mis à jour le 25/11/2016 - moodle@insa

3 LIAISONS PAR PALIERS LISSES (PLAIN BEARINGS)
Liaisons pivots
La séance de cours du 24 novembre 2016 sera l'occasion de discuter des points
problématiques, ou d'obtenir des explications complémentaires, ou d'approfondir ces
connaissances. Il est donc nécessaire de s'approprier le contenu de ce document avant
la séance de cours.
1 VOCABULAIRE
Il s'agit de contact direct avec frottement entre un arbre et un moyeu.
On intercale éventuellement une pièce, appelée coussinet (bushing),
qui permet d'optimiser les matériaux en contact, les coûts de
fabrication, l'évacuation de la chaleur...
A un instant donné, schématiquement quatre situations possibles :
• frottement sec : contact direct sans lubrifiant
« palier » peut désigner une liaison par roulement, par coussinet, ou autre.
« butée » désigne un palier destiné à encaisser des efforts axiaux.
« lubrification » : utilisation d'un fluide au niveau du contact afin de :
- limiter les frottements par diminution du coefficient de frottement
- limiter l'échauffement par évacuation de la chaleur dans le fluide
• régime onctueux : contact direct lubrifié (graisse ou huile en
général)
• régime hydrodynamique (ou aérodynamique) : contact éliminé par
un film fluide généré par le mouvement relatif des deux surfaces
• régime hydrostatique (ou aérostatique) : contact éliminé par un
film fluide créé par injection de liquide ou de gaz sous pression
2 SOLUTIONS COURANTES
La classification des technologies de liaisons pivots donnée par les
« Techniques de l'Ingénieur » fait apparaître quatre catégories :
3.2 En pratique
1. liaisons par roulements
2. liaisons par paliers lisses
3. liaisons par élément élastique
solutions très performantes dans des
cas particuliers (mouvement
d'oscillation ; pas de jeu ; ¨frottement¨
extrèmement faible). Ex. : système de
direction de véhicule TIM
4. paliers magnétiques
utilisés dans des systèmes de haute
technicité
(ex. : gyroscopes de satellites, pompes
turbomoléculaires, gros compresseurs
pour le secteur pétrolier)
INSAT – I3ICCT11
3.1 La théorie
Frottement sec
Le frottement sec est utilisé dans des cas particuliers : contraintes de
pollution pour l'industrie chimique ou agroalimentaire par exemple ;
ou encore sur satellites spatiaux (un lubrifiant fluide serait vaporisé)
Régime onctueux
C'est le cas général des liaisons par paliers lisses : simple à mettre en
oeuvre et à concevoir. Frottement typiquement 10 à 50 fois plus élevé
qu'avec des roulements.
Régime hydrodynamique
Mise au point délicate.
Le frottement peut être équivalent à une liaison par roulements.
La sustentation n'est pas assurée lors du démarrage.
Régime hydrostatique
Mise au point délicate. Le frottement peut être équivalent à une liaison par roulements.
Nécessite une source de pression, en général un groupe hydraulique.
3.3 Géométries courantes
On trouve en standard
- des coussinets cylindriques
- des coussinets cylindriques avec collerette
- des rondelles de butée
- des paliers sphériques
- des plaques à découper
Liaisons pivots
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3.4 Matériaux des coussinets courants
4 LIAISONS PAR ROULEMENTS (ROLLING BEARINGS)
Il existe quelques types de coussinets très courants (ex. : www.michaud-chailly.fr) :
- coussinets métalliques (souvent en bronze, fritté ou non, ou en acier)
- coussinets composites métal + fin revêtement de PTFE
- coussinets en matériau polymère
- coussinets d’automobiles : structure acier + fine couche de matériau type « régule »
(alliage de plomb ou étain, avec de l’antimoine)
Nous ne revenons pas sur les types de roulements dans ce document. Vous devez
connaître les types existants, et, pour chaque type, sa géométrie et le type de charge
transmissible (charge radiale / axiale).
fr.wikibooks.org/wiki/Tribologie/Matériaux_utilisables_pour_le_frottement
4.2 Vérification de bonne conception d'un montage de roulements
A noter également, les paliers « régulés » à l’ancienne . Les coussinets en régule sont
encore utilisés en grosse mécanique. Pour le plaisir, en direct du Massachusets :
youtube.com/watch?v=wZh2VZbqQiI
Note à propos des paliers frittés :
Le frittage est un procédé de mise en forme à partir de poudres qui permet d'obtenir
des pièces poreuses par pressage et cuisson.
Si on imbibe de lubrifiant un palier lisse fritté, ce lubrifiant pourra migrer vers la zone
de frottement par capillarité ; on qualifie ces coussinets d'« autolubrifiants ».
3.5 Dispositions constructives
4.1 Types de roulements
Quelles sont les bagues montées serrées ?
Une bague qui tourne par rapport à la direction de la charge (charge radiale transmise
par le roulement) peut être sujette au fretting-corrosion : sous l'effet des microdéplacements et des efforts radiaux, les surfaces de contact se corrodent et ...
- le démontage devient difficile car la bague est bloquée sur la pièce
- ou bien, la matière est pulvérisée et le jeu augmente
Conséquence : il faut avant tout identifier l'origine des charges transmises par les
roulements, et en déduire quelles bagues tournent par rapport à ces charges.
Si une bague tourne par rapport à la charge, il faut si possible la monter avec
ajustement serré.
Exercice : quelles bagues doit-on monter serrées sur Doc. 2, roulements n°22 ?
(docs cours liaisons complètes)
Les paliers lisses cylindriques sont normalement montés serrés dans l'alésage.
On a donc le coussinet solidaire du moyeu, et la surface frottante est la surface
intérieure du coussinet.
Pourquoi ?
Les surfaces frottantes doivent avoir un état de surface soigné (rugosité faible, souvent
obtenu par abrasion). Il est plus aisé d'usiner une portée soignée sur un arbre que dans
un alésage, donc on préfère faire frotter le coussinet sur l'arbre plutôt que dans
l'alésage du moyeu.
Le coussinet en dimensions standard restera bon marché car produit en plus grande
série. CQFD.
Les tolérances recommandées sur l'alésage du moyeu et sur la portée sur l'arbre sont
données par les fabricants de coussinets. Ils dépendent du type de palier lisse.
On pourra trouver par exemple pour les coussinets en bronze fritté :
moyeu alésé H7 et arbre usiné f7.
Vérification des arrêts axiaux : étape n°1
Pour chaque pièce du mécanisme :
imaginer qu'on pousse dans un sens et identifier le cheminement des efforts.
Vérifier qu’un seul cheminement de l’effort axial est possible
Vérifier que le fonctionnement correct du mécanisme est assuré.
Idem dans l'autre sens.
Cette étape nécessite la compréhension de la géométrie des roulements. En effet,
certains roulements ne peuvent pas, par construction, transmettre d'efforts axiaux dans
certains sens (par exemple, roulement à rouleaux type NU)
Exercice : vérifier Doc. 1, liaison roue 8 / carter
Vérification des arrêts axiaux : étape n°2
Sauf cas particuliers, les roulements ne doivent pas être précontraints axialement.
Cela implique souvent la présence de jeux, qu'on ne voit pas forcément sur un dessin...
Il faut alors savoir les trouver.
Autrement dit, il s'agit de vérifier que le montage n'est pas ¨hyperstatique axialement¨.
Exercice : expliciter le jeu non indiqué dans Doc. 1, liaison arbre 4 / carter. On parle
ici du jeu de la liaison pivot, et non du jeu nécessaire au montage du circlips 32.
INSAT – I3ICCT11
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4.3 Trucs et astuces
A ne pas oublier : Ajustements serrés et arrêts axiaux
un ajustement serré réalise, de fait, un blocage axial de la bague concernée
(effort de montage : de l'ordre de la tonne pour un emmanchement au diamètre 20)
Cependant, si des efforts axiaux sont à transmettre, on préfère en général assurer une
fiabilité maximale en ajoutant un arrêt axial supplémentaire (circlips, écrou, etc.), et
cela d'autant plus que les conditions de fonctionnement sont difficiles (chocs ou
fluctuations thermique par exemple)
A retenir : ordre de grandeur du rotulage
admissible des roulements :
Rlt rigide à billes : 10 min. d'angle
(10’ = 10/60 °)
Rlt à rouleaux cylindriques : 2 min. d'angle
Rlt à rotule sur billes : entre 1° et 5°
Rlt à contact oblique : considéré nul
Mémo Techno : Quelles solutions pour réaliser un ajustement serré ?
On réalise en général un montage serré par ajustement avec interférence (jeu négatif).
Dans certains cas, on préfère utiliser un montage par emmanchement conique. Le
serrage axial provoque alors un serrage radial. Certains roulements sont livrables avec
la bague intérieure conique, ou encore avec un manchon conique de montage ou de
démontage. (cf. web skf)
Conséquence :
Attention à ne pas charger les roulements en
moment de déversement !
=> Les manufacturiers de roulements
fournissent les plages de rotulage admissible.
4.4 Rotulage admissible
F
Par ROTULAGE, il faut entendre
DÉSALIGNEMENT des bagues d’un roulement.
Utiliser si nécessaire des roulements type « rotule », ou un palier rotulé :
Question :
Que se passe-t'il si un roulement rigide a billes
est sollicité en moment de déversement ?
Réponse :
Pression de contact excessive sur certains points de
contacts billes/chemins .
F
Les méthodes de dimensionnement ne tiennent pas
compte de ces pressions anormales.
Le dimensionnement sera incorrect.
Quelles sont les causes classiques de rotulage ?
- flexion des arbres et déformation des carters sous charge
- erreurs d'alignement dues aux jeux et aux tolérances de fabrication
(la conception doit donc prendre en compte la manière dont les pièces sont usinées)
INSAT – I3ICCT11
Exercice : sur Doc. 1, liaison axe 4 / carter :
Lister les causes possibles de mauvaise coaxialité entre les deux bagues extérieures.
Lister les causes possibles de mauvaise coaxialité entre les bagues intérieures.
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4.5 Exercices récapitulatifs
A – Moteur universel d'appareil ménager (échelle 1)
On suppose ici que la charge sur les paliers vient essentiellement de la tension d'une
courroie entrainée.
1 – Analyser la liaison pivot :
• Quelles bagues montées serrées a priori ?
• Arrêts axiaux suffisants ?
• Définir le jeu axial de la liaison pivot, et faire sa chaine de cotes. Il sera
nécessaire pour cela de préciser quelles surfaces des circlips sont considérées
« en contact ».
• Exécuter un graphe de montage de l'ensemble (chronologie de l'assemblage)
2 – Quelle est la fonction des inserts qui guident la bague extérieure du rlt de gauche ?
3 – Comment justifier la différence de diamètre des deux roulements ?
4 – Comment nomme-t'on les vis qui permettent de maintenir le stator assemblé ?
R1 –
•
appareil ménager : hypothèse entrainement par courroie ou pignon en sortie
=> charge radiale dans les roulements = de direction fixe / stator
=> bagues intérieures ajustées serré
• le rlt de droite empèche l’axe de partir vers la droite, et vice-versa
• chaine de cotes : on pousse l’axe vers la droite, par exemple. Le jeu apparaît
entre le circlips de gauche et la bague ext. du roulement gauche. Chaine de
cotes : circlips-insert-carter gauche-carter centre-carter droit-circlipsroulement-arbre-circlips-roulement
• axe + circlips + 2 roulements à la presse
carter gauche + circlips
carter droit + circlips
on assemble ces 3 sous-ensembles avec le carter centre + les tirants
R2 – matériau du carter trop faible (zamac?) pour les efforts radiaux dans ce roulement
=> insert acier
R3 – roulement de gauche chargé par la tension de la courroie, en porte-à-faux
R4 – tirants
B – Moteur d'automotrice de chemin de fer type T.E.R (échelle 0,3)
1 – Analyser la liaison pivot :
• bagues montées serrées ?
• Arrêts axiaux suffisants ?
• Jeux axiaux à définir ?
• Procédure de montage de l'ensemble ?
2 – Evaluer la dilatation axiale différentielle arbre / carter en supposant que la
température de l'arbre est supérieure de 80°C à celle du carter.
3 – Comment la liaison pivot supporte-t'elle cette dilatation ?
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R1 –
•
pignon en sortie (qui engrène avec roue dentée d’axe « fixe » par rapport au
stator => charge radiale de direction fixe / stator
=> bagues intérieures ajustées serré
• le rlt à billes est « rotule », rlt type NU « linéaire annulaire »
• jeux à définir :
◦ position bague int / bague ext du roulement NU
◦ assemblage bague ext du roulement à billes avec carter : à discuter
• assemblage : ne pas oublier de monter AVANT TOUT les bagues serrées à la
presse sur l’arbre. Ensuite on assemble les sous-parties.
R2 – si acier : coeff de dilatation thermique ~ 10-5 K-1
deltaL = L x deltaT x coeff
R3 – la dilatation crée un décalage de position axiale entre les bagues du roulement
type NU. Un décalage « faible », i.e. quelques dixièmes de mm, est
classiquement admis sans problème. Si incertitude, il faut vérifier avec le
roulementier. Des roulements avec bague intérieure allongée existent.
C – Vibreur industriel utilisé sur des cribles pour sable ou du gravier (échelle 0,3)
1 – Analyser la liaison pivot :
• bagues montées serrées ?
• Arrêts axiaux suffisants ?
• Jeux axiaux à définir ?
• Procédure de montage de l'ensemble ?
2 – Evaluer la dilatation axiale différentielle arbre / carter en supposant que la
température de l'arbre est supérieure de 80°C à celle du carter.
3 – Quelle est la conséquence directe de cette dilatation sur la conception de la liaison
pivot ?
R1 –
•
•
•
bagues extérieures serrées
… montage type « économique » …
jeu à définir entre les rouleaux d’UN SEUL des roulements et l’épaulement de
bague intérieure correspondant
• assemblage : ne pas oublier de monter AVANT TOUT les bagues serrées à la
presse dans les flasques. Ensuite on assemble les sous-parties.
R2 – idem B
R3 – la dilatation de l’arbre REDUIT le jeu évoqué ci-dessus. Il faut absolument
respecter Jmini > dilatation
Liaisons pivots
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