Les Guidages en Rotation

Communication technique et initiation la conception

Les guidages en rotation

2

Plan du cours

A. PrsentationB. Expression fonctionnelle du besoin:C. Principes mis en uvreD. Guidages en rotation par contact directE. Guidages en rotation par paliers lissesF. Guidage en rotation par roulements

3

A. Prsentation

On appelle guidage en rotation la solution constructive associe la liaison pivot.

Dfinition

Solution constructive Modle cinmatique

Liaison pivot

Reprsentations symboliques en projections orthogonales

Reprsentation symbolique en perspective

Mouvements relatifs autoriss

Un rotation Rx

Guidage en rotation

Reprsentation cinmatique (NF EN ISO 3952-1)

Ou

4

Mouvement effecteur souhait (ex: roue de vhicule, broche de machine outils)

B. Expression fonctionnelle du besoin

Enonc des fonctions assurer

Dans sa phase dutilisation, un guidage en rotation entre deux pices doit assurer les fonctions suivantes:

Raliser un guidage en rotationentre deux pices

Positionner lesdeux pices entre elles

Transmettre les actionsmcaniques

Rsister au milieuenvironnant

Permettre un mouvement relatifde rotation autour dun axe

Mouvement lmentaire trs frquemment rencontr.

Pourquoi raliser des guidages en rotation?

Transmission de puissance par arbre tournant (ex: transmission automobile)

5


Indicateur de qualit de la solution

Le choix dune solution constructive se base sur les indicateurs de qualit suivants:

Niveau de prcision du guidage

Intensit et direction des actions mcaniques transmissibles

Vitesse de rotation admissible

Fiabilit

Encombrement

Maintenabilit

Cot

Vocabulaire

On utilise les termes darbre et de logement ou alsage pour dsigner les lments en mouvement relatif de rotation

6


Caractrisation des fonctions assurer

En heures de fonctionnement

Espacement des visites

En %Rendement

Fx, Fy, Fz, My, NzActions mcaniques transmissibles

En Rd/s ou tr/minVitesses de rotation (minimale, nominale, maximale)

Permettre un mouvement relatif de rotation autour

dun axe

En heures de fonctionnement

Dure de vie

Rsister au milieu environnant

En nombres dheures de fonctionnement

Dure de vie

Transmettre les actions mcaniques

x, y et z y, z

Prcision de la mise en positionPositionner de faon stable les deux pices entre elles

NiveauCritres dapprciation

Caractristiques des fonctionsFonctions

7

C. Principes mis en uvre

Obtention cinmatique de la liaison pivot

La surface de contact permettant dobtenir une liaison pivot est une surface de rvolution quelconque (autre que cylindrique).La liaison pivot isostatique est gnralement ralise partir de lassociation des liaisons suivantes

ou

Demi-rotules: liaisons non normalises

8


Les solutions de guidage en rotation sappuient sur diffrents principes et mettent en uvre des technologies diverses:

Guidage en rotation par contact direct entre surfaces

Guidage en rotation par interposition de bagues de frottement

Guidage en rotationpar interpositiondlments roulants

Technologies rencontres

9


Adapts pour les domaines: des hautes vitesses avec fonctionnement dans le vide o les frottements doivent tre minimiss o lusure doit tre minimiss o une grande prcision est requise

Technologies rencontres

Guidage en rotation par interposition dun film dhuile:palier hydrostatique, palier hydrodynamique

Guidage en rotation par suppression totale de contact: palier magntique

Adapts pour les domaines: des vitesse lentes (hydrostatique) ou importantes (hydrodynamique) o les frottements doivent tre minimiss

10

Principe

D. Guidage en rotation par contact direct

Un guidage en rotation peut tre obtenu par lassociation de surfaces cylindriques de contact entre les lments auquel on ajoute des arrts en translation.

Les surfaces cylindriques peuvent tre:

longues:

courtes

Avantages et inconvnient

Solution simple, cot peu lev

Rsistances passives importante (frottements)Faibles vitesses

Efforts transmissibles modrsDans le cas contraire, chauffement

11

E. Guidage en rotation par paliers lisses

Principe

On interpose entre le moyeu et larbre un composant appel coussinetou palier lisse.De forme cylindrique, avec ou sans collerette, il se monte serr dans lalsage.

Avantages

Report de lusure sur une pice remplaable

Usinage plus facile (dtail des formes de lubrification par exemple)

Rduction des rsistances passives (matriaux en contact), do des performances bien suprieures au guidage par contact direct

Augmentation de la dure de vie.

Fonctionnement silencieux

Arbre

Coussinet

Bti ou moyeuCollerette

12


Constitution

Mono composant : bronze, matire plastique (nylon, PTFE), graphite, mtaux fritts

Multi couches (support + une ou deux couches de matriaux de glissement

AcierAluminiumBronze

Antifriction mtallique (tain, plomb,cuivre..)Matriau fritt (bronze, tain)Antifriction (PTFE..)

13


Constitution

Multi composants (mlange de fibres, rsines, lubrifiants solides)

14


Prdtermination dun palier lisse

15



16



17

La pression de contact doit tre infrieure une pression limite entrainant: La rupture du film dhuile dans le cas dun palier lubrifi Le matage de la surface du palier lisse


Dimensionnement dun guidage par palier lisse

Trois critres doivent tre respects:

La vitesse de glissement doit tre infrieure une vitesse limite admissible qui entrainerait la rupture du film dhuile (palier lubrifi)

Le produit doit tre infrieure une valeur limite admissible ( ) ( )

Critres de dimensionnement

18



Critres de dimensionnement

( )

DomaineDe

validit

19



Donnes constructeurs: exemples

1 3 N/mm2Bronze

0,05

0,07

0,1 m/s (sec)

1 m/s (sec)PTFE

0,14

0,09

0,50

0,1 m/s (sec)

1 m/s (sec)

1 m/s (lubrifi)

ERTALON

0,41

1,6

1 N/mm210 N/mm2

80 N/mm2

0,4 m/s0,1 m/s

0,02 m/s

Mtaloplast

(NORTON)

(tramebronze/tain

ou inox dans PTFE)

< 2

0,5

0,3 0,5

< 1 N/mm2

10 1

60 10

0,5 2 m/s

0,05 0,5

0,005 0,05

Permaglide (INA)

(acier + bronze + PTFE)

P * VPression

spcifique N/mm2

Vitesse de glissement m/s

Matriau

20



Dtermination de la pression spcifique

Dtermination des efforts dans les paliers

Par application du principe fondamental de la dynamique larbre, connaissant les actions mcaniques extrieures larbre (hors actions de liaison), on peut dterminer les actions mcaniques des paliers sur larbre.

Schma de principe dun montage

Schma architectural associ

Les actions dans un palier peut se dcomposer en deux composantes: Une composante radiale.

Une composante axiale ventuelle

21




Hypothses:

Jeu nul Rpartition de pression uniforme

Effort radial centr sur le palier

Leffort radial , dtermin par application du principe fondamental de la dynamique larbre es t en fait la rsultante dun champ de pression au niveau du contact palier/arbre. On dmontre la relation suivante:

=

Gnre par leffort radial

d

Bti

PalierArbre

d

22




Gnre par leffort axial

dD

p

=-

La composante axiale de laction du palier sur larbre est une action rpartie reprsent par un champ de pression uniforme p:

23

PalierArbre



Dtermination de la vitesse de glissement

Sur la surface cylindrique de contact

Sur la surface plane de contact

wP

( )

On appelle vitesse de glissement

( ) =

On dmontre (module mcanique 1) que :

w=

dDSur la surface de contact, la vitesse de

glissement ne sera pas la mme. Elle sera maximum pour lensemble des points situs sur le cercle de diamtre D (ex: point M) et vaudra:

w=

M

24


Exemple de dispositions constructives

Modle cinmatique quivalent

Bti+PalierArbre

25


Exemple de dispositions constructives

Schma architectural

26

Rduction des rsistances passives

On interpose entre le moyeu et larbre un composant appel roulement.Ce composant comporte des lments roulants (billes, rouleaux, aiguilles) et permet de remplacer le glissement par du roulement.

F. Guidage en rotation par roulements

Principe

Avantages

Composant normalis produit en trs grande srie par des fabricants spcialiss.

Comportement parfaitement matris et connu

Economique relativement la complexit de ce composant

Pertes nergtiques plus faibles, meilleur rendement du systme quavec des paliers lisses.

Arbre Moyeu

Roulement

27


Constitution

Cage de maintien

Bague intrieure

Elments roulants

Bague extrieure Elment dtanchit

28


Types de roulement

Technologiquement, les roulements se distinguent principalement par:

Le type dlments roulants

Le nombre de ranges dlments roulants

Lorientation du contact (radial, oblique)

Roulement billes

A contact radial, une range de billes

A rotule sur billes, deux ranges de billes

A contact oblique, une range de billes

A contact oblique, deux ranges de billes

La forme des bagues

29


Types de roulement

Roulement rouleaux

A rouleaux cylindriques A rouleaux coniques A rotule sur rouleaux

30


Types de roulement

Roulement aiguilles

Roulement aiguilles avec bague intrieure

Roulement aiguilles sans bague intrieure

Cage aiguilles

Douilles aiguilles

31


Types de roulement

Butes

Bute billes simple effet

Bute billes double effet

32


Reprsentation simplifie des roulements (Norme AFNOR E04-114)

33


Choix du type de roulement

Les principaux critres de choix du type de roulement sont :

Intensit et direction de la charge transmise

Conditions de fonctionnement (choc, temprature,)

Conditions de montage/dmontage

angle de rotulage

Vitesse de rotation

Prix

Encombrement disponible

34


Choix du type de roulement

35

Dimensionnement dun guidage par roulements


Le roulements prsentent deux modes de ruine:

Plastification des chemins de roulement

Fatigue entrainant un caillage des chemins de roulement


Une charge trop importante applique un roulement peut engendr des dformations permanentes localises nuisibles au bon fonctionnement du roulement.

Dans ces deux situations, pour viter ce problme, nous devons vrifier linquation suivante:

Avec coefficient de scurit

charge statique de base

Charge statique quivalente

Ce phnomne peut apparatre lorsque le roulement: Est larrt ou effectue de faibles mouvements doscillation Est soumis des chocs pendant une rotation normale .

36

Dimensionnement dun guidage par roulements



Coefficient de scurit

Sa valeur se situe entre 0.5 et 3 en fonction du niveau dexigence de bruit et de prcision

charge statique de baseCaractristique du roulement (type et dimension), elle a t dfini par la norme ISO 76 comme la charge radiale (axiale pour les butes) qui cre au niveau du contact le plus charg une pression de : 4200 MPa pour les roulements et butes billes

4600 MPa pour les roulements rotule sur billes 4000 MPa pour les roulements et rotules rouleaux

Charge statique quivalente

Pour prendre en compte leffort axial ventuel, on dfinit une charge quivalente. La valeur retenue est la plus grande des deux valeurs:

=

= +

Avec Charge radiale supporte par le roulement

Charge axial supporte par le roulement

Coefficients dpendant du type de roulement

37

Dimensionnement dun guidage par roulements Phnomne de fatigue


Comme les roulements tournent, chaque point des chemins de roulements subit une alternance chargement/dchargement.

Ceci entraine la propagation lente de fissures qui la longue provoque un caillage de la surface

38



La dure de vie dun roulement se dtermine partir de la relation suivante (ISO 281):

=

O est la dure de vie en millions de tours atteinte par 90% des roulements Charge dynamique de base Charge quivalente Coefficient dpendant du type dlments roulants du roulement:

3 pour billes 10/3 pour les rouleaux

charge dynamique de base

Cest une caractristique du roulement qui correspond la charge radiale entrainant une dure de vie de 1 millions de tours

39



charge quivalente

= +Elle permet de prendre en compte leffort axial ventuel

La dtermination des facteurs de charge et se fait partir du tableau suivant pour les roulements billes contact radial.

40


Quelques exemple de dure de vie

Dures de vie indicatives :- appareils mnagers 300 3000 heures- outillage main 4000 8000 heures- petites machines-outils- matriel agricole- machines-outils- machines de production- machines service continu 30000 60000 heures


41

Montage de roulement


Nous limiterons notre tude celle des montages faisant intervenir deux roulements rigides billes

Modle cinmatique du composant

Le jeu interne du roulement a pour consquence un lger rotulage entre les bagues intrieures et extrieure.

Le modle cinmatique associ un roulement rigide billes sera donc celui dune liaison rotule.

Un guidage en rotation par roulement ncessite lutilisation de deuxroulements rigides billes.

Solution constructive

Modle cinmatique

42

Premire rgle: Choix des ajustements

La ralisation dun montage de roulement sappui sur un certain nombre de rgles.

Buts : - assurer un jeu interne correct dans le roulement aprs sa mise en place

- viter le phnomne de laminage

Do la premire rgle :

On adopte un ajustement avec serrage pour la bague qui tourne par rapport la direction de la charge.

On adopte un ajustement avec jeu pour lautre bague.



43



Premire rgle: Choix des ajustements

H7, H8g6Ajustement avec jeu

M7, N7, P7j6, k6, m6Ajustement avec serrage

AlsageArbre

44



Deuxime rgle: Arrts axiaux sur bagues serres

On arrte axialement les bagues qui sont montes serres

Troisime rgle: Arrts axiaux sur bagues glissante s

Lapplication des deux premires rgles de montage permet dobtenir une liaison pivot glissant constitue de deux liaisons linaires annulaires entre larbre et le moyeu

Il faut donc rajouter deux arrts axiaux, un pour chaque sens de la translation encore possible

Ceci nous laisse trois possibilits

45

Montage roulement fixe

On arrte axialement et dans les deux sens un roulement




Arbre tournant /charge

Moyeu tournant /charge

Schmas technologiques Schma architectural


46



Arrts extrieurs

On arrte chaque roulement du cot extrieur






47


Troisime rgle: Arrts axiaux sur bagues glissante s Arrts intrieurs

On arrte chaque roulement du cot intrieur






48


Solutions constructives darrt axial


Sur arbre

Sur alsage

49



Analyse de solutions constructives

Identification des lments darrts axiaux et des dispositifs dtanchit dynamique

Schma technologique associ


Epaulement

Exemple 1

Anneau lastique

Epaulement

Entretoise

Epaulement Chapeau

JointJointJoint

Charge tournante par rapport aux bagues

INTERIEURES

50







Exemple 2 Charge tournante par rapport aux bagues

51








52








53








Documents

Les Guidages en Rotation