Conception d'accouplement de disque flexible : géométrie du pack de disques, moyeux et ajustement d'application

Trois paquets de disques sont tombés en panne en quatorze mois sur le même compresseur de 250 kW, et à chaque fois l'équipe de maintenance a remplacé l'accouplement. La cause était une croissance axiale de 0,9 mm que personne n’avait prévue. Après l'alignement, il restait au pack moins de 0,5 mm de capacité axiale, de sorte que chaque démarrage à chaud poussait les tôles en acier inoxydable un peu plus près de leur limite de fatigue.

Cette histoire porte la conclusion. La conception d'un accouplement à disque flexible n'est pas un calcul de couple avec une note de bas de page relative au désalignement. Il s'agit d'une recherche de la bande étroite où l'accouplement est suffisamment rigide pour transmettre le couple sans enroulement ni jeu, et suffisamment flexible pour que les forces qu'il renvoie aux roulements, aux boulons et à ses propres tôles restent dans leurs limites de fatigue. La conception et la sélection sont le même problème, vues des extrémités opposées d’une citation.

Comment un pack de disques transporte le couple

Un paquet de disques est un empilement de fines feuilles d'acier inoxydable, généralement de 0,2 mm à 0,5 mm d'épaisseur, poinçonnées de six à douze maillons disposés autour du cercle de boulons. Chaque feuille est fixée alternativement aux deux moyeux par des boulons ajustés, de sorte que le couple se propage à travers les maillons sous forme de tension d'un côté de l'accouplement et de compression de l'autre. Le désalignement est absorbé uniquement par le pliage des tôles. Rien ne glisse, rien n’est lubrifié et rien n’est en caoutchouc.

Ce seul fait explique tout le caractère de la conception : aucun jeu, aucune surface d'usure, aucun élastomère qui vieillit ou durcit et un plafond de température fixé par les moyeux plutôt que par l'élément flexible. Cela explique aussi la faiblesse. Un accouplement sans interface coulissante et presque sans amortissement a très peu de capacité à dissiper l'énergie, donc quelle que soit la contrainte subie par les maillons, ils la voient à chaque tour, pendant toute la durée de vie de la machine.

Le profil de lien est la première véritable décision de conception. Un maillon à côtés droits concentre la contrainte de flexion autour des trous de boulons. Un maillon festonné ou cintré répartit la courbure sur toute sa longueur : la flexibilité augmente, la contrainte maximale au niveau du trou diminue et la force de réaction que le pack repousse dans les roulements à un désalignement donné diminue avec lui. Le prix est la densité de couple, car une tôle festonnée supporte moins de couple par millimètre de largeur qu'une tôle droite, et le pack doit récupérer cela avec plus de couches, plus de boulons ou plus de diamètre. L'épaisseur de la feuille, le nombre de couches, la largeur des maillons et le nombre de boulons sont les quatre variables qui déterminent ce que l'accouplement fini peut faire.

Disque simple ou double disque : une décision de désalignement

Une fois le pack défini, la question est de savoir de combien de packs le couplage a besoin. Une unité monodisque place un paquet entre deux moyeux. Il gère confortablement les déplacements angulaires et axiaux et le décalage parallèle, ce qui convient aux entraînements courts et monoblocs : servo-axes, petites pompes et bancs d'essai où les deux arbres se trouvent déjà à quelques centièmes de millimètre près.

Un accouplement à double disque insère une entretoise entre deux packs. L'entretoise convertit le décalage parallèle en déplacement angulaire au niveau de chaque pack, ce qui permet de connecter un moteur et une boîte de vitesses sur des plaques de base distinctes sans se battre. La longueur de l'entretoise devient alors une véritable variable de conception : elle définit le décalage parallèle que l'accouplement peut absorber, son poids et l'impact de sa propre masse et de son comportement en flexion sur la transmission.

Les conceptions compactes à double disque avec des entretoises courtes et des moyeux de type pince sont courantes là où l'enveloppe est étroite mais où le décalage parallèle doit encore être absorbé, comme dans les entraînements de machines-outils et CNC.

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Rapports de rigidité, forces de réaction et bille de roulement

Le couple nominal décide si l'accouplement survit. La rigidité décide si tout ce qui l'entoure survit. Prenons le cas axial, qui est le plus souvent ignoré au stade de la cotation. Supposons que l'accouplement dont vous avez besoin ait une rigidité axiale d'environ 250 N/mm, un chiffre réaliste pour un jeu de disques de taille moyenne, et que l'arbre grandisse de 0,8 mm entre un démarrage à froid et une pleine charge. Le pack repoussera environ 200 N dans le roulement, en continu, en plus de la charge normale du roulement. Sur un petit moteur, cela suffit à réduire la durée de vie des roulements de plusieurs années à plusieurs mois, et aucun calcul de couple ne le révélera jamais.

La rigidité en torsion agit dans le sens opposé. Elle est exprimée en Nm par radian ou par degré, et plus elle est élevée, plus l'arbre mené suit le moteur avec précision. Pour les axes de positionnement, une rigidité en torsion élevée ainsi qu'un jeu nul sont la raison pour laquelle un accouplement à disque est choisi. Pour une transmission qui doit subir une résonance de torsion pendant la montée en puissance, cette même rigidité est un handicap, et un faible amortissement rend le pic plus net. Si l'application implique de gros moteurs, des charges alternatives ou un fonctionnement à vitesse variable, la rigidité de l'accouplement appartient au modèle de torsion plutôt qu'à une note de bas de page.

La règle pratique : demander au fournisseur les valeurs de rigidité en torsion, axiale et radiale avec le devis, et pas seulement le couple nominal et l'alésage. Vous ne pouvez pas vérifier une charge de roulement ou une résonance avec le seul chiffre de couple.

Boulons, équilibre et plafond de vitesse

Le joint boulonné est la partie de la conception que l'expérience sur le terrain punit en premier. Les boulons installés sont meulés avec un jeu contrôlé dans des trous alésés afin que le couple soit transmis par la tige du boulon par cisaillement plutôt que par friction entre les tôles. Cela signifie que la classe d'ajustement est importante, tout comme la méthode de verrouillage, car un boulon desserré modifie la répartition de la charge sur l'ensemble du pack en un seul démarrage.

La vitesse est l’autre plafond, et elle n’est pas linéaire. La force de balourd résiduelle augmente avec le carré de la vitesse de rotation : environ 1 g-mm de balourd produit environ 1,1 N de force de rotation à 10 000 tr/min et environ 4,4 N à 20 000 tr/min. La qualité de l’équilibre suit la même logique. Les entraînements industriels généraux sont généralement acceptables en G6.3, les entraînements à grande vitesse et les machines-outils nécessitent normalement G2.5, et les rotors à très grande vitesse ou très légers peuvent nécessiter G1. Au-dessus de la vitesse nominale de l'accouplement, aucun équilibrage n'est utile, car la limite vient de la contrainte centrifuge dans le paquet de disques lui-même. Lorsque le point de service se situe près de ce plafond, une conception haute vitesse spécialement conçue est la seule réponse sensée.

Matériaux : packs en acier inoxydable, moyeux en acier ou en aluminium

Le paquet de disques est presque toujours en acier inoxydable austénitique, les 301 et 302 étant les choix courants en raison de leur combinaison de résistance à la fatigue et à la corrosion. Les grades durcissant par précipitation tels que le 17-4 PH apparaissent là où une résistance plus élevée ou une capacité à des températures plus élevées sont requises. Le hub est l'endroit où le choix des matériaux suit l'application. Les moyeux en alliage d'aluminium 6061 ou 7075 maintiennent une faible inertie, ce qui est important sur les axes servo où chaque gramme de masse en rotation s'ajoute au dimensionnement du moteur. Les moyeux en acier 1045 ou en alliage, souvent traités à l'oxyde noir, dominent les entraînements industriels lourds et à longue portée, et les moyeux en acier inoxydable sont utilisés en cas de lavage ou d'atmosphère marine.

La connexion moyeu-arbre mérite plus d’attention qu’elle n’en reçoit habituellement. Une connexion à clé introduit un jeu qu'aucun jeu de disques sans jeu ne peut compenser, de sorte que les moyeux de type pince et les ensembles de verrouillage sans clé constituent la spécification normale sur les entraînements de positionnement et à marche arrière élevée. L'environnement, plutôt que la charge, décide du traitement de surface : noircissement pour les installations intérieures légèrement corrosives, quincaillerie en acier inoxydable ou plaquée pour les applications extérieures et marines.

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Tolérances du site : lorsqu'une bonne conception devient une mauvaise installation

L'alignement sur site transforme une conception correcte en une installation incorrecte plus souvent que toute autre cause unique. Les objectifs courants pour un accouplement à disque sont une erreur angulaire inférieure à 0,5 degrés et un réglage axial compris entre 0,5 et 1,5 mm, mais ces chiffres appartiennent à la taille et à l'emballage spécifiques, ils doivent donc provenir de la fiche technique du fournisseur plutôt que de l'habitude. L'alignement doit être vérifié à froid et, lorsque la machine fonctionne à chaud, vérifié à nouveau à la température de fonctionnement, car un arbre qui grandit de 2 mm sur une portée de 100 mm peut consommer toute la tolérance axiale d'un accouplement parfaitement aligné sur le banc.

Deux habitudes causent des dégâts disproportionnés. La première consiste à utiliser les boulons d'accouplement pour rapprocher deux arbres, ce qui précharge axialement le pack avant même que la machine ne démarre. La seconde consiste à mesurer uniquement l'erreur angulaire et à ignorer le décalage parallèle sur une unité à double disque, où l'entretoise l'agrandit en déplacement angulaire au niveau des deux packs. Sur les modèles d'entretoises amovibles, l'entretoise doit également être soutenue pendant l'assemblage afin que son poids ne plie pas les packs avant que les boulons ne soient serrés.

Modes de défaillance contre lesquels il vaut la peine d'être conçu

La plupart des pannes en service sont dues à un petit nombre de modèles reconnaissables :

• Fissures de fatigue rayonnant à partir des trous de boulons dans les maillons de disque, presque toujours le résultat d'un désalignement soutenu au-dessus de la valeur nominale plutôt que d'une surcharge.
• Fretting et allongement du trou, provoqués par un micro-mouvement au niveau d'un joint dont la précharge a été perdue.
• Contre-écrous desserrés ou manquants après une reconstruction, ce qui redistribue la charge entre les boulons restants.
• L'alésage du moyeu glisse sur l'arbre, à cause d'un ajustement incorrect ou d'une connexion clavetée supposée suffisamment serrée.
• Piqûres de corrosion ou fissuration par corrosion sous contrainte en atmosphères de lavage, côtières ou chimiques.
• Résonance de torsion excitée par une ondulation de couple à deux fréquences de ligne, des fréquences de passage de pale ou des fréquences d'engrenage, où la rigidité de l'accouplement n'a jamais été entrée dans le modèle de transmission.

Une séquence de sélection pratique

Un ordre d'opérations réalisable, que vous conceviez un accouplement ou que vous en achetiez un :

1. Calculez le couple continu à partir de la puissance et de la vitesse : le couple en Nm est égal à 9 550 fois la puissance en kW divisée par la vitesse en tr/min.
2. Appliquez un facteur de service qui reflète la machine entraînée, généralement 1,5 à 2 pour les charges douces et 2,5 ou plus pour les travaux alternatifs ou à fort impact.
3. Vérifiez les couples de démarrage, de freinage et de décrochage par rapport à la valeur nominale maximale, et non à la valeur continue.
4. Fixez la vitesse de fonctionnement, puis choisissez le niveau d'équilibrage que la vitesse exige réellement.
5. Etablir le désalignement réel : angulaire, parallèle et axial, à froid et à chaud, en incluant les tolérances de fabrication entre les deux machines.
6. Convertissez le désalignement en force de réaction à l'aide de la rigidité de l'accouplement et ajoutez-le à la charge du roulement.
7. Confirmez l'alésage, le type de moyeu, la connexion par rainure ou par collier, la longueur de l'entretoise et l'enveloppe disponible.
8. Confirmez l'environnement : température, humidité, produits chimiques et fréquence de lavage.

Ce qui relève de l'enquête

Un fournisseur qui ne demande que l'alésage et le couple n'a pas compris votre entraînement, et le devis qui vous sera renvoyé sera un numéro de catalogue plutôt qu'une solution. Envoyez le couple continu et maximal, la vitesse et le cycle de service, les trois composants de désalignement, la température ambiante et de fonctionnement, l'exposition à la corrosion, l'enveloppe disponible, l'alésage et le type de connexion, ainsi que la qualité d'équilibrage si la vitesse est élevée. Ces huit éléments font la différence entre un accouplement qui dure plus longtemps que les roulements à côté et un autre qui devient un consommable programmé.

Si la même usine exploite plusieurs types d'accouplement, depuis les unités à servo-membrane jusqu'aux accouplements à engrenages lourds, une référence de sélection générale couvrant les types et les normes d'accouplement DIN est un complément utile à un devis unique, car elle rend la comparaison entre les conceptions candidates concrète et non verbale.

Types de raccords DIN, normes et guide de sélection