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Oren Eliott
 

LA SÉLECTION ET LES SPÉCIFICATIONS DES ACCOUPLEMENTS

Équilibrer les exigences avec les capacités des accouplements disponibles
exige l'examen d'un grand nombre de facteurs.


Lorsque vous sélectionnez un accouplement d’axe, il y a presque toujours un nombre déconcertant de facteurs à considérer et la plupart de ces facteurs interagissent les uns avec les autres, ce qui complique encore plus la tâche. Par exemple, un ingénieur voudrait peut-être un accouplement pour absorber les vibrations de torsion, mais ceci ferait inévitablement en sorte que l’accouplement aurait une plus faible rigidité en torsion. En plus, les accouplements avec des éléments élastomériques capables d’amortir les torsions exercent généralement d'importantes forces réactives sur les roulements de soutien puisqu’ils sont forcés à accommoder de grands désalignements radiaires. L'ingénieur devra prioriser chacun de ces facteurs dans son application et il devra peut être faire quelques compromis sur certaines ou toutes ces caractéristiques.

En général, l'ingénieur devra faire les choix suivants lorsqu’il choisira un accouplement d’axe:

Modèle d'accouplements: L'ingénieur devra sélectionner le modèle général d’accouplements basé sur les forces et les faiblesses de chaque modèle. Il devra également choisir selon les exigences générales de son système puisque c’est ce dernier qui établie ses priorités.

Taille de l'accouplement: Cela se justifie principalement par la taille de l’axe et par les exigences de couple du système, mais cela se justifie aussi selon l’accommodation du désalignement, l'inertie de rotation et le coût.

Matériau: Cela aura une incidence sur la valeur du couple de l’accouplement, la masse, le coût ainsi que d'autres facteurs.

Modèle d’alésage et les options de fixation d'axe: la sélection d’alésage se fait généralement en fonction des axes concernés. Les options de fixation nécessitent que l'ingénieur balance les coûts versus l’entretien.

Il y a également d’autres facteurs qui pourraient être unique pour le système comme l'équilibre dynamique de l'accouplement à haut régime.

Dans chaque cas, l'ingénieur doit équilibrer les coûts reliés à l’accouplement, la performance, la durée de vie de l'accouplement et les priorités de chaque critère de performance pour son application.

Modèle d’accouplements:

Dans certaines situations, il sera facile de connaître quel modèle d’accouplements est nécessaire. Par exemple, s'il n'y a pas de désalignement significatif, alors un accouplement rigide sera le choix le moins coûteux et le plus fiable. Si l’amortissement des torsions est la première préoccupation, alors un accouplement à mâchoires sera le meilleur choix. Mais dans la plupart des situations, l'ingénieur aura un ensemble d'exigences relié à son système spécifique qui lui demandera de balancer de nombreux facteurs et ainsi faire des choix en fonction de ce qu’il croit le plus important, tout en compromettant d'autres facteurs. Ces considérations comprennent:

Les exigences de couple du système: Les exigences de couple peuvent être calculées soit à partir du couple du côté menant ou à partir de la puissance et de la vitesse de rotation du côté mené. Cependant, les facteurs de service reliés à la nature de l’application devraient également être envisagés. L’accouplement doit être réduit pour la température et le désalignement, spécifiquement si l'un d’entre eux se rapproche des limites opérationnelles de l'accouplement.

Le total des facteurs de service est la somme du facteur de service du côté menant et celui du côté mené. Chacun représente une mesure de l’intensité de l'application. Les facteurs de service spécifiques aux diverses applications sont répertoriés dans l'outil de sélection des numéros de pièce dans OEP Couplings.. Cet outil permet également de réduire l’accouplement pour la température et le désalignement, car même si un accouplement est évalué à 180 ° F, cela ne signifie pas que sa performance à 170 degrés F sera la même à une température ambiante.

L’amortissement des vibrations de torsion par rapport à la rigidité en torsion: Pendant que l’un augmente, l’autre diminue.

Le désalignement du système: Radiaire, angulaire et axiale, après une possible expansion thermique durant le fonctionnement.

Les forces réactives exercées par l’accouplement:  Avec un désalignement, tous les accouplements flexibles exercent des forces réactives sur les roulements d’appui au niveau des composantes menées et menantes. L’importance de ces forces varie selon l’ampleur du désalignement et du couple ainsi que selon le type d’accouplements. 

La performance de l’accouplement par rapport au coût de l’accouplement: Par exemple, dans certaines situations, la valeur ou la fragilité des composantes menées et menantes obligera le concepteur à choisir un accouplement plus cher qui exerce des forces réactives plus petites.

La durée de vie de l’accouplement par rapport au coût de remplacement: Dans certaines situations, lorsque les temps d'arrêt de l'appareil est particulièrement coûteux ou lorsque la conception de l'assemblage permet difficilement l'entretien de l’accouplement, l'ingénieur sélectionnera un accouplement qui est moins susceptible de nécessiter un remplacement ou un service d’entretien.

Différents modèles d'accouplements offrent différents avantages et inconvénients:

Les accouplements rigides
ne peuvent presque pas accommoder de désalignement; si un certain désalignement se produit dû à une inexactitude de la ligne de montage ou dû à une dilatation thermique pendant le fonctionnement, l'utilisation d’accouplements rigides peut entraîner d'importantes forces réactives sur les roulements de support. Toutefois, si ces désalignements sont faibles et que les roulements de support sont robustes, les accouplements rigides seront le meilleur choix à la fois pour leur faible coût et leur durabilité.


Les accouplements Oldham peuvent accommoder de grands désalignements radiaires, de petits désalignements angulaires et un désalignement modéré au niveau axial. Ils offrent une bonne valeur de couple maximal et ils détiennent une rigidité en torsion. Ils ont l’avantage d’avoir une transmission homocinétique (à tout moment, le côté menant bouge à la même vitesse que le côté mené), ils ont de très faibles forces réactives en plus d’être peu dispendieux. Ils sont dans la plupart des cas le meilleur choix à faire lorsqu’il est question d’un accouplement flexible, car ils répondent à la plupart des applications.

Les accouplements Oldham/universel offrent tous les avantages des accouplements Oldham, en plus d’accommoder jusqu'à 6 degrés de désalignement angulaire.

Les accouplements à bloc sont des anciennes variations des accouplements Oldham qui n'offre pas l’option du « fusible mécanique » de la section médiane. Sous un couple excessif, la section médiane de l’accouplement Oldham se brise, mais les moyeux restent intacts, de sorte que la section médiane peu coûteuse peut être remplacée. Un accouplement à bloc ne se cassera pas jusqu'à ce que les moyeux eux-mêmes se brisent aussi. Cependant, la section médiane du bloc peut être remplacé après usure. Cette fonction « sécurité intrinsèque » pourrait être considérée comme avantageuse pour certaines applications. L’accouplement à bloc peut inclure un réservoir de graisse interne et il est bon pour les environnements difficiles ou sales.

Les accouplements à mâchoires offrent l'avantage d'amortir les vibrations de torsion. Ils peuvent accommoder des couples importants et de petits désalignements et ils sont peu dispendieux. Toutefois, ils n'ont pas une bonne rigidité en torsion, si un certain mouvement se produit.

Les joints de cardan sont utilisés dans des applications où un très grand désalignement est nécessaire. Ils peuvent accommoder un désalignement allant jusqu'à 45 degrés avec un seul joint. Axialement et radialement, cependant, ils sont essentiellement inflexibles.

Les accouplements magnétiques sont utilisés pour transmettre une rotation à travers une barrière. Elles peuvent accommoder de grands désalignements et ils peuvent servir comme une sorte de limiteur de couple, mais ils sont conçus pour des couples très petits, ils ont une très petite rigidité en torsion et leur coût est élevé.

Les accouplements à spirale ou hélicoïdal sont des accouplements de coût modéré, fabriqués en une seule pièce métallique flexible. Ces derniers possèdent de hautes forces réactives lorsqu’ils sont désalignés et peuvent avoir un certain jeu (jusqu'à sept degrés). Toutefois, ils n'ont pas de pièces mobiles de glissement, ainsi ils finiront par s’user et se briser. Alors, il faut prendre en considération qu’il n'y a pas d’élément de remplacement peu coûteux.

Les accouplements à soufflet ont une mince paroi métallique flexible et ils peuvent accommoder de grands désalignements avec de faibles forces réactives. Toutefois, ils sont utiles seulement pour un faible couple et ils ont également une faible rigidité en torsion lorsque la valeur de couple se rapproche du couple maximal. Tout comme les accouplements à spirale, ils se vendent à un coût modéré et ils finiront par s’user.

Les accouplements à chaîne, à ruban et à engrenage sont des modèles très robustes destinés à des arbres de grande taille (plus de deux pouces de diamètre). Ils tolèrent des couples très élevés et des applications robustes.

Les accouplements à goupille et manchon sont des ensembles de grand diamètre qui accommode de petits désalignements et ils offrent peu d’amortissement en torsion.

Taille des accouplements:

La taille de l'accouplement doit être assez grand pour accommoder deux axes. Toutefois, un accouplement peut aussi être trop grand pour une certaine taille donnée d’axe. Par exemple, peu de fabricants produisent des accouplements de 2 pouces de diamètre qui peuvent accommoder un axe de 0,125 pouce de diamètre.

Plus le diamètre de l’accouplement augmente, plus la valeur de couple maximal augmente également ainsi que l’accommodation pour un désalignement radiaire. Ainsi, augmenter la taille d’un modèle donné est une façon plus naturelle de choisir un accouplement qui rencontrera ces deux exigences. Cependant, l'ingénieur ne voudra pas surcompenser ici et sélectionnez un accouplement qui est plus grand que nécessaire, car cela augmentera inutilement l'inertie de rotation et le coût relatif.

Les matériaux de l’accouplement:

La bonne sélection des matériaux peut faire en sorte que l’accouplement résiste à la température requise et au couple, tout en minimisant les coûts.

Les accouplements rigides et les moyeux des accouplements flexibles sont généralement disponibles en aluminium, en acier inoxydable, en alliage d'acier, en laiton et en thermoplastiques de pointe. Chacun a ses avantages:

L'aluminium offre un faible coût et un faible moment d'inertie. Lorsque recouvert de manière appropriée, il dispose également d'un faible coefficient de friction, une bonne résistance à l'usure et à la corrosion. Pour les accouplements qui n'ont pas une section médiane qu’on peut sacrifier et qui ainsi demande un moyeu résistant, l'utilisation d'alliages appropriés (comme 7075) peut faire des moyeux en aluminium aussi solide que l'acier allié et presque aussi fort que l'acier inoxydable. Pour la plupart des applications, l'aluminium est le meilleur choix par défaut pour les éléments des accouplements métalliques.

L’acier inoxydable offre une bonne résistance à la corrosion et une haute résistance sur une vaste gamme de température, mais il est plus dispendieux.

L’acier allié et le laiton sont à considérer lorsque le coût est la principale considération.

L’Ultem© peut être utilisé pour des accouplements rigides. Ce dernier les rend électriquement isolants avec une bonne résistance à une vaste gamme de température et leur donne une bonne stabilité dimensionnelle.

Il y a aussi plusieurs options disponibles pour les sections médianes d’accouplements flexibles:

Delrin© est le choix le plus courant pour les accouplements flexibles non-élastomères tels que les accouplements d’Oldham. Il offre un faible coût, une bonne résistance à l'usure et il tolère les couples relativement élevés. Il détient également une bonne rigidité en torsion. Cependant, il subsiste une grande différence au niveau de la performance entre les sections médianes Delrin usinés (qui détiennent un limiteur de couple statique et une rigidité en torsion supérieure) et le Delrin moulé à bon marché.

Le nylon est parfois offert pour les accouplements d’Oldham puisqu’il est une bonne alternative de moindre coût au Delrin. Il est aussi parfois présenté comme ayant plus de torsion d'amortissement que le Delrin, bien que toute différence entre les deux, à cet égard est vraiment petite.

Les thermoplastiques de hautes températures sont aussi parfois proposés comme une alternative au Delrin. Ils surpassent Delrin non seulement en ce qui concerne la température de service maximale, mais également en couple et en rigidité.

L'uréthane est un choix commun pour les sections médianes des accouplements flexibles  élastomères tels que les accouplements à mâchoires. L’uréthane détient  d’excellentes performances en termes de compression, de résistance à l'usure, à la température de service et à la résistance chimique. OEP Couplings offre également une section médiane de ses accouplements Oldham en uréthane couvert d'un revêtement à faible friction. Ceci fournit au client un accouplement hybride avec la grande accommodation de désalignement radiaire et les faibles forces réactives d'un accouplement d’Oldham, mais avec d'excellentes caractéristiques d'amortissement de torsion.

Les caoutchoucs moulés de haute température sont parfois proposés comme une alternative à l'uréthane pour les sections médianes des accouplements à mâchoires.

Modèles d'alésage et les options de fixation de l'axe:


Les alésages peuvent être polygonaux pour s'adapter à des arbres polygonaux, mais les alésages cylindriques sont les plus communs. Il existe trois modèles d’alésages cylindriques:

L'option la plus commune est les alésages de passage. Ils ont un énorme avantage en termes de facilité de montage; le moyeu peut être glissé en arrière de l'arbre, ce qui permet d’insérer plus facilement la section médiane, puis de glisser et verrouiller. Ceci fait en sorte que l’accouplement peut être installé sans déplacer soit le côté mené ou menant.

Les alésages borgnes (les alésages qui ne vont pas complètement à travers le moyeu) offrent l'avantage potentiel de donner un fond à l'alésage pour que l'arbre puisse pousser contre celui-ci, en aidant  de cette façon à localiser axialement le moyeu par rapport à l'arbre.

Les alésages cannelés peuvent être des alésages de passage ou borgnes. Une rainure est introduite dans l'alésage pour accepter des clavettes (métrique ou en pouce) standard qui également siège dans une rainure sur l'axe. Ceci contribue à transmettre le couple de l'arbre jusqu’au moyeu empêchant ainsi le glissement de l’arbre, même à des couples très élevés. Cette caractéristique augmente le prix du moyeu et signifie également que la position angulaire du moyeu par rapport à l'arbre est ainsi prédéterminée et ne peut pas être ajustée.

Les options de fixation d’axe comprennent:

La méthode la moins chère et la plus polyvalente de fixation des axes est les vis de réglage, mais ils peuvent endommager l’axe rendant ainsi leur retrait difficile.

Les mécanismes de serrage ne peuvent pas être endommagés, ce qui rend plus facile le remplacement de la section médiane et ce qui fournit un couple élevé avec un dispositif de verrouillage, surtout lorsqu'il est combiné avec un alésage cannelé.

Des goupilles peuvent être insérées à travers un trou foré de façon transversale dans le moyeu ainsi que dans l'axe. Ceci rend le retrait difficile, mais non pas impossible. Ceci est une méthode commune de fixation pour les joints de cardan.

Autres considérations:

Un facteur que le concepteur devra examiner dans les applications de très hauts tours est l'équilibre de l'accouplement. À haut régime, un accouplement asymétrique peut causer de grandes forces sur les roulements de support et peut provoquer des vibrations. La plupart des accouplements sont fournis déséquilibrés, mais ils peuvent être fournis équilibrés à un coût supplémentaire. De nombreux accouplements sont fournis très déséquilibre avec des vis de réglage ou des vis de serrage fixées sur un seul côté du moyeu et ils ne possèdent aucun dispositif pour fournir une distribution de poids symétrique.

Les conceptions de OEP Couplings sont tous théoriquement symétriques dans la répartition du poids. Ainsi, sans le coût supplémentaire de l'équilibre sur une machine d'équilibrage, ils seront plus près d'être équilibrés sans cette étape supplémentaire que ceux des autres fabricants.

De temps en temps, les forces réactives ou les vibrations des accouplements flexibles amplifient d'autres forces au sein du système ou créent une boucle de rétroaction et s’amplifient eux-mêmes à certaines fréquences critiques. Cela est difficile à prédire et l'expérimentation est habituellement nécessaire pour déterminer si cela se produira. Souvent, cette situation peut être atténuée par l'utilisation de matériaux de moyeu différents ayant des masses différentes.

Conclusion:

Après avoir choisi le modèle approprié pour son application, une taille qui correspond à ses arbres, un couple adéquat, des matériaux appropriés, les meilleurs modèles d'alésage et un bon dispositif de serrage de l’axe, le concepteur doit vérifier que sa sélection réunit tous les critères suivants qu'il doit considérer essentiel:

La valeur de couple de l'accouplement doit être supérieure à celle de l’application. Ceci doit être calculé en fonction du couple du côté menant ou selon la puissance et le régime du moteur. Il faut également considérer les facteurs de service et la réduction de l’accouplement selon la température et le désalignement (si l’un d’eux s'approche de la limite opérationnelle de l'accouplement);

L’accouplement est égal ou supérieur à la vitesse de rotation de l’application;

L’accouplement est égal ou supérieur au désalignement prévu de l'axe (radiaire, angulaire et axial) et ce, après avoir considéré toute croissance thermique pendant le fonctionnement;

L’accouplement est classé au-dessus de la température ambiante maximale prévue

L’accouplement peut accommoder physiquement les deux arbres et il peut s'insérer dans l'enveloppe physique disponible que ce soit au niveau de la longueur de l’accouplement, son diamètre extérieur ou les profondeurs de son alésage;

L’accouplement remplit à tous les critères de conception, c’est-à-dire que le concepteur a pris en considération la rigidité en torsion, le moment de rotation de l'inertie, l’amortissement de la torsion, l'équilibre dynamique et la stabilité harmoniques à toutes les fréquences dont il pourrait rencontrer;

Le coût de l’accouplement respecte le budget.

La plupart des fabricants d’accouplements ont un personnel technique capable d'aider les concepteurs dans la sélection des accouplements.

Rédigé par:
Steven Elliott
OEP Couplings,
une division de Oren Elliott Products, Inc.


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