thumb|upright=0.8|Convertisseur de couple de marque ZF.
Un convertisseur de couple est une variante de l'accouplement hydraulique, qui est employé pour transmettre une puissance entre un arbre moteur et un mécanismeConvertisseur de couple, sur le site carcarecanada.ca, consulté le 5 décembre 2013.
Description Comme un accouplement hydraulique, le convertisseur de couple peut remplacer un embrayage mécanique, en permettant à la charge d'être isolée de la source de puissance, mais un convertisseur de couple peut aussi réaliser une démultiplication, c'est-à-dire augmenter le couple quand les vitesses de rotation d'entrée et de sortie sont différentes, en devenant alors l'équivalent d'un variateur de vitesse mécaniqueAvec deux inconvénients si la différence de vitesse entre l'arbre moteur et l'arbre récepteur est importante:1/ le moteur semble "tourner dans le vide" ;2/ l’échauffement du fluide risque de créer une surchauffe du bloc du convertisseur de couple..
La formule :
avec : : la puissance sur l'arbre (d'entrée ou de sortie). Un accouplement idéal transmet intégralement la puissance d'un arbre à l'autre ; : le couple de l'arbre d'entrée ou de celui de l'arbre de sortie qui varient en fonction de la différence de vitesse entre l'arbre primaire et l'arbre secondaire : la vitesse de rotation de l'arbre primaire ou de l'arbre secondaire Cette formule permet de comprendre que pour une puissance donnée le couple de l'arbre de sortie sera plus important que celui du moteur si la différence de vitesse entre l'arbre primaire et l'arbre secondaire est élevée, mais quasiment identique si le glissement est faible.
Ce dispositif permet à une boîte de vitesses automatique de donner une impression de souplesse, mais aussi l'impression que le moteur patine lors du changement de rapport. Elle présente également l’inconvénient, dans la plupart des cas, de supprimer la possibilité de frein moteur.
Historique Les convertisseurs et freins hydrauliques sont apparus au début du D'après et suiv..
Dès 1877, l'Amirauté britannique avait chargé l'ingénieur Froude de mettre au point un frein dynamométrique capable de mesurer la puissance des plus gros moteurs de marine du moment. C'est ainsi que Froude produisit le premier frein hydrodynamique, parfois appelé dynamomètre hydraulique. Cette invention est à l'origine de la création du bureau d'études de Birmingham Heenan & Froude Ltd. Puis en 1905, l'ingénieur Hermann Föttinger dépose un brevet d'embrayage fluideCf. . – Bureau des brevets allemand, 1905; Brevet: DE221422; p. 9. Dans un second brevet déposé en 1915, Föttinger en a proposé une version plus compacte, cette fois très proche des convertisseurs produits en série depuisCf. .– Bureau des brevets allemand, 1915; Patent: DE238804; p. 4. Un prototype d'embrayage fluide construit sur ce principe a été testé en 1925. Trois ex-collaborateurs de Föttinger déposent en 1928 le brevet du convertisseur Trilok. General Motors inaugure la fabrication en série pour sa Buick Dynaflow en 1948Cf. .. Le constructeur Borgward produit à partir de 1955 un embrayage Trilok.
Du frein hydraulique au convertisseur de couple vignette|Schéma du frein hydraulique d'un dynamomètre. Les freins hydrodynamiques dont il va être ici question constituent de loin la forme la plus répandue de convertisseur de couple pour les transmissions d’automobile. On utilise toutefois également des systèmes hydrostatiques dans les petits engins de chantiers comme les minipelles. Enfin on trouve aussi dans les variateurs de vitesse des composants purement mécaniques permettant d'effectuer une démultiplication : citons par exemple le variateur Constantinesco, la transmission à disque Lambert, ou encore le boîtier de vitesse à courroies Variomatic.
Principe des coupleurs hydrauliques Les coupleurs hydrauliques ont permis le développement de frein hydrodynamique. Le fluide utilisé dans ce cas est de l'eau. Lorsque la turbine est en rotation, l’énergie mécanique se dissipe dans l'eau par turbulence et frottement. Le choc dû à la mise en charge de l'eau entre les augets du corps de turbine et ceux de l'arbre tournant, absorbe de l'énergie. Cette énergie échauffe le courant d'eau par frottement à travers le frein hydrodynamique. Presque toute la puissance d'entrée de l'arbre (souvent un moteur à combustion interne) est convertie en échauffement de l'eau : seule une très petite quantité d'énergie est absorbée par les roulements et les joints du frein. C'est cet échauffement qui explique que le débit doit être proportionnel à la puissance dissipée : la température de l'eau chassée de la cellule doit être maintenue à moins de 50-70 °C pour éviter la cavitation et l'écaillageCf. .. L'eau est injectée depuis l'axe de la turbine, et après avoir cheminé entre les augets successifs, est chassée par un orifice d'extrémité. Le taux de travail dépend de la quantité d'eau dans la cellule : la puissance de certains freins hydrodynamiques se règle en ne jouant que sur le débit d'entrée, l'exutoire étant dimensionné selon la puissance maximum à absorber, tandis que d'autres contrôlent simultanément le débit d'entrée et de sortie, ce qui permet un réglage plus fin de la température. Le corps de turbine, ou carter, est ajouré pour éviter les surpressions/dépressions d'air au gré des variations de débit.
La fraction de couple absorbée est donnée par l’équation C=k.ω2.D5 où C est le couple, ω la vitesse de rotation de l'arbre (en tr/min), D le diamètre de l'arbre et k une constante dépendant de la forme des augets de l'arbre et du corps de turbine.
Pour les bancs d'essai où l'on a besoin de connaître le moment du couple d'un arbre, on utilise un peson monté sur une console liée au bâti du moteur, et perpendiculaire à la bielle d'entrée. Le carter de la turbine, ou stator, est monté sur des roulements à rouleaux, et l'arbre est lui-même monté sur des roulements à rouleaux faisant l'interface avec le stator afin qu'il puisse tourner indépendamment. Le peson se trouve entre le bâti et le stator de la turbine, qui a tendance à tourner en sens inverse de l'arbre de la turbine (troisième loi de Newton).
On peut régler le taux de freinage en modifiant le débit fluide dans la cellule, par des vannettes manuelles ou commandées électroniquement. Plus le débit est important, plus on a de puissance. Ces freins hydrodynamiques sont communs dans les machines d'essai de matériaux.
Les matériels de travaux publics et de travaux agricoles ont parfois utilisé des coupleurs pour transmettre la puissance du moteur en direction de la transmission. Le fluide utilisé est dans ce cas de l'huile. L'argument avancé par les concepteurs est la souplesse de la transmission et l'absence de transmission des vibrations du moteur en direction de la transmission. Employé par quelques fabricants de matériels agricoles avant les années 2000, le coupleur est depuis abandonné au profit de transmission automatisée powershift ou à variation continue.
Le freinage hydrodynamique Le frein hydrodynamique, notamment, est un exemple d'application du coupleur hydraulique à l'absorption d’énergie cinétique : il consiste le plus souvent en une turbine enchâssée dans une bâche. Le frein hydrodynamique de Froude est fondamentalement un absorbeur de couple.
Dans cette machine, l'arbre moteur accélère l'eau en la faisant tourbillonner. Le jet d'eau est contrarié par le corps de turbine qui la renvoie vers l'axe de l'arbre. Pour un débit donné, cette déflexion de jet se traduit par une absorption de quantité de mouvement, la variation de quantité de mouvement se traduisant par une force de réaction, qui s'applique sur les augets à une certaine distance entre l'axe de l'arbre et le corps de turbine. Le couple antagoniste à celui de l'arbre moteur est donné par la force de réaction de l'eau, multipliée par cette distance, qui est le bras de levier.
Fonctionnement vignette|Éclaté d'un convertisseur de couple hydrodynamique (Musée Porsche de Stuttgart, novembre 2006).
Composants d'un convertisseur de couple Un coupleur hydraulique est une transmission à double corps qui, au mieux, conserve le couple d'entréeD'après , alors qu'un convertisseur de couple comporte au moins un élément supplémentaire (le corps de turbineCf. par ex. ) qui bouleverse les caractéristiques de transmission en cas de patinage, en amplifiant le couple d'entrée.
Un convertisseur de couple comporte au moins trois arbres tournants : l'arbre moteur ; la turbine, qui agit sur la charge à déplacer ; et le corps de turbine, qui s’interpose entre l'arbre moteur et la turbine pour empêcher le retour d'huile vers le moteur. Dans un convertisseur de couple classique, le corps de turbine est encastré pour empêcher sa rotation, d'où le mot anglais stator ; en pratique, il est monté sur un cliquet anti-retour, qui bloque uniquement la rotation dans le sens inverse de celui de l'arbre moteur.
On a régulièrement modifié ce schéma de base, notamment lorsque l'on recherchait un taux de démultiplication exceptionnel. Le plus souvent, cela s'est fait par connexion de plusieurs turbines, chaque jeu de turbines correspondant à une démultiplication de couple donnée : par exemple, la transmission automatique de Buick est de conception classique et, dans les conditions normales, elle ne fait jouer qu'un convertisseur pour démultiplier le couple ; mais c'était un convertisseur à cinq turbines permettant une démultiplication suffisante pour propulser de grosses voitures.
Quoique cela déborde de la conception du convertisseur de couple classique, signalons que plusieurs convertisseurs d'automobile comportent un embrayage qui améliore l'efficacité de transmission en régime de croisière et réduit l’échauffement. L'embrayage rend la turbine solidaire de l'arbre moteur, la transmission n'est plus qu'entièrement mécanique, ce qui élimine les pertes par dissipation dans le fluide.
Les trois régimes de fonctionnement Un convertisseur de couple peut se trouver dans l'un des trois états suivants :
Démarrage depuis le point mort Le moteur essaye de mettre l'arbre moteur en mouvement mais la turbine est bloquée : cela arrive par exemple lorsque le conducteur d'une auto passe une vitesse mais empêche le véhicule de démarrer en appuyant sur le frein. Au point mort, le convertisseur de couple peut développer un couple énorme si on lui communique une puissance d'entrée suffisante (la démultiplication qu'on peut ainsi atteindre est appelée taux au démarrage). La phase de patinage dure quelques instants car au démarrage (d'un véhicule, par ex.), il y a encore une grande différence de vitesse de rotation entre l'arbre moteur et la turbine.
Accélération La différence de vitesse de rotation entre l'arbre moteur et la turbine s'atténue mais reste élevée : dans ces conditions, le convertisseur produira une démultiplication inférieure à celle du « mode patinage ». Le taux de démultiplication dépend de l'écart de vitesse, mais aussi de la conception du convertisseur.
Couplage La turbine a atteint environ 90 % de la vitesse de rotation de l’arbre moteur; le gain de couple plafonne et le convertisseur ne se comporte plus que comme un couplage fluide. Dans les moteurs modernes, c'est souvent à ce stade que le cliquet anti-retour entre en action, ce qui améliore le rendement.