La solution constructive qui réalise une liaison pivot est appelée guidage en rotation.
Le guidage en rotation est nécessaire dans de nombreux cas (moteurs, roues de véhicules, hélices d’avion ou de turbine…). On appelle arbre le contenu, logement ou alésage le contenant.
Le problème majeur de ce type de liaison est la perte d’énergie due au frottement entre les surfaces de révolution. Lorsque la liaison ne supporte pas d’effort important, elle peut être obtenue par contact direct entre l’arbre et le palier. Pour des efforts plus importants, réduire le frottement devient capital. Les quatre solutions envisageables sont :
- Interposition d’éléments en matériaux de faible coefficient de frottement (paliers lisses), - Interposition d’éléments roulants (paliers à roulement),
- Interposition d’un champ magnétique (palier magnétique),
- Séparation des surfaces (palier hydrostatique, hydrodynamique, palier aérostatique, aérodynamique).
On ne s’intéressera dans le cadre de ce cours qu’aux guidages en rotation avec glissement.
I. Architecture des guidages en rotation I.1. Définition de la fonction
Soit une liaison pivot à réaliser entre deux sous-ensembles 1 et 2.
L’énoncé du besoin peut s’exprimer grâce à un diagramme pieuvre (méthode APTE) :
Liaison pivot démontable FP2
Sous-ensemble 1 Sous-ensemble 2
Milieu extérieur FP1
FC1
Opérateur
FP1 : Assurer le guidage en rotation autour d’un axe, du sous-ensemble 2 par rapport au 1 en supportant les actions mécaniques ;
FP2 : permettre à un opérateur de procéder au montage et au démontage ; FC1 : s’adapter au milieu extérieur.
I.2. Caractérisation de la fonction principale
La fonction technique FP1 peut être décomposée en trois fonctions composantes techniques :
Fonctions Critères Autoriser une mobilité en rotation - Amplitude θx ;
- Vitesse de rotation ωx.
Interdire cinq mobilités - Ecarts de position Δx, Δy, Δz ; - Ecarts d’orientation Δθy, Δθz.
Transmettre les actions mécaniques
-
{ }
⎭⎬
⎫
⎩⎨
⎧
⋅ +
⋅
⋅ +
⋅ +
= ⋅
→ M y N z
z Z y Y x
X r r
r r r
0 2
τ1
- Durée de vie
I.3. Principes de réalisation
Pour guider en rotation un sous-ensemble cinématique, il faut en général une ou plusieurs portées, et des arrêts axiaux (épaulements fixes ou rapportés).
Il est possible de n’avoir qu’un palier long (L/D>1,5) :
(1 liaison pivot glissant) Mais on peut aussi avoir recours à deux paliers courts (L/D<0,8) :
(2 liaisons linéaires annulaires)
Dans certains cas d’arbres longs et/ou de rigidité exigeante, on peut utiliser des solutions où le nombre de paliers est supérieur à deux.
Dans d’autres cas, le contact prépondérant est plan, on parle alors de butées :
2
1 butée
palier
Pour réaliser une liaison pivot, et non pas une liaison pivot glissant, il faut disposer d’arrêts axiaux.
Plusieurs solutions sont possibles et en particuliers :
rotule sphère cylindre
Rotule uniaxiale Rotule uniaxiale Montage « Arbre court »
Rotule uniaxiale Rotule uniaxiale Montage « Arbre long »
Les arrêts axiaux sont basés sur l’utilisation d’épaulements ou d’éléments rapportés (rondelles, chapeaux, circlips, entretoises, etc.).
I.4. Comparatif entre les différents types de solutions techniques
Frottement Roulement
Contact direct Paliers lisses Roulements à billes
Aisé de réalisation, peu onéreux
Pas d’actions mécaniques et de vitesses importantes
Vitesses moyennes Pas d’entretien
Inadapté pour les vitesses importantes (supérieures à4000 tour/min)
Gamme de vitesse importante Montage et conception plus complexe Lubrification donc… étanchéité
II. Guidage en rotation avec contact direct
Les deux sous-ensembles cinématiques sont en contact suivant une surface en général cylindrique obtenus habituellement par tournage.
Deux arrêts axiaux suppriment le degré de liberté restant en translation. C’est une solution économique mais très dissipatrice d’énergie.
Elle convient pour des mécanismes non exigeants.
Deux configurations sont principalement utilisées :
Montage en « porte à faux » Montage en « chape »
Notons la présence obligatoire d’un jeu fonctionnel.
III. Guidage en rotation avec paliers lisses
Le glissement (et donc le frottement) provoque l’usure des surfaces en contact.
On interpose des éléments supplémentaires entre l’arbre et l’alésage, les paliers lisses. Ils jouent le rôle de pièces d’usure et permettent de diminuer le coefficient de frottement entre les pièces en mouvement.
III.1. Familles de solution
La liaison pivot est en général réalisée par association de plusieurs liaisons élémentaires.
Les solutions peuvent être de nature isostatique :
L’avantage de ces solutions est qu’il est possible à l’aide du principe fondamental de la statique de connaître chacune des composantes des actions mécaniques de liaison. Le dimensionnement est alors aisé.
Cependant ce type de solutions ne convient pas dans le cas de mécanismes où le guidage demande une rigidité importante et lorsque les paliers sont éloignés.
On peut alors aboutir à des solutions de type hyperstatique dont quelques configurations sont données ci- dessous :
III.2. Composants du commerce
On trouve trois familles de composants : les coussinets autolubrifiants, les coussinets composites et les coussinets polymères.
a. Les coussinets autolubrifiants
Ils sont en métal frittés à base de bronze (le plus souvent) ou d’alliages ferreux, poreux (15 à 35 % en volume) avec incorporation de lubrifiant dans les porosités.
Pour un coussinet en bronze : - Vitesse linéaire maxi : 6 m/s
- Charge statique maxi : Padm=18 Mpa ; - Produit PV : (PV)adm=1,8 Mpa.m/s b. Les coussinets composites type glacier
Ils peuvent fonctionner à sec ou avec un léger graissage pour des vitesses linéaires inférieures à 3 m/s.
Ils sont constitués de plusieurs couches.
La base est un support en acier ou bronze.
La couche frottante est en bronze fritté, les pores sont remplis de PTFE avec additif antifriction (Plomb).
Ces composants combinent de façon optimale les propriétés mécaniques du bronze fritté avec les propriétés de glissement et de lubrification du PTFE.
doc. I.N.A.
c. Les coussinets polymères
On les trouve en Nylon, résine acétal ou PTFE (polytétrafluoroéthylène, téflon).
Ils sont très sensibles au fluage.
Ils sont surtout utilisés lorsqu’il est nécessaire d’avoir une grande résistance chimique.
Coussinets « iglidur®»
Pour un coussinet en nylon : - Vitesse linéaire maxi : 2 m/s
- Charge statique maxi : Padm=80 Mpa ; - Produit PV : (PV)adm=0,2 Mpa.m/s
III.3. Conception des liaisons
Généralement, l’arbre tourne et l’alésage est fixe.
Le coussinet doit donc être monté serré dans l’alésage et glissant avec l’arbre.
Les constructeurs préconisent alors des tolérances de type :
- H7 pour l’alésage (m6 pour le diamètre extérieur du coussinet) ; - f7 pour l’arbre (H7 pour le diamètre intérieur du coussinet).
Éviter les contacts anguleux, cela crée des amorces de rupture.
Montage avec rotules lisses
III.4. Démarche de conception
Le dimensionnement des paliers lisses fait intervenir :
• la pression de contact p, supposée uniforme (critère de matage)
• le produit P
×
V (critère énergétique, d’échauffement)ω
×
= 2
V D
avec ω vitesse de rotation.Exemple de diagramme (P, V)
• la vitesse circonférentielle V< VMax (critère d’usure).
F r
On a démontré que
L D p F
= × Il faut que p<padm.
Le couple (P, V) doit rester à l’intérieur de la zone I.
On fait souvent l’approximationP×V <
( )
PV admLes constructeurs fournissent des facteurs correctifs faisant intervenir les conditions de fonctionnement (lubrification, température, nature du mouvement, …).
Il s’agit de s’y rapporter pour un dimensionnement précis. Les calculs de durée de vie font aussi appel à des notices constructeur.
