés) ;

Commande de débrayage pour les dispositifs normalement en prise.

Architecture

Embrayage monodisque

Coupe d'un embrayage monodisque à ressort diaphragme.

Embrayage monodisque.

Un embrayage comporte plusieurs pièces :

Le volant moteur 2, solidaire de l'arbre moteur 1 peut porter l'ensemble et constituer une des faces de friction du disque.

Le disque d'embrayage 3 qui est solidarisé en rotation à l'arbre d'entrée (primaire) de la boîte de vitesses 6 par des cannelures.

Le plateau de pression du mécanisme 4, assure l'adhérence du disque d'embrayage sur le volant moteur en position embrayée.

Les ressorts du mécanisme (à diaphragme dans notre cas), 5 appuient sur le plateau de pression et peuvent être comprimés par la butée d'embrayage 7.

Lorsque la commande (hydraulique ou à câble) de débrayage est actionnée :

la butée exerce une force sur les ressorts ou le ressort à diaphragme,

le plateau de pression s'écarte pour libérer la pression sur le disque de friction. Le mouvement est de moins en moins transmis, rendant indépendante la boîte de vitesses du moteur. Cela permet, par exemple, de rester à l'arrêt sans caler le moteur, ou de changer de vitesse.

La manœuvre inverse consiste à relâcher progressivement la commande de débrayage, pour rétablir la liaison moteur/boîte de vitesses. Cette manœuvre s'appelle « faire patiner l'embrayage ».

Embrayage multidisque

Embrayage bi-disques.

Un embrayage multidisque à sec sur une moto sportive. On voit nettement les ressorts.

Les pièces d'un embrayage multidisque : à gauche, la cloche et la noix, à droite les disques

Les embrayages multidisques fonctionnent selon le même principe, sauf qu'on utilise un empilement de disques et de plateaux. Les plateaux sont crantés (rainuré) sur leur pourtour, lui et liés en rotation à la cloche d'embrayage, les disques sont cannelés à l'intérieur, et liés à la noix d'embrayage. Cet empilement est maintenu en pression par des ressorts. La poussée est donc, en théorie et aux frottements près, la même pour chaque disque et les plateaux intermédiaires permettent de répartir la transmission du couple sur de plus grande surfaces. Les versions bidisques ou multidisques pour camions peuvent s'en passer, la multiplication des disques visant alors à répartir l'usure et prolonger la durée de vie du système.

Cette configuration est, pour un même couple transmissible, bien plus compacte radialement que celle à un seul disque. Elle est retenue sur les motocyclettes.

Embrayage électrorhéologique

Les progrès récents dans l'électrorhéologie permettent de penser à une nouvelle génération d'embrayage, se basant sur la capacité de changement entre l'état solide et l'état liquide d'un fluide électrorhéologique. Ce type d'embrayage permet de connecter ou isoler le couple d'entrée et celui de sortie très facilement et rapidement.

Le principe de l'embrayage électrorhéologique est très simple. Quand un champ électrique est appliqué, le fluide électrorhéologique (ER) se solidifie et relie le disque d'entrée et le disque de sortie. Quand ce champ est enlevé, le fluide ER revient à l'état normal (fluide). Le disque de sortie est donc isolé presque instantanément du disque d'entrée.

Ce type d'embrayage a été fabriqué et testé en laboratoire. Pourtant, les limites actuelles des fluides électrorhéologiques (contrainte seuil encore faible et stabilité non assurée) empêchent toujours sa commercialisation.

Embrayage centrifuge

Dans ces dispositifs, l'embrayage est commandé par la vitesse de rotation de l'un des deux arbres : Sous l'effet de la force centrifuge, des éléments (billes, ailettes) ont tendance à s'éloigner de l'axe de rotation et c'est ce mouvement qui assure l'embrayement, soit directement, soit par l'intermédiaire de bielles.

Embrayage électromagnétique

Utilisé sur les compresseurs de climatisation, les lames de tondeuses, ventilateurs ou divers dispositifs d'asservissement en mécanique générale (machines outils, imprimantes), l'embrayage électromagnétique utilise une bobine généralement concentrique à l'axe pour mettre en contact les surfaces de frottement. La commande en "tout ou rien" ne le destine généralement pas aux démarrages progressifs mais l'actionneur est intégré, et le dispositif compact est peu coûteux.

Dimensionnement

La démonstration est faite pour un embrayage plan monodisque. Elle n'est plus valable pour les embrayages coniques ou centrifuges. Le couple transmissible par un embrayage dépend du matériau constituant les garnitures, du nombre et des dimensions des surfaces de frottement entre disques ainsi que de la force exercée par les ressorts.

Démonstration Établi suivant le principe de l'équilibre strict, on peut calculer le couple maximal transmissible. En effet, le couple s'obtient à partir de la longueur du bras de levier et de l'effort tangentiel au disque par la relation simple: Mais le bras de levier correspond ici à la distance entre la surface de contact considérée et le centre du disque. Cette distance est un rayon qui varie du rayon intérieur du disque (dû au perçage central) à son rayon extérieur . On doit donc considérer le couple généré par le frottement au niveau d'un petit élément de surface du disque : D'autre part, cet effort tangentiel transmis au disque pour son entraînement dépend du coefficient de frottement et de l'effort normal de serrage par la formule: qu'on écrira, sur cet élément de surface d'un disque : D'où Pareillement, si l'effort de serrage est uniformément réparti sur la surface de contact , on peut écrire que : Soit, dans notre cas : Ce qui nous permet enfin d'écrire : qu'on intègre pour obtenir finalement le couple transmissible, en se plaçant en coordonnées cylindriques où : d'où :

En général, on écrit :
avec :

le nombre (pair ou impair) de surfaces de friction

le coefficient de frottement entre ces surfaces

l'effort de serrage, supposé uniformément réparti

et les rayons extérieurs et intérieurs des surfaces de la couronne

Les performances, notamment le coefficient de frottement, restent liées à la température. Celle-ci s'élève rapidement lorsque les disques patinent. L'ensemble doit donc pouvoir être refroidi.

Les matériaux constituant les garnitures sont des produits composites souvent à base métallique ou céramique.

Cas particulier de la boîte automatique

Pour les boite de vitesses automatique deux dispositifs sont utilisés comme embrayage :

Convertisseur de couple Il n'y a pas d'embrayage à disques avec une boîte de vitesses automatique utilisant un convertisseur de couple. En effet, la manœuvre automatisée d'un embrayage classique étant assez délicate, ce dispositif s'apparente à un « embrayage centrifuge », l'état de l'accouplement ne dépendant que de la vitesse relative des arbres primaire et secondaire. Les passages de vitesse avec une boîte automatique étant eux-mêmes obtenus par actions sur des embrayages internes à la boîte, le convertisseur de couple induit un glissement variable, mais aussi une augmentation substantielle du couple disponible au niveau de la transmission secondaire lorsque la vitesse entre l'arbre d'entrée et celui de sortie est importante.

Double embrayage Dans la cas d'une boite de vitesse à double embrayage, la boite de vitesse dispose de deux embrayages, l'un pour les vitesses paires et l’autre pour les vitesses impaires. La passage de vitesse s'effectue sur l'un ou l'autre de ces embrayages selon que la vitesse augment ou diminue. Le passage de vitesse s'effectuant de manière quasi synchrone la taille des embrayages peux être fortement réduite. Par ailleurs ce dispositif évite l'impression que le moteur « tourne dans le vide » comme cela se produit avec le système à convertisseur de couple lors d'une forte accélération.

Boite de vitesse robotisée Les boîtes de vitesses manuelles sont de plus en plus souvent robotisées, ce qui implique que l'embrayage est lui aussi piloté par l'électronique du calculateur de la voiture, par un actionneur électrique ou électrohydraulique qui agit sur la butée.

Transmissions hydrostatiques

Les engins munis d'une transmission hydrostatique n'ont pas besoin d'embrayage. En effet c'est grâce à la variation de cylindrée de la pompe centrale ou des moteurs récepteurs qu'on contrôle la puissance délivrée, par exemple aux roues d'un engin de chantier ou d'un char.

各种离合器

离合器（英语：clutch）是把汽车或其他动力机械的引擎动力以开关的方式传递至车轴上的装置。香港俗称极力子，乃从英语clutch而来；**则常称离仔或克拉几（原自日语「クラッチ」）。

原理

当离合器踏板释放时，飞轮内的压板利用弹簧的力量，紧紧压住摩擦盘，使两者不会滑动，引擎的动力因而可以透过此一结构，传递至变速箱，完成动力传动的工作。 而当踩下踏板时，结构将向弹簧加压，使弹簧的周边翘起，压皮便与摩擦板脱离。此时摩擦板与飞轮之间已无法连动，即使引擎持续运转，动力仍不会传递至变速箱及车轮，驾驶者便可以进行换档以及停车等动作，而不会使引擎熄火。

种类

锥形离合器 锥形离合器概念图 1.锥:锥孔(绿色部分)、锥塞(蓝色部分) 2.轴:让锥塞能够在上面滑动 3.摩擦材质:通常会附在锥孔上，此处在锥塞上 4.弹簧:离合器控制完后弹回锥塞的零件 5.离合器控制:用压的把两锥体分离 6.旋转方向:可进行顺时针及逆时针旋转 「锥形离合器」是离合器一种，作用与「圆盘离合器」相同，是以构件的形状区分命名。圆锥离合器是以圆锥代替圆盘，当两个锥面通过摩擦来传递扭矩。由于楔作用和作用面积增大的原因，圆锥离合器传递的扭矩比圆盘离合器更大。 锥形离合器有锥形摩擦面，这个锥体意味着一个驱动器的移动量，会以比圆盘离合器更慢的速度与表面接合，此外，驱动力量会在接合的表面上施予更多的压力。常见的例子有手排变速箱的同步齿环，同步齿环负责同步移动轴心和齿轮的速度，以及确保能平稳的变速。

汽车

在汽车起步时，通过离合器主、从部分之间的滑磨、转速的逐渐接近，确保汽车起步平稳。

当变速器换挡时，通过离合器主、从部分的迅速分离来切断动力的传递，以减轻齿轮轮齿间的冲击，保证换挡时工作平顺。

当传给离合器的转矩超过其所能传递的最大转矩时，其主、从部分之间将产生滑磨，防止传动系统过载。

近来发展

离合器这组机构被设备在引擎与手排变速箱之间，负责将引擎的动力发送到手排变速箱。近年来的电脑控制自动手排与Audi的Multitronic CVT变速箱则由电脑控制离合器，达到与手排车同样良好的传动效率。