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Le broutement - causes et remèdes

o. Prof. Dr.-Ing. Albert Albers

Dipl.-Ing. Daniel Herbst

La définition du broutement

On entend par "broutement" des vibrations générées dans la zone de l'embrayage et se manifestant dans la chaîne cinématique d'un véhicule lors de la phase de glissement de l'embrayage. Cette définition reste volontairement générale et ne tient pas compte des causes de ces vibrations. C'est ainsi qu'elle est généralement comprise dans d'autres publications portant sur le sujet (1). La chaîne cinématique peut aussi entrer en vibration lorsque l'embrayage est fermé, et ce dans une gamme de fréquences similaire à celle du véritable broutement. Ce "pseudo-broutement" se manifeste par exemple à un régime moteur très bas, lorsque les paliers-moteur sont défectueux ou lors d'un embrayage trop brutal. On confond souvent le "pseudo- broutement" avec le vrai broutement. Ce qui génère le broutement et comment il se manifeste L'apparition du broutement est due à des variations périodiques de couples générées pendant la phase de glissement de l'embrayage et se situant dans la gamme de fréquences de la chaîne cinématique, celle-ci étant interrompue, d'un point de vue dynamique, par l'embrayage. La fréquence propre la plus basse enregistrée sur des chaînes cinématiques de voitures particulières se situe alors entre 8 et 12 Hz pour un régime moteur d'environ 480 à 720 tr/min (cas d'une excitation de 1er ordre). 24
Figure 1: Génération et manifestations du broutement Les roues motrices convertissent les vibrations torsionnelles de la chaîne cinématique en une vibration axiale du véhicule. Le broutement se manifeste alors sous forme d'une vibration se propageant dans le sens de la longueur du véhicule, et se transmet au pilote par l'intermédiaire des mécanismes de commande et du siège-conducteur. Il s'agit de vibrations et oscillations désagréables (cf figure 1) auxquelles s'associent

éventuellement des phénomènes sonores.

Pour peu qu'elles se produisent dans la zone de résonance du système, des excitations vibratoires de très faible amplitude suffisent à générer des oscillations dans la chaîne cinématique. Dans le cas par exemple de certaines chaînes cinématiques dont l'embrayage peut transmettre au maximum un couple de 500 Nm, des amplitudes de 1 Nm, donc de

0,2 % (!), peuvent générer des oscillations et provoquer un broutement

parfaitement perceptible. Principes physiques des différents types de broutement Les vibrations de broutement peuvent être générées de deux manières différentes. On distingue: Le broutement par auto-excitation (vibrations de frottement)

Le broutement provoqué

Le broutement par auto-excitation est dû à une variation du coefficient de frottement en fonction de la vitesse de glissement. Pour illustrer ce

25 phénomène, la figure 2 propose un modèle de substitution. Un objet exerce

sur un tapis roulant une pression équivalente à son poids. De ce fait, un frottement se produit entre l'objet et le tapis. Ce dernier se mettant en mouvement, il entraîne l'objet avec lui, du fait de l'adhérence, et provoque ainsi l'extension du ressort. A un certain degré d'extension du ressort, l'objet s'immobilise, car l'effort ressort est équivalent à la force d'adhérence. Il s'ensuit un mouvement relatif entre l'objet et le tapis roulant. Si alors le coefficient de glissement au point de contact est plus faible que le coefficient d'adhérence, le frottement diminue brusquement et le ressort ramène l'objet vers son point de départ, et ce jusqu'à ce que ce dernier, du fait de l'adhérence, soit de nouveau entraîné par le tapis roulant. Le même processus se répète - l'objet entre en vibration. (v) Figure 2: Modèle de substitution représentant l'effet de vibrations par auto-excitation Une oscillation n'est donc possible que lorsque le coefficient de glissement est plus faible que le coefficient d'adhérence, en l'occurrence quand le coefficient de glissement diminue avec l'augmentation de la vitesse, car sinon un équilibre stationnaire s'établit. Lorsque le coefficient de glissement diminue avec l'augmentation de la vitesse, le frottement au point de contact devient un facteur d'excitation supplémentaire, car la force de frottement qui s'oppose à l'effort ressort diminue au moment où s'amorce le glissement, et l'objet subit une accélération d'autant plus forte sous l'effet du ressort qui le retient. C'est le gradient du coefficient de frottement qui constitue en l'occurrence la valeur caractéristique. Il est défini par l'augmentation du coefficient de frottement sur la vitesse de glissement: vdd P

On distingue trois cas de figure (cf figure 3):

26 1. Le coefficient de frottement diminue au fur et à mesure que la

vitesse augmente: Le système, du fait d'un apport supplémentaire d'énergie au moment du couplage, subit une excitation vibratoire. C'est le cas que nous venons d'étudier.

2. Le coefficient de frottement est indépendant de la vitesse de

glissement: le frottement au point de contact se comporte de façon neutre, et l'objet trouve immédiatement une position d'équilibre stationnaire.

3. Le coefficient de frottement augmente avec la vitesse: Le frottement

au point de contact amortit l'effet ainsi produit, car lors du retour au point de départ par effet ressort, la vitesse de glissement augmente, et avec elle la force de frottement, laquelle à son tour freine l'objet. Le système perd ainsi de l'énergie. Dans ce cas également, l'objet se stabilise en position d'équilibre stationnaire. ' > 0 ' = 0 ' < 0amortissant neutre exitant ! vitesse de glissement v coefficient de frottement Figure 3: Profils de base des coefficients de frottement Le broutement provoqué provient d'une source extérieure d'excitation périodique. Là encore le modèle du tapis roulant permet de comprendre le mécanisme d'excitation (cf Figure 4). Une force normale s'exerçant sur l'objet ainsi représenté subit des variations périodiques. La force de frottement s'exerçant entre l'objet et le tapis s'en trouve modifiée, ainsi que du même coup l'effort ressort au même moment et donc la position d'équilibre de l'objet sur le tapis. L'objet entre en vibration sur le tapis à une

27 fréquence égale à celle de la source d'excitation. Si cette dernière est

égale à la fréquence propre du système objet-ressort, cela provoque un peak de fréquences par effet de résonance et l'objet subit des oscillations de fortes amplitudes. Bien évidemmment, le broutement provoqué peut également se manifester pour un coefficient de frottement constant, le phénomène de broutement étant excité dans ce cas par une modulation d'effort extérieure au système. On retrouve aussi l'effet amortisseur du coefficient de frottement augmentant avec la vitesse, lequel empêche l'augmentation des amplitudes d'oscillation dans la zone de résonance.

F(t) F·sin(t)

Figure 4: Modèle de substitution représentant l'effet de vibrations provoquées Le broutement tel qu'il se manifeste dans le véhicule

Mesure et évaluation du broutement

Il y a deux façons d'appréhender les phénomènes de broutement: au moyen de mesures et par évaluation subjective. Dans le premier cas, on place à proximité du conducteur (sur le rail du siège par exemple), un capteur d'accélération qui enregistre les accélérations vibratoires longitudinales du véhicule (figure 5 en haut). Il convient en même temps de mesurer le régime à l'entrée de la boîte de vitesses et le régime moteur (figure 5 en bas). L'avantage de ce procédé réside dans le fait que les mesures sont indépendantes des sensations du conducteur. 28
Figure 5: Accélération longitudinale du véhicule (en haut), régime moteur et régime de la boîte de vitesses (en bas) On ne peut cependant pas faire l'économie de l'évaluation subjective du broutement par un conducteur expérimenté. Ce dernier dispose d'une échelle de cotation allant par exemple de 1 à 10, la note 10 correspondant à un véhicule exempt de tout phénomène de broutement. L'avantage de ce mode d'évaluation subjective réside dans le fait que le conducteur lui- même traduit les sensations de vibrations et de bruits telles qu'ils les perçoit. C'est cette perception subjective des phénomènes, et elle seule, qui est importante vis à vis de la clientèle. Cette dernière étant d'une manière générale de plus en plus exigeante en matière de confort, et du fait des améliorations importantes survenues ces dernières années pour tout ce qui concerne la sensibilité des véhicules aux vibrations et aux bruits, le broutement est critiqué de plus en plus sévèrement. L'échelle d'évaluation s'est décalée vers le haut. Dans le cas de l'évaluation subjective, il faut bien sûr tenir compte de la difficulté qu'il y a à délimiter strictement les différents degrés de cotation, ainsi que de la relative subjectivité de la personne qui évalue. Il convient donc, dans le cadre d'études préalables, d'avoir recours, pour l'exploitation des réponses

29 recueillies, à une méthode statistique rigoureuse. Il est possible, jusqu'à un

certain point, d'opérer une corrélation entre les mesures d'accélération et l'évaluation subjective. Mais nous n'avons pas encore tout à fait les moyens, à l'heure actuelle, d'établir pour les vibrations de broutement une véritable corrélation entre des mesures effectuées indépendamment du véhicule, pouvant faire l'objet de comparaisons objectives, et les sensations subjectives du conducteur.

Modélisation:

On peut représenter la chaîne cinématique d'un véhicule sous forme d'une chaîne d'éléments vibratoires torsionnels constituée de masses tournantes et de liaisons de couplage (ressorts, éléments amortisseurs et frottements). Partant de là, il est possible de construire un modèle de substitution composé de six masses tournantes et permettant de procéder à des simulations. Les principaux paramètres à retenir sont les suivants: le moteur (vibrations axiales du vilebrequin) l'embrayage et le mécanisme de commande l'amortissement de la chaîne cinématique l'ensemble des éléments susceptibles de transmettre des vibrations entre la chaîne cinématique et le véhicule (pneus, suspensions des roues, ...) la caisse du véhicule (en tant que masse inerte) les éléments susceptibles de transmettre des vibrations du véhicule au conducteur (siège, ...) moteurfriction B.V.roue véhicule mécanisme amortisseur de torsionchaîne cinématiquepneumatique train siègechauffeur

Figure 6 Modèle à six masses tournantes

30 Les simulations dont il est question dans les chapitres qui suivent ont été

réalisées à l'aide du programme "TORS"[3] développé par LuK. Il s'agit en l'occurrence de constituer une chaîne composée de masses tournantes reliées entre elles par des éléments de couplages tels que les ressorts, l'amortissement et le frottement de Coulomb. Les modèles de simulation permettent d'identifier, dans la zone de l'embrayage, les mécanismes d'excitation générateurs de broutement, de représenter les fréquences propres de la chaîne cinématique et de visualiser son comportement en termes d'effets ressort et d'amortissement. On peut ainsi procéder à des variations paramétriques fines de l'embrayage et de la chaîne cinématique, l'absence d'influences extérieures parasites permettant une modulation précise et fiable des différents paramètres. Les figure 9 et 10 montrent la concordance entre mesures et simulation.

Le broutement par auto-excitation

Ainsi que nous l'avons expliqué, on parle de vibrations par auto-excitation lorsqu'au moment du réembrayage, pendant la phase de glissement, le coefficient de frottement au point de contact diminue au fur et à mesure que la vitesse augmente, donc lorsque le gradient de ce même coefficient est négatif. Pour les garnitures habituellement utilisées, les gradients des coefficients de frottement se situent entre '= 0 s/m et ' = - 0,015 s/m. La figure 7 montre les profils réels des coefficients de frottement de garnitures d'embrayages. Il apparaît clairement que les gradients de coefficients de frottement qui nous intéressent ici sont très faibles et n'ont rien à voir avec les valeurs excessives fréquemment utilisées dans les schémas de principe (cf figure 3). Certaines garnitures de développement récent présentent d'ores et déjà des gradients positifs. Mais en pratique même les garnitures réputées insensibles au broutement ont un coefficient de frottement qui diminue dans certains contextes de fonctionnement et constituent ainsi un potentiel d'excitation vibratoire. En revanche, il n'existe pas de chaînes cinématiques dépourvues d'éléments amortisseurs, si bien qu'il reste toujours une marge d'amortissement disponible, et qu'on peut aboutir à un véhicule globalement exempt de tout broutement pour peu que le coefficient de frottement de la garniture ne diminue que très légèrement. L'amortissement des chaînes cinématiques des véhicules actuels permet d'admettre un gradient de coefficient de frottement légèrement négatif, jusqu'à

0,002 s/m (cf figure 7). Si, dans la zone critique de la vitesse de glissement,

le coefficient de frottement augmente fortement, il s'ensuit un effet d'amortissement qui peut même éliminer le broutement provoqué. C'est

31 pourquoi il convient de chercher à obtenir un gradient positif du coefficient

de frottement. Mais même dans ce cas le comportement du système peut s'inverser d'un seul coup pour peu que de l'huile, de la graisse ou de l'eau pénètre jusqu'au point de contact. L'effet de l'humidité s'explique ainsi: A vitesse de glissement élevée, le frottement produit plus de chaleur au point de contact. Des bulles de vapeur se forment, provoquant un flottement vibratoire des éléments couplés. Le coefficient de frottement s'en trouve diminué. Le traitement antirouille au nitrite de sodium qu'on appliquait dans le passé empêche bien sûr le bloquage des pièces par la rouille, mais il est hygroscopique. Si bien qu'après une période prolongée d'immobilisation du véhicule par temps humide, il est possible qu'un broutement se produise sous l'effet de l'eau de cristallisation soudain libérée. Le broutement disparaît de nouveau après quelques décollages, l'eau s'étant évaporée. Le nitrite de sodium n'étant appliqué qu'en surface, l'effet décrit ne se produit plus à partir d'un certain degré d'usure des garnitures. On peut en revanche s'attendre à un effet similaire à celui produit par l'eau, dans le cas de garnitures ayant reçu de l'huile ou de la graisse. coefficient de frottement [-]

0,000,200,40

vitesse de glissement v[m/s]' = -0,008 ' = 0

0246810

Figure 7: Profils du coefficient de frottement

32
-0,002 ' [s / m] garniture Agarniture B garniture C -0,007 non critique risque de broutement fort broutement

0garniture D

Figure 8: Gradients du coefficient de frottement pour différentes garnitures

µ´ = - 0,010 s/m

µ´ = - 0,005 s/mmoteur

B.V. temps régime

Figure 9: Broutement de garniture - simulation -

33
moteur B.V. temps régime

Figure 10: Broutement de garniture - mesures

La figure 9 montre les vibrations torsionnelles simulées à l'entrée de la boîte de vitesses pour des variations de coefficients de frottement de ' = - 0,010 s/m et ' = - 0,005 s/m. Dans le premier cas, on voit que l'amplitude continue à augmenter jusqu'à ce qu'elle soit limitée par le régime moteur. Dans le cas d'un gradient de ' = - 0,005 s/m, l'amortissement de la chaîne cinématique et l'excitation vibratoire provenant des garnitures s'équilibrent à peu près. On peut observer, figure

10, qu'en mesurant des vibrations de broutement induites par le coefficient

de frottement, on obtient sensiblement le même résultat.

Le broutement provoqué

Les dispersions de pièces composantes ainsi que les vibrations axiales du vilebrequin entraînent des variations périodiques de l'effort de pression et donc des variations périodiques de couples, celles-ci génèrant à leur tourquotesdbs_dbs10.pdfusesText_16

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