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Effectuer le bon choix d’un accouplement mécanique
Un accouplement mécanique (ou joint de transmission) est un système permettant de transmettre la puissance et le couple d’un arbre moteur vers un arbre récepteur en rotation.
Les arbres à accoupler sont rarement parfaitement alignés. Ainsi certains accouplements (accouplements élastiques, joints de cardan) sont également utilisés afin de corriger les défauts d’alignement des arbres.
La position relative des arbres à accoupler est donc une contrainte déterminante dans le choix des accouplements.
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Comment choisir votre accouplement mécanique ?
Il existe trois grandes catégories d’accouplements :
- Accouplement flexible
- Accouplement rigide en torsion
- Accouplement rigide
On peut différencier également les accouplements selon la durée de l’accouplement entre les deux arbres. On distingue les accouplements permanents des accouplements temporaires. Lorsque l’accouplement des deux arbres est permanent dans le temps, le désaccouplement n’est possible que par démontage du dispositif. L’accouplement est dit temporaire lorsque l’accouplement ou le désaccouplement peuvent être obtenus à n’importe quel moment, sans démontage du dispositif, suite à une commande extérieure (intervention humaine ou commande automatisée).
Enfin, l’accouplement est dit homocinétique lorsque la vitesse de rotation de l’arbre d’entrée est rigoureusement identique à tout instant à celle de l’arbre de sortie.
Il existe de nombreux dispositifs d’accouplement disponibles sur le marché. Dans certains cas, vous pourrez déterminer facilement quel modèle choisir. Par exemple, s’il n’y a pas de désalignement significatif, un accouplement rigide sera le choix le moins coûteux et le plus fiable. Si l’amortissement des torsions est le premier facteur à prendre en compte, alors un accouplement à mâchoires sera le meilleur choix.
Voici les utilisations les plus communes d’un accouplement :
- Pour entraîner en rotation un élément récepteur à partir d’un élément moteur
- Pour réaliser un raccordement rapide entre deux éléments d’un système (par exemple entre un moteur et une pompe) et pouvoir effectuer facilement des travaux d’entretien sur ces éléments
- Pour pallier un désalignement axial, radial ou angulaire
- Pour ajouter plus de flexibilité dans un système
- Pour amortir les vibrations
- Pour ajouter une protection contre les pics de couple
Le choix de l’accouplement est fonction des critères suivants :
- La nature des défauts d’alignement des deux arbres (radial, angulaire et axial)
- Le couple maximal à transmettre (en général, le fabricant indique le couple maximum).
- Les caractéristiques du moteur et du récepteur et des conditions de fonctionnement (fréquence de démarrages, chocs et vibrations, température de service, etc.)
- La vitesse de rotation maximale
- L’encombrement
- La taille des diamètres des arbres d’entrée et de sortie
- Le rapport coût/performance
La durée de vie de l’accouplement par rapport au coût de remplacement est un critère de choix important. Dans certaines situations, lorsque les temps d’arrêt de l’appareil sont particulièrement coûteux ou lorsque la conception de l’assemblage permet difficilement l’entretien de l’accouplement, on sélectionnera un accouplement qui est moins susceptible de nécessiter un remplacement ou un service d’entretien.
Enfin, la taille de l’accouplement, traduite par les diamètres d’arbres d’entrée et de sortie, doit être assez grande pour accommoder deux axes. Plus le diamètre de l’accouplement augmente, plus la valeur de couple maximal augmente. Ainsi, accroître la taille d’un modèle donné est une façon plus naturelle de choisir un accouplement qui rencontrera ces deux exigences. Cependant, choisir un accouplement plus grand que nécessaire est inutile, car cela augmentera l’inertie de rotation et le coût relatif.
D’autres critères peuvent entrer en compte dans le choix de l’accouplement, comme la performance du système par rapport à son coût. 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.
Comment choisir votre accouplement flexible ?
Un accouplement flexible ou élastique, comprend à la fois des pièces rigides et d’autres totalement élastiques. Ces accouplements sont moins conçus pour corriger les défauts d’alignement que pour réguler les variations de couple (amortissement des chocs et vibrations dans la transmission, lorsque le couple est pulsatoire par exemple).
Parmi les accouplements flexibles on trouve des accouplements à liaison élastomère, des accouplements à mâchoires, des accouplements à pneu, des accouplements à rubans, etc.
Enfin, la dernière étape de classification des accouplements flexibles est la technologie utilisée. Il en existe beaucoup, elles sont notamment utilisées dans les applications suivantes : les convoyeurs, les mixeurs, les pompes, etc.
Le choix d’un couple flexible dépend de différents facteurs comme l’espace de montage disponible, la durée prévue et les prestations de transmission. La température d’opération est un paramètre important pour le choix d’un accouplement (une plage de températures est alors fournie).
Étant donné les erreurs dimensionnelles inhérentes à tout montage mécanique, les axes correspondant aux arbres à unir présentent des « désalignements » qui compliquent la transmission du mouvement. Ces désalignements peuvent être axiaux, radiaux ou angulaires.
Les désalignements entraînent également une fatigue ou une usure de l’union. Par conséquent, pour le choix de l’union, vous devrez tenir compte de la vitesse de rotation, en minorant les désalignements maximums admissibles figurant dans les tableaux fournis pour chaque modèle.
Pour des systèmes de mesure, la transmission n’a pas d’importance sur les accouplements. Pour des entraînements de puissance, vous devrez vérifier que le couple à transmettre est bien inférieur au couple nominal figurant dans les tableaux de prestations, en prenant une marge proportionnelle au désalignement prévisible. La vitesse de rotation d’un tel accouplement flexible est limitée. Ainsi, les modèles d’accouplements flexibles ne sont pas adaptés pour des axes à grande vitesse, en particulier s’il existe des désalignements importants. Pour le reste des unions, vous devrez tenir compte du fait que la vie utile de ces dernières dépendra de la fatigue et, par conséquent, de la vitesse de fonctionnement.
Concernant les chocs et vibrations, cet accouplement peut générer des vibrations s’il prend du jeu avec l’usure. Les unions peuvent être fournies avec une fixation par vis de pression (2 à 90º) ou par collier de serrage intégral. La fixation par collier présente l’avantage de ne produire aucune marque sur les axes, en résistant ainsi mieux aux inversions brusques et aux vibrations. La fixation par vis de pression est plus économique et permet d’utiliser des axes aux diamètres supérieurs pour un même accouplement. L’inconvénient des vis de pression est qu’elles peuvent provoquer des fissures sur les axes.
Comment choisir un accouplement rigide en torsion ?
Les accouplements rigides en torsion sont composés de pièces rigides. Ils permettent de compenser les défauts d’alignement et de transmettre des couples élevés.
Par exemple, on trouve des joints d’Oldham, des accouplements à disques, des accouplements à membranes, des accouplements à chaînes, des accouplements à engrenages (dentures) et des accouplements à soufflet. Le transfert de couple s’effectue ici en mode rigide, avec un montage soudé.
L’amortissement des vibrations de torsion par rapport à la rigidité en torsion est un critère déterminant dans le choix d’un tel accouplement. Pendant que l’un augmente, l’autre diminue. La rigidité de torsion peut être exprimée par différentes unités, mais celle qui est la plus courante et la plus facile à utiliser est le Nm/rad. Souvent décrite comme étant le couple par flexion unitaire, la rigidité de torsion est importante dans un système de positionnement et décrit la résistance d’un accouplement à la flexion de torsion. L’inverse de la rigidité de torsion, la flexion de torsion, est défini par la flexion par couple unitaire.
Lors d’une utilisation dans un système en circuit fermé ou à sous-contrôle de vitesse, la rigidité de torsion d’un accouplement devient plus critique et constitue une variable dans le calcul de la limite supérieure de performance dynamique et de stabilité. Cette limite supérieure sera donc un critère de choix prépondérant.
La rigidité d’un accouplement devrait être telle que sa fréquence de résonance torsionnelle dépasse 300 à 600 Hz, en fonction de la dynamique. La rigidité est à son niveau le plus critique quand l’inertie de charge est dominante, et devient moins critique quand la dominance tend en faveur du moteur.