Convertisseur de couple - Torque converter

Découpe du convertisseur de couple ZF
Un modèle en coupe d'un convertisseur de couple

Un convertisseur de couple est un type de couplage hydraulique qui transfère la puissance rotative d'un moteur principal , comme un moteur à combustion interne , à une charge entraînée rotative. Dans un véhicule à transmission automatique , le convertisseur de couple relie la source d'alimentation à la charge. Il est généralement situé entre la plaque flexible du moteur et la transmission. L'emplacement équivalent dans une transmission manuelle serait l' embrayage mécanique .

La principale caractéristique d'un convertisseur de couple est sa capacité à augmenter le couple lorsque la vitesse de rotation de sortie est si faible qu'il permet au fluide provenant des aubes incurvées de la turbine d'être dévié du stator alors qu'il est verrouillé contre son embrayage unidirectionnel. , fournissant ainsi l'équivalent d'un réducteur . Il s'agit d'une caractéristique au-delà de celle du simple coupleur hydraulique, qui peut correspondre à la vitesse de rotation mais ne multiplie pas le couple et réduit ainsi la puissance.

Systèmes hydrauliques

La forme de loin la plus courante de convertisseur de couple dans les transmissions automobiles est le dispositif hydrocinétique décrit dans cet article. Il existe également des systèmes hydrostatiques largement utilisés dans les petites machines telles que les pelles compactes .

Systèmes mécaniques

Il existe également des conceptions mécaniques pour les transmissions à variation continue et celles-ci ont également la capacité de multiplier le couple. Ils comprennent le convertisseur de couple Constantinesco à pendule , la transmission à disque à engrenage à friction Lambert et le Variomatic avec poulies expansibles et entraînement par courroie.

Usage

Fonction

Théorie du fonctionnement

Les équations du mouvement du convertisseur de couple sont régies par l' équation de la turbomachine de Leonhard Euler du XVIIIe siècle :

L'équation se développe pour inclure la cinquième puissance du rayon ; par conséquent, les propriétés du convertisseur de couple dépendent beaucoup de la taille de l'appareil.

Éléments de convertisseur de couple

Un accouplement hydraulique est un entraînement à deux éléments incapable de multiplier le couple, tandis qu'un convertisseur de couple a au moins un élément supplémentaire - le stator - qui modifie les caractéristiques de l'entraînement pendant les périodes de glissement élevé, produisant une augmentation du couple de sortie.

Dans un convertisseur de couple, il y a au moins trois éléments rotatifs : la roue, qui est entraînée mécaniquement par le moteur d' entraînement ; la turbine, qui entraîne la charge ; et le stator, qui est interposé entre la roue et la turbine afin qu'il puisse modifier le flux d'huile revenant de la turbine à la roue. La conception classique du convertisseur de couple impose d'empêcher le stator de tourner dans n'importe quelle condition, d'où le terme stator . En pratique, cependant, le stator est monté sur une roue libre, qui empêche le stator de tourner en sens inverse par rapport au moteur d'entraînement mais permet une rotation vers l'avant.

Des modifications à la conception de base à trois éléments ont été périodiquement incorporées, en particulier dans les applications où une multiplication de couple supérieure à la normale est requise. Le plus souvent, ceux-ci ont pris la forme de plusieurs turbines et stators, chaque ensemble étant conçu pour produire différentes quantités de multiplication de couple. Par exemple, la transmission automatique Buick Dynaflow était une conception sans changement de vitesse et, dans des conditions normales, dépendait uniquement du convertisseur pour multiplier le couple. Le Dynaflow utilisait un convertisseur à cinq éléments pour produire la large gamme de multiplication de couple nécessaire pour propulser un véhicule lourd.

Bien qu'ils ne fassent pas strictement partie de la conception classique des convertisseurs de couple, de nombreux convertisseurs automobiles incluent un embrayage de verrouillage pour améliorer l'efficacité de la transmission de la puissance de croisière et réduire la chaleur. L'application de l'embrayage verrouille la turbine à la roue, rendant toute la transmission de puissance mécanique, éliminant ainsi les pertes associées à l'entraînement par fluide.

Phases opérationnelles

Un convertisseur de couple a trois étapes de fonctionnement :

  • Décrochage . Le moteur principal applique de la puissance à la roue mais la turbine ne peut pas tourner. Par exemple, dans une automobile, cette étape de fonctionnement se produirait lorsque le conducteur a mis la transmission en prise mais empêche le véhicule de se déplacer en continuant à appliquer les freins . Au décrochage, le convertisseur de couple peut produire une multiplication de couple maximale si une puissance d'entrée suffisante est appliquée (la multiplication résultante est appelée le rapport de décrochage ). La phase de décrochage dure en fait pendant une brève période lorsque la charge (par exemple, le véhicule) commence initialement à se déplacer, car il y aura une très grande différence entre la vitesse de la pompe et la vitesse de la turbine.
  • Accélération . La charge accélère mais il y a encore une différence relativement importante entre la vitesse de la roue et la vitesse de la turbine. Dans ces conditions, le convertisseur produira une multiplication de couple inférieure à ce qui pourrait être obtenu dans des conditions de décrochage. La quantité de multiplication dépendra de la différence réelle entre la vitesse de la pompe et de la turbine, ainsi que de divers autres facteurs de conception.
  • Couplage . La turbine a atteint environ 90 pour cent de la vitesse de la roue. La multiplication du couple a pratiquement cessé et le convertisseur de couple se comporte d'une manière similaire à un simple accouplement hydraulique. Dans les applications automobiles modernes , c'est généralement à ce stade de fonctionnement que l'embrayage de verrouillage est appliqué, une procédure qui tend à améliorer le rendement énergétique .

La clé de la capacité du convertisseur de couple à multiplier le couple réside dans le stator. Dans la conception classique de l'accouplement hydraulique , les périodes de glissement élevé font que le flux de fluide revenant de la turbine à la roue s'oppose au sens de rotation de la roue, entraînant une perte d'efficacité significative et la génération d'une chaleur perdue considérable . Dans les mêmes conditions dans un convertisseur de couple, le fluide de retour sera redirigé par le stator afin qu'il facilite la rotation de la roue au lieu de l'entraver. Le résultat est qu'une grande partie de l'énergie dans le fluide de retour est récupérée et ajoutée à l'énergie appliquée à la roue par le moteur d'entraînement. Cette action provoque une augmentation substantielle de la masse de fluide dirigée vers la turbine, produisant une augmentation du couple de sortie. Étant donné que le fluide de retour se déplace initialement dans une direction opposée à la rotation de la roue, le stator tentera également de contre-roter en forçant le fluide à changer de direction, un effet qui est empêché par l' embrayage de stator unidirectionnel .

Contrairement aux aubes radialement droites utilisées dans un couplage fluide simple, la turbine et le stator d'un convertisseur de couple utilisent des aubes coudées et incurvées. La forme des pales du stator est ce qui modifie le trajet du fluide, le forçant à coïncider avec la rotation de la roue. La courbe d'adaptation des aubes de turbine permet de diriger correctement le fluide de retour vers le stator afin que ce dernier puisse faire son travail. La forme des pales est importante car des variations mineures peuvent entraîner des changements significatifs dans les performances du convertisseur.

Pendant les phases de calage et d'accélération, au cours desquelles se produit la multiplication du couple, le stator reste immobile grâce à l'action de son embrayage unidirectionnel. Cependant, au fur et à mesure que le convertisseur de couple approche de la phase de couplage, l'énergie et le volume du fluide revenant de la turbine diminueront progressivement, entraînant une diminution de la pression sur le stator. Une fois dans la phase de couplage, le fluide de retour inversera la direction et tournera maintenant dans la direction de la roue et de la turbine, un effet qui tentera de faire tourner le stator vers l'avant. À ce stade, l'embrayage du stator se relâche et la roue, la turbine et le stator tournent tous (plus ou moins) comme un tout.

Inévitablement, une partie de l' énergie cinétique du fluide sera perdue en raison de la friction et de la turbulence, provoquant la génération de chaleur perdue par le convertisseur (dissipée dans de nombreuses applications par refroidissement par eau). Cet effet, souvent appelé perte de pompage, sera le plus prononcé dans les conditions de décrochage ou à proximité. Dans les conceptions modernes, la géométrie des pales minimise la vitesse de l'huile à de faibles vitesses de turbine, ce qui permet à la turbine de caler pendant de longues périodes avec peu de risque de surchauffe (comme lorsqu'un véhicule avec une transmission automatique est arrêté à un feu de circulation ou dans des embouteillages pendant que toujours en prise).

Rendement et multiplication de couple

Un convertisseur de couple ne peut pas atteindre une efficacité de couplage de 100 pour cent. Le convertisseur de couple classique à trois éléments a une courbe de rendement qui ressemble à : rendement nul au décrochage, rendement généralement croissant en phase d'accélération et faible rendement en phase de couplage. La perte d'efficacité lorsque le convertisseur entre dans la phase de couplage est le résultat de la turbulence et de l'interférence d'écoulement de fluide générées par le stator, et comme mentionné précédemment, est généralement surmontée en montant le stator sur un embrayage unidirectionnel.

Même avec l'avantage de l'embrayage statorique unidirectionnel, un convertisseur ne peut pas atteindre le même niveau d'efficacité dans la phase d'accouplement qu'un accouplement hydraulique de taille équivalente. Une certaine perte est due à la présence du stator (même s'il tourne dans le cadre de l'assemblage), car il génère toujours des turbulences d'absorption de puissance. La plupart des pertes, cependant, sont causées par les aubes de turbine incurvées et inclinées, qui n'absorbent pas l'énergie cinétique de la masse fluide ainsi que les aubes radialement droites. Étant donné que la géométrie des aubes de turbine est un facteur crucial dans la capacité du convertisseur à multiplier le couple, les compromis entre la multiplication du couple et l'efficacité du couplage sont inévitables. Dans les applications automobiles, où des améliorations constantes de l'économie de carburant ont été imposées par les forces du marché et un décret gouvernemental, l'utilisation presque universelle d'un embrayage de verrouillage a aidé à éliminer le convertisseur de l'équation d'efficacité pendant les opérations de croisière.

La quantité maximale de multiplication de couple produite par un convertisseur dépend fortement de la taille et de la géométrie de la turbine et des aubes de stator, et n'est générée que lorsque le convertisseur est en phase de décrochage ou près de la phase de fonctionnement. Les rapports de multiplication de couple de décrochage typiques vont de 1,8:1 à 2,5:1 pour la plupart des applications automobiles (bien que les conceptions à éléments multiples comme celles utilisées dans les Buick Dynaflow et Chevrolet Turboglide puissent en produire davantage). Les convertisseurs spécialisés conçus pour les systèmes de transmission d'énergie industriels, ferroviaires ou marins lourds sont capables de multiplier jusqu'à 5,0:1. De manière générale, il existe un compromis entre la multiplication de couple maximale et l'efficacité : les convertisseurs à rapport de décrochage élevé ont tendance à être relativement inefficaces en dessous de la vitesse de couplage, tandis que les convertisseurs à faible rapport de décrochage ont tendance à fournir une multiplication de couple moins possible.

Les caractéristiques du convertisseur de couple doivent être soigneusement adaptées à la courbe de couple de la source d'alimentation et à l'application prévue. La modification de la géométrie des pales du stator et/ou de la turbine modifiera les caractéristiques couple-décrochage, ainsi que l'efficacité globale de l'unité. Par exemple, les transmissions automatiques de courses de dragsters utilisent souvent des convertisseurs modifiés pour produire des vitesses de décrochage élevées afin d'améliorer le couple hors ligne et d'entrer plus rapidement dans la bande de puissance du moteur. Les véhicules routiers utilisent généralement des convertisseurs de couple à décrochage inférieurs pour limiter la production de chaleur et donner une sensation plus ferme aux caractéristiques du véhicule.

Une caractéristique de conception que l'on trouvait autrefois dans certaines transmissions automatiques de General Motors était le stator à pas variable, dans lequel l' angle d'attaque des pales pouvait être modifié en réponse aux changements de régime et de charge du moteur. L'effet de ceci était de faire varier la quantité de multiplication de couple produite par le convertisseur. À l'angle d'attaque normal, le stator a amené le convertisseur à produire une quantité modérée de multiplication mais avec un niveau d'efficacité plus élevé. Si le conducteur ouvrait brusquement les gaz, une soupape ferait passer le pas du stator à un angle d'attaque différent, augmentant la multiplication du couple au détriment de l'efficacité.

Certains convertisseurs de couple utilisent plusieurs stators et/ou plusieurs turbines pour fournir une plus large plage de multiplication de couple. De tels convertisseurs à éléments multiples sont plus courants dans les environnements industriels que dans les transmissions automobiles, mais des applications automobiles telles que la Triple Turbine Dynaflow de Buick et la Turboglide de Chevrolet existaient également. La Buick Dynaflow a utilisé les caractéristiques de multiplication de couple de son train planétaire en conjonction avec le convertisseur de couple pour les vitesses basses et a contourné la première turbine, n'utilisant que la deuxième turbine à mesure que la vitesse du véhicule augmentait. Le compromis inévitable avec cet arrangement était une faible efficacité et finalement ces transmissions ont été abandonnées en faveur des unités à trois vitesses plus efficaces avec un convertisseur de couple conventionnel à trois éléments. On constate également que l'efficacité du convertisseur de couple est maximale à très basse vitesse.

Convertisseurs de couple à verrouillage

Comme décrit ci-dessus, les pertes d'impulsion dans le convertisseur de couple réduisent l'efficacité et génèrent de la chaleur perdue. Dans les applications automobiles modernes, ce problème est généralement évité par l'utilisation d'un embrayage de verrouillage qui relie physiquement la roue et la turbine, transformant efficacement le convertisseur en un accouplement purement mécanique. Le résultat est aucun glissement et pratiquement aucune perte de puissance.

La première application automobile du principe de blocage était Packard s » Ultramatic transmission, déposé en 1949, qui enferme le convertisseur à une vitesse de croisière, le déverrouillage lorsque le papillon des gaz a été terrassé pour une accélération rapide ou que le véhicule ralentit. Cette caractéristique était également présente dans certaines transmissions Borg-Warner produites au cours des années 1950. Il est tombé en disgrâce au cours des années suivantes en raison de sa complexité et de son coût supplémentaires. À la fin des années 1970, les embrayages de verrouillage ont commencé à réapparaître en réponse aux demandes d'amélioration de l'économie de carburant et sont maintenant presque universels dans les applications automobiles.

Capacité et modes de défaillance

Comme avec un couplage fluide de base, la capacité de couple théorique d'un convertisseur est proportionnelle à , où est la masse volumique du fluide (kg/m 3 ), est la vitesse de la roue ( tr/min ) et est le diamètre (m). En pratique, la capacité de couple maximale est limitée par les caractéristiques mécaniques des matériaux utilisés dans les composants du convertisseur, ainsi que par la capacité du convertisseur à dissiper la chaleur (souvent par refroidissement par eau). Afin d'améliorer la résistance, la fiabilité et l'économie de production, la plupart des boîtiers de convertisseurs automobiles sont de construction soudée. Les unités industrielles sont généralement assemblées avec des boîtiers boulonnés, une caractéristique de conception qui facilite le processus d'inspection et de réparation, mais augmente le coût de production du convertisseur.

Dans les convertisseurs commerciaux haute performance, de course et à usage intensif, la pompe et la turbine peuvent être encore renforcées par un processus appelé brasage au four , dans lequel le laiton fondu est aspiré dans les joints et les joints pour produire une liaison plus forte entre les lames, les moyeux et la bague annulaire ( s). Étant donné que le processus de brasage au four crée un petit rayon au point où une aube rencontre un moyeu ou un anneau annulaire, une diminution théorique de la turbulence se produira, entraînant une augmentation correspondante de l'efficacité.

La surcharge d'un convertisseur peut entraîner plusieurs modes de défaillance, dont certains de nature potentiellement dangereuse :

  • Surchauffe : des niveaux élevés et continus de glissement peuvent dépasser la capacité du convertisseur à dissiper la chaleur, entraînant des dommages aux joints en élastomère qui retiennent le fluide à l'intérieur du convertisseur. Cela entraînera une fuite de l'unité et finira par s'arrêter de fonctionner en raison d'un manque de liquide.
  • Grippage de l'embrayage statorique : Les éléments intérieurs et extérieurs de l' embrayage statorique unidirectionnel se bloquent définitivement entre eux, empêchant ainsi le stator de tourner pendant la phase d'accouplement. Le plus souvent, le grippage est précipité par une charge importante et une déformation subséquente des composants de l'embrayage. Finalement, le grippage des pièces d'accouplement se produit, ce qui déclenche la saisie. Un convertisseur avec un embrayage stator grippé présentera un rendement très faible pendant la phase d'accouplement, et dans un véhicule automobile, la consommation de carburant augmentera drastiquement. Une surchauffe du convertisseur dans de telles conditions se produira généralement si un fonctionnement continu est tenté.
  • Rupture de l'embrayage du stator : Une application très brutale de la puissance peut provoquer une charge de choc de l'embrayage du stator, entraînant une rupture. Si cela se produit, le stator tournera librement dans le sens opposé à celui de la pompe et presque aucune transmission de puissance n'aura lieu. Dans une automobile, l'effet est similaire à un cas grave de patinage de la transmission et le véhicule est pratiquement incapable de se déplacer par ses propres moyens.
  • Déformation et fragmentation des aubes : En cas de sollicitation brutale ou d'échauffement excessif du convertisseur, les aubes de pompe et/ou de turbine peuvent se déformer, se séparer de leurs moyeux et/ou bagues annulaires, ou se fragmenter. À tout le moins, une telle défaillance entraînera une perte d'efficacité significative, produisant des symptômes similaires (bien que moins prononcés) à ceux qui accompagnent la défaillance de l'embrayage du stator. Dans les cas extrêmes, une destruction catastrophique du convertisseur se produira.
  • Montgolfière : Un fonctionnement prolongé sous une charge excessive, une application très brutale de la charge ou le fonctionnement d'un convertisseur de couple à très haut régime peuvent entraîner une déformation physique du boîtier du convertisseur en raison de la pression interne et/ou de la contrainte imposée par l'inertie. Dans des conditions extrêmes, le ballonnement provoquera la rupture du boîtier du convertisseur, entraînant la dispersion violente d'huile chaude et de fragments métalliques sur une large zone.

Fabricants

Courant

Passé

Voir également

Les références

  1. ^ Accouplements et convertisseurs hydrodynamiques . Manuel automobile (3e éd.). Robert Bosch . 1993. p. 539. ISBN 0-8376-0330-7.
  2. ^ "Espacenet - Document original" . Worldwide.espacenet.com. 1933-03-07 . Récupéré le 2014-07-21 .
  3. ^ "Copie archivée" . Archivé de l'original le 2010-03-02 . Récupéré le 2009-10-31 .CS1 maint: copie archivée comme titre ( lien )
  4. ^ [1]

Liens externes