Introduction
Dans l'environnement difficile des machines industrielles et des transmissions de puissance mécaniques lourdes, le transfert d'un couple élevé entre deux arbres en rotation est loin d'être une question de relation simple et linéaire. La transmission du couple est soumise à des variables physiques, telles que la dilatation thermique, la déflexion structurelle et les tolérances de fabrication, qui font de l'alignement précis un idéal irréaliste.
La chaîne cinématique industrielle est un écosystème sensible où toute variation microscopique peut entraîner une défaillance du système si elle n'est pas bien contrôlée. C'est là que l'accouplement flexible est un élément essentiel. L'accouplement flexible est bien plus qu'un connecteur, c'est l'interface complexe qui permet le flux d'énergie et qui permet de s'adapter aux imperfections du monde physique. Les différents types de raccords flexibles sont variés et il est important pour tout ingénieur ou opérateur de comprendre les différents types de raccords flexibles afin de maximiser la longévité et le fonctionnement fiable de leur équipement.
Qu'est-ce qu'un accouplement flexible ?
Afin de définir un accouplement flexible, il est nécessaire d'identifier la différence entre celui-ci et un accouplement rigide. Alors qu'un accouplement rigide forme une liaison indestructible entre deux arbres, qui doivent être presque parfaitement colinéaires, un accouplement d'arbres flexible est conçu pour permettre une quantité calculée de mouvement relatif. Plus précisément, il s'agit d'un mécanisme mécanique utilisé pour relier les extrémités de deux arbres afin de transmettre la puissance à une vitesse de rotation constante, tout en corrigeant le désalignement et en absorbant les chocs.
D'un point de vue cinématique, un accouplement flexible ajoute des degrés de liberté à une chaîne cinématique. Ces dispositifs peuvent être utilisés pour transmettre le couple sans provoquer de forces de réaction excessives sur les roulements du moteur ou de l'équipement entraîné, soit par la déformation élastique des matériaux, soit par le jeu stratégique entre les composants mécaniques. Ces accouplements ne sont pas faibles dans leur structure, mais constituent plutôt une réaction très soigneusement conçue aux contraintes de rotation. L'accouplement élastique prend en compte la réalité géométrique de l'assemblage, qu'il s'agisse d'une araignée en polyuréthane dans un accouplement à mâchoires ou des feuilles en acier inoxydable d'un paquet de disques, pour s'assurer que les composants ne s'usent pas prématurément.
Les fonctions essentielles : Au-delà de la simple jonction de deux arbres
L'utilité d'un accouplement flexible est multidimensionnelle, car il résout un certain nombre de problèmes techniques importants en une seule unité. Bien que la tâche principale soit de transmettre le couple, les fonctions secondaires déterminent la fiabilité des performances de l'ensemble du système mécanique.
Compensation du désalignement
Les trois principaux types de désalignement d'arbre auxquels un accouplement flexible peut remédier sont les suivants :
- Désalignement parallèle (décalage) : Les axes des deux arbres sont parallèles, mais ne sont pas sur la même ligne droite.
- Désalignement angulaire : Cela se produit lorsque les arbres ne sont pas parallèles l'un à l'autre, ce qui affecte la transmission du mouvement rotatif.
- Axiale Déplacement: Les arbres se rapprochent ou s'éloignent, généralement sous l'effet de la dilatation thermique ou de la poussée hydraulique.
L'accouplement flexible est un fusible mécanique qui sacrifie ses propres pièces d'usure ou utilise sa propre élasticité pour absorber les moments de flexion de ces décalages sur les arbres et les roulements plus coûteux.
Amortissement des vibrations et absorption des chocs
Les charges non linéaires ou les résonances harmoniques sont courantes dans les systèmes mécaniques. Par exemple, un moteur utilisé pour alimenter un compresseur alternatif présente des pointes de couple périodiques. Les accouplements flexibles, en particulier ceux qui utilisent des composants élastomères, sont des amortisseurs. Ils absorbent l'énergie cinétique par frottement moléculaire interne (hystérésis), de sorte que les vibrations à haute fréquence ne se propagent pas entre la charge entraînée et le moteur, ni dans l'autre sens. Cela permet de minimiser le bruit mécanique et d'éliminer le broutage qui peut endommager les composants de précision tels que les codeurs.
Réglage et protection de la torsion
Dans certaines applications à grande vitesse ou de haute précision, la fréquence naturelle de la chaîne cinématique est réglée à l'aide de l'accouplement. Les ingénieurs peuvent déplacer la fréquence de résonance du système hors de la plage de vitesse de fonctionnement en choisissant un accouplement présentant une rigidité torsionnelle souhaitée et une capacité de couple élevée, ce qui permet d'éviter des vibrations désastreuses. De plus, en cas de blocage ou de surcharge soudaine, de nombreux accouplements flexibles sont construits de manière à se rompre en toute sécurité, ce qui permet d'interrompre l'entraînement et d'empêcher le moteur de subir une poussée de couple immédiate.
Catégorisation des types de raccords flexibles : Flexibilité des matériaux et flexibilité mécanique
Le vaste marché des types d'accouplements flexibles peut être classé de manière systématique en deux grandes philosophies de conception : l'élasticité des matériaux et l'élasticité mécanique.
Raccords flexibles pour matériaux
Les accouplements à flexion de matériau sont basés sur la déformation physique des composants afin de fournir une flexibilité opérationnelle. Ces éléments sont généralement composés d'élastomères (par exemple, caoutchouc naturel, nitrile ou polyuréthane) ou de pièces métalliques fines (par exemple, acier inoxydable ou acier à ressort).
Les accouplements à flexion de matériau se caractérisent par le fait qu'ils ne contiennent généralement pas de pièces mobiles. Comme la compensation du désalignement n'implique aucun contact ou glissement métal sur métal, ces accouplements n'ont pas besoin d'être lubrifiés. Ils sont communément appelés "sans entretien" car la limite de fatigue du matériau est utilisée pour déterminer leur durée de vie, par opposition à l'usure mécanique. Ils conviennent le mieux aux environnements propres, aux applications à grande vitesse sans jeu et aux endroits où l'accès à la maintenance est limité.
Accouplements flexibles mécaniques
Les accouplements mécaniques flexibles, quant à eux, atteignent la flexibilité grâce au jeu tactique entre les composants qui s'emboîtent les uns dans les autres. Ces composants glissent, roulent ou pivotent l'un sur l'autre pour permettre les déviations des arbres. Étant donné que ces conceptions nécessitent le mouvement de surfaces, elles ont presque toujours besoin d'une lubrification périodique (graisse ou huile) pour réduire le frottement et éliminer le grippage.
Le principal avantage des accouplements mécaniques flexibles est la densité du couple. Comme ils reposent sur la résistance structurelle du contact acier-acier, ils sont capables de transmettre un couple beaucoup plus élevé dans un encombrement physique plus faible que les types élastomères. Ils sont utilisés dans les applications industrielles lourdes, où les charges sont extrêmes et où l'environnement peut être difficile, par exemple dans l'exploitation minière, la production d'acier et le pompage à grande échelle.
Plongée en profondeur : Types d'accouplements flexibles populaires et leurs applications
Afin de choisir le bon composant, il est nécessaire d'examiner de plus près les caractéristiques des types d'accouplements flexibles les plus répandus dans l'industrie moderne.
| Accouplement Type | Désalignement (angulaire/parallèle) | Retour de flamme | Lubrification nécessaire | Couple Densité | Coût relatif | Meilleur cas d'utilisation pratique |
| Mâchoire | Faible / Faible | Non* | Aucun | Modéré | $ | Pompes et ventilateurs industriels généraux |
| Disque | Modéré / Faible | Zéro | Aucun | Haut | $$ | Turbines à grande vitesse, pompes API 610 |
| Engrenages | Élevée / Modérée | Oui | Graisse/huile | Extrême | $$$ | Aciéries et convoyeurs à usage intensif |
| Grille | Modéré / Faible | Oui | Graisse | Haut | $$ | Systèmes soumis à des chocs importants |
| Soufflets | Modéré / Modéré | Zéro | Aucun | Faible | $$$ | Systèmes servo et CNC de haute précision |
| Pneumatique | Élevée / Élevée | Non | Aucun | Faible | $$ | Moteurs à combustion, chocs/vibrations importants |
| Chaîne | Modéré / Faible | Oui | Graisse | Modéré | $ | Entraînements robustes à faible vitesse et à couple élevé |
| Oldham | Faible / élevé | Oui | Aucun | Faible | $ | Décalage parallèle précis dans les actionneurs |
Accouplements à mâchoires
La forme la plus typique de accouplement à mâchoires est celui qui est utilisé dans la quincaillerie industrielle générale. Il est constitué de deux moyeux métalliques (généralement en aluminium, en acier fritté ou en fonte) avec trois mâchoires saillantes ou plus. Entre ces mâchoires est placé un insert élastomère en forme d'étoile, appelé araignée. Le couple est transmis en comprimant les pattes de l'araignée entre les mâchoires d'un moyeu et les mâchoires de l'autre moyeu.
- Applications : Convient aux pompes centrifuges, aux ventilateurs, aux soufflantes et aux mélangeurs industriels légers à moyens.
- Avantage principal : Il s'agit d'une conception à sécurité intégrée. En cas d'usure de l'araignée, les mâchoires métalliques s'enclenchent et l'alimentation électrique est maintenue, ce qui permet un arrêt contrôlé au lieu d'une panne systémique instantanée.
Coupleurs à disque/membrane
Les accouplements à disques utilisent une pile de disques minces en acier inoxydable (généralement en paquet) qui sont boulonnés alternativement aux moyeux menant et menant. Ces disques métalliques sont pliés pour assurer leur flexibilité.
- Applications : Il est utilisé dans les turbomachines à haute performance, les turbines à gaz et les compresseurs à grande vitesse où la précision n'est pas un compromis.
- Avantage principal : Ils offrent une très grande rigidité en torsion et sont sans jeu. Ils sont très bien adaptés à la rotation rapide et peuvent survivre à des conditions chimiques sévères qui détruisent les araignées élastomères.
Accouplements à engrenages
Le poids lourd du monde de la flexion mécanique est le coupleur à engrenages. Ils sont constitués de deux moyeux avec une denture extérieure et d'un manchon (ou de deux manchons) avec une denture intérieure. Les dents sont normalement couronnées ou arrondies pour permettre un désalignement angulaire.
- Applications : Aciéries, machines à papier et convoyeurs à usage intensif.
- Avantage principal : Densité de puissance. Un accouplement à engrenages a la capacité de transmettre un couple plus important que tout autre type d'accouplement de taille similaire. Ils sont durs et, avec une lubrification adéquate, leur durée de vie est très élevée.
Raccords de grille
Un accouplement à grille comporte deux moyeux à fentes et est relié par une grille à ressort en forme de serpentin en acier allié à haute résistance. La grille peut glisser dans les fentes des moyeux pour permettre un désalignement.
- Applications : Ils sont largement utilisés dans les concasseurs de roches, les cribles vibrants et les applications à forte charge de choc.
- Avantage principal : La grille a la capacité de se plier et de glisser, ce qui en fait un excellent amortisseur de chocs. Lorsque la charge est élevée, la grille entre plus complètement en contact avec les fentes du moyeu, ce qui rend le système plus rigide et le protège.
Raccords à soufflet
Les accouplements à soufflet sont constitués d'un tube métallique flexible à paroi mince (le soufflet) soudé ou collé à deux moyeux. Cette conception est très flexible dans toutes les directions et rigide en torsion.
- Applications : Machines CNC, robotique de haute précision et servomoteurs.
- Avantage principal : 100% sans jeu et de haute précision. Ils constituent la référence en matière de contrôle de mouvement, la sortie devant être le reflet exact de l'entrée.
Accouplements de pneus
Ces accouplements sont très flexibles et sont reconnaissables à leur élément en caoutchouc ou en polyuréthane qui ressemble à un pneu miniature de véhicule. Le pneu est fixé à deux moyeux et gère le désalignement en cisaillant le matériau élastomère.
- Applications : Entraînements de moteurs à combustion interne, compresseurs à usage intensif et applications présentant un désalignement parallèle important.
- Avantage principal : Ils sont capables de gérer d'énormes décalages parallèles (jusqu'à 6 mm ou plus) et offrent la meilleure isolation vibratoire de tous les types d'accouplement.
Accouplements de chaînes
L'accouplement à chaîne est une conception simple mais solide qui se compose de deux pignons reliés entre eux par une chaîne à rouleaux à double brin. Le jeu entre les maillons de la chaîne et les dents du pignon donne de la souplesse.
- Applications : Moteurs industriels à faible vitesse et à couple élevé et systèmes de prise de force de base (PTO).
- Avantage principal : Facilité et simplicité de remplacement. La chaîne s'enlève et se détache sans que le moteur ou la machine entraînée ne bouge.
Accouplements Oldham
Le coupleur Oldham est une conception en trois parties composée de deux moyeux et d'un disque flottant central (généralement en plastique ou en bronze) qui se déplace dans les rainures des moyeux.
- Applications : Moteurs pas à pas, actionneurs et systèmes de positionnement de haute précision.
- Avantage principal : Il est spécialement conçu pour s'adapter à des niveaux élevés de désalignement parallèle sans générer de charges radiales élevées sur les roulements.
Comment choisir le bon type d'appareil et les pièges à éviter
Le choix du type d'accouplement flexible doit être systématique et fondé sur des preuves. L'objectif est d'identifier un composant qui réponde aux besoins du couple sans ajouter de poids ou de complexité injustifiés.
La liste de contrôle de la sélection
- Calculer Couple Exigence : Utiliser la formule standard pour trouver le couple nominal (T):
Où P est la puissance en kilowatts et n est la vitesse en RPM.
Pour les unités impériales :
- Appliquer les facteurs de service : Les charges industrielles sont rarement constantes. En fonction de la gravité de l'application, un facteur de service doit être appliqué. Une pompe centrifuge peut avoir un facteur de 1,25, et un broyeur à piston peut avoir un facteur de 3,0.
- Analyser le désalignement : Mesurez les décalages parallèles, angulaires et axiaux prévus. Assurez-vous que le type d'accouplement choisi est adapté à ces valeurs.
- Environnement Facteurs : Il faut tenir compte de la température de fonctionnement et du contact avec des huiles ou des produits chimiques. Les élastomères tels que le nitrile ont une limite de température inférieure à celle des paquets de disques en acier inoxydable.
- Rigidité torsionnelle : Décidez si votre système doit être de haute précision (pas de jeu) ou s'il doit être amorti (élasticité).
Les pièges les plus fréquents
- Surdimensionnement : Les ingénieurs ont tendance à choisir un accouplement beaucoup plus grand que nécessaire pour des raisons de sécurité. Cela introduit une inertie de rotation non désirée dans le système qui peut entraîner des retards dans la réponse des systèmes d'asservissement et une charge supplémentaire sur le moteur lors du démarrage.
- Traiter les Accouplement en tant que Joint universel: Ces dispositifs sont flexibles, mais ils ne sont pas censés remplacer un alignement correct de l'arbre. Un accouplement utilisé avec le désalignement maximal autorisé aura une durée de vie très courte en raison de l'accumulation de chaleur et de la fatigue.
- Ne pas tenir compte de la facilité d'accès Maintenance: Dans les systèmes à temps de fonctionnement élevé, le choix d'un accouplement qui implique le mouvement complet du moteur pour remplacer une simple araignée est une erreur coûteuse.
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Entretien et dépannage : Prolonger la durée de vie
L'élément initial qui a tendance à présenter des problèmes systémiques est l'accouplement flexible. Ce n'est pas seulement l'accouplement qui a besoin d'un entretien adéquat, mais aussi la santé de l'ensemble de la chaîne cinématique.
Protocoles d'inspection de routine
- Contrôle visuel de la dégradation : Dans le cas des types élastomères (mâchoire, pneu), observer le farinage (poudre fine), les fissures ou le durcissement de l'élément flexible. Ces signes indiquent une attaque par l'ozone, un vieillissement à la chaleur ou une incompatibilité chimique.
- Gestion de la lubrification : Dans les types de flexion mécanique (engrenage, grille), le lubrifiant doit être propre et à un niveau approprié. Une fuite de graisse signifie généralement que le joint ne fonctionne pas correctement et entraîne une usure rapide des dents.
- Étanchéité du matériel : Inspectez les vis de réglage ou les boulons de serrage. Un accouplement glissant sur l'arbre peut entraîner de graves dommages à la rainure de clavette et à la surface de l'arbre.
Dépannage des signes de défaillance
- Bruit anormal : Un cliquetis rythmique signifie généralement qu'un accouplement d'engrenage est sec ou qu'un accouplement de mâchoires est entièrement usé par le spider, en particulier lors d'un fonctionnement à grande vitesse.
- Chaleur excessive : Lorsque les moyeux d'accouplement sont trop chauds pour être manipulés, l'accouplement est probablement trop sollicité pour corriger un désalignement extrême, ce qui entraîne un frottement interne et une perte d'énergie.
- Pointes vibrantes : Lorsqu'un système auparavant lisse commence à vibrer, cela peut être dû à la perte de symétrie de l'élément flexible de l'accouplement ou à la modification de la position de l'arbre à la suite d'un affaissement des fondations.
Conclusion : Choisir la fiabilité pour votre système d'entraînement
L'un des choix les plus importants en matière de conception mécanique est le choix des différents types d'accouplements flexibles. Vous pouvez choisir la facilité d'une conception à flexion matérielle ou la puissance d'un système à flexion mécanique, mais la décision doit être basée sur une compréhension claire de vos conditions de travail.
Le connecteur souple est le gardien silencieux de votre propriété industrielle. Il permet le désalignement, l'absorption des chocs et la protection des roulements afin que vos lignes de production fonctionnent toujours et que vos coûts de maintenance soient toujours prévisibles. Lorsque vous collaborez avec un fabricant spécialisé tel que Kunlong, vous pouvez être sûr que vos raccords sont fabriqués selon les normes les plus strictes en matière de précision et de longévité. La fiabilité dans le contexte de la transmission de puissance industrielle n'est pas une coïncidence mais plutôt le produit d'un choix judicieux et d'une conception de qualité.
