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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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 :
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