Liaison pivot réalisée par des paliers lisses

Liaison pivot réalisée par des palierslisses

N. MesnierLycée Jules Ferry, Versailles

2018–2019

Définition (Guidage en rotation)

A −→uLa solution constructive qui réalise une liaison pivotest appelée guidage en rotation. On appelle le contenu« arbre », et le contenant « logement » ou « alésage ».

(a) Contact direct(b) Interposition de paliers lisses

(pour limiter le frottement arbre/alésage)

(c) Interposition d’éléments roulants(d) Séparation des surfaces par paliershydrostatiques, hydrodynamiques ...)

PTSI | Liaison pivot réalisée par des paliers lisses 2

� Tableau de positionnement des solutions

Type de guidage

en rotation

Contraintes

Précision Vitesse de rotation Efforts à transmettrePar contact direct - – -Par interposition debagues defrottements

Par interpositiond’éléments roulants

+++ ++ +++

Par interpositiond’un film lubrifiant

++ +++ ++

Avec de nombreux critères de conception : Vitesse de rotation, intensité desefforts transmissibles, nature des efforts transmissibles (axial, radial, combiné),durée de vie, précision du guidage, encombrement, prix et conditions defonctionnement (à-coups, vibrations ...)

Mise en avant de la problématique

� Contact direct

Avantages :

✓ coût initial faible ;

✓ encombrement radial très faible ;

✓ minimisation des erreurs dimensionnelles.

Inconvénients :

✗ échauffement ;

✗ faible précision ;

✗ vitesse et force faible.

☞ Rotations de faible amplitude et des efforts transmissibles peu élevés.

� Contact direct

Avantages :

Inconvénients :

✗ échauffement ;

� Contact direct

Avantages :

Inconvénients :

✗ échauffement ;

� Contact direct

Avantages :

Inconvénients :

✗ échauffement ;

Contexte & objectifs

� ContexteAfin d’assurer un guidage en rotation correctpour des vitesses plus importantes, il faut choisirle palier lisse adapté.

� Objectifs du coursConnaître les règles de montages autorisées dansle cadre d’un guidage en rotation par palier lisse :

choisir le type de palier adapté ;

connaître le montage optimal permettant d’assurer un guidage en rotationefficace incluant une bonne transmission d’action mécanique.

Plan du cours

1 Différents types de paliers lisses2 Montage des paliers lisses3 Dimensionnement des paliers lisses4 Comparaison des performances obtenues5 Autres types de paliers lisses6 Exemple de dessins de définition

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Différents types de paliers

lisses

Différents types de paliers lissesBagues de frottements

Le principe du contact direct est amélioré en interposant des bagues defrottement qui vont :

diminuer le coefficient de frottement ;augmenter la durée de vie de l’arbre et du logement ;diminuer le bruit ;reporter l’usure sur les bagues (qui sont des pièces interchangeables).

Parmi les bagues de frottement, on retrouve principalement les coussinets.

Différents types de paliers lissesPaliers lisses (ou coussinets)

Définition

Les paliers sont des organes utilisés en construction mécanique pour supporter etguider, en rotation, des arbres de transmission.

Les différentes caractéristiques de ce guidage en rotation sont :le choix du matériau en fonction du montage souhaité en bronze, fer ou enmatière plastique ;l’utilisation d’une collerette ou non (notée aussi épaulement) ;un montage « serré » dans l’alésage et « glissant » au niveau de l’arbre ;un besoin de lubrication externe ou l’utilisation d’une lubrication interne.

� Exemple : guidage en rotation d’un vilebrequin p/r à un carter

� Coussinets autolubrifiantsLes coussinets autolubrifiants sont :

obtenu par frittage en bronze ;des pièces de type « éponges » restituent l’huile en fonctionnement etl’absorbent à l’arrêt ;séparatrices de surface.

✓ Fonctionnement silencieux ;✓ qualité supérieure de fonctionnement à petite vitesse ;✓ bonne lubrification ;✓ absence d’un système de lubrification extérieur pour un montage plus simple.

� Coussinets autolubrifiantsLes coussinets autolubrifiants sont :

obtenu par frittage en bronze ;des pièces de type « éponges » restituent l’huile en fonctionnement etl’absorbent à l’arrêt ;séparatrices de surface.

✓ Fonctionnement silencieux ;✓ qualité supérieure de fonctionnement à petite vitesse ;✓ bonne lubrification ;✓ absence d’un système de lubrification extérieur pour un montage plus simple.

� Coussinets type glacier

Constitués de tôle d’acier recouverte de bronzefritté ;

fonctionnement à sec ou avec un léger graissage.

✓ fonctionnement silencieux.

� Coussinets polymères

✓ Bonne résistance chimique ;

✓ grande légèreté ;

✗ mauvaise évacuation des calories.

� Coussinets fibre multicouches

Fonctionnement à sec ;

✗ coût très élevé.

� BilanAvantages :

✓ réduction du coefficient defrottement ;

✓ fonctionnement silencieux ;

✓ report de l’usure sur les bagues ;

✓ faible coût ;

✓ encombrement radial faible ;

✓ supporte les vibrations et chocs ;

✓ supporte les milieux agressifs ;

✓ montage simple.

Inconvénients :

✗ vitesse de rotation peu élevée ;

✗ jeu radial important (précisionfaible) ;

✗ sensible aux défauts d’alignement ;

✗ limite d’effort radial ;

✗ ne supporte pas les efforts axiaux oules efforts combinés.

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Montage des paliers lisses

Montage des paliers lissesDimensionnement associé au montage

Le dimensionnement permettant le montage des paliers lisses doit inclure unchanfrein facilitant l’accès.

Avec collerette :

15°-30°

ØD H7

ØD−0,01

−0,02

Sans collerette :

15°-30°

ØD H7

ØD−0,01

−0,02

iClassiquement, pas de représentation de l’intérieur du palier ni deschanfreins en question.

Avec collerette :

15°-30°

ØD H7

ØD−0,01

−0,02

Sans collerette :

15°-30°

ØD H7

ØD−0,01

−0,02

Avec collerette :

15°-30°

ØD H7

ØD−0,01

−0,02

Sans collerette :

15°-30°

ØD H7

ØD−0,01

−0,02

Montage des paliers lissesGuidage en rotation

Le positionnement sera juste lorsque le montage sera isostatique. Pour assurer uneliaison pivot glissant, on commence par assurer le guidage en rotation soit avec :

une liaison pivot glissant ;

la combinaison sphère-cylindre /sphère-cylindre.

Montage par centrage long Montage par deux centrages courts

ℓØD

Montage des paliers lissesGuidage en rotation

Le positionnement sera juste lorsque le montage sera isostatique. Pour assurer uneliaison pivot glissant, on commence par assurer le guidage en rotation soit avec :

une liaison pivot glissant ;

la combinaison sphère-cylindre /sphère-cylindre.

Montage par centrage long Montage par deux centrages courts

ℓØD

Montage des paliers lissesEffet de rotulage

lorsque ℓ/D < 0, 5, l’angle de rotulage est significatif et le guidage dit court.Le modèle associé est une liaison sphérique ou sphère–cylindre.lorsque ℓ/D > 1, 5, l’angle de rotulage est négligeable et le guidage dit long.Le modèle associé est une liaison pivot ou pivot glissant.lorsque 0, 5 < ℓ/D < 1, 5, l’angle de rotulage peut être considéré commefaible ou non et doit donc être analysé selon la situation. On parle de zoned’indécision.

Zone de rotulage négigeable

Zone de rotulage significatif

J/D = 1/2000

J/D = 1/1000Z

d’in

0 1 2 3 40,0°

J/D = 1/2000

J/D = 1/1000Z

d’in

0 1 2 3 40,0°

J/D = 1/2000

J/D = 1/1000Z

d’in

0 1 2 3 40,0°

Montage des paliers lissesArrêt axial pour centrage long

Le palier seul ne permet de réaliser qu’une liaison pivot glissant il reste à mettreen place un arrêt axial afin de n’avoir qu’une mobilité de rotation et doncd’obtenir une liaison pivot.

Surface de frottement

☞ Le tolérancement est réalisé afin de monter serré le palier lisse sur l’alésage.En effet, cette zone est celle où la vitesse de rotation est la plus grande.

Montage des paliers lissesArrêt axial pour centrage long

Le palier seul ne permet de réaliser qu’une liaison pivot glissant il reste à mettreen place un arrêt axial afin de n’avoir qu’une mobilité de rotation et doncd’obtenir une liaison pivot.

☞ Le tolérancement est réalisé afin de monter serré le palier lisse sur l’alésage.En effet, cette zone est celle où la vitesse de rotation est la plus grande.

Montage des paliers lissesArrêt axial pour double centrage court

Une fois que le guidage en rotation est réalisé, il reste à mettre en place un arrêtaxial afin de n’avoir qu’un mobilité de rotation et donc d’obtenir une liaison pivot.

☞ Pour assurer la bilatéralité du contact, il faut deux plans parallèles(« petits »), et donc un jeu axial minimal pour garantir la rotation sanscoincement sous l’effet des défauts de fabrication et des variations delongueur dues aux dilatations.

Montage des paliers lissesArrêt axial pour double centrage court

Une fois que le guidage en rotation est réalisé, il reste à mettre en place un arrêtaxial afin de n’avoir qu’un mobilité de rotation et donc d’obtenir une liaison pivot.

☞ Pour assurer la bilatéralité du contact, il faut deux plans parallèles(« petits »), et donc un jeu axial minimal pour garantir la rotation sanscoincement sous l’effet des défauts de fabrication et des variations delongueur dues aux dilatations.

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Dimensionnement des paliers

lisses

Dimensionnement des paliers lisses

Le dimensionnement des paliers à utiliser se fait à l’aide de trois critèresprincipaux :

1 Critère de résistance jouant sur la phase de vie d’une faible vitesse derotation et de la charge maximum.

2 Critère d’abrasion pour l’utilisation en vitesse de rotation maximale pour descharges constantes.

3 Critère d’échauffement pour l’utilisation dite « onctueuse » pour unfonctionnement classique.

☞ L’association de ces trois critères doit permettre de faire un choix sur lepalier utilisable pour le bon fonctionnement de notre système.

iLa procédure de calcul varie sensiblement d’une famille à l’autre etd’un fabricant à l’autre. Pour des choix précis, il est conseilléd’utiliser les documents constructeurs.

� Critère de résistance (statique ou faible vitesse de rotation)La pression de contact doit être inférieure à une pression limite entraînant :

la rupture du film d’huile dans le cas d’un palier lubrifié ;le « matage » de la surface du palier lisse.

p’ ↔ p

Falésage

Ød = 2RL

☞ La pression circonférentielle p′ est égale à la pression diamétrale p.

dL< Padm

F : charge radiale sur le palier (N) ;

d : diamètre intérieur du coussinet (m) ;

L : longueur du coussinet (m) ;

p : pression diamétrale (Pa).

p’ ↔ p

Falésage

Ød = 2RL

dL< Padm

p’ ↔ p

Falésage

Ød = 2RL

dL< Padm

� Critère d’abrasion (vitesse de rotation maximale avant glissement)La vitesse de glissement circonférentielle doit être inférieure à une vitesse limiteadmissible qui entraînerait la rupture du film d’huile (palier lubrifié).

V = ω ·

2< Vadm

� Critère d’échauffement (en fonctionnement, régime « onctueux »)Le facteur p · V est le produit de la pression diamétrale p par la vitessecirconférentielle V . La valeur de p · V permet de s’assurer, en fonction dumatériau utilisé pour la fabrication du coussinet, s’il sera capable de supporterl’énergie engendrée par le frottement. Le produit p.V doit être inférieur à unevaleur limite admissible.

p · V < (p · V )adm

� Critère d’abrasion (vitesse de rotation maximale avant glissement)La vitesse de glissement circonférentielle doit être inférieure à une vitesse limiteadmissible qui entraînerait la rupture du film d’huile (palier lubrifié).

V = ω ·

2< Vadm

� Critère d’échauffement (en fonctionnement, régime « onctueux »)Le facteur p · V est le produit de la pression diamétrale p par la vitessecirconférentielle V . La valeur de p · V permet de s’assurer, en fonction dumatériau utilisé pour la fabrication du coussinet, s’il sera capable de supporterl’énergie engendrée par le frottement. Le produit p.V doit être inférieur à unevaleur limite admissible.

p · V < (p · V )adm

� Association des trois critères

(p · V )adm

Zone d’utilisation d’un

palier à glissement

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Comparaison des

performances obtenues

Comparaison des performances obtenues

Performances comparatives des coussinets usuels

Type de coussinet Vitesse maxi-male admis-sible(m·s−1)

Températurelimite(°C)

Pressionadmissible(MPa)

Produit pV

admissible(MPa·m·s−1)

PrixunitaireNORELEM®

Acétal 2 à 3 -40 à 100 14 0,5 à 0,9Glacier

PTFE 3 -200 à 280 20 0,9 à 1,52 à 15

Graphite 13 400 5 0,5Auto-

Bronze/Étain

7 à 8 >250 7 à 35 1,7lubrifiants

Bronze/Plomb

7 à 8 250 20 à 30 1,8 à 2,1

3 à 30

Nylon 2 à 3 -80 à 120 7 à 10 0,1 à 0,3Polymères

Acétal 2 à 3 -40 à 100 7 à 10 0,11 à 8

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Autres types de paliers lisses

Autres types de paliers lissesHydrodynamiques/hydrostatiques

� Paliers lisses hydrodynamiquesPhase d’évolution du mouvement :

1 À l’arrêt, l’arbre est en contact direct avec l’alésage.2 À faible vitesse, le frottement perdure.3 À partir d’une certaine vitesse, le lubrifiant, entraîné par la rotation de l’arbre,

arrive à s’immiscer entre les surfaces.4 Dans le cas, idéal (théorique), l’équilibre est atteint pour une vitesse de

rotation infinie.

Vitesse nulle Vitesse faible Vitesse élevée

Vitesse infinie

✓ Vitesse de rotation plus importante ;

✓ acceptation de grandes charges ;

✓ durée de vie plus grande.

✗ Surface mal lubrifiée audémarrage.

� Paliers lisses hydrodynamiquesPhase d’évolution du mouvement :

1 À l’arrêt, l’arbre est en contact direct avec l’alésage.2 À faible vitesse, le frottement perdure.3 À partir d’une certaine vitesse, le lubrifiant, entraîné par la rotation de l’arbre,

arrive à s’immiscer entre les surfaces.4 Dans le cas, idéal (théorique), l’équilibre est atteint pour une vitesse de

rotation infinie.

Vitesse nulle Vitesse faible Vitesse élevée

Vitesse infinie

✓ acceptation de grandes charges ;

✗ Surface mal lubrifiée audémarrage.

� Paliers lisses hydrostatiquesLeur fonction est basée sur le fait que par un approvisionnement de pressionexterne. Les superficies sont toujours séparées par un film lubrifiant mince, pouréviter tout frottement de surfaces des paliers.

Arrivee

d’huile

Retour

d’huile Vitesse relative

Frottements

Lubrification

limite

Lubrification

hydrodynamique

laminaire

Lubrification

hydrodynamique

non laminaire

✓ peu de pertes ;

✓ capacité d’accueil de charges importantes ;

✗ Coûteux et nécessite unepompe.

� Paliers lisses hydrostatiquesLeur fonction est basée sur le fait que par un approvisionnement de pressionexterne. Les superficies sont toujours séparées par un film lubrifiant mince, pouréviter tout frottement de surfaces des paliers.

Arrivee

d’huile

Retour

d’huile Vitesse relative

Frottements

Lubrification

limite

Lubrification

hydrodynamique

laminaire

Lubrification

hydrodynamique

non laminaire

✓ peu de pertes ;

✓ capacité d’accueil de charges importantes ;

✗ Coûteux et nécessite unepompe.

Autres types de paliers lissesMagnétiques

� Paliers magnétiquesLe rotor flotte dans un champ de forces électromagnétiques contrôlé.

Palier magnetiques actifs Moteurs synchrones a aimants permanents

aimants

✓ Pas de contact, pas de frottement, pas depertes d’énergie, pas de lubrification ;

✓ très faible niveau de vibrations ;

✓ peu de pertes ;

✓ très bon rendement.

✗ Coût incomparable.

Autres types de paliers lissesMagnétiques

� Paliers magnétiquesLe rotor flotte dans un champ de forces électromagnétiques contrôlé.

Palier magnetiques actifs Moteurs synchrones a aimants permanents

aimants

✓ Pas de contact, pas de frottement, pas depertes d’énergie, pas de lubrification ;

✓ très faible niveau de vibrations ;

✓ peu de pertes ;

✓ très bon rendement.

✗ Coût incomparable.

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Exemple de dessins de

définition

Exemple : meule à main

Exemple : machine agricole

Exemple : scooter Peugeot

Exemple : train épicylcoïdal

N. Mesnier, lycée Jules Ferry, Versailles

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