Les convertisseurs hydrodynamiques sont utilisés dans les véhicules lourds pour le transport de charges extrêmement lourdes. Ces systèmes associent un moteur à un élément hydrodynamique, lequel est capable d'absorber une quantité considérable d'énergie thermique. Pour éviter une surchauffe de ces composants, un système de refroidissement est monté à l'arrière de la cabine du véhicule, permettant de dissiper efficacement la chaleur générée par ces éléments. Cette configuration est essentielle pour assurer la performance à long terme des véhicules utilisés dans des conditions de travail exigeantes, telles que celles rencontrées dans le transport de charges lourdes sur de longues distances.

Le rôle principal de l’arbre de transmission, ou arbre à vis, est de transmettre le couple entre la transmission, le boîtier de transfert et les essieux motrices. En permettant de relier deux axes de rotation non alignés, cet arbre assure une flexibilité mécanique nécessaire pour compenser les mouvements relatifs entre les différents composants du véhicule. Lors des déplacements du véhicule, le moteur et les essieux sont soumis à des mouvements dus à la suspension, ce qui nécessite un arbre de transmission capable de compenser ces déplacements à la fois angulaires et longitudinaux. Les articulations universelles, souvent appelées joints de Cardan, et d’éventuels adaptateurs de longueur, sont utilisés pour permettre une transmission fluide du mouvement, même lorsque les axes ne sont pas parfaitement alignés.

L’un des paramètres clés dans la conception de l’arbre de transmission est l’angle de déflexion, c’est-à-dire l’angle entre l'axe de l'arbre et l'axe de rotation du composant qu'il entraîne. Plus cet angle est grand, plus l'articulation universelle subit de contraintes, augmentant ainsi les vibrations, le bruit et l'usure des composants. Un bon ingénieur devra donc ajuster l'alignement des composants principaux (moteur, transmission et essieux) pour minimiser cet angle de déflexion, optimisant ainsi la performance et la durabilité du système.

Dans les cas de transmissions longues, l’arbre de transmission peut être équipé de paliers intermédiaires pour soutenir la structure et garantir la stabilité du mouvement. Certains véhicules, comme ceux équipés d'un essieu à entraînement transversal ou d'un boîtier de transfert, nécessitent plusieurs arbres de transmission pour garantir un transfert efficace de la puissance à toutes les roues motrices. Ces systèmes multi-arbres sont essentiels dans les configurations complexes, telles que celles utilisées dans les poids lourds tout-terrain ou dans des véhicules spécialisés dans les terrains difficiles.

Les rétardeurs jouent un rôle clé dans la gestion de la vitesse et la sécurité de conduite des véhicules lourds. Ce sont des systèmes de freinage sans usure, qui peuvent être installés en complément des freins à disque classiques et des freins moteurs. Les rétardeurs permettent d’effectuer certaines opérations de freinage, comme le freinage de régulation pour réduire en douceur la vitesse du véhicule ou le freinage auxiliaire pour maintenir une vitesse constante lors de la descente de pentes. En réduisant ainsi l'utilisation des freins principaux, les rétardeurs prolongent leur durée de vie et diminuent les coûts de maintenance. De plus, ils évitent la surchauffe des freins principaux, garantissant leur efficacité même lors de freinages intensifs.

Les rétardeurs peuvent être classés en deux catégories : les rétardeurs primaires et secondaires. Les rétardeurs secondaires, installés derrière la transmission, sont activés en fonction de la vitesse de rotation des roues. Ils permettent une puissance de freinage plus élevée lorsque la vitesse de rotation est importante, mais leur effet est moins significatif à basse vitesse. En revanche, les rétardeurs primaires, situés avant la transmission, agissent en fonction de la vitesse des roues et du rapport de démultiplication de la transmission, permettant ainsi un contrôle plus précis de la puissance de freinage à basse vitesse.

Les rétardeurs hydrodynamiques, en particulier, exploitent un principe basé sur la conversion de l'énergie cinétique en énergie thermique. Un rotor tourne à l'intérieur d'un boîtier, et lorsque le freinage est nécessaire, un fluide est injecté dans le système. Le rotor, en tournant dans ce fluide, lui transmet son énergie cinétique, créant ainsi une résistance qui ralentit le mouvement. Ce processus génère de la chaleur, qui est ensuite dissipée via un échangeur thermique relié au système de refroidissement du moteur du véhicule.

L’un des avantages majeurs des rétardeurs hydrodynamiques est leur capacité à fonctionner sans contact direct avec les surfaces mobiles, ce qui réduit l’usure. Cependant, cette solution nécessite un système de refroidissement efficace pour dissiper la chaleur générée. Les rétardeurs hydrodynamiques peuvent être intégrés au circuit d’huile de la transmission et sont souvent associés à des systèmes comme l'Intarder de MAN, qui permet une régulation fine de l'effet de freinage en fonction de la quantité de fluide injectée dans le rétardeur.

La gestion thermique dans ces systèmes est cruciale pour leur performance et leur fiabilité. En effet, le fluide de freinage doit être régulièrement refroidi pour éviter tout dommage au système, et un échangeur thermique est généralement utilisé pour transférer la chaleur vers le circuit de refroidissement du moteur. Ce système de gestion thermique fait partie intégrante de la conception d’un véhicule lourd, où la gestion de l'énergie thermique est essentielle à la sécurité et à la durabilité des composants.

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Quels sont les différents types de rétardeurs et leur fonctionnement?

Le fonctionnement continu d'un rétarder est limité par la capacité du système de refroidissement. Lorsque ce système n’est plus en mesure d'absorber davantage de chaleur, car l'eau réfrigérante a atteint sa température maximale, l'effet de freinage du rétarder doit être réduit afin d'éviter d’endommager le véhicule. Une fois que l’action de freinage est terminée, le fluide est expulsé de la chambre rotor-stator du rétarder. Cette action de pompage est réalisée grâce à l'effet de raclage du rotor lui-même. Lorsque le rétarder tourne librement, c'est-à-dire lorsqu’aucune action de freinage n’est sollicitée, le rotor tourne dans l’air contenu dans le boîtier du rétarder. Cette rotation produit également un léger effet de freinage (indésirable). Afin de limiter cet effet, certains rétardeurs sont équipés d'un ressort qui repousse le rotor du stator. Ainsi, l’air peut circuler presque librement dans la chambre. Si l'on souhaite éliminer totalement la friction indésirable, il est possible de découpler le rétarder à l'aide d'un embrayage, ne le reliant au train de transmission que pendant les phases de freinage.

Les rétardeurs à liquide de refroidissement sont un concept optimisé en termes de poids, fonctionnant directement avec l’eau réfrigérante du circuit de refroidissement du moteur comme milieu de travail. Il n’existe donc pas de circuit d’huile spécifique au rétarder. Par conséquent, l'échangeur de chaleur entre le circuit d'huile et celui de l'eau réfrigérante du moteur devient inutile. De même, l’huile du rétarder et le réservoir d'huile ne sont plus nécessaires, ce qui permet de réduire à la fois le poids et les coûts, tout en éliminant les frais d'entretien liés à l’huile du rétarder. Ce concept a été réalisé à la fois sous forme de rétarder primaire et secondaire, bien que ce dernier n’ait pas rencontré un grand succès commercial.

Les rétardeurs inductifs utilisent les courants de Foucault pour créer une force de freinage. Ces courants sont générés dans des conducteurs métalliques qui se déplacent dans des champs magnétiques. Le principe d’induction est simple : lorsqu'un conducteur électrique traverse perpendiculairement un champ magnétique, une différence de potentiel est induite dans ce métal, créant des courants de Foucault. Selon la loi de Lenz, ces courants génèrent leur propre champ magnétique qui s’oppose au mouvement du conducteur, provoquant un ralentissement. Cette énergie cinétique est ensuite transformée en chaleur, qui est dissipée dans l'environnement. Ce type de freinage est couramment utilisé dans la technologie ferroviaire.

Dans les rétardeurs à aimants permanents, des aimants puissants sont situés dans le stator. Ce dernier est équipé d’un collier de pièces polaires mobiles qui peuvent être déplacées à différentes positions par rapport aux aimants permanents. Selon la position de ces pièces, les lignes de champ magnétique des aimants traversent ou non le rotor. Si elles le traversent, une force de Lorentz est induite dans le rotor, opposée à la direction du mouvement, ce qui ralentit le rotor. Le rotor, chauffé par le courant induit, dispose généralement d’une structure nervurée pour maximiser la dissipation thermique. Ce type de rétarder est apprécié pour sa légèreté et sa simplicité d'intégration dans le véhicule.

Les rétardeurs à électroaimants fonctionnent selon un principe similaire à celui des rétardeurs à aimants permanents, mais la différence réside dans la génération du champ magnétique. Ce champ est créé par des bobines électromagnétiques, qui sont activées ou désactivées en fonction des besoins de freinage, selon que le conducteur ou le système de gestion électronique de freinage demande un effet de freinage. Lorsque l’électricité est interrompue, l’effet de freinage cesse.

Le frein moteur, bien que ne faisant pas partie du système de rétardeur, est souvent mentionné dans ce contexte pour sa capacité à offrir un freinage sans usure. Ce système augmente la résistance de rotation du moteur, ce qui ralentit le véhicule. L'utilisation du frein moteur est optimale à faible vitesse et dans des rapports de transmission bas. À des vitesses plus élevées, le frein moteur devient moins efficace, et c'est alors qu'un rétarder secondaire se révèle plus efficace. Dans ce contexte, les rétardeurs secondaires et les freins moteurs puissants sont souvent considérés comme des systèmes complémentaires.

Enfin, il est essentiel de comprendre que chaque type de rétarder présente des avantages et des inconvénients en fonction des besoins spécifiques du véhicule. Par exemple, les rétardeurs à aimants permanents sont légers et simples à intégrer, tandis que les rétardeurs à électroaimants offrent une flexibilité d'activation mais nécessitent une source d'alimentation électrique. Il est également crucial de prendre en compte les exigences de dissipation thermique et les effets sur la dynamique du véhicule. En outre, bien que ces systèmes soient efficaces pour ralentir le véhicule sans usure des composants, leur capacité de refroidissement est toujours une considération clé, car la chaleur générée lors de l’opération doit être gérée efficacement pour éviter des défaillances.

Comment la résistance à la conduite et la conception de la transmission influencent-elles la performance des véhicules lourds?

La résistance à la conduite se compose de plusieurs éléments interconnectés qui dépendent de la vitesse et du poids du véhicule. En effet, pour surmonter la pente, il est nécessaire de surmonter une résistance liée à la gravité et aux roulements, tout en tenant compte de la traînée aérodynamique dépendant de la vitesse. La formule mathématique qui décrit cette résistance à la conduite s’écrit comme suit :

Fconduite=12⋅ρ⋅v⋅A⋅cd+mtotal⋅g⋅croll⋅cos⁡(α)+mtotal⋅g⋅sin⁡(α)F_{\text{conduite}} = \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot v \cdot A \cdot c_d + m_{\text{total}} \cdot g \cdot c_{\text{roll}} \cdot \cos(\alpha) + m_{\text{total}} \cdot g \cdot \sin(\alpha)

où ρ\rho représente la densité de l'air, vv la vitesse du véhicule, AA la surface frontale, cdc_d le coefficient de traînée aérodynamique, mtotalm_{\text{total}} la masse totale, gg l’accélération due à la gravité, crollc_{\text{roll}} le coefficient de résistance au roulement et α\alpha l’angle de la pente.

Ce modèle de résistance à la conduite montre qu’à mesure que la vitesse augmente, la résistance devient de plus en plus dominée par la traînée aérodynamique, qui croît avec le carré de la vitesse. Cependant, pour les véhicules commerciaux lourds, la pente du terrain joue un rôle bien plus important. Les véhicules doivent disposer de suffisamment de force pour surmonter les pentes, ce qui fait de la puissance du moteur un facteur crucial dans la conception de ces véhicules. La force maximale théorique disponible pour surmonter cette résistance est directement liée à la puissance maximale du moteur, et peut être exprimée par la formule suivante :

Fmax theˊorique=PmaxvF_{\text{max théorique}} = \frac{P_{\text{max}}}{v}

Les courbes de traction, souvent appelées hyperboles de traction, montrent la force maximale théorique disponible en fonction de la vitesse et de la puissance du moteur. Par exemple, un moteur de 240 kW, 350 kW et 450 kW offre des courbes de traction distinctes, permettant de visualiser l’évolution de la force de traction avec la vitesse du véhicule. Si la force disponible égale la résistance à la conduite, le véhicule maintient une vitesse constante. Si la force est insuffisante, le véhicule perdra de la vitesse, et inversement, un excédent de force permettra au véhicule d’accélérer.

En ce qui concerne la transmission, celle-ci sert à convertir le couple et la vitesse de rotation du moteur en couple et vitesse de rotation des roues. Cette conversion est régi par la loi de la conservation de l’énergie, ce qui implique que la puissance entrée dans la transmission est égale à la puissance sortie :

Pin=Min⋅ωin=Pout=Mout⋅ωoutP_{\text{in}} = M_{\text{in}} \cdot \omega_{\text{in}} = P_{\text{out}} = M_{\text{out}} \cdot \omega_{\text{out}}

Le couple et la vitesse de rotation sont inversement proportionnels : lorsque la vitesse de rotation augmente, le couple diminue, et vice versa. Le rapport entre ces deux vitesses est appelé le rapport de transmission. Le rapport de transmission ii peut être défini comme suit :

i=ωinωouti = \frac{\omega_{\text{in}}}{\omega_{\text{out}}}

L’une des caractéristiques des moteurs diesel modernes est que la plage de vitesses du moteur dans laquelle la puissance est maximale varie généralement entre 800 et 2000 tr/min. Cependant, pour des raisons d’efficacité énergétique, les moteurs diesel sont souvent utilisés à des vitesses de rotation plus basses, environ 1100-1200 tr/min, ce qui permet de minimiser la consommation de carburant tout en assurant une performance adéquate.

Le rapport de transmission, en combinaison avec le rapport du pont arrière et le rayon de roue dynamique, détermine la vitesse du véhicule en fonction de la vitesse de rotation du moteur. Cette relation peut être formulée ainsi :

vveˊhicule=2πnmoteurrdynitransmission⋅ipont arrieˋrev_{\text{véhicule}} = \frac{2 \pi n_{\text{moteur}} r_{\text{dyn}}}{i_{\text{transmission}} \cdot i_{\text{pont arrière}}}

Ce calcul permet de définir des paramètres précis pour la conception de la transmission, en particulier dans les véhicules lourds utilisés pour des trajets longs. Par exemple, une vitesse de croisière optimale à environ 89 km/h, avec une plage de 1170 tr/min pour le moteur, conduit à un rapport de pont arrière de 2,63. Les transmissions modernes sont souvent conçues avec un rapport de transmission faible pour améliorer l’efficacité du moteur à faible régime, favorisant ainsi des économies de carburant.

Les véhicules longs courriers, utilisés dans des profils de conduite modérés à lourds, bénéficient également de rapports de transmission qui favorisent la conduite à faible régime tout en maintenant une bonne performance sur les routes.

L'un des points cruciaux à comprendre dans le contexte des véhicules lourds est l’équilibre entre la performance du moteur, la conception de la transmission, et la capacité du véhicule à maintenir une vitesse constante tout en surmontant les résistances. En particulier, le choix d'un rapport de transmission adapté à la situation de conduite spécifique (trajets longs, pentes, etc.) peut faire une différence substantielle en termes d'efficacité énergétique et de consommation de carburant.

Quel est le rôle des rapports de démultiplication dans un système de transmission ?

Le système de transmission à vis sans fin, en particulier celui des transmissions à plusieurs axes, repose sur une configuration minutieuse des rapports de démultiplication et des agencements des arbres pour obtenir une efficacité optimale. Un aspect central de cette technologie est l’alignement et la configuration des arbres, qui influencent de manière significative la performance du système.

La configuration la plus courante d'un système de vis sans fin est celle à deux arbres, présentée sous forme de diagramme dans le chapitre précédent. Cette transmission peut aussi être agencée avec trois arbres, où deux arbres intermédiaires (contre-arbres) sont utilisés pour entraîner un arbre de sortie commun. L'avantage d'une telle configuration réside dans le fait que la force agit simultanément sur deux systèmes d'engrenages, ce qui permet soit de réduire l'épaisseur des dents par rapport à une transmission à deux arbres, soit de transmettre un couple plus élevé sans augmenter la taille des dents.

Les rapports de démultiplication entre les différents engrenages d'une transmission sont liés de manière directe au nombre de dents sur les roues dentées, à travers lesquelles passe le flux de force. La formule qui permet de calculer le rapport de démultiplication dans une transmission à deux étages repose sur cette relation. Par exemple, si z_i représente le nombre de dents de l’engrenage sur l’arbre d’entrée et z_o celui de l’engrenage sur l’arbre de sortie, le rapport de démultiplication s’établit ainsi : ω_in / ω_out = (z_countershaft1 * z_o) / (z_i * z_countershaft2). En simplifiant, ce rapport donne une idée de la manière dont la vitesse de rotation de l’arbre d’entrée est modifiée pour entraîner l’arbre de sortie.

Un autre aspect fondamental dans la transmission des véhicules est la nécessité de comprendre l’importance des incréments de rapports. L'incrément entre deux rapports successifs (φ) détermine la fluidité du passage de vitesses et l’efficacité globale de la transmission. Plus cet incrément est faible, plus les rapports sont proches les uns des autres, ce qui peut améliorer la performance du véhicule en offrant des changements de vitesse plus progressifs.

Les pertes liées à la friction sont inévitables dans tout système de transmission mécanique. Ces pertes peuvent être classées en deux catégories : les pertes liées à la charge, qui augmentent avec la force transmise, et les pertes non liées à la charge, qui restent constantes. Les principaux responsables de ces pertes sont les systèmes d’engrenages eux-mêmes, les frottements des roulements, les joints, ainsi que les pertes dues à la pompe à huile et à l'huile en éclaboussure dans le boîtier de transmission.

Dans un effort pour minimiser ces pertes, on cherche à améliorer la conception du système d'engrenages, notamment par l’adoption de la transmission directe, qui permet de connecter directement l’arbre d’entrée à l’arbre de sortie, réduisant ainsi les frictions internes. Cependant, même avec cette configuration plus efficace, une certaine perte de puissance due à la friction reste inévitable, et cette énergie est convertie en chaleur, ce qui peut entraîner un échauffement du système de transmission. Dans ce cas, un refroidisseur d'huile devient indispensable pour maintenir la température sous contrôle, surtout dans les transmissions haute puissance.

Il est important de souligner que l’évolution technologique ne cesse de chercher des moyens de réduire les pertes et d’augmenter l’efficacité globale des transmissions. Les innovations récentes ont permis de concevoir des transmissions avec des rapports plus fins et des systèmes de lubrification plus performants, réduisant ainsi la perte d'énergie tout en améliorant la durabilité des composants.

En conclusion, pour un bon fonctionnement de la transmission, il est crucial de comprendre non seulement les principes des rapports de démultiplication et des agencements d’arbres, mais aussi l'impact des frictions internes et des pertes thermiques. Ces éléments sont essentiels pour maximiser l'efficacité énergétique et la longévité du système, tout en garantissant une conduite fluide et sans accroc. Le maintien d'une température optimale et une gestion précise des rapports de vitesse permettent d’atteindre un compromis parfait entre performance et consommation d’énergie.

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