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exposer d'un fonctionnement d'un variateur

 
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LUDO
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MessagePosté le: Lun 18 Juil - 22:01 (2011)    Sujet du message: exposer d'un fonctionnement d'un variateur Répondre en citant

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Informations et dessins sont en provenance du site Italien : http://tecnomania.interfree.it/


Pour mieux comprendre le fonctionnement, nous allons subdiviser une transmission par variateur dans ses parties primaires et les analyser individuellement :
la poulie motrice, la poulie réceptrice et l'embrayage automatique.
Petite précision, les schémas ci-dessous n'ont rien à voir avec le T-max, ce ne sont que des schémas de principe.

La transmission CVT toroïdale !



• Les dessins font allusion au système de variation continue que l'on trouve sur les scooters 50cc. On retrouve également ce dispositif sur tous les Maxi-Scooters à moteur oscillant, que ce soit chez Piaggio, Aprilia, Malaguti, Kymco, et même sur le Honda Silver Wing 600 dont le moteur est fixe dans le chassis. Les deux exceptions pour le moment sont le Yamaha T-Max et le Suzuki Burgman 650, qui disposent tous deux d'un embrayage multidisques en bain d'huile à la place du banal embrayage centrifuge. Le Burgman compliquant singulièrement la chose en rajoutant en plus une commande séquencielle, par un moteur électrique pilotant l'écartement des flasques de la poulie réceptrice. On ne peut donc plus parler de variateur pour cet engin, la démultiplication continue n'étant plus assurée par la force centrifuge au moyen de galets. Voir sur cette page un éclaté de ce dispositif. Cependant, le principe du variateur reste le même, quelle que soit le type de machine.  

La poulie motrice :
• Elle est constituée de deux flasques ou demie poulies, une fixe solidaire de l'arbre moteur (vilebrequin), l'autre capable de coulisser longitudinalement sur l'arbre moteur. Le mouvement de translation de la demie poulie mobile est obtenu au moyen de la force centrifuge par une série de rouleaux (les galets).
• Ces galets sont interposés entre le flanc de la demie poulie mobile et un couvercle, lui aussi solidaire de l'arbre moteur, assurant également la fonction de guide pour les galets.
• Lorsque l'arbre moteur est arrêté, les deux flasques de la poulie sont ouvertes au maximum, et la courroie se trouve au fond de la gorge créée par les deux demi-poulies.
• Lors du démarrage de l'arbre moteur, la force centrifuge créée sur les rouleaux par la rotation, pousse ces derniers vers l'extérieur en obligeant la poulie mobile à se rapprocher de la fixe.
• Au fur et à mesure de l'augmentation de la vitesse de l'arbre moteur, la force centrifuge chasse les galets toujours plus loin vers l'extérieur augmentant ainsi la poussée sur les flasques. Les flasques de la poulie se rapprochent, obligeant ainsi la courroie à parcourir un diamètre toujours supérieur. La force de ce rapprochement des flasques est proportionnelle au nombre de tours de l'arbre moteur et à la masse globale des galets.  
La poulie réceptrice :

• Pour la poulie réceptrice on retrouve une demi-poulie mobile et une demi-poulie fixe, mais avec quelques particularités qui la différencient considérablement de la poulie motrice.

• Les galets sont ici remplacés par un gros ressort dont la fonction est de maintenir serrées les deux demi-poulies. Dans cette position, au-delà d'assurer d'une correcte tension à la courroie, il contrarie la poussée des galets de la poulie motrice et permet une variation plus continue.

• Autre particularité, souvent méconnue, est la présence d'un correcteur de couple. Contrairement à la poulie motrice dont la poulie mobile se déplace le long de l'axe de façon rectiligne, le flasque mobile de la poulie réceptrice décrit une hélice, il est comme un écrou qui se visse sur une tige filetée.

• Nous reviendrons sur plus loin sur ce détail pour en comprendre sa fonction. 
L'Embrayage automatique centrifuge : 

• Ce dispositif est assez simple et fonctionne suivant le même principe qui est toujours utilisé sur les cyclomoteurs. Ce système est en fait très semblable aux freins à tambour, mais avec d'évidentes particularités.
• Sur un plateau solidaire de l'axe de la poulie réceptrice du variateur, sont fixés une série de patins retenus par autant de ressorts calibrés. Le tout est installé à l'intérieur d'un tambour (cloche d'embrayage) solidaire du réducteur.
• Lorsque le plateau, en traîné par le variateur atteind une vitesse de rotation déterminée, la force centrifuge engendrée, pousse la masse des patins contre le tambour extérieur en l'entraînant en rotation. De cette manière le moteur est couplé graduellement et automatiquement au réducteur, permettant ainsi la transmission du mouvement à la roue du véhicule.
• Lorsque la vitesse de rotation diminue au dessous d'un certain seuil, les ressorts de rappel décollent les patins de la cloche, et désacouplent le variateur du réducteur.
• L'embrayage de la transmission est directement liée à la masse des patins et à la force de traction des ressorts de rappel. 
J'espère que j'ai été clair jusqu'à ce point, car nous allons maintenant entrer dans la véritable explication du fonctionnement du variateur.
• Sur le schéma A ci-dessus, l'ensemble du variateur est représenté au régime moteur minimal, le ralenti. La poulie motrice est ouverte au maximum et l'embrayage est désacouplé, parce que la force centrifuge à ce régime de ralenti est trop basse, et n'est pas en mesure de vaincre la force des ressorts de rappel des platines de l'embrayage. Les patins de friction ne sont pas en contact avec la cloche d'embrayage.

• Sur le schéma B le moteur est en légère accélération, la vitesse de rotation devient suffisante pour que la force centrifuge déplace les masselottes de l'embrayage, et mettent en contact les patins de friction contre la cloche d'embrayage, l'entraînant ainsi en rotation. Cependant la force centrifuge ne suffit toujours pas à déplacer les galets du variateur. Le rapport de démultiplication reste donc au minimum, (l'équivalent du premier rapport sur une boite mécanique) et le véhicule démarre. 


• Sur le schéma ci-contre, nous nous trouvons maintenant environ à mi régime.

• La vitesse de rotation est devenue suffisante pour que la force centrifuge repousse les galets vers la périphérie du variateur.

• Les galets repoussent la demi-poule mobile et rétrécissent l'écartement de la gorge formée par
• La courroie n'étant pas extensible, elle écarte donc la demi-poulie réceptrice en comprimant le ressort de compression.

• Par conséquent, le rapport de transmission est maintenant nettement plus élevé, les deux poulies ayant une vitesse de rotation presque égale. (ce schéma représente l'équivalent du 3ème ou 4ème rapport sur une boite de vitesse mécanique).









 
• Ci-contre sur le schéma à droite, voila la configuration du variateur une fois les gaz grand ouverts. Les galets sont maintenant calés à la périphérie du variateur, et la demi-poulie mobile est complètement repoussée contre le flasque fixe.

• La courroie se retrouve donc sur le plus grand diamètre possible de la poulie motrice et en fond de la gorge de la poulie réceptrice, dont le ressort de compression est comprimé au maximum.

• Le rapport de transmission est au maximum (correspondant au 5ème rapport d'une boite de vitesse mécanique)

• Si maintenant nous coupons les gaz, le processus inverse se déclanche. La vitesse de l'arbre moteur se réduisant, les galets redescendent, élargissant ainsi la gorge de la poulie motrice.

• La courroie redescend donc dans la gorge de la poulie motrice et remonte du coté de la poulie réceptrice en libérant le ressort de compression, créant ainsi le frein moteur.

• Le processus continue jusqu'à ce que la vitesse de rotation de la poulie réceptrice ne suffise plus à maintenir les platines mobiles de l'embrayage en contact avec la cloche. Le système passe alors au point mort, et le véhicule se retouve à ce moment là en roue libre.
 
• Les constructeurs équipent leurs variateurs de galets d'un poids permettant le meilleur compromis poids / rendement / longévité / performance. Le poids des galets entre donc dans la détermination des rapports de démultiplication à bas et haut régime. Il est donc possible de jouer sur le poids de ces galets pour obtenir facilement une démultiplication plus ou moins longue sur la plage d'utilisation du variateur.

• Des galets plus lourds favorisant en théorie une meilleure allonge et plus de progressivité, au détriment de la nervosité. Le moteur travaillera plus sur le couple.

• Des galets plus légers favoriseront des départs plus rapides et de meilleures reprises. Pour une vitesse donnée, le moteur tournera plus vite qu'avec des galets d'origine ou plus lourds. Les démarrages "canons" seront donc favorisés, mais la vitesse de pointe sera plus faible...
 
Pourquoi les Scooters ont un si mauvais frein moteur ?
• Un variateur de vitesse peut être comparé à une balance. Du coté gauche sur le dessin, il y il a le poids des galets entraînés par la force centrifuge sur la poulie motrice, et du coté droit, on retrouve la poussée du ressort de compression présent sur la poulie réceptrice avec comme élément passif, la courroie, qui remplit la fonction du bras de la balance. Bon d'accord, sur le dessin, le ressort est en traction au lieu d'être en compression, mais le principe reste valable.

• Lorsque on augmente le nombre de tours (la vitesse de l'arbre moteur), cela a pour effet d'augmenter la force centrifuge, elle est représentée sur le dessin par le poids des galets, ils réussissent à vaincre la force du ressort de compression de la poulie réceptrice, déterminant ainsi un allongement du rapport de démultiplication.

• Et vice-versa dès que le régime du moteur se réduit, le rapport de démultiplication diminue. 
Le correcteur de couple :
• Dans l'exposé, j'ai omis une phase très importante : l'accélération. Évidemment nous parlons d'une accélération énergique, celle par exemple qui est demandée lors d'un dépassement d'un autre véhicule ou lors d'un démarrage rapide.

• Vous vous rappelez du correcteur de couple présent sur la poulie réceptrice ? Maintenant c'est le moment d'en parler, juste pour compliquer un peu les choses ! Même si le concept est simple en pratique, il demande tout de même un peu d'intuition et un instant d'attention. 
• Comme vous aurez remarqué par rapport au précédent dessin, il apparaît un second ressort sur le dessin ci-contre (en pointillés), il contribue à contrarier le poids des galets. Ce n'est évidemment pas une erreur, il représente le principe de l'action combinée de l'ensemble demi-poulie mobile réceptrice, ressort de compression et correcteur de couple.

• Pour imager la chose, prenons un exemple : essayez d'imaginer que vous tirez une corde (courroie) enroulée sur un écrou (demi-poulie) lui même vissé sur une tige filetée (axe du réducteur). Au moment où vous tirez sur le cordage, l'écrou se vissera sur la tige filetée, avec pour conséquence la translation de l'écrou le long de l'axe, c'est également ce qui se produit pour notre correcteur de couple.

• Une tension violente de la courroie sur la poulie réceptrice déterminera du fait du correcteur de couple, un vissage de la demi-poulie mobile qui par conséquent, entraînera une poussée axiale en s'ajoutant à la force du ressort de compression, ira fermer plus énergiquement la gorge de la poulie réceptrice en écourtant le temps du changement de rapport de démultiplication. 
• Revenons maintenant à notre variateur, et observons ce qui se produit avant, pendant et après une forte accélération.

• Nous allons imaginer que nous nous déplacons à une vitesse telle que le variateur soit dans une condition de rapport moyen/long.

• Une brutale ouverture de la poignée de l'accélérateur, provoquera immédiatement une brusque augmentation de couple et donc de traction sur la courroie.

• La traction brutale de la courroie, va visser la demi-poulie de la poulie réceptrice sur l'axe du réducteur, réduisant ainsi rapidement l'écartement des flasques, en obligeant la courroie à parcourir un diamètre supérieur. Dans le même temps, l'effort supplémentaire apporté par le guide va contrarier et empécher l'écartement des galets du variateur, voire même les obliger à redescendre sur leurs pistes, avec pour conséquence immédiate, un rapport de démultiplication plus court. C'est comme si nous venions d'enclencher un rapport inférieur sur une boite mécanique. 
• Si l'ouverture de l'accélérateur avait été plus faible, ce "super-couple" n'aurait pas eu lieu, et le correcteur de couple ne serait pas entré en action, permettant ainsi à la transmission d'allonger simplement le rapport, sans provoquer l'effet de rétrogradage.
 
• Maintenant voyons si vous avez suivi. et compris : que se passe t'il si, dans les mêmes conditions initiale décrites pour une accélération, nous coupons brutalement les gaz ? ...

• Si vous avez répondu : "La même chose", vous avez tout faux ! Le problème est que vous n'avez pas considéré le sens de vissage de la demi-poulie sur le correcteur de couple. Vous savez l'histoire de la tige filetée et de l'écrou que je vous ai racontée un peu plus haut !!!

• Essayez de prendre entre les mains un ensemble vis et écrou (dans la main gauche la vis, dans la droite l'écrou). En tournant le l'écrou en sens horaire (phase accélération) il se vissera sur l'axe en s'approchant de la tête de la vis.

• En respectant le même sens de rotation que précédemment, et toujours avec la main droite, tournez maintenant la vis (phase de décélération) et vous vous apercevrez que le l'écrou tendra à se dévisser. 
• Dans la phase considérée (décélération) ce n'est plus le moteur qui détermine la traction sur la courroie, car l'entraînement est maintenant provoqué par la roue ou plus précisément, par l'axe du réducteur. Toutes les forces se renversent et comme tel on renverse le sens de vissage de la demi-poulie, et l'effet engendré par le correcteur de couple agit en sens contraire de la poussée du ressort de compression, et tendra à fermer encore plus la gorge de la poulie réceptrice. Ce phénomène va donc accélérer la descente des galets dans le variateur, en allongeant le rapport de transmission.

• Voilà enfin expliqué pourquoi les scooters ont un mauvais frein moteur. En effet, au moment où nous aurions besoin de rapports plus courts, le variateur nous laisse sur l'équivalent du 5 ème rapport d'une boite de vitesse.

• Ce phénomène est encore plus amplifié si vous avez monté un ressort de poussée plus dur. Le ressort Malossi par exemple n'apporte pas grand chose en termes de reprises et d'accélération, mais réduit fortement l'efficacité du frein moteur.

• Contrairement aux affirmations de quelques revues spécialisées, même les gros maxi-scooters de la dernière génération sont affectés par ce comportement. Évidemment le problème est masqué par la généreuse cylindrée qui de toute façon réussit à assurer un frein moteur suffisant même avec un rapport de démultiplication long.

• Le seul et unique scooter capable de s'affranchir de cet inconvénient est le Burgman 650 de Suzuki. En effet, pour déplacer les demi-poulies il n'utilise pas les forces centrifuges ni des guides hélicoïdaux, mais le tout est géré par un système électromécanique contrôlé de manière omniprésente par un calculateur embarqué.

• Dans le cas du Burgman 650 de Suzuki, nous n'avons plus à faire à un variateur, mais à une véritable boite de vitesse sans pignons ni synchros. En effet, le fonctionnement est ici totalement différent. Cette "boite" est appelée SECVT (Suzuki Electronically-controlled Continuously Variable Transmission). En Français : Transmission à sélection variable ou séquentielle
La poulie motrice (entrainée directement par le vilebrequin) n'a plus l'écartement des flasques commandé par des galets entrainés par la force centrifuge, mais par un moteur électrique pas à pas asservi par un calculateur prenant en compte un tas de paramètres. Voici sur cette page une petite animation permettant de visualiser le fonctionnement de ce système...
 
Le variateur Toroïdal.  
• Dans les exemples cités plus haut nous avons traité de systèmes de variation continue utilisant une courroie pour faire passer la puissance de la poulie menante à la poulie menée.

• Le variateur du Suzuki Burgman 650 s'est affranchit des pièces d'usure que représenteent les galets mûs par la force centrifuge par un moteur électrique commandant l'ouverture et la fermeture des flasques du variateur, et de la courroie classique en cahoutchouc renforcée par du Kevlar, par une courroie constituée de pièces métalliques articulées entre elles !

• Une troisième technologie est celle des variateurs toroïdaux. À la place d'une courroie on utilise des galets mobiles pressés entre deux disques coaxiaux dessinant un tore, d'où le nom de variateur toroïdal. Ce système n'est pas nouveau (c'est une invention américaine d'un certain Charles Hunt remontant à 1877). Une des difficultés rencontrée pour sa production consiste en des pressions très élevées existant entre les galets et les disques. Ces pressions dites pression de Hertz sont comparables à ce qui existe entre une roue de wagon et un rail de chemin de fer. Le besoin de lubrifier ces points de contacts a nécessité le développement d'huiles dont la viscosité s'accroît lorsqu'elles sont pressées entre deux surfaces et qui peuvent transmettre le couple sans contact des pièces métalliques. Le film d'huile est alors d'une épaisseur de 0,05 à 0,4 micron.
Pour ce type de transmission, la puissance passe par des contacts ponctuels lubrifiés qui doivent transmettre des forces de frottement par la résistance au cisaillement d'un film élastohydrodynamique. Un fluide, dit de «traction» est utilisé à cette fin, en développant un fort coefficient de frottement à haute pression par le biais de la piézoviscosité
 
 
• Sur les images ci-dessus, le variateur toroïdal en position démultiplication maximum. (démarrage)
 
 
• Sur les images ci-dessus, le variateur toroïdal en position intermédiaire. (palier)
 
 
• Sur les images ci-dessus, le variateur toroïdal en position développement maxi. (vitesse maximum)


Photo d'un vario toroïdal Artec. 

Photo d'un vario toroïdal Torotrak.  
Une application en F1 en 2009... 
• Pour 2009, le KERS (Kinetic Energy Recovery System) ou SREC (Système de récupération de l'énergie cinétique) : la récupération de l'énergie dissipée dans les freinages pour relancer les voitures à l'accélération sera mis en place pour 2009. Les sociétés Torotrak et Xtrac ont signé un agrément de licence qui permettra au concepteur et fabricant de boîtes de vitesses de compétition Xtrac de développer un variateur (CVT) toroïdal accouplant un volant d'inertie à la transmission de la future Formule 1. En 2009, la F1 se conformera en effet au nouveau règlement dont le but est d'abaisser les nuisances environnementales de ce sport, notamment en récupérant une partie de l'énergie cinétique dissipée au freinage, partie qui sera stockée pour l'accélération. Xtrac exploitera la technologie du variateur toroïdal développée par Torotrak pour les systèmes de récupération d'énergie cinétiques dans l'industrie du sport automobile et aider ses clients à remplir ces nouveaux engagements. 
 
 
• En freinant de 320 à 80 km/h, une F1 perd une énergie correspondant à 2 500 chevaux! L'écurie qui parviendra mieux que les autres à en récupérer une partie pour la réinjecter dans les roues au moment de l'accélération disposera d'un atout formidable pour gagner les Grands Prix. Ferrari notamment se pencherait sur le SREC depuis 2006 ! Le règlement 2009 mentionne que la puissance maximale générée ou délivrée par le SREC ne doit pas dépasser 60 KW mais il est question de puissance nettement plus élevée dans ce projet. Il y a du travail sur la planche ! 
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