Chapitre 5_Guidage en Rotation

8/14/2019 Chapitre 5_Guidage en Rotation

1/17

Chapitre_5 Guidage en rotation

Cours de Conception II_Licence applique en Gnie Mcanique 1

Chapitre 6

GUIDAGE EN ROTATION

1. GnralitsLa solution constructive qui ralise une liaison pivot est appele guidage en rotation . Le guidage

en rotation est ncessaire dans de nombreux cas (moteurs, roues de vhicules, hlices davion ou de

turbine). On appelle arbre le contenu, logement ou alsage le contenant.Reprsentation normalise en

projection orthogonaleReprsentation spatiale Degrs de libert

x

y

z Tr

0

0

0

Rot

Rx

0

0

Le guidage en rotation en phase dutilisation doit assurer les fonctions suivantes :

Positionner larbre et le logement : notions de jeu et de prcision de guidage ; Permettre un mouvement relatif (rotation) : notions de rendement et de vitesse de

rotation ; Transmettre les efforts : dimensionnement des pices et dure de vie du montage ; Rsister au milieu environnant : fiabilit, matriaux, tanchit, prot ection, etc Etre dun encombrement adapt (voire minimal) ; Minimiser les niveaux de bruit et de vibrations.

2. Typologie des solutionsIl existe 4 solutions principales permettant de

raliser guidage en rotation :- par contact direct- par interposition d'une bague de frottement- par interposition d'lments roulants- par interposition d'un film d'huileUne dernire solution, le palier fluide (exemple ci- contre : la roulette de dentiste) ne sera pas tudie dansle cadres de ce cours.

Type de gui dage en r otationContraintes

prcision Vitesse de rotation Efforts transmettre par contact direct - -- - par interposition de bague de frottement + + + par interposition d'lments roulants ++ ++ +++ par interposition d'un film d'huile +++ +++ ++

Tableau 1 : Diffrents types de guidage


2/17



3. Prcision du guidage3.1. Jeu axial, jeu radial

Jeu axial jeu radial

3.2. RotulageLa prsence de jeu radial entrane un phnomne de rotulage. (jeu angulaire )

3.3. Modlisation cinmatique dun guidage en rotation Du fait du rotulage on considre gnralement :

-

si l / d 1,5 : liaison pivot ou pivot glissant (le rotulage est faible)- si l / d 0,5 : liaison rotule ou linaire annulaire (le rotulage est trop important pour pouvoirtre nglig)

3.4. Solutions adoptes pour limiter le rotulage

Afin daugmenter la longueur de guidage, la liaison pivot est souvent ralise par lintermdiairede deux paliers.

Nota : Le rotulage au niveau dun palier est bnfique car il supprime la prsence dun moment destructeur pour la liaison en cas de flchissement de larbre.

3.5. Articulation en chape : en porte faux

Montage A (hyperstatique) Montage B (isostatique)


3/17



4. Guidage en rotation par contact directLe guidage en rotation est obtenu par contact direct des

surfaces cylindriques arbre/logement. Des arrts suppriment les

degrs de libert en translation. Ce guidage est peu prcis, mais le

cot est trs faible. Son utilisation est limite des vitesses de

rotation faibles et des efforts faibles.

5. Guidage en rotation par paliers lisses (coussinets)On interpose entre l'arbre et l'alsage un coussinet. Le principe du contact direct est amlior en

interposant des bagues de frottement qui vont :

Diminuer le coefficient de frottement ; Augmenter la dure de vie de larbre et du

logement ; Diminuer le bruit ; Reporter lusure sur les bagues.

5.1 Types de coussinets

5.1.1. Coussinets ncessitant une lubrification continue (en bronze, fonte, )

Il est ncessaire de prvoir un dispositif de graissage afin dassurer une prsence continue

de lubrifiant pendant le fonctionnement

5.1.2. Coussinets sans graissage (carbone-graphite, nylon, PTFE)Ils sont trs pratiques mais sont constitu de matriaux peu rsistants. Ils ne supportent que des

efforts trs faibles.

5.1.3. Coussinets auto-lubrifiants

Il est constitu de poudre de bronze (cuivre + tain) ou encore d'alliages ferreux (fer +

cuivre +plomb) compacte. Cette poudre est dans un premier temps comprime dans un moule,

puis chauffe dans un four pour rendre le coussinet poreux. Cette opration de fabrication s'appelle

le frittage. Avant le montage, on imprgne le coussinet d'huile (environ 25 % du volume de mtal),lors du fonctionnement, la rotation de l'arbre cre une aspiration de l'huile, et la cration d'un film

d'huile entre le coussinet et l'arbre. A l'arrt, la porosit du coussinet permet une rabsorption de

l'huile.


4/17



5.1.3. Coussinets en tle roule

Il sagit dune bague constitue d'une tle roule recouverte de

bronze fritt et d'une couche de rsine PTFE imprgne du lubrifiant solide

(graphite ou plomb) dont le coefficient de frottement avec l'acier est trs

faible (0.01 0.05).

5.2. Montage des coussinets

Le coussinet est mont serr dans l'alsage et glissant sur l'arbre. Lorsque l'effort

transmettre n'est par purement radial, il est conseill d'utiliser un coussinet collerette.

5.3 Avantages et limites d'utilisation des coussinets

Avantages : rduction du coefficient de frottement et fonctionnement sans lubrification augmentation de la dure de vie des pices par report de l'usure sur le coussinet fonctionnement silencieux encombrement radial rduit cot rduit

Limites d'utilisation : encombrement en longueur sensibilit aux dfauts d'alignement capacit de charge inversement proportionnelle la vitesse

5.4. Dimensionnement des coussinets :

Pour choisir un coussinet (palier lisse), il faut dterminer trois paramtres : d : Diamtre intrieur, L : Longueur du coussinet, le Type de coussinet.

En gnral, le diamtre intrieur du coussinet d, est fix par le diamtre de larbre utilis

dans la liaison pivot. Une fois que ce diamtre d est connu, il est possible de connatre la vitesse

priphrique V au niveau du contact coussinet-arbre : En fonction de leur type , un coussinet support une Vitesse maximale admissible ( tableau

5.2). Il nous est alors possible de choisir un type de coussinet compatible avec la valeur de V.


5/17



Tableau 5.2 : Performances comparatives des coussinets usuels

Type decoussinet

Vitesse maxiadmissible (m/s)

Tempratures limitesde fonctionnement(C)

Pression diamtraleadmissible enfonctionnement (N/mm 2)

Produit P.VAdmissible(N/mm 2).(m/s)

Glacier actal 2 3 -40 100 14 0,5 0,9Glacier PTFE 3 -200 280 20 0,9 1,5Graphite 13 400 5 0,5

Bronze-tain 7 8 >250 7 35 1,7Bronze-Plomb 7 8 250 20 30 1,8 2,1Nylon 2 3 -80 120 7 10 0,1 0,3Actal 2 3 -40 100 7 10 0,1

La longueur L du coussinet est dtermine par rapport aux efforts transmis par la liaison. Ce

calcul fait intervenir la notion de Pression diamtrale p . Pour un type donn de coussinet, il correspond une pression diamtrale admissible P adm

(tableau 5.2 ). On montre que, pour quun coussinet remplisse sa fonction, linquation suivante

doit tre vrifie :

Avec F : effort dans la liaison (en N)d : diamtre intrieur du coussinet (en mm)L : Longueur du coussinet (en mm)Padm : Pression diamtrale admissible (en MPa ou N/mm 2)

De plus, le critre p.V permet de mesurer la capacit du matriau supporter lnergie

engendre par le frottement. En cas de dpassement de la valeur admissible, la temprature du

coussinet augmente et sa destruction est rapide. Il faut, galement, que lquation suivante soitvrifie :

Avec V : Vitesse priphrique au contact (en m/s)P : Pression diamtrale relle (en MPa ou N/mm 2)(P.V)adm : Produit P.V admissible (en (N/mm 2).(m/s)

6. Guidage par roulements6.1 Avantage du roulement

Le guidage par palier lisse (coussinets) prsente les inconvnients suivants : Usure,

Echauffement, Perte de puissance par frottement. Pour viter ces inconvnients, une solutionconsiste interposer des lments roulants entre les pices mobiles (arbre et alsage)


6/17



Fr

Fa

F= Fr + Fa

6.2. Constitution des roulements Bague extrieure qui se positionne dans le logement, Bague intrieure qui s ajuste sur larbre, Elments roulants billes ou rouleaux qui roulent sur le chemin des bagues, Cage qui maintient les lments roulants intervalles rguliers.

6.3. Charges supportes par les roulements

Les actions mcaniques de contact exerces par les lments roulants sur lune ou lautre des

bagues sont en gnral schmatises par des

forces ou charges : Radiale Fr, Axiale Fa, Combine cest la combinaison d e Fr et Fa.

6.4. Phnomne de rsistance au roulement

Sous charge, la zone de contact entre chemin et lment roulant se comprime, puis se

dtend aprs passage, comme un ressort. En mouvement, il en rsulte, devant llment roulant, la

formation dun bourrelet mtallique sopposant au mouvement. Cest le phnomne de rsistanceau roulement.

A ce phnomne, sajoute parfois des phnomnes parasites supplmentaires entre lmentsroulants et certaines parties des chemins.

Bague extrieure

Bague intrieure

Cage

Elments roulants (billes)


7/17



Couple de rsistance au roulement (Cf)

Cf = f.Fr.Rm

Avec : f : frottement interne du roulement,

F r : charge radiale exerce,

Cf : couple rsistant,

Rm : rayon moyen.

Roulements billes : f = 0.0015

Roulements rouleaux : f = 0.002

Roulements aiguilles : f = 0.004

Ces valeurs sont comparer avec le frottement interne des coussinets variant entre 0.05 et 0.15.

6.5. Diffrents types de roulements

Les roulements peuvent tre classs suivant diffrents critres :

en fonction de la forme de llment roulant : Billes ; Rouleaux (cylindriques, coniques,

tonneaux) ; Aiguilles . en fonction du mouvement relatif possible entre les bagues : Aucun (roulements rigides) ;

Rotulage (roulements rotule). en fonction de la direction de la charge principale supporte : Radiale ; Radiale + Axiale ;

Axiale seule

Roulements une range de billes contact radial (type BC)

Charges : radiales et axiales modres moyennes.

Rotulage : de 2 16

Roulements une range de billes contact oblique (type BT)

Charges : radiales, axiales leves dans un seul sens.

Rotulage : de 1 2

Roulements deux ranges de billes contact oblique (type BE)Charges : radiales assez importantes, axiales alternes.

Rotulage : 0

Emplois : palier pour arbre en porte faux (grande rigidit du roulement)

Roulements deux ranges de billes rotule dans la bague

extrieure (type BS)

Charges : radiales moyennes et axiales faibles.

Rotulage : de 2 4 Emplois : alignement prcis des paliers.


8/17



Roulements rouleaux cylindriques (type RU)

Charges : radiales trs importantes, aucune charge axiale.

Rotulage : de 1 7

Emplois : charges radiales importantes avec chocs.

Roulements deux ranges de rouleaux rotule dans la bague

extrieure (type SC)

Charges : radiales trs importantes et axiales moyennes.Rotulage : de 0.5 2 Emplois : alignement prcis des paliers.

Roulements rouleaux coniques (type KB)

Charges : axiales leves dans un seul sens, radiales trs importantes.

Rotulage : de 1 4.

Roulements aiguilles (type NEA, NES)

Charges : radiales trs importantes, aucune charge axiale.Rotulage : 0.Emplois : paliers de petites dimensions avec charges radiales importantes.Butes billes simple effet (type TA) et double effet (type, TDC)Charges : axiales trs importantes (simple effet : un seul sens, double effet :alternes)Rotulage : 0.Emplois : arbres verticaux fortement chargs axialement et tournantlentement.Remarque : les butes billes ne sont pas conues pour guider un arbreen rotation. Ce guidage doit tre assur par dautres types de roulements

Tableau 3 : Diffrents types des roulements

6.6. Dsignation des roulements (iso/afnor)

6.7. Matriaux

Les nuances daciers utilises pour la fabrication des roulements sont aussi normalises parlAFNOR. Le Tableau 5.4 regroupe les principaux matriaux employs dans la ralisation desroulements. Les cages des roulements sont fabriques en acier, en polyamide, en bronze

Groupes daciers Principales nuances normalises NF EN IS0683-17 trempe cur 100 Cr6 ; 100 CrMnSi6-4 ; 100 CrMo7 ; 100 CrMo7-4...cmentation 20 Cr3 ; 20 Cr4 ; 20 Cr4-2 ; 19 MnCr5 ; 20 CrMo4 ; 20 NiCrMo7...trempe par induction C56E3 ; 56 Mn4 ; 70 Mn4 ; 43 CrMo4aciers inoxydables X47Crl4 ; X65Crl4 ; Xl08CrMol7 ; X89CrMoV18-1rsistant chaud 80MoCrV42-16 ; 13MoCrNi42-16-14 ; X75WCrV18-4-1

60 BC 02

Type de roulement

Diamtre de larbre Srie des dimensionsLar ueur B et diamtre de lalsa e

Tableau 5.4 : Principales nuances daciers employs dan s la fabrication des roulements


9/17



6.8. Critres de choix dun type de roulement

Il est plus judicieux denvisager au pralable une solution utilisant les roulements les plus

conomiques : billes contact radial, rouleaux cylindriques et aiguilles. A eux seuls ils reprsentent

plus de 80% des roulements vendus.

Un roulement plus coteux au dpart peut parfois simplifier le montage, les oprations de

maintenance et diminuer le cot global dun appareil.

Critres de choix : Nature des charges : axiale, radiale ou combine, Importance des charges (intensit) Vitesse de rotation, Chocs, Rigidit exige, encombrement,

dure de vie, condition ambiante : temprature, lubrification,

Remarques : les roulements billes contact radial conviennent parfaitement aux petits paliers

fonctionnant grande vitesse. Pour les gros paliers fortement chargs, les roulements rouleaux sont les seuls possibles. Sil y a des dfauts dalignement apprciables, les roulements rotule sont choisir. Certains roulements ne supportent quun type de charge : axiale pour les butes, radiales

pour les aiguilles et rouleaux cylindriques.

Les roulements rouleaux coniques supportent, dimensions gales, des chargescombines plus leves que les billes contact radial.

6.9. Montage des roulements

Nota : Le roulement ne doit pas tre cot, il est fabriqu avec des tolrances spcifiques aux

fabricants de roulements.

6.9.1 Rgles de montage

- La bague du roulement qui tourne par rapport la direction de la charge doit tre ajuste avec

serrage.Exemple : Arbre la tolrance k6, m6 ou p6 suivant lintensit de la charge ; Alsage la tolranceM7 ou N7.- La bague du roulement qui est fixe par rapport la direction de la charge doit tre ajuste

glissante

Exemple : Arbre la tolrance g6 ; Alsage la tolrance H7.


10/17



6.9.1.1. Direction de la charge fixe par rapport la bague extrieure

Bague intrieure SERREE Arbre : k6 /m6 Alsage : J7 / H7

ArbretournantCharge et

alsagefixe rotule + linaire annulaire(Isostatique : h=0)

Arbre fixeCharge etalsagetournants

rotule + rotule(Hyperstatique dordre 1 : h=1)

6.9.1.2. Direction de la charge fixe par rapport la bague intrieure

Bague extrieure SERREE Arbre : g6 / j6 Alsage : M7 / N7 AlsagetournantCharge etarbrefixes

rotule + linaire annulaire

Alsage fixeCharge etarbretournants

rotule + rotule(Hyperstatique dordre 1 : h=1 )


11/17



6.9.2. Ralisation matrielle des arrts axiaux des bagues

Arrts axiaux usins

(a) (b) (c) (d) Arrt axial par paulement usin dans le logement.

(a) (c) (d) Arrt axial usin sur larbre.

Arrts axiaux rapports pour Bague Extrieure

(a) Arrt axial de la bague extrieure par chapeau centr maintenu par des vis. Cettesolution es t recommande dans le cas dun alsage tournant pour viter les phnomnes

de balourd. Une cale de rglage, place sous le chapeau, permet d liminer le jeu J tout

en assurant son appui.

(b) Arrt axial de la bague extrieure par rondelle maintenue par des vis.

(c) Arrt axial de la bague extrieure par anneau lastique.

(d) Arrt axial de la bague extrieure par anneau lastique chanfrein. Cette solution

permet d liminer le jeu axial entre le roulement et lalsage. (e) Arrt axial de la bague extrieure par segment prvu sur la bague extrieure du

roulement. Arrts axiaux rapports pour Bague Intrieure

(a) Arrt axial de la bague intrieure par crou encoches.

(b) Arrt axial de la bague intrieure par rondelle maintenue par une vis en bout darbre.

Dans le cas dun arbre tournant, il est recommand de centrer la rondelle pour viter les

phnomnes de balourd. Pour des arbres de diamtre important, la rondelle peut tre

fixe par plusieurs vis rparties sur une circonfrence.

Arrt axial de la bague intrieure par entretoise. Cette solution est aussi applicable pour

la bague extrieure.


12/17



(c) Arrt axial de la bague intrieure par anneau lastique.

(d) Arrt axial de la bague intrieure par anneau lastique chanfrein. Cette solution permet

dliminer le jeu axial entre le roulement et sa porte sur larbre.

(e) Arrt axial de la bague intrieure par anneau lastique.

(f) Arrt axial de la bague intrieure par manchon conique. Cette solution permet dviter

lusinage dun paulement sur un arbre long.

6.9.3. Exemple de montage

5.9.3.1. Arbre tournant

5.9.3.1. Moyeu tournant

6.9.3.3. Montage des roulements contacts obliques et rouleaux coniques

Ces roulements doivent tre monts en paire et en opposition. On distingue deux configurations de

montage : le montage en X et le montage en O .

Montage en X Montage en O


13/17



6.10. Dure de vie dun roulement

Afin de pouvoir comparer leur produits, les constructeurs de roulement ont tabli des normes telles

que : La dure dun roulement L : cest la dure dun roulement soumis une charge et

une vitesse constante avant la faillite. La dure nominale (normalise) L 10 : la dure de vie L20 dune srie de roulements

soumis la mme charge est gale au nombre de tours, ou de rvolution, raliss par 90%

des roulements de la srie ( tester) avant quapparaissent les premiers signes de fatigue.

Prenons deux groupes de roulements soumis des conditions de charge diffrentes P 1 et P 2. Leurs

durets respectives L 1 et L 2 peuvent tre calcule s par lquation suivante :k

P

P

L

L

2

1

2

1

O k = 3 pour les roulements bille et 10/3 pour les roulements rouleaux.

La dure de vie se calcule en millions de tours, parfois par commodit en heures de fonctionnement.

La relation liant la dure de vie L 10 et la charge est donne comme suit :k

P C

L

10

L10 : dure de vie en millions de tours,

C : capacit de charge dynamique de base en N,

P : charge quivalente exerce sur le roulement en N.

La dure de vie en heures de fonctionnement note L 10H est exprime en fonction de L 10 comme

suit : N L

L H .60.10 10

6

10

Avec N : vitesse de rotation du roulement en tours/min.

Dures de vie indicatives de quelques paliers roulementsMode demploi Exemples demploi Dure de vie L 10H

Usages intermittents

Electromnager, outillages,lectroportatifs, automobiles,appareils de manutention et delevage, moteurs davions

1000 1500

Fonctionnement 8 heures par jour

Vhicules industriels, machinesoutils, machines agricoles,machines de production..

15 000 35 000

Service en continu 24heures/24

Convoyeurs, compresseurs,certaines machines deproduction, ventilateurs,moteurs stationnaires

35 000 60 000

Machines dont la fiabilit esttrs importante

Machines papier, machinestextiles, services des eaux,barrages

100 000 200 000

Lorsquun ensemble de roulements (E) comprend plusieurs roulements fonctionnant en mme

temps (arbre avec plusieurs roulements), la dure de vie L E10 de lensemble de la dure de vie L i10

de chacun des n roulements. Elle est dfinie par la relation suivante :


14/17



5.115.1

10

5.1

21 0

5.1

11 010

1....

11

n E L L L

L

6.11. Exemples de calcul des roulements : dmarche de calcul du roulement bille contact

radial soumis aux charges Fr et Fa

Afin de pouvoir choisir un roulement, on doit calculer la capacit de charge dynamique debase C en appliquant la relation 3/110. L P C . Ceci revient calculer la valeur de la charge

quivalente exerce sur le roulement. En gnral ar F Y F X P .. . Les couples (X, Y)

dpend du rapport0

C

F a et du rapport

r

a

F

F compar la valeur de e (voir tableau).

Soit la premire hypothse e F

F

r

a , dans ce cas P = Fr (c'est--dire X = 1 et Y = 0).

3/110. L F C r calcule . Daprs le tableau ou le catalogue du constructeur, on doit choisir

calculechoisie C C .

Dans cette tape, on doit vrifier la premire lhypothse e F

F

r

a . Ceci nous mne calculer

le rapportchoisie

a

C

F

0

.

Calculer e par interpolation linaire.

Comparer e F

F

r

a : si e F

F

r

a alors lhypothse est vrifie et le choix est bon. Sinon, on

doit adopter la deuxime hypothse e F

F

r

a . Dans ce cas ar F Y F X P .. avec X = 0.56.

Calculer Y par interpolation linaire.

Calculer 3/110. L P C corrige et choisir calculecorrige C C .

Si e F F

r

a ; P = Fr Si e F F

r

a ; ar F Y F X P ..

0C

F a 0.015 0.028 0.056 0.084 0.11 0.17 0.28 0.42 0.56

X 0.56Y 2.3 1.99 1.71 1.55 1.45 1.31 1.15 1.04 1e 0.19 0.22 0.26 0.28 0.30 0.34 0.38 0.42 0.44

Application :

Fa =150 daN, Fr = 245 daN, N = 3000 tr/mn, L H = 10 4 heures, dmin = 30mm, srie 02.

1. Calculer L 10 en Mtr,

2. Choisir un roulement type BC adquat,


15/17



6.12. Lubrification des roulements

6.12.1. Lubrification la graisse

En version tanche , les roulements sont lubrifis vie.

En version non tanche et dans le cas de vitesses de rotation leves, les roulements sontlubrifis au montage en respectant la quantit de graisse prconise par le constructeur (risquedchauffement).

Dans le cas de vitesses de rotation basses o lexcs de graisse ne provoquera pas

dchauffement, on peut prvoir un graisseur qui permettra dinjecter de la graisse neuve, celle -ci

poussant la graisse usage vers lextrieur (figure a).

Pour des vitesses de rotations leves, la graisse sera maintenue au voisinage du roulement,

par des dflecteurs placs de chaque ct du roulement (figure b).


16/17



6.12.2. Lubrification lhuile

6.12.3. Par bain dhuile Le niveau dhuile ne doit pas dpasser le centre de la bille la plus basse. Pour les roulements

qui ne se situent pas en partie basse du mcanisme, il faudra prvoir des rcuprateurs appels

larmiers (figure a) qui seront remplis par projection, ou assurer une circulation dhuile parpompage (figure c). Si les projections dhuile sont trop importantes, elles pourront tre limites par

un dflecteur (figure b).

5.12.4. Par brouilla rd dhuile

Ce type de lubrification ncessite une installation importante (pulvrisation dun mlange

air+huile). Il est rserv aux broches de machines outils tournant grande vitesse.

7. Diffrents types de paliers :

7.1. Paliers hydrodynamiques : Ils sont constitus de coussinets comportant une rainure permettant larrive dun lubrifiant

sous pression. La formation dun film dhuile nest possible qu partir dune certaine vitesse

relative arbre/logement.

7.2. Paliers hydrostatiques :

Larbre est en suspension au centre du mcanisme sous leffet dun fluide envoy sous

pression. Le coefficient de frottement devient alors trs faible. Le cot lev de ce type de montage

le rserve des systmes particuliers.


17/17


8. Exercice dapplication

Pour chaque guidage en rotation dumcanisme ci-contre :- Identifier les solutions- Donner le schma cinmatique

minimal de ce systme- dfinir les ajustements radiaux, les jeux axiaux

- Le mode de lubrification adopt

Chapitre 5_Guidage en Rotation

Documents

Transcript of Chapitre 5_Guidage en Rotation