Paliers lisses pour coussinets - Cours de Mécanique industrielle avec Maxicours

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Paliers lisses pour coussinets

1. Introduction

Dans un palier lisse, les surfaces d'ajustement de l'arbre glissent sur la surface d'ajustement du palier. Ces surfaces cylindriques sont appelées "cylindres de glissement". L'ajustement des pièces est établi de telle sorte qu'un jeu soit créé pour assurer une lubrification entre les surfaces de glissement. La figure ci-dessous montre les principaux composants d'un palier en deux parties.

Palier à demi-coussinets :

Source : FMC.

2. Classes des paliers lisses

Les paliers qui font appel au glissement d'une surface sur une autre sont regroupés en trois grandes catégories : les paliers radiaux, qui supportent des arbres rotatifs ; les butées, qui supportent les charges axiales des pièces rotatives et les guidages rectilignes, qui guident les pièces mobiles en ligne droite. Les paliers radiaux, ou à coussinets, peuvent être de plusieurs types, mais les plus courants sont les paliers ordinaires, qui entourent complètement l'arbre et le demi-palier, qui est en contact avec l'arbre sur moins de 180°. Ce dernier type de palier est utilisé lorsque la direction de la charge est constante ; il facilite la lubrification et réduit les pertes de puissance par frottement.

Le mouvement de l'arbre dans un palier ordinaire peut se faire : par glissement simple, sans lubrification (comme sur du nylon ou du téflon) ; en régime de lubrification hydrodynamique (où un film ou un coin d'huile est produit afin de séparer, partiellement ou complètement, les deux surfaces) ; en régime de lubrification hydrostatique (où un lubrifiant sous pression s'oppose à la charge ou sépare les deux surfaces) ; par une combinaison du régime hydrodynamique et du régime hydrostatique.

Les figures suivantes montrent différents modèles de paliers radiaux. La figure 3.8 représente un palier avec douille de bronze frété lubrifié à l'huile.

Palier à coussinets en bronze frété :

Source : Dodge.

La figure suivante montre des paliers à coussinets de régule ou babbitt ; ils peuvent être à chapeau ou sans chapeau. Pour de lourdes charges, on utilise des paliers à chapeau à quatre boulons.

Paliers à coussinets en babbitt :

Source : Dodge.

La figure suivante montre différents modèles de paliers à coussinets en bronze.

Paliers à coussinets en bronze :

Source : Dodge.

La figure suivante montre différents modèles de paliers à coussinets autolubrifiés, ils sont utilisés pour répondre à différentes applications industrielles.

Paliers pour douille de coussinets autolubrifiés :

Source : Dodge.

3. Les avantages et les inconvénients des paliers lisses par rapport aux paliers à roulements

Avantages :

Ils sont moins encombrants, plus silencieux, moins coûteux, surtout lorsqu'ils sont produits en grand nombre. Plus rigides, ils sont moins sujets à la fatigue.

Inconvénients :

Ils risquent de plus grandes pertes de puissance par frottement. Ils sont plus sujets à des dommages causés par des impuretés dans le lubrifiant. Ils sont plus exigeants quant à la lubrification et sont plus sujets à des dommages causés par un manque de lubrification.

4. Les différents palets
Palets radiaux :

La figure suivante présente quelques-unes des nombreuses formes de coussinets pour paliers radiaux.

Formes de coussinets des paliers radiaux :

Source : Recueil des normes de mécanique.

Palier à gorge circonférentielle :

Le palier à gorge circonférentielle (a) est muni d'une gorge à l'intérieur de sa circonférence, dans laquelle est maintenue la pression d'huile. La gorge divise le palier en deux demi-coussinets qui ont une excentricité relative légèrement plus élevée. Les avantages au regard de la stabilité sont cependant mineurs et l'on utilise surtout ce type de palier pour les bielles à cause de l'uniformité de sa lubrification.

Lorsque les charges sont faibles et que la vitesse de rotation est grande, il est préférable d'utiliser un palier cylindrique court plutôt qu'un palier à gorge circonférentielle. Dans certains cas, on peut raccourcir suffisamment le palier pour augmenter la charge et ainsi obtenir une excentricité substantielle de l'arbre. L'expérience démontre que l'instabilité apparaît rarement lorsque l'excentricité relative de l'arbre est supérieure à 0,6. Les paliers très courts ne sont pas employés dans de tels cas, car ils ne pourraient résister à une charge résultant d'un déséquilibre temporaire de la pièce rotative.

SPAN class=dtitre4>c. Palier cylindrique à gorge supérieure Le palier cylindrique à gorge supérieure (b) s'emploie lorsque les vitesses de rotation dépassent 10 000 révolutions à la minute et qu'un débit d'huile additionnel est nécessaire pour assurer le refroidissement. Les deux rainures axiales de ce palier son reliées par une large gorge circonférentielle qui passe par le sommet du palier. L'entrée du lubrifiant se fait généralement par la rainure postérieure au moyen d'un orifice qui en contrôle le débit. La température de fonctionnement est réduite grâce à l'élimination des efforts de cisaillement dans une large section de la partie supérieure du palier et, surtout, grâce à la circulation accrue d'huile fraîche dans cette même partie.

Palier hydrodynamique :

La circonférence intérieure du palier hydrodynamique (c) est encochée dans sa partie supérieure. L'encoche s'arrête abruptement à environ 45° du sommet de l'arbre dans le sens de la rotation. L'effort de cisaillement produit par la rotation de l'arbre pompe l'huile dans l'encoche avant qu'elle soit arrêtée par l'épaulement. A haute vitesse, ce phénomène entraîne une forte pression d'huile dans la partie supérieure du palier, ce qui augmente d'autant la charge de la partie inférieure. Cette charge additionnelle augmente à son tour l'excentricité relative de l'arbre. Si l'excentricité dépasse 0,6, on obtient un fonctionnement stable à haute vitesse et sous une faible charge. La rainure centrale peut être prolongée vers le bas du palier afin d'en augmenter la portance. Cette conception comporte toutefois un inconvénient : les impuretés accumulées dans le lubrifiant ont tendance à émousser l'arête de l'épaulement, réduisant ainsi la pression produite.

Palier multilobé :

Le palier multilobé (d) est parfois utilisé pour obtenir un débit accru de lubrifiant. Les discontinuités dans le film d'huile semblent donner à ce palier l'avantage d'une grande stabilité.

Palier citron :

Le palier citron (e) est formé de deux demi-coussinets. Le jeu de ce palier est plus grand dans le sens des joints et plus faible dans le sens des charges, c'est-à-dire perpendiculairement aux joints. A basse vitesse, l'arbre tourne d'une façon excentrique aux deux demi-coussinets ; il en résulte que le palier citron apporte un débit d'huile plus grand qu'un palier cylindrique équivalent. Ainsi, le palier citron permet un fonctionnement plus stable, à des températures plus basses que le palier cylindrique ordinaire.

Palier citron à gorge supérieure :

Le palier citron à gorge supérieure (non montré) est un palier citron dont la moitié supérieure est munie d'une large gorge reliant les deux rainures axiales.

Ce palier est semblable au palier cylindrique à gorge supérieure.

Palier citron décentré :

Dans le palier citron décentré (f), le centre des arcs des deux demi-coussinets est déplacé à l'horizontale ou à la verticale. Ce type de palier permet un ajustement plus serré, dans les deux sens, et un plus grand débit d'huile que le palier cylindrique. Il s'agit d'un palier peu utilisé, mais il présente l'avantage d'une grande stabilité et d'un bon refroidissement.

Palier trilobé :

Le palier trilobé (g) est formé de trois sections cylindriques. Il s'agit du type de palier le plus efficace contre le fouettement de l'huile lorsque les centres des cylindres se trouvent bien à l'extérieur du cercle décrit par le centre de l'arbre. Le palier compte trois rainures de lubrification axiales. Il s'agit d'un modèle plus difficile à fabriquer, car il doit presque nécessairement être fait en trois pièces plutôt qu'en deux. L'alésage est usiné avec des cales entre les trois pièces, et les cales sont retirées après la fabrication.

Palier à segments :

Le palier à segments (h) est l'un des plus stables. La surface interne du palier est formée de trois segments ou plus, montés sur pivot central. En fonctionnement, chaque segment pivote pour former un coin d'huile qui repousse l'arbre vers le centre du palier. Lorsque le sens de rotation est constant, le pivot de chaque segment peut se trouver à son extrémité et des ressorts poussent le segment contre l'arbre.

Palier cylindrique :

Le palier à cylindre (i) est formé de deux demi-coussinets cylindriques. La moitié supérieure est mobile par rapport à la verticale, et un cylindre hydraulique permet de la pousser en direction de l'arbre. Ce cylindre peut être utilisé pour appliquer une pression d'huile sur la moitié supérieure du palier. On peut aussi augmenter la pression d'huile dans la moitié inférieure du palier afin d'obtenir un palier générant sa propre charge. Chaque méthode permet d'augmenter l'excentricité relative et d'obtenir un fonctionnement plus stable.

Paliers hydrostatiques :

Les paliers hydrostatiques (figure ci-dessous) sont utilisés lorsque les paliers à régime hydrodynamique ne permettent pas d'obtenir une lubrification suffisante pour séparer complètement les deux éléments. Dans un palier à régime hydrostatique, qu'il soit radial ou axial, le lubrifiant sous pression vient d'une source externe. Les paliers à régime hydrostatique ont l'avantage de réduire la friction, d'accepter de fortes charges et d'être fiables, durables et bien ajustés.

Paliers hydrostatiques :

Source : Dodge.

Les paliers hydrostatiques sont efficaces pour diverses applications, notamment pour les machines-outils fraiseuses et autres machines caractérisées par de fortes charges et de faibles vitesses. Ces paliers exigent cependant l'emploi de techniques spécialisées, dont une excellente compréhension des éléments hydrauliques extérieurs au palier. Le calcul du rendement des paliers hydrostatiques constitue une spécialité dans le domaine de la lubrification et il est expliqué dans des manuels hautement spécialisés.

5. Choix d'un palier

Le choix d'un palier lisse se fait habituellement par l'une des deux manières suivantes : en s'inspirant d'un palier déjà existant qui fonctionne dans des conditions semblables ou en développant un prototype fondé sur les exigences des conditions de fonctionnement et les paramètres généraux de conception. On procédera ensuite à une analyse détaillée de la lubrification pour raffiner la conception en fonction des besoins.

Les paliers fixes sont montés horizontalement, verticalement ou à l'oblique. Il faut porter une attention spéciale lors de la pose des paliers verticaux. Ces types de paliers réclament des dispositions particulières lors de la lubrification. La figure ci-après vous montre un tableau permettant de faire le choix d'un coussinet.

- Relevez le diamètre de l'arbre.

- Sélectionnez le type de matériau et la direction de la charge.

- Déterminez la charge selon les tables du fabricant ou selon les besoins.

- Déterminez le mode de fixation et les ajustements des positions axiales.

Tableau de sélection des coussinets :

Source : FMC.

Modes de fonctionnement des paliers :

La charge que peut supporter un palier lisse dépend des caractéristiques du film d'huile formé entre les surfaces. La formation du film ou du coin d'huile dépend à son tour de la conception du palier et de la vitesse de rotation. Il en résulte les trois modes de fonctionnement représentés à la figure suivante : le régime hydrodynamique, le régime mixte et le régime avec contact.

Régime de fonctionnement des coussinets :

Source : recueil des normes de mécanique.

Ces trois régimes de fonctionnement ont les caractéristiques suivantes.

1. Le régime hydrodynamique permet la séparation complète des surfaces. Le frottement étant réduit au minimum, il en résulte une longue vie utile.

Pour que le régime hydrodynamique assure une séparation complète des surfaces, les conditions suivantes doivent être remplies : a) le lubrifiant choisi doit avoir une viscosité correspondant aux exigences du fonctionnement ; b) le débit de lubrifiant doit être maintenu au niveau requis ; c) la conception doit être appuyée sur les méthodes et les considérations appropriées ; d) la vitesse circonférentielle doit être maintenue à plus de 25 pieds à la minute.

Un régime hydrodynamique efficace permet d'obtenir un coefficient de frottement de 0,001 à 0,005.

2. Dans le régime avec contact, les surfaces glissent l'une sur l'autre et ne sont séparées que par un film d'huile très mince. Ce régime n'est acceptable que pour les mouvements rotatifs ou oscillatoires lents, c'est-à-dire inférieurs à 10 pieds à la minute. Les coefficients de frottement obtenus par ce régime varient entre 0,08 et 0,14. Les paliers de ce type sont habituellement graissés ou huilés périodiquement.

3. Comme son nom l'indique, le régime mixte est un régime intermédiaire entre le régime avec contact et le régime hydrodynamique. Il se caractérise par une séparation partielle des surfaces au moyen d'un film d'huile. Cependant, tout comme le régime avec contact, le régime mixte est limité en rapport avec la vitesse circonférentielle et le degré d'usure. Avec ce type de régime, une vitesse circonférentielle supérieure à 10 pieds à la minute devra être maintenue pour obtenir des coefficients de frottement variant entre 0,02 et 0,08.

Au moment du démarrage, tous les paliers radiaux à coussinets passent successivement par les trois régimes. Au repos, l'arbre est en contact avec la surface du coussinet et il en résulte que le démarrage doit se faire sous un régime avec contact. En prenant de la vitesse, l'arbre commence à établir le régime hydrodynamique et le palier passe par la période transitoire du régime mixte. Lorsque la vitesse et la charge de conception sont atteintes, le régime hydrodynamique permet alors une séparation complète des surfaces.

6. Résumé sur les paliers lisses pour coussinets

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants.

- On appelle cylindre de glissement, les surfaces cylindriques du coussinet.

- Les paliers lisses sont regroupés en trois classes : les paliers radiaux, de butées et de guidages rectilignes.

- Le mouvement dans le palier peut se faire par glissement, par régime de lubrification hydrodynamique, par régime hydrostatique ou par une combinaison des régimes hydrodynamique et hydrostatique.

- Les paliers lisses ont l'avantage d'être moins encombrants, moins coûteux, moins sujets à la fatigue, plus rigides et plus silencieux.

- Les paliers lisses ont l'inconvénient d'être sujets à des dommages causés par les impuretés dans le lubrifiant, de comporter beaucoup de frottement, de demander plus de puissance, d'être plus exigeants quant à la lubrification.

- Les principaux types de paliers radiaux sont le palier à gorge circonférentielle, le palier cylindrique à gorge supérieure, le palier hydrodynamique, le palier multilobé, le palier citron, le palier citron à gorge supérieure, le palier citron décentré, le palier trilobé, le palier à segments et le palier cyclindrique.

- Le choix d'un palier se fait de deux manières : on remplace le palier par celui existant ou on élabore un prototype fondé sur les exigences des conditions de fonctionnement.

- Les paliers peuvent fonctionner sous trois régimes différents : le régime hydrodynamique, le régime mixte et le régime avec contact.

Cette étude vous a permis de connaître les paliers et leur principe de fonctionnement. Une étude vous permet d'apprendre à faire le montage et le démontage des coussinets dans différents types de paliers.

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