Que sont les accouplements hydrauliques et comment fonctionnent-ils dans les systèmes hydrauliques ?

Introduction

Imaginez essayer de démarrer un énoume tapis roulant industriel ou l’hélice d’un navire en assemblant un embrayage mécanique. La secousse soudaine ferait probablement sauter les vitesses, endommagerait le moteur et créerait une expérience inconfortable pour toute personne à proximité. C'est là que les raccords hydrauliques, également appelés raccords hydrauliques, constituent une solution élégante. Unu lieu d'un contact métal sur métal rigide, ces dispositifs intelligents n'utilisent que du liquide pour transmettre la puissance de manière fluide et efficace d'un arbre rotatif à un autre.

Unccouplements hydrauliques sont utilisés depuis plus d'un siècle, issus des travaux de l'ingénieur allemand Hermann Föttinger, qui a breveté le concept en 1905 . Aujourd'hui, on les trouve partout, de la transmission automatique de votre voiture aux énormes machines industrielles, en passant par les systèmes de propulsion marins et même les locomotives diesel. Mais malgré leur utilisation répandue, de nombreuses personnes ne comprennent pas pleinement ce qu’ils sont ni comment ils fonctionnent.

Qu'est-ce qu'un accouplement hydraulique ?

Définition et concept de base

A accouplement hydraulique -également appelé un couplage fluidique or couplage hydrodynamique - est un dispositif qui transmet la puissance mécanique rotative d'un arbre à un autre en utilisant un liquide, généralement de l'huile, comme moyen de transmission. Contrairement à un embrayage mécanique qui utilise des disques de friction ou à une boîte de vitesses qui utilise des dents imbriquées, un accouplement hydraulique a pas de connexion mécanique directe entre les arbres d'entrée et de sortie. Au lieu de cela, la puissance circule grâce à l’énergie cinétique du fluide.

Le terme « couplage hydraulique » peut en réalité faire référence à deux catégories distinctes de dispositifs, et il est important de comprendre cette distinction. Selon Britannica, il existe deux principaux types de systèmes de transmission de puissance hydraulique :

Cet article se concentre sur accouplements hydrocinétiques , qui sont utilisés pour la transmission de puissance rotative. Les systèmes hydrostatiques (pompes et moteurs hydrauliques) sont une technologie totalement différente, bien qu'ils soient également appelés « hydrauliques ».

Les trois composants principaux

Un coupleur hydraulique simple se compose de trois composants principaux, plus le fluide hydraulique qui remplit la chambre de travail :

Le logement (coquille) – Il s’agit de l’enveloppe extérieure qui contient le fluide et les deux turbines. Il doit avoir des joints étanches à l'huile autour des arbres de transmission pour éviter les fuites. Le boîtier sert également de connexion physique entre l'arbre d'entrée et la roue de la pompe.

La pompe (turbine) – Ce composant en forme de ventilateur est connecté directement à l’arbre d’entrée, qui provient du moteur principal (un moteur électrique, un moteur à combustion interne ou une turbine à vapeur). Lorsque le moteur principal tourne, la pompe tourne avec lui exactement à la même vitesse. La pompe contient des pales radiales (généralement entre 20 et 40) qui poussent et dirigent le fluide.

La Turbine (Coureur) – Ce deuxième composant en forme de ventilateur fait face à la pompe et est connecté à l'arbre de sortie, qui entraîne la charge (comme un convoyeur, une pompe ou une transmission de véhicule). La turbine n'est pas liée mécaniquement à la pompe ; il ne touche que le fluide que la pompe lui jette.

Distinction avec les convertisseurs de couple

Il convient de paser qu'un couplage hydraulique est not la même chose qu'un convertisseur de couple, même si les deux sont souvent confondus. Un accouplement hydraulique de base transmet le couple sans le multiplier : le couple de sortie est égal au couple d'entrée (moins les pertes mineures). En revanche, un convertisseur de couple comprend un composant supplémentaire appelé stator qui redirige le flux de fluide pour multiplier réellement le couple à basse vitesse. Dans les applications automobiles, les convertisseurs de couple ont largement remplacé les simples accouplements hydrauliques depuis la fin des années 1940, car ils offrent de meilleures performances à basse vitesse. Cependant, les coupleurs hydrauliques restent largement utilisés dans les environnements industriels où la multiplication du couple n'est pas nécessaire.

Comment fonctionne un accouplement hydraulique ?

Le principe de Föttinger

Chaque accouplement hydraulique moderne fonctionne sur ce que l'on appelle le Principe de Föttinger , du nom de l'ingénieur allemand qui a breveté le concept en 1905 . Le principe est d'une simplicité trompeuse : une pompe accélère le fluide vers l'extérieur, et ce fluide en mouvement heurte ensuite une turbine, la faisant tourner. Le fluide retourne ensuite à la pompe pour répéter le cycle.

Pensez-y comme à deux ventilateurs se faisant face dans un boîtier scellé rempli d’huile. Si vous allumez un ventilateur (la pompe), ses pales poussent l'huile. Cette huile en mouvement frappe ensuite les pales du deuxième ventilateur (la turbine), la faisant tourner. Le deuxième ventilateur n'est relié au premier par aucun lien solide, mais uniquement par le fluide en mouvement. C’est l’essence de la transmission de puissance hydrodynamique.

Étape par étape : le cycle de transmission de puissance

Voyons exactement ce qui se passe à l'intérieur d'un couplage hydraulique pendant un fonctionnement normal.

Étape 1 – Le moteur principal fait tourner la pompe

Le moteur ou le moteur électrique fait tourner l’arbre d’entrée, qui est relié à la roue de la pompe. Lorsque la pompe tourne, ses pales radiales captent le fluide hydraulique (généralement de l'huile) à l'intérieur du boîtier d'accouplement. Les pales sont inclinées de manière à projeter le fluide vers l'extérieur et tangentiellement, un peu comme une pompe centrifuge.

Étape 2 – Le fluide gagne de l’énergie cinétique

La pompe transmet au fluide un mouvement linéaire vers l'extérieur et un mouvement de rotation. À mesure que le fluide se déplace du centre de la pompe vers le bord extérieur, il gagne une énergie cinétique importante. Plus la pompe tourne vite, plus le fluide absorbe d’énergie. La relation est proportionnelle au carré de la vitesse d'entrée : le couple transmis augmente avec le carré de la vitesse d'entrée, tandis que la puissance transmise augmente avec le cube de la vitesse d'entrée.

Étape 3 – Le fluide frappe les pales de la turbine

Le fluide sous tension est dirigé par la forme de la pompe vers la turbine (runner). Étant donné que la pompe et la turbine se font face avec un petit espace entre elles, le fluide traverse cet espace et impacte les aubes de la turbine. La force de cet impact transfère le moment cinétique du fluide à la turbine, la faisant tourner dans le sens même direction comme la pompe.

Étape 4 – Le fluide retourne à la pompe

Après avoir cédé la majeure partie de son énergie à la turbine, le fluide retourne vers le centre de l'accouplement et rentre dans la pompe. Cela crée une continuité modèle d'écoulement toroïdal —le fluide circule autour d'un chemin en forme de beignet (un tore) à l'intérieur du raccord. Tant que la pompe continue de tourner, le fluide continue de circuler et de transmettre le couple.

Étape 5 – Le couple est transmis à la charge

La turbine est reliée à l'arbre de sortie, qui entraîne la charge. Lorsque la turbine tourne, elle fait tourner l'arbre de sortie, fournissant ainsi une puissance mécanique à la machine connectée, qu'il s'agisse d'un tapis roulant, d'une turbine de pompe, d'une transmission de véhicule ou d'une hélice de navire.

Le chemin d'écoulement des fluides (circulation toroïdale)

Le mouvement du fluide à l’intérieur d’un couplage hydraulique suit un fascinant chemin toroïdal (en forme de beignet). Cette motion comporte deux volets :

• Flux circulaire – Le fluide tourne autour de l’axe de rotation, en suivant la circonférence de l’accouplement.
• Flux méridional – Le fluide passe de la pompe à la turbine et vice-versa, créant une boucle de recyclage.

Lorsque les arbres d’entrée et de sortie tournent à la même vitesse, il n’y a pas de flux net d’une turbine à l’autre : le fluide tourne simplement sur place. Mais quand il y a un différence de vitesse entre la pompe et la turbine (qui existe toujours sous charge), le fluide s'écoule vigoureusement de la pompe à la turbine, transmettant le couple.

Principales caractéristiques opérationnelles

Glissement – La différence de vitesse inévitable

L'une des caractéristiques les plus importantes de tout coupleur hydraulique est glisser . Le glissement est la différence de vitesse de rotation entre l'arbre d'entrée (pompe) et l'arbre de sortie (turbine), exprimée en pourcentage.

Un couplage fluidique ne peut pas développer un couple de sortie lorsque les vitesses angulaires d'entrée et de sortie sont identiques . Cela signifie que sous charge, la turbine doit toujours tourner légèrement plus lentement que la pompe. Dans un accouplement hydraulique correctement conçu, dans des conditions de charge normales, la vitesse de l'arbre mené est d'environ 3 pour cent de moins que la vitesse de l'arbre d'entraînement. Pour les accouplements plus petits, le glissement peut varier de 1,5 % (grandes unités de puissance) à 6 % (petites unités de puissance) .

Pourquoi le glissement est-il important ? Parce que le glissement représente une perte d’énergie. La puissance qui n'est pas transmise à l'arbre de sortie est dissipée sous forme de chaleur dans le fluide en raison du frottement interne et des turbulences. C'est pourquoi les coupleurs hydrauliques ne sont pas efficaces à 100 % : l'efficacité typique varie de 95 % à 98 %. L'énergie perdue réchauffe le fluide hydraulique, c'est pourquoi de nombreux raccords hydrauliques nécessitent des systèmes de refroidissement ou sont conçus pour dissiper efficacement la chaleur.

Vitesse de décrochage

Une autre caractéristique essentielle est la vitesse de décrochage . Ceci est défini comme la vitesse la plus élevée à laquelle la pompe peut tourner lorsque la turbine de sortie est verrouillée (ne peut pas bouger) et que le couple d'entrée complet est appliqué. Dans des conditions de décrochage, toute la puissance du moteur à ce régime est convertie en chaleur dans le coupleur hydraulique. Un fonctionnement prolongé au décrochage peut endommager l'accouplement, les joints et le fluide.

La vitesse de décrochage est particulièrement importante dans les applications automobiles. Lorsque vous êtes arrêté à un feu de circulation avec une transmission automatique en prise, le convertisseur de couple (qui a évolué à partir du coupleur hydraulique) est dans un état de décrochage partiel. Le moteur tourne au ralenti et le coupleur hydraulique dissipe une petite quantité de puissance sous forme de chaleur.

Commande de pelle pour vitesse variable

L'une des caractéristiques les plus précieuses des coupleurs hydrauliques industriels est la possibilité de faire varier la vitesse de sortie sans modifier la vitesse d'entrée. Ceci est réalisé à l'aide d'un contrôle de la pelle système.

Une écope est un tuyau non rotatif qui pénètre dans le raccord rotatif par un moyeu central. En déplaçant cette pelle, soit en la tournant, soit en l'étendant, l'opérateur peut retirer le fluide de la chambre de travail et le renvoyer vers un réservoir externe. Moins de fluide dans l’accouplement signifie moins de transmission de couple et, par conséquent, une vitesse de l’arbre de sortie inférieure. Lorsqu'une vitesse plus élevée est nécessaire, le fluide est pompé vers l'accouplement.

Cela permet contrôle de vitesse variable en continu de grandes machines comme les pompes d'alimentation de chaudière, les ventilateurs et les convoyeurs. Le moteur électrique peut fonctionner à une vitesse constante et efficace tandis que la vitesse de sortie est ajustée en douceur selon les besoins.

Types d'accouplements hydrauliques

Accouplements à remplissage constant

Le type de couplage hydraulique le plus basique est le remplissage constant couplage. Comme leur nom l'indique, ces raccords contiennent un volume fixe de fluide qui reste à tout moment dans la chambre de travail. Ils sont simples, fiables et nécessitent un entretien minimal.

Les raccords à remplissage constant offrent :

• Accélération douce et sans à-coups
• Protection contre les surcharges (si la charge se bloque, l'accouplement glisse au lieu de caler le moteur)
• Amortissement des vibrations de torsion

On les trouve couramment dans les applications industrielles telles que les convoyeurs, les concasseurs, les ventilateurs et les pompes. La série Transfluid K est un exemple de couplage à remplissage constant, disponible pour les applications électriques et diesel.

Accouplements à remplissage différé

A accouplement à remplissage différé (également connu sous le nom de couplage à circuit pas à pas) ajoute un réservoir qui retient une partie du fluide lorsque l'arbre de sortie est stationnaire ou tourne lentement. Cela réduit la traînée sur l'arbre d'entrée lors du démarrage, ce qui présente deux avantages :

• Consommation de carburant réduite quand le moteur tourne au ralenti
• « Fluage » réduit dans les applications automobiles (la tendance d'un véhicule à avancer lorsqu'il est en prise avec le moteur au ralenti)

Une fois que l'arbre de sortie commence à tourner, la force centrifuge éjecte le fluide hors du réservoir et le renvoie dans la chambre de travail principale, rétablissant ainsi la pleine capacité de transmission de puissance.

Accouplements à remplissage variable (contrôlés par scoop)

Comme décrit ci-dessus, les raccords à remplissage variable utilisent un tube à écope pour contrôler la quantité de fluide dans la chambre de travail pendant le fonctionnement du raccord. Cela permet un contrôle continu et continu de la vitesse de l'équipement entraîné. Ceux-ci sont utilisés dans les applications nécessitant une vitesse de sortie variable, telles que :

• Entraînements de pompes d'alimentation de chaudière dans les centrales électriques
• Grands entraînements de ventilateurs et de soufflantes
• Systèmes de propulsion marins
• Entraînements de compresseurs centrifuges

Applications des accouplements hydrauliques

Machines industrielles

Les accouplements hydrauliques sont largement utilisés dans les applications industrielles impliquant une puissance de rotation, en particulier lorsque des démarrages à inertie élevée ou une charge cyclique constante sont présents. Les exemples courants incluent :

• Convoyeurs – Un démarrage en douceur évite les dommages à la courroie et les déversements de matériaux
• Concasseurs et broyeurs – Protège le moteur si le broyeur coince sur un matériau incassable
• Pompes centrifuges – Permet de démarrer le moteur à vide, puis de faire monter progressivement la pompe en régime
• Ventilateurs et soufflantes – Fournit un contrôle de vitesse variable pour des économies d’énergie
• Mélangeurs et pulpeurs – Absorbe les charges de choc des matériaux irréguliers

Propulsion marine

Les navires et les bateaux utilisent des raccords hydrauliques entre le moteur diesel et l'arbre d'hélice. Le couplage fluidique apporte plusieurs avantages dans cet environnement exigeant :

• Il permet au moteur de démarrer et de tourner au ralenti sans tourner l'hélice
• Il amortit les vibrations de torsion du moteur
• Il permet un engagement fluide et sans choc lors de la mise sous tension.
• Il protège la transmission si l'hélice heurte des débris

Transport ferroviaire

Les locomotives diesel et les unités multiples diesel (DMU) utilisent fréquemment des accouplements hydrauliques dans le cadre de leurs systèmes de transmission de puissance. Des fabricants comme Voith fabriquent des turbotransmissions combinant des accouplements hydrauliques et des convertisseurs de couple pour les applications ferroviaires. La société Self-Changing Gears fabriquait des transmissions semi-automatiques pour British Rail qui utilisaient des accouplements hydrauliques.

Automobile (historique)

Dans les applications automobiles, la pompe est généralement reliée au volant du moteur (le boîtier de l'accouplement peut même faire partie du volant lui-même) et la turbine est reliée à l'arbre d'entrée de la transmission. Le comportement d'un accouplement hydraulique ressemble fortement à celui d'un embrayage mécanique entraînant une transmission manuelle : à mesure que le régime moteur augmente, le couple est transféré en douceur à la transmission.

L'application automobile la plus célèbre était la Volant Fluide Daimler , utilisé en conjonction avec une boîte de vitesses à présélecteur Wilson. Daimler les a utilisés dans toute sa gamme de voitures de luxe jusqu'à passer aux boîtes de vitesses automatiques avec la Majestic de 1958. General Motors a également utilisé un coupleur hydraulique dans le Hydramatique transmission, introduite en 1939 en tant que première transmission entièrement automatique dans une automobile produite en série.

Aujourd'hui, le convertisseur de couple hydrodynamique a largement remplacé le simple accouplement hydraulique dans les voitures particulières, car les convertisseurs de couple permettent une multiplication du couple à basse vitesse, améliorant ainsi l'accélération à partir d'un arrêt.

Aéronautique

Les coupleurs hydrauliques ont également trouvé une utilisation dans l'aviation. L'exemple le plus frappant est celui de Moteur alternatif turbo-composé Wright , utilisé sur des avions comme le Lockheed Constellation et le Douglas DC-7 . Trois turbines de récupération d’énergie extrayaient environ 20 pour cent de l’énergie (environ 500 chevaux) des gaz d’échappement du moteur. À l'aide de trois raccords hydrauliques et d'un engrenage, cette puissance de turbine à grande vitesse et à faible couple a été convertie en une puissance à faible vitesse et à couple élevé pour entraîner l'hélice.

Avantages et limites

Avantages des accouplements hydrauliques

Limites et considérations

Glissement inhérent – Un accouplement hydraulique ne peut pas atteindre une efficacité de 100 % car le glissement est nécessaire à la transmission du couple. Une partie de l'énergie est toujours perdue sous forme de chaleur.

Génération de chaleur – En cas de décrochage ou de glissement important, une chaleur importante est générée. Les grands accouplements peuvent nécessiter un refroidissement externe.

Efficacité inférieure à celle des accouplements rigides – En raison des pertes dynamiques des fluides internes, les transmissions hydrodynamiques ont tendance à avoir une efficacité de transmission inférieure à celle des transmissions à couplage rigide telles que les transmissions par courroie ou les boîtes de vitesses.

Entretien des fluides – Le liquide hydraulique se dégrade avec le temps et doit être remplacé périodiquement. La viscosité du fluide affecte les performances et un fluide inapproprié peut provoquer une surchauffe.

Ne convient pas à une synchronisation précise de la vitesse – Si les arbres d'entrée et de sortie doivent tourner exactement à la même vitesse, un accouplement hydraulique ne peut pas être utilisé car le glissement est inhérent à son fonctionnement.

Foire aux questions (FAQ)

Q1 : Quelle est la différence entre un accouplement hydraulique et un convertisseur de couple ?

Un accouplement hydraulique de base transmet le couple sans multiplication : le couple de sortie est égal au couple d'entrée (moins les pertes). Un convertisseur de couple comprend un composant supplémentaire appelé stator qui redirige le flux de fluide, permettant au couple de sortie d'être multiplié à basse vitesse. Cela rend les convertisseurs de couple plus adaptés aux applications automobiles où un couple de démarrage élevé est nécessaire.

Q2 : Un couplage hydraulique peut-il atteindre une efficacité de 100 % ?

Non. Un accouplement hydraulique ne peut pas développer de couple de sortie lorsque les vitesses d'entrée et de sortie sont identiques, un certain glissement est donc toujours nécessaire. En fonctionnement normal, l'efficacité est généralement de 95 à 98 %.

Q3 : Quel type de fluide est utilisé dans un raccord hydraulique ?

La plupart des raccords hydrauliques utilisent des fluides à faible viscosité tels que des huiles moteur multigrades ou des fluides de transmission automatique (ATF). L'augmentation de la densité du fluide augmente le couple pouvant être transmis à une vitesse d'entrée donnée. Pour les applications où les performances doivent rester stables malgré les changements de température, un fluide avec un indice de viscosité élevé est préférable. Certains raccords sont même disponibles pour le fonctionnement sur eau.

Q4 : Comment contrôler la vitesse d'un accouplement hydraulique ?

Dans un accouplement à remplissage variable (contrôlé par une pelle), un tube à écope non rotatif élimine le fluide de la chambre de travail pendant que l'accouplement fonctionne. Moins de fluide signifie moins de transmission de couple et une vitesse de sortie inférieure. En contrôlant la position de la pelle, la vitesse de sortie peut être ajustée en continu de zéro à presque la vitesse d'entrée.

Q5 : Que se passe-t-il si un raccord hydraulique fonctionne à sec ?

Si un coupleur hydraulique fonctionne sans suffisamment de liquide, il ne pourra pas transmettre le couple requis. Plus grave encore, le volume limité de fluide surchauffera rapidement, endommageant souvent les joints, les roulements et le boîtier.

Q6 : Les accouplements hydrauliques sont-ils encore utilisés dans les voitures modernes ?

Les simples accouplements hydrauliques ont été largement remplacés par des convertisseurs de couple dans les voitures particulières. Cependant, certaines transmissions automatiques modernes utilisent encore les principes de couplage fluidique, et le terme « couplage fluidique » est parfois utilisé de manière interchangeable avec « convertisseur de couple » dans une conversation informelle.

Q7 : Pourquoi mon coupleur hydraulique devient-il chaud ?

La génération de chaleur est normale car l’énergie perdue lors du glissement est dissipée sous forme de chaleur. Cependant, une chaleur excessive indique un glissement excessif, qui pourrait être causé par une surcharge, un faible niveau de liquide, un type de liquide incorrect ou un système de refroidissement défectueux.

Q8 : Combien de temps dure un accouplement hydraulique ?

Puisqu’il n’y a aucun contact mécanique entre la pompe et la turbine, les coupleurs hydrauliques sont extrêmement durables. Les principaux composants d’usure sont les joints et les roulements. Avec un entretien et des changements de fluide appropriés, les raccords hydrauliques industriels peuvent durer des décennies.