Quelle est la structure et le principe de fonctionnement d’un accouplement flexible non élastique ?

Classification des accouplements et rôle des types flexibles non élastiques

Les accouplements sont globalement divisés en deux catégories selon qu'ils permettent ou non un déplacement relatif de l'arbre :

• Accouplements rigides nécessitent un alignement précis des deux arbres et ne permettent aucun déplacement relatif dans aucune direction. Ils transmettent directement le couple et sont utilisés uniquement là où l'alignement des arbres peut être garanti et maintenu.
• Accouplements flexibles s'adaptent à un degré défini de désalignement axial, radial ou angulaire entre les arbres connectés, ce qui les rend adaptés à une gamme beaucoup plus large de conditions d'installation.

Les accouplements flexibles sont subdivisés en deux types :

• Accouplements flexibles élastiques incorporer des éléments élastiques tels que des inserts en caoutchouc ou en polyuréthane. Ces éléments absorbent les vibrations et amortissent les charges de choc, mais la flexibilité du matériau élastique limite la rigidité de la transmission et la capacité de charge.
• Accouplements flexibles non élastiques ne contiennent aucun élément élastique. La compensation du désalignement est obtenue grâce au mouvement relatif entre des composants mécaniques rigides – contacts coulissants, rotatifs ou engrenés. Cette construction offre une rigidité de transmission élevée et une forte capacité de charge, même si elle n'offre aucun amortissement inhérent des vibrations.

Les principaux types de accouplements flexibles non élastiques inclure accouplements à engrenages, accouplements Oldham (curseur croisé), accouplements à joint universel (Cardan) et accouplements à chaîne , chacun offrant une forme structurelle distincte et une gamme d'applications appropriées.

Composants structurels de base

Malgré leurs différences structurelles, tous les accouplements flexibles non élastiques partagent un ensemble commun de composants fonctionnels.

Demi-accouplements entraînés et entraînés

Chaque ensemble d'accouplement se compose de deux demi-accouplements, un monté sur l'arbre menant et un sur l'arbre mené. Ils sont fixés à leurs arbres respectifs par des clavettes, des cannelures ou des ajustements serrés pour assurer une rotation synchrone. Les demi-accouplements sont les principaux éléments de transmission du couple et sont généralement fabriqué en fonte, en acier moulé ou en acier forgé , sélectionnés en fonction de l'ampleur de la charge et de l'environnement d'exploitation.

Élément de transmission intermédiaire

L'élément intermédiaire est le composant qui permet de compenser le désalignement. Sa forme varie selon le type d'accouplement : les accouplements à engrenages utilisent des moyeux à engrenages externes engrenant avec des manchons d'engrenage internes ; Les accouplements Oldham utilisent un disque central avec deux jeux de clés d'entraînement mutuellement perpendiculaires ; les accouplements à joint universel utilisent un tourillon en forme de croix ; les accouplements à chaîne utilisent une chaîne à rouleaux à double brin. La conception de l'élément intermédiaire détermine directement la capacité de compensation de déplacement et les performances de charge de l'accouplement.

Système d'étanchéité et de lubrification

Pour les types d’accouplements nécessitant une lubrification – notamment les accouplements à engrenages – un système d’étanchéité efficace est indispensable. Les joints retiennent la graisse lubrifiante dans le boîtier d'accouplement et empêchent les contaminants externes de pénétrer dans les zones de contact. L'intégrité du système d'étanchéité a une incidence directe sur la durée de vie. Les configurations de joints courantes comprennent les joints toriques, les joints à lèvres avec ressorts jarretières et les joints à labyrinthe.

Éléments de fixation et de positionnement

Les boulons, les bagues de retenue et les plaques d'extrémité fixent la position axiale de chaque composant et empêchent la migration axiale pendant le fonctionnement. Ces éléments garantissent que l'accouplement reste correctement assemblé sous les charges dynamiques rencontrées en service.

Structure et principe de fonctionnement de chaque type d'accouplement

Accouplement à engrenages

L'accouplement à engrenages est l'accouplement flexible non élastique le plus largement utilisé pour les applications à couple élevé et à grande vitesse. Sa structure comprend deux moyeux à dents externes – un sur chaque arbre – et deux manchons à dents internes boulonnés ensemble pour former une chambre de lubrifiant étanche entourant les deux maillages d'engrenages.

Le couple est transmis par le contact d'engrènement entre les dents d'engrenage externes sur les moyeux et les dents d'engrenage internes dans les manchons. Lorsqu'il existe un désalignement angulaire entre les deux arbres, le profil de dent couronné (en forme de tonneau) de l'engrenage externe permet au moyeu de basculer dans le manchon, s'adaptant au décalage angulaire. Le désalignement radial est compensé par un petit déplacement latéral de chaque moyeu à l'intérieur de son manchon. Le rayon de couronnement des dents externes détermine le déplacement angulaire maximal autorisé : un rayon de couronne plus grand permet un plus grand décalage angulaire.

Les accouplements à engrenages s'adaptent généralement au désalignement angulaire des 0,5° à 1,5° . L'efficacité de la transmission est élevée, dépassant souvent 99 %, ce qui en fait le choix privilégié pour les entraînements de laminoirs, les treuils miniers et les transmissions de broches de machines-outils à usage intensif.

Accouplement Oldham (accouplement à curseur croisé)

L'accouplement Oldham est constitué de deux demi-accouplements, chacun comportant une fente diamétrale sur sa face, et d'un disque intermédiaire central portant deux paires de clavettes d'entraînement orientées à 90° l'une par rapport à l'autre. Les clavettes s'engagent dans les fentes des demi-raccords pour former des connexions coulissantes.

Le couple est transféré via les surfaces de contact entre les touches et les fentes. Lorsque les deux arbres sont radialement décalés, le disque central coulisse indépendamment dans la fente de chaque demi-accouplement, et le coulissement relatif des clavettes dans les fentes absorbe le déplacement radial. Le disque intermédiaire agit comme un mécanisme cinématique de guidage transversal , permettant aux deux arbres de se déplacer l'un par rapport à l'autre dans n'importe quelle direction radiale sans interrompre la transmission du couple.

Les accouplements Oldham sont de construction simple et économiques à fabriquer. Ils conviennent aux applications à faible vitesse (généralement ne dépassant pas 250 tr/min) avec des décalages radiaux relativement importants — généralement jusqu'à environ 0,04 fois le diamètre de l'arbre . À des vitesses plus élevées, les forces centrifuges générées par la masse excentrique du disque coulissant produisent des charges dynamiques supplémentaires sur l'arbre, rendant ce type inadapté aux entraînements à grande vitesse.

Accouplement à joint universel (accouplement à cardan)

Le joint universel de type croisé se compose de deux brides en forme de fourche (jougs) et d'un tourillon en forme de croix. Les quatre tourillons de la croix sont chacun reliés à un trou de roulement dans l'un des deux chapes par l'intermédiaire de roulements à aiguilles, formant deux joints de charnière mutuellement perpendiculaires.

Le couple passe de l'arbre d'entraînement à l'arcade menante, à travers le tourillon transversal jusqu'à l'arcade menée, puis à l'arbre mené. Parce que les connexions entre la croix et les deux jougs sont articulées, l'accouplement peut transmettre un couple avec un angle d'intersection d'arbre allant jusqu'à 35°–45° , s'adaptant à des écarts angulaires bien au-delà de la capacité des accouplements à engrenages ou Oldham.

Une caractéristique cinématique importante est à noter : lorsqu'un seul joint universel fonctionne avec un angle d'arbre non nul, l'arbre mené ne tourne pas uniformément même lorsque l'arbre menant tourne à vitesse constante. La vitesse angulaire de l'arbre mené fluctue deux fois par tour, l'amplitude de fluctuation augmentant avec l'angle de l'arbre. Pour éliminer cette non-uniformité de vitesse, un système de cardan double est utilisé dans la pratique — deux articulations reliées par un arbre intermédiaire d'égale longueur, avec des angles égaux aux deux extrémités et les deux chapes de l'arbre intermédiaire positionnées dans le même plan. Cette géométrie provoque l'annulation des fluctuations de vitesse au niveau de chaque joint, offrant ainsi une vitesse de sortie uniforme. Les accouplements à cardan sont largement utilisés dans les arbres de transmission automobiles, les tables à rouleaux de laminoirs et les machines de construction.

Accouplement de chaîne

L'accouplement à chaîne se compose de deux pignons identiques, un monté sur chaque arbre, reliés par une chaîne à rouleaux à double brin, enfermés dans un capot de protection pour empêcher le désengagement de la chaîne et la pénétration de contamination.

Le couple est transmis depuis l'arbre d'entraînement via le contact d'engrènement entre les dents du pignon et les rouleaux de chaîne, le long de la chaîne jusqu'au pignon mené et à l'arbre. Le jeu entre la chaîne et les dents du pignon, combiné à la légère flexibilité géométrique des maillons de la chaîne, permet à l'accouplement de compenser simultanément le désalignement axial, radial et angulaire . Les tolérances typiques sont d'environ un pas de chaîne dans la direction axiale, environ 0,02 fois le pas de chaîne dans le sens radial et environ 1° angulairement.

Les accouplements à chaîne sont simples à assembler et à démonter : la séparation du maillon principal permet de découpler complètement les deux arbres sans perturber les autres composants d'entraînement. Cela les rend particulièrement adaptés aux applications avec des inversions fréquentes, des cycles de démarrage fréquents ou des environnements nécessitant beaucoup de maintenance, et on les trouve couramment dans les systèmes de convoyeurs, les machines agricoles et les équipements textiles.

Compensation du désalignement : une analyse approfondie

La capacité à compenser le déplacement relatif de l'arbre est la caractéristique déterminante qui distingue les accouplements flexibles de leurs homologues rigides. Trois catégories de désalignement d’arbres sont reconnues dans la pratique de l’ingénierie :

• Déplacement axial (δx) : Mouvement relatif des deux extrémités d'arbre le long de leur axe commun, généralement provoqué par la dilatation thermique des arbres ou des boîtiers pendant le fonctionnement, ou par des tolérances d'installation.
• Déplacement radial (δy) : Condition dans laquelle les deux axes de l'arbre sont parallèles mais ne coïncident pas : un décalage latéral perpendiculaire à l'axe de l'arbre. Cela résulte d’erreurs d’installation, d’affaissements des fondations ou de déformations sous charge.
• Déplacement angulaire (α) : Condition dans laquelle les deux axes de l'arbre se croisent selon un angle. Les causes incluent une erreur d'installation, l'usure des roulements et la déformation du châssis de la machine sous charge.

Les accouplements flexibles non élastiques s'adaptent à ces écarts grâce à un mouvement relatif entre l'élément intermédiaire et les demi-accouplements. Cependant, cette compensation n'est pas illimitée... chaque type d'accouplement a une tolérance de déplacement maximale définie . Un fonctionnement au-delà de ces limites entraîne une augmentation rapide des charges supplémentaires sur les arbres et les roulements, accélérant l'usure et pouvant conduire à une défaillance prématurée. Un alignement précis lors de l'installation est donc essentiel, même pour les raccords flexibles.

Contrairement aux accouplements élastiques, qui absorbent le désalignement dû à la déformation d'un élément souple, les accouplements flexibles non élastiques génèrent un contact coulissant ou rotatif entre les composants rigides lors de la compensation du déplacement. Ces forces de contact se manifestent par des moments de flexion supplémentaires et des forces axiales agissant sur les arbres et roulements connectés. et doit être inclus dans l’analyse mécanique lors du processus de sélection de l’accouplement.

Comparaison des paramètres de performances

Le tableau ci-dessous fournit un aperçu comparatif des paramètres de performance clés des quatre principaux types d'accouplements flexibles non élastiques.

Principes de sélection du couplage

Une sélection correcte des accouplements est une condition préalable à un fonctionnement fiable et à une durée de vie prolongée. Les critères suivants doivent être évalués systématiquement lors du processus de sélection :

1. Déterminez le couple de conception. Multipliez le couple de fonctionnement nominal par un facteur de service qui tient compte du type de moteur principal (moteur électrique, moteur à combustion interne) et des caractéristiques de charge de la machine entraînée (lisse, choc modéré, choc important). Les facteurs de service varient généralement de 1,2 à 3,0.
2. Évaluez le type et l’ampleur du désalignement. Identifiez si le désalignement dominant est radial, angulaire ou axial, et estimez son ampleur en fonction des conditions d'installation. Sélectionnez un type d'accouplement dont la capacité de compensation correspond ou dépasse le désalignement attendu.
3. Tenez compte de la vitesse de fonctionnement. Les accouplements à engrenages sont le choix privilégié pour les entraînements à grande vitesse. Les accouplements Oldham conviennent aux applications à faible vitesse avec de grands décalages radiaux. Les joints universels supportent de grands écarts angulaires. Les accouplements à chaîne conviennent aux applications à vitesse moyenne à faible nécessitant des inversions ou des démarrages fréquents.
4. Évaluer l’environnement opérationnel. Les températures élevées, les milieux corrosifs, la poussière et l'humidité imposent des exigences supplémentaires en matière de matériaux et d'étanchéité. Les applications à haute température nécessitent des graisses lubrifiantes résistantes à la chaleur ; les environnements corrosifs peuvent nécessiter des composants en acier inoxydable ou des revêtements protecteurs.
5. Pensez à l’accessibilité de la maintenance. Les accouplements à chaîne offrent la procédure de démontage la plus simple et conviennent aux installations nécessitant beaucoup de maintenance. Les accouplements à engrenages nécessitent un réapprovisionnement périodique en graisse selon un programme d'entretien défini.

Directives d'installation et analyse des pannes

Directives d'installation clés

La qualité de l'installation a un impact direct et durable sur les performances et la durée de vie de l'accouplement. Les pratiques suivantes doivent être observées :

• Nettoyer soigneusement les extrémités d'arbre, les rainures de clavette et les surfaces d'alésage avant l'assemblage. Éliminez toutes les bavures, la corrosion et la contamination pour garantir une bonne qualité d'ajustement.
• Utilisez un indicateur à cadran pour mesurer le faux-rond radial et facial pendant l'alignement. Confirmez que les valeurs réelles de désalignement se situent dans les limites de compensation nominale de l'accouplement — l’inspection visuelle ou les contrôles à la règle seuls sont insuffisants .
• Après avoir installé un accouplement à engrenages, remplissez-le avec la qualité et la quantité spécifiées de graisse lubrifiante pour assurer une lubrification adéquate de toutes les surfaces de contact des dents dès le démarrage initial.
• Installez le couvercle de protection en faisant particulièrement attention à l'intégrité de l'étanchéité. Une étanchéité inadéquate permet à la graisse de s'échapper et aux particules abrasives de pénétrer dans la zone de maillage.
• Serrez tous les boulons de fixation progressivement en croix au couple spécifié, évitant ainsi la distorsion causée par un serrage inégal.

Modes de défaillance courants

Comprendre les modes de défaillance caractéristiques de chaque type d'accouplement permet une surveillance efficace de l'état et une maintenance rapide :

• Usure de la surface des dents (accouplements à engrenages) : Causé par une lubrification inadéquate, une dégradation du lubrifiant ou un fonctionnement prolongé au-delà des limites nominales de désalignement. L'usure progressive entraîne une augmentation du jeu, des vibrations et, finalement, des piqûres ou des fractures des dents.
• Usure des curseurs (accouplements Oldham) : Accéléré par un fonctionnement à grande vitesse, une surcharge ou une mauvaise lubrification des surfaces de contact de la clé et de la fente. L'usure produit un jeu, qui introduit une charge d'impact et accélère encore la détérioration.
• Rupture de fatigue de la chaîne (accouplements de chaîne) : Les contraintes cycliques de traction et de flexion dans les maillons de la chaîne provoquent l'initiation et la propagation de fissures de fatigue. Une répartition inégale de la charge sur la largeur de la chaîne due à un désalignement angulaire accélère ce processus.
• Rupture des roulements de tourillon transversal (joints universels) : Une lubrification insuffisante, une surcharge ou un fonctionnement au-delà de l'angle nominal de l'arbre entraîne une usure et un grippage des roulements à aiguilles, entraînant éventuellement une rupture du tourillon.
• Fissuration ou fracture du demi-accouplement : Des charges d'impact excessives, des défauts de matériau ou un désalignement grave générant des moments de flexion supplémentaires dépassant la contrainte admissible du matériau peuvent provoquer des fissures de fatigue dans le corps du moyeu.

Calendrier d’entretien et d’inspection

Un programme de maintenance systématique est essentiel pour préserver les performances et prolonger la durée de vie des raccords flexibles non élastiques. Les mesures suivantes doivent être intégrées au plan de maintenance des équipements :

• Réapprovisionnement programmé en lubrifiant : Les accouplements à engrenages et à chaînes doivent faire l'objet d'un appoint de graisse lubrifiante ou d'un remplacement selon les intervalles d'entretien du fabricant - généralement tous les 2 000 à 4 000 heures de fonctionnement pour le réapprovisionnement, avec un changement complet de graisse au moins une fois par an.
• Vérification de l'alignement lors des révisions majeures : Vérifiez à nouveau l'alignement de l'accouplement chaque fois que les roulements sont remplacés, les fondations réparées ou des vibrations importantes ont été observées. Le tassement des fondations et les cycles thermiques peuvent modifier l’état de l’alignement au fil du temps.
• Évaluation de l'usure des éléments actifs : Inspectez périodiquement les dents d'engrenage, les clavettes coulissantes, les maillons de chaîne et les roulements de tourillon pour déceler toute usure. Remplacez les composants qui ont atteint leurs limites d'usure avant qu'une panne ne se produise pour éviter des dommages secondaires aux arbres, aux roulements et aux équipements connectés.
• Inspection de l’état des joints : Examinez les joints à lèvres, les joints toriques et les joints de couvercle pour détecter tout signe de vieillissement, de déformation ou de dommage. Résolvez toute fuite en remplaçant rapidement les éléments d’étanchéité concernés.
• Surveillance opérationnelle continue : Pendant le fonctionnement normal, surveillez les vibrations anormales, les bruits inhabituels ou la température élevée à l'emplacement du couplage. N'importe lequel de ces indicateurs justifie une enquête immédiate avant que d'autres dommages ne se développent.