GUIDAGE EN ROTATION -...

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Monsieur LETARD-construction mécanique GUIDAGE EN ROTATION 1 Mise en situation Nous allons nous attacher à justifier le choix du constructeur pour la réalisation de la liaison entre les roues et le châssis Critères attendus: vitesse durée de vie acceptable bruit coût réduit Sécurité

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Monsieur LETARD-construction mécanique

GUIDAGE EN ROTATION 1 Mise en situation

Nous allons nous attacher à justifier le choix du constructeur pour la

réalisation de la liaison entre les roues et le châssis

Critères attendus:

vitesse

durée de vie acceptable

bruit

coût réduit

Sécurité

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Monsieur LETARD-construction mécanique

BESOIN Quel mouvement veut-on réaliser entre une roue et le châssis ?

On désire réaliser un mouvement de rotation

Quelle liaison réalise ce mouvement ?

Une liaison pivot

Rq: La solution constructive qui réalise une liaison pivot est appelée guidage en

rotation.

Mouvements relatifs autorisés Représentation symbolique en

perspective

Représentation symbolique en

projection orthogonale

X

Z

Rx 0 Ry 0

Rz 0

Tz 0

Ty 0 Tx 0 x y

z

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2. Fonction du guidage en rotation a) Besoin

De nombreux produits industriels(moteurs, boîtes de vitesses les roues de

véhicules, les skate board, etc…) nécessitent d’avoir des mouvements relatifs

de rotation entre pièces afin de réaliser leurs fonctions.

b) Fonctions à assurer Pour réaliser un guidage en rotation entre deux pièces d’un mécanisme, une

solution constructive doit assurer, en phase d’utilisation les fonctions

Techniques suivantes :

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Positionner les deux pièces entre

elles FT11

Faciliter le mouvement relatif de

rotation FT12

Transmettre les actions mécaniques FT13

Résister au milieu environnant FT14

Réaliser une liaison

pivot

entre deux pièces FT1

Etre d’un encombrement minimal FT15

Etre esthétique FT16

Assurer un fonctionnement silencieux FT17

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Guidage en Rotation

Contact direct des

surfaces

Interposition bagues

frottement

Interposition film

fluide Interposition

éléments roulants

3. Les principes et moyens pour réaliser un guidage en rotation

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3.1 Guidage en rotation par contact direct Le guidage en rotation par contact direct peut être obtenu à partir du contact entre

des surfaces cylindriques complémentaires et de deux arrêts axiaux qui suppriment

les degrés de libertés en translation suivant l’axe du cylindre.

Les arrêts axiaux sont réalisés par épaulement sur l’arbre ou par pièces rapportées

comme les rondelles plates, les anneaux élastiques, les bagues, etc...

Moteur électrique

Avantages et inconvénients:

•coût peu élevé mais

•autorise des faibles vitesses de rotation

•efforts transmissibles modérés.

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Qualité de glisse : Il faut un jeu suffisamment important pour permettre

la rotation de la roue mais celui ci ne doit pas être trop important sinon

cela nuit à la qualité de la glisse en créant des à coups

Cette notion de jeu intervient dans deux directions :

- jeu axial

- jeu radial

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Critères de vitesse : pour un contact direct la vitesse est limitée à

cause des frottements f = 0.1.

Durée de vie : A grande vitesse, les matières en contact vont générer de

l’usure (frottement, échauffement) qui va dégrader la liaison

Bruit : Les frottements dans la liaison risquent de faire du bruit

Critère de coût : Réaliser une liaison pivot par contact direct est d’un coût

très faible puisqu’il ne nécessite pas d’avoir une multitude de pièces.

En conclusion la solution de contact direct qui avait été choisie pour le

scanner ne satisfait pas pour le roller.

Le constructeur Salomon insiste sur le fait que ses roulements :

Durent plus longtemps

Roulent mieux

Sont moins bruyant

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3.2 guidage en rotation par interposition de bagues de frottement

3.2.1 Principe et fonction

On interpose une bague de frottement entre les

pièces qui font l’objet d’un guidage en rotation ce

qui permet d’atteindre des performances

supérieures à celles obtenus par contact

direct entre surfaces

Evacuer les calories produites par frottement.

Permettre le guidage en rotation d'un arbre dans son palier.

Report de l’usure sur une Pièce d'usure qui doit être facile à

changer lorsque le jeu arbre-coussinet devient hors des tolérances

admissibles.

Avantages

Limiter le frottement (0,04 < f < 0.25) dans la liaison. Pour ce faire

on utilise des matériaux à coefficient de frottement faible tel que

cuivre, étain, bronze, PTFE, polyamide, graphite, nylon, acétal.

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COUSSINET « AUTOLUBRIFIANT »

Matériau fritté(poudre comprimée et chauffée en atmosphère controlé)

Constitution

Matériau fritté constitué de bronze et de plomb. Le coussinet obtenu est poreux,

les pores occupent 25 à 30 % du volume total.

Rappel ?

Les matériaux frittés sont obtenus à partir d'un mélange de poudre des

différents constituants. Après compression dans un moule addition d’un liant

et chauffage on obtient une pièce frittée.

3.2.2 Les coussinets:

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Matériaux : Ils sont réalisés à partir de différents types de matériaux :

Bronze fritté (Cu Sn 8P), matière plastiques ( Nylon, Teflon )

Montage : Il se monte serré dans l’alésage

L’arbre est monté glissant dans le coussinet

Utilisation : fonctionne à sec ou légèrement lubrifiés.

Avantages : Les coussinets autolubrifiant présentent les caractéristiques

suivantes :

- vitesse tangentielle maximale égale à 8 m/s

- fonctionnement silencieux et sans entretien

- température maximale égale à 200°C

- un bon coefficient de frottement entre l’acier et le bronze

(0,05 à 0,2)

Désignation normalisée : (NF E 22-510) : Coussinet cylindrique, d*D*L

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Matériaux : Elles sont constituées de plusieurs couches dont la couche

support en acier, est recouverte de bronze fritté et de PTFE impreigné de

lubrifiant coté arbre, et d’étain coté alésage.

Montage : idem que le précèdent

Utilisation : fonctionne à sec ou légèrement graissé.

Avantages : d’un montage facile et d’un encombrement faible, elles

présentent un bon coefficient de frottement entre l’acier et le PTFE (0,01 à

0,05)

Désignation normalisée : (NF E 22-511) : Coussinet cylindrique PG,

d*D*L

3.2.3 Les bagues en tôle roulées:

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3.3 Guidage en rotation par roulement

« C’est pas Astérix » C’est en 3500

avant JC que les Assyriens ont eu

l’idée de remplacer le frottement de

glissement par le frottement de

roulement en interposant des

rouleaux cylindriques entre le sol et

l’élément à transporter.

Les premiers roulements

apparaissent vers 1870

créer un

déplacement

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Le principe de ce type de guidage est de remplacer le glissement entre

les parties en mouvement par du roulement. L’objectif d’un roulement

est de réaliser cette fonction.

3.3.1 Fonction et constitution d’un roulement:

La bague extérieure : qui se positionne

dans l’alésage

La bague intérieure : qui s’ajuste sur l’arbre

Les éléments roulants : de formes

diverses (billes, rouleaux, aiguilles) roule

sur les chemin des roulements des deux

bagues.

La cage : qui maintient les éléments

roulants à intervalles réguliers.

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7.2. DESIGNATION D’UN ROULEMENT:

Diamètre de la bague intérieure (d)

Type du roulement

Série de dimensions

Numéro complémentaire

60 BC 03 XE..

B = roulement à billes R = roulement à rouleaux

S = roulement à auto alignement

T = butée à billes et à rouleaux

K = roulement à rouleaux coniques

N = à aiguilles

Numéro de base ( le minimum )

3.3.2 Désignation d’un roulement:

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3.3.3 Différents types de roulements :

Roulement à

billes à contact

radial

butée à billes

Roulement à

billes à contact

obliques

Butée à

rouleaux

Douille à

aiguilles

Roulement à

2 rangées

de billes

Roulement à

rouleaux à

contact radial

Roulement à

rouleaux à

contact oblique

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Roulement à billes Roulement à rouleaux

Roulement à une rangée de billes : Type BC

Epaulement sur bague extérieure : Type RU ou NU

Epaulement sur bague interieure : Type RN ou N

Roulement à une rangée de billes, à contact oblique:

Type BT

Epaulement sur deux bagues : Type RJ ou NJ

Roulement à deux rangées de billes, à contact oblique:

Type BE

Roulement à rouleaux coniques : Type KB

Roulement à deux rangées de billes, à rotule dans la bague

extérieure : Type BS

++

Roulement à deux rangées de rouleaux, à rotule dans la bague

extérieure : Type SC

Butée Roulement à aiguilles

Butée à billes, à simple effet : Type TA

Roulement à aiguilles complet (2 bagues ) : Type NEA

Très élevé Très élevé

3.3.4 Principaux types de roulements :

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3.3.5 Montage des roulements:

Bague intérieur tournante/ direction de

la charge

Bague extérieure tournante/ direction de

la charge

Bague intérieure serrée sur l’arbre : j6

ou k6

Bague intérieure libre sur l’arbre : g6 ou

h6

Bague extérieure libre dans l’alésage :

H7 ou J7

Bague extérieure serrée dans l’alésage :

K7 ou N7

La bague tournante par rapport à la direction de la charge sur les roulements doit être ajustée

avec serrage.

La bague fixe par rapport à la direction de la charge sur les roulements doit être ajustée avec

jeu.

a) Choix des ajustements. Tolérances des pièces à fabriquer:

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b) Immobilisation axiale:

En réalité, un jeu interne au roulement permet

un léger défaut d’alignement ( angle de rotule

compris entre 2’ et 10’ ) entre les bagues des

roulements. Ceci à pour effet d’autoriser entre

les deux bagues les trois rotation autour du

point O.

Liaison autorisée

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Solution Combinaisons des épaulements Remarques

BAGUE INTERIEURE TOURNANTE PAR RAPPORT A LA DIRECTION DE LA CHARGE

1

Solution courante :

- n’exigeant pas de jeu axial;

- utilisée pour des roulements avec bagues non

séparables

- souvent utilisée si le roulement de gauche est plus

gros ( démontage aisé par la gauche )

2

Le jeu est nécéssaire pour permetre la dilatation de

l’ensemble et éviter la dilatation de charge internes

parasites.

La distance entre les roulements doit être réduite.

Le positionnement axial est moins précis puisque le

montage exige un jeu.

3

Solution économique pour de failes charges axiales.

BAGUE EXTERIEURE TOURNANTE PAR RAPPORT A LA DIRECTION DE LA CHARGE

1

2

Le jeu est nécessaire pour permettre la dilatation de

l’ensemble et éviter la dilatation de charges internes

parasites.

La distance entre les roulements doit être réduite. Le positionnement axial est moins précis puisque le

montage exige un jeu.

3

Solution économique pour de faibles charges axiales.

c) Différents types de mobilisation axiale:

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ARRETS SUR ARBRES

ARRETS SUR ALESAGES

1- Principe.

1- Principe.

2- Ecrou à encoches.

2 - Boitier.

3- Circlips.

3- Circlips.

4- Epaulement

d’arbre.

4- Epaulement

5- Entretoise.

5- Entretoise

6- Bague en deux

parties.

6 - Chapeau

centré.

7 - Manchon de serrage.

7 - Chapeau fileté

d) Différentes solutions constructives pour mobilisation axiale:

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3.3.6. Etanchéïté des roulements

Les roulements exigent une

atmosphère saine pour

fonctionner correctement et

durablement. Ils doivent être

protégés des substances

granuleuses dures ( poussières

abrasives, sable, terres) , de

l’eau (liquide, vapeur,

condensation), des fluides

corrosifs, d’un lubrifiant usagé.

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3.3.7. Application à l’étude du ROLLER

a) Positionner les deux pièces entre elles

Il s’agit d’interposer des surfaces de contact pour supprimer les degrés de liberté,

afin de réaliser une liaison pivot.

Le dessin suivant montre une solution proposée par INA un fabricant de roulement

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Positionner radialement la roue par rapport au châssis? Surfaces

cylindriques

Positionner axialement la roue par rapport au châssis?

Surfaces

planes

x

y

Conclusion: on réalise bien une liaison pivot

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b) Faciliter le mouvement de rotation

Le constructeur a choisi d’utiliser des roulements à billes à contact

radial

La Norme ABEC

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Solution Combinaisons des épaulements Remarques

BAGUE INTERIEURE TOURNANTE PAR RAPPORT A LA DIRECTION DE LA CHARGE

1

Solution courante :

- n’exigeant pas de jeu axial;

- utilisée pour des roulements avec bagues non

séparables

- souvent utilisée si le roulement de gauche est plus

gros ( démontage aisé par la gauche )

2

Le jeu est nécéssaire pour permetre la dilatation de

l’ensemble et éviter la dilatation de charge internes

parasites.

La distance entre les roulements doit être réduite.

Le positionnement axial est moins précis puisque le

montage exige un jeu.

3

Solution économique pour de failes charges axiales.

BAGUE EXTERIEURE TOURNANTE PAR RAPPORT A LA DIRECTION DE LA CHARGE

1

2

Le jeu est nécessaire pour permettre la dilatation de

l’ensemble et éviter la dilatation de charges internes

parasites.

La distance entre les roulements doit être réduite. Le positionnement axial est moins précis puisque le

montage exige un jeu.

3

Solution économique pour de faibles charges axiales.

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En utilisation normale les roulements d’un roller supportent :

Il s’agit d’un roulement à billes à contact radial qui peut

encaisser ces deux types de charges.

• des charges radiales ex: le poids de la personne

• des charges axiales ex:lorsque la personne est dans

des courbes et qu’elle incline ses roller.

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3.4. Guidage par interposition d’un film d’huile

Les paliers lisses hydrodynamiques sont constitués de coussinets

comportant une rainure permettant l'arrivée d'un lubrifiant sous

pression.

La formation du film d'huile dépend :

- des conditions de fonctionnement ( vitesse et pression )

- du lubrifiant (viscosité)

- et de l'état des surfaces.

3.4.1. Paliers hydrodynamiques:

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3.4.2. Paliers hydrostatiques

Le principe de fonctionnement est différent de celui des paliers

hydrodynamiques, il n'y a pas de formation de coussin d'huile, la

pression est fournie par une pompe qui envoie le fluide sous pression

dans quatre chambres munies d'un étranglement constant.

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Bruit : Les roulements s’il sont bien lubrifiés ne font quasiment pas de bruit.

Sauf quand ils sont usagés ceci est un bon repère de l’état de ses roulements.

Critère de coût : Réaliser une liaison pivot par éléments roulants est d’un coût peu

élevé car on utilise des composants standards produits en grandes séries (à titre

indicatif un roulement de caractéristiques de bases vaut pour un diamètre extérieur

de 35 mm environ 40 F soit 6 à 7 €)

Conclusion: Le roulement à contact radial n’est pas une solution idéale

dans tous les cas mais c’est un bon compromis. Si vous l’utiliser pour

des charges très élevées purement axiales il se détériorera rapidement.

Durée de vie : les frottements sont divisés par 100 par rapport au

guidage en rotation par contact directe.

Qualité de glisse : les frottements sont divisés par 10 par rapport aux

bagues de frottement la qualité de glisse est donc accrue.

Critères de vitesse : pour un roulement à billes de diamètre intérieur 12 on

obtient une vitesse limite de 30000 à 40000 tr/min suivant que l’on fait

usage de graisse ou d’huile.

3.5. Bilan sur le choix de la solution constructive

réalisant la liaison pivot :