Limiteurs de couple - Construction Mécanique : Cours - TD
L'avantage d'une telle construction est que ce principe "corrige" de lui-même une
..... Fonction embrayage et limiteur de couple géré par le même appareil.
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Limiteurs de couple
Ce document a été en parti réalisé par des élèves de 3ième année de lISAT
BERTRAND Guillaume
BROSSIER Romain
DI SCHINO Marc
FAUCHER Arnaud
FORGET Patrice
FILIPA Christophe
LEGUIEL Thomas
ORFILA Olivier
PERRIN Marianne
RODES Julien
Sous la supervision de Lilian FAURE
Sommaire
Présentation des limiteurs de couple 2
Présentation des différents principes de fonctionnements 5
Limiteur de couple « par adhérence » 5
Limiteur de couple synchrone et asynchrone 9
A denture hélicoïdale 9
A billes 11
A rouleaux 21
Limiteur de couple cunéiforme 28
Mise en uvre des limiteurs de couple 31
Réglage du couple limite 31
Détection dun dépassement du couple limite 39
Critère de choix dun limiteur de couple 40
Domaine demploi 45
Liste des Fabricants et indicatif des prix 47
Présentation des limiteurs de couple
La sécurité d'exploitation d'un processus de production doit être garantie efficacement en raison de l'organisation en flux tendus, de l'intégration élevée d'automatismes sophistiqués et de la part importante représentée par l'asservissement dans l'investissement.
Pour éviter la destruction d'organes vitaux directement liés à l'outil stratégique de production, la cinématique des process et des machines doit être protégée des surcharges, des blocages, par des composants de sécurité performants. Les temps d'immobilisation résultant des opérations de maintenance ou de remises en état doivent être minimisés et maîtrisés pour garantir un taux de productivité et de rentabilité élevé ; En cas de problème, la production doit redémarrer aussi rapidement que possible.
En outre, lors de collisions à grande vitesse, les dispositifs de protection électroniques des machines-outils ne sont pas en mesure d'empêcher certains dommages. Pour être compétitif, il faut que les machines-outils garantissent une grande fiabilité et une grande précision pendant une longue durée de vie. Or la fiabilité et la précision sont systématiquement remises en question lors de collisions, et celles-ci ne peuvent en outre jamais être entièrement supprimées : Elles surviennent même sur des machines équipées de systèmes de pilotage et de contrôle des plus sophistiqués. C'est pourquoi l'utilisation de limiteurs de couple s'avère souvent nécessaire pour une bonne protection du matériel.
Les limiteurs de couple sont des composants de sécurité mécaniques utilisés en transmission de puissance pour désolidariser et protéger la cinématique de la force motrice lorsqu'un surcouple résultant d'une surcharge apparaît.
Le principe de base du limiteur de couple est de supprimer la transmission de couple entre une partie tournante entraînante et la partie tournante entraînée lorsque le couple transmis à celle-ci dépasse une valeur de consigne réglée.
Schéma synoptique du fonctionnement d'un limiteur de couple
( Fonctionnement dans des conditions normales d'utilisation :
( Fonctionnement anormal : Ce > Cdéclenchement avec Cdéclenchement le couple de déclenchement réglé du limiteur.
Le limiteur de couple est réglé à la valeur du couple de déclenchement souhaitée. Lors d'un dépassement du couple réglé dû à une surcharge ou une collision, le limiteur de couple se déclenche et sépare le côté entraînant du côté entraîné en quelques millisecondes. Le temps de réponse au déclenchement dépend tout d'abord des performances et du type de limiteur de couple mais aussi de la rigidité des axes tournants ainsi que de la vitesse et de la violence de la collision. Dans le cas d'une collision, l'énergie destructrice au moment de la collision est désolidarisée. Un fonctionnement optimal ne peut être garanti que si le couple de surcharge se situe au dessus du couple maximum de la machine en service (voir diagramme). En effet le limiteur de couple doit désolidariser les deux parties uniquement lorsque le couple est anormalement élevé et doit pouvoir transmettre celui-ci lors du fonctionnement normal de la machine.
(1) Courbe du couple de la machine en fonctionnement normal
(2) Couple maxi de la machine en service
(3) Réglage du couple de laccouplement
(X) Marge de sécurité entre 2 et 3 (devrait représenter 30%minimum du couple de la machine)
Après la surcharge, le limiteur de couple est réenclenché automatiquement ou manuellement et la machine est à nouveau opérationnelle.
Les limiteurs de couple de sécurité épargnent donc des pertes de temps occasionnées par des réparations et éliminent l'échange de pièces de rechange coûteuses, ce qui permet notamment d'éliminer des coûts de maintenance et d'augmenter la productivité de machines.
Il existe plusieurs types de limiteurs en fonction des exigences de chaque problème :
Les limiteurs de couple sans friction
Destinés à protéger avec précision les process et les transmissions de machines, offrent, par l'extrême diversité de leurs principes fonctionnels, une solution optimale pour chaque cas d'application :
A hélicoïde pour des conditions d'utilisation sévères
A double rouleaux pour un couple maintenu avec une précision constante pendant la durée d'utilisation
A billes pour une très grande précision de déclenchement, auquel s'ajoute une transmission du couple sans jeu dans les deux sens de rotation
A rouleaux pour une utilisation plus universelle.
Les limiteurs de couple à friction
Ceux-ci sont disponibles en deux versions :
A barillet pour une constante du couple en patinage fréquent
A ressorts Belleville pour une protection simple particulièrement économique.
Ces différents limiteurs de couple peuvent êtres montés aussi bien sur une transmission directe que sur une indirecte :
Transmissions directes :
Dans cette configuration, le limiteur de couple est placé sur larbre de transmissions entre lélément moteur et lélément entraîné.
Transmissions indirectes :
Ici le limiteur peut permet de réaliser ou non la liaison entre larbre moteur et la poulie (ou le pignon).
Présentation des différents principes de fonctionnements
Limiteur de couple « par adhérence »
Un des principes les plus simples utilisé dans les limiteurs de couple est ladhérence. Cest la raison pour laquelle ils sont relativement abordables. Leur conception est similaire à celle des embrayages. Il existe ainsi plusieurs modèles : simple disque, multi disques, coniques
Présentation générale des différents principes
Le mono disque
Le multi disque
Comme pour les embrayages, la valeur limite de couple sexprime par :
EMBED Equation.3
Le cône d adhérence
La valeur limite de couple s exprime ici par :
EMBED Equation.3
Où ² sera l angle formé par la surface de contact et l horizontale.
Les garnitures
Les matériaux les plus employés à la fabrication des garnitures, aussi bien pour les limiteurs de couple que pour les embrayages, ou encore les freins, sont des matériaux composites principalement composés de carbone, de soufre, de céramique et de métaux. Les garnitures constituent les éléments dusure dun mécanisme et sont bien souvent exposé à des changements de température brutaux (par dissipation de lénergie en chaleur par frottement).
Le couple limite transmissible
La valeur limite du couple transmissible dépend directement de leffort presseur exercé entre les deux surfaces de contact. Pour les technologies à ressorts filaires cylindriques, on observe une diminution de leffort presseur avec le degré dusure. De ce fait, il est préconisé de vérifier régulièrement la valeur limite du couple transmissible.
Un autre composant est alors préféré aux ressorts, il sagit des rondelles Belleville, avec pour avantage de délivrer dans une certaine zone une raideur quasi constante.
Variation du coefficient de frottement en fonction de É :
Les limiteurs de couple fonctionnant à sec sont donc plus efficace en terme de coefficient de frottement et nécessitent donc un effort presseur inférieur en comparaison aux limiteurs de couple lubrifiés. Cependant ces derniers bénéficieront dune durée de vie plus importante.
Conclusion sur les limiteurs de couple par frottement
Avantages :
Adapté aux faibles couples
Pas de ré enclenchement nécessaire
Inconvénients :
Lorgane de transmission patine dès que le couple maxi est atteint, ce qui engendre un échauffement
Faible durée de vie
Limiteur de couple synchrone et asynchrone
A denture hélicoïdale
Il sagit dun limiteur de couple de type asynchrone car la reprise du mouvement se fait ou peut se faire à chaque dent. Le couple est transmis par des dentures hélicoïdales frontales à flancs convergents mis en opposition. Leffort presseur est réalisé par un système de ressorts logés dans un barillet. Comme pour une vis en rotation où les flancs de filets sont en contact avec lécrou, les flancs des dentures hélicoïdales restent en contact pendant la totalité du mouvement engendré par le déclenchement. Cette caractéristique confère à ce type de limiteur de couple une très bonne résistance à lusure, et diminue fortement la brutalité du désaccouplement.
Dès que la valeur limite de couple est atteinte, leffort exercé sur les ressorts augmente et donc ces derniers se compriment jusquà ce que les dents sautent dune dent à lautre (mécanisme désaccouplé). En cas de faible surcharge, on assistera à un phénomène de cliquetage, permettant ainsi de continuer à passer un certain couple.
Schéma du limiteur de couple à hélicoïde en position de fonctionnement
Le réglage du seuil de déclenchement du limiteur de couple se fait par ladjonction de ressorts supplémentaires, augmentant ainsi la constante de raideur de lensemble et donc la force de maintien.
Comparaison des principes fonctionnels :
Dentures frontales à flancs parallèles et séquents :
Suppression de contact de surface pendant le déclenchement ce qui engendre une cassure assez brutale de la courbe de couple.
Dentures hélicoïdales à flancs convergents :
Contact de surface permanent pendant toute la durée du déclenchement, ce qui permet davoir un déclenchement progressif et non brutal ce qui à moyen terme endommagerait les éléments de transmission.
Avantages de ce type de limiteur de couple
La principale qualité de ce type de limiteur de couple est sa simplicité de conception rendant facilement possible ses réglages. De plus, il est relativement fiable et lusure des surfaces, qui sont rappelons le tout le temps en contact (entraînement permanent), est assez lente.
Une autre qualité réside dans le fait quaucun entretien nest nécessaire, et aussi quil est compact, blindé
Enfin, on propose pour ce type de limiteur, un détecteur de surcouple en option, avertissant alors lopérateur et coupant par la même occasion lalimentation du moteur le cas échéant.
A billes
Principes généraux de fonctionnement des limiteurs à billes
Un limiteur de couple à billes est composé de 5 principaux éléments fonctionnels :
Schéma de principe d'un limiteur de couple à billes
Cas où le couple côté entraînant est inférieur au couple de déclenchement réglé :
Centraînant < Cdéclenchement ( Transmission du couple : Centraîné = Centraînant
Cas où le couple côté entraînant atteint le couple de déclenchement réglé :
Centraînant ( Cdéclenchement ( Le couple n'est plus transmis : Centraîné = Crésiduel
Remarque :
Bien entendu, il est important que Crésiduel soit le plus faible possible. Toutefois, les frottements se produisant lors de la phase déclenchée interdisent l'annulation totale du couple transmis ; Ainsi, on peut espérer diminuer le couple résiduel tel que Crésiduel = 10 % Centraînant pour un limiteur performant.
Schématisation du mécanisme
Lorsque le couple transmis par le côté entraînant dépasse le couple de déclenchement réglé, la bague jaune translate et libère la rotation de l'entraîné par rapport à l'entraînant.
Le réglage du couple de déclenchement s'effectue en serrant plus ou moins l'écrou de réglage.
Différence entre les limiteurs synchrones et asynchrones
La principale différence entre ces deux limiteurs à billes concerne la répartition des encoches recevant les billes sur la bride.
Pour un limiteur à billes de type asynchrone, les encoches sont réparties uniformément tous les 2pð/n radians, avec n un nombre entier positif. Ainsi, il y a reprise du couple tous les 2pð/n radians, lorsque toutes les billes passent en même temps dans l'encoche suivante.
Pour un limiteur de type synchrone, les encoches sont réparties de manière à ce que la reprise du couple ne se produise qu'après 1 tour après déclenchement.
Principe de fonctionnement d'un limiteur de couple à billes de type synchrone
Phase 1 : Fonctionnement sans surcouple : Les billes se trouvent dans leurs encoches respectives et transmettent le couple (Fig. 1).
Phase 2 : Le couple transmis de la partie entraînante dépasse le couple de déclenchement réglé : Les billes sortent de leurs encoches (Fig. 2).
Phase 3 : Création d'une vitesse de rotation relative entre la partie entraînante et la partie entraînée : Les billes se déplacent sur la périphérie du flaque recevant les encoches. La spécificité du limiteur synchrone tient, de par la disposition des encoches, au fait que toutes les billes ne peuvent se trouver en même temps chacune dans une encoche à moins de se trouver dans la position de transmission du couple (Fig. 3).
Phase 4 : Après 2pð radians de déplacement relatif entre les parties entraînante et entraînée, les billes se retrouvent chacune dans leur encoche et le couple peut alors être à nouveau transmis (Fig. 4).
Exemple de disposition des encoches permettant un fonctionnement synchrone
Quelques grands types de mécanismes
Limiteur de couple à bille "classique"
A gauche une vue de coupe et à droite un dessin densemble du mécanisme
Principe de fonctionnement de ce mécanisme :
Le couple est transmit par des billes pressées dans leur siège par des rondelles Belleville. Quand le couple limite de déclenchement préréglé est atteint, les billes quittent leurs sièges en roulant pour descendre dans le siège sphérique suivant, et ainsi de suite jusquà ce que la surcharge soit éliminée.
Avantages de ce mécanisme :
Précision de réponse
Réglage du couple transmissible possible après montage (vernier intégré)
Economique
Durée de vie
Limiteur de couple à billes sans jeu angulaire
A gauche une vue de coupe et à droite un dessin densemble du mécanisme
Principe de fonctionnement de ce mécanisme :
Le couple est transmis par des billes pressées dans des encoches en forme de V par des rondelles Belleville. Ces encoches sont disposées axialement cotés récepteur et radialement coté moteur. Le couple est donc transmis sans jeu dans les deux sens de rotation. Quand le couple limite de déclenchement est atteint la bague radiale encochée se déplace.
L'objectif principal est d'offrir une transmission du couple absolument sans jeu. Les billes de transmission sont précontraintes par la pièce de commande sous l'action des ressorts. Elles s'ajustent parfaitement dans les logements du moyeu et du flasque de pression. Le couple est ainsi transmis sans jeu dans les deux sens de rotation. En cas de dépassement du couple réglé, les billes sortent des logements du flasque de pression et se translatent dans les logements radiaux du moyeu. L'avantage d'une telle construction est que ce principe "corrige" de lui-même une usure ou un tassement qui pourrait apparaître au niveau des logements ou des billes. L'absence de jeu dans le limiteur est conservée car les billes sont toujours pressées dans les deux logements en même temps. C'est pourquoi le limiteur reste sans jeu pendant toute sa durée de vie ce que la plupart des limiteurs de couple ne peuvent garantir.
Avantages de ce mécanisme :
Aucun jeu dans les deux sens de rotation,
Compacité,
Guidage interne assuré,
Précision de réponse,
Réglage possible après montage,
Constance du couple de déclenchement tout au long de la durée de vie.
Coupleur à billes sans jeu angulaire
L'objectif d'un coupleur par rapport au limiteur de couple est de supprimer mécaniquement la transmission du couple dès que celui-ci atteint la valeur de déclenchement réglée, et de ne permettre la reprise de la transmission que par l'intervention d'un opérateur ou d'un système commandé.
Ci-dessus, une vue de coupe du mécanisme
Principe de fonctionnement de ce mécanisme
Lorsque la force tangentielle exercée sur chaque élément dépasse la valeur réglée, les systèmes bille/butée repoussent les pilots et provoquent ainsi le déclenchement du limiteur de couple.
Le couple de déclenchement est réglable à laide dun écrou et de rondelles Belleville.
En se déplaçant axialement, le pilot portant la bille repousse radialement les segments dintervention qui libèrent ainsi le mouvement axial du pilot.
Le ré enclenchement des éléments de sécurité sopère par une pression axiale sur lextrémité des pilots afin de replacer toutes les billes dans les logements des butées.
Avantages de ce mécanisme
Séparation immédiate en cas de surcharge
Accepte des vitesses élevées et de longues rotations libres
Haute précision de déclenchement et de répétition
Tarage précis du limiteur de couple
Limiteur SYNTEX
Lors dun dépassement du couple pré-réglé survient un mouvement relatif entre pièces entraînante et entraînées. Le couple transmissible retombe à une faible valeur résiduelle. Les billes quittent les logements de la rondelle ressort. Quand la surcharge disparaît, les billes viennent se repositionner dans la rondelle un logement plus loin.
Montages particuliers de limiteurs à billes:
Montage flasqué :
Ce type de montage est utilisé pour une fixation de roue à chaîne, de poulies, de pignons.
Avec centrage court et roulements intégrés :
Ce montage est destiné au montage dorganes de transmission du style couronne ou autre. Le centrage est réalisé sur un roulement à aiguille.
Avec centrage long :
Ce montage est prévu afin de recevoir des paliers lisses ou des roulements pour centrer un organe de transmission de grande largeur, type poulie, sur lautocoupleur.
Avec accouplement élastique :
Le but de ce montage est de relier deux arbres non alignés.
Conclusion sur les limiteurs de couple à billes
On retiendra que les principaux avantages du système à bille sont :
Bonne durée de vie car usure limitée
Grande précision de déclenchement
A rouleaux
Les Autocoupleurs
Autocoupleur synchrone à rouleaux
Ci contre, une vue de coupe du mécanisme
Principe de fonctionnement du mécanisme
Le couple est transmis par des rouleaux pressés dans des cavités par des rondelles Belleville. Quand le couple transmissible maximum est atteint, le limiteur passe dans des phases de désaccouplements et accouplements. Pour désaccoupler quand le couple limite est atteint, la bague encochée se déplace, le rouleau nest plus dans son logement. Après, élimination de la surcharge, lauto coupleur se réaccouple automatiquement dans sa position initiale. Les cavités sont asymétriquement réparties pour garantir un réaccouplement avec reprise de synchronisme tous les 360°.
Les avantages de ce type de mécanisme
Lun des principaux avantages de lautocoupleur synchrone à rouleaux réside dans le fait quil y a reprise de synchronisme tous les 360°.
Cependant, ce nest pas son unique avantage. En effet, la présence dune butée longitudinale intégrée, le réglage possible après montage, sa durée de vie sont autant de qualités qui rendent cet autocoupleur intéressant.
Auto coupleur synchrone à doubles rouleaux
Ci contre une vue de coupe du mécanisme
Principe de fonctionnement du mécanisme
Le couple est transmis par six paires de rouleaux pressés dans des cavités par des ressorts hélicoïdaux. Lorsque le couple limite préréglé est atteint, lautocoupleur cliquette est passe successivement par des phases daccouplements et de désaccouplements. Pour désaccoupler, les rouleaux cylindriques roulant lun contre lautre, gravissent la pente de la rainure en V du collecteur pour soulever la bague de pression et annuler ainsi la force due aux ressorts. Après lélimination de la surcharge de couple, lautocouleur se réaccouple automatiquement dans sa position initiale en raison de la reprise de synchronisme à 360°. Les cavités sont asymétriquement reparties de manière à garantir cette reprise de synchronisme.
Les avantages de ce type de mécanisme
Le 1er avantage de lautocoupleur synchrone à doubles rouleaux est de posséder un couple de déclenchement constant durant toute la durée dutilisation.
Autre avantage, qui est commun à lautocoupleur synchrone à rouleaux, cest la reprise de synchronisme tous les 360°.
De plus, lautocoupleur synchrone à doubles rouleaux possède une large plage dutilisation en terme de couple (jusquà 10 000Nm), et une large possibilité de diamètre darbre ( jusquà 125 mm) ce qui lui offre une grande possibilité dutilisation.
Enfin, son étalonnage ne peut être modifié par une personne non autorisée de par son principe.
Les Coupleurs
Coupleur manuel à rouleaux
Ci contre une vue de coupe du mécanisme
Principe de fonctionnement du mécanisme
Le couple est transmis par des rouleaux pressés dans leurs logements par des ressorts Belleville. Quand le couple limite de déclenchement préréglé est atteint, la bague de commande qui porte les rainure en V se déplace ce qui désaccouple la transmission.
Un mécanisme de verrouillage maintient la bague de commande en position déverrouillée. Ce mécanisme est le suivant.
Comme nous lavons expliqué, lorsque le couple limite est atteint, la bague de commande (en bleu) se déplace et crée le désaccouplement. Lorsquelle se déplace, elle vient faire descendre lanneau noir. Une fois ceci fait, le ressort pousse lanneau contre la bague de commande par lintermédiaire du V (en rouge) ce qui bloque cette même bague. Le réaccouplement ne peut seffectuer que manuellement en exerçant une force sur la bague de commande.
Les avantages de ce type de mécanisme
Le coupleur manuel à rouleaux possède beaucoup davantages. Lun des principaux consiste au fait que lorsque le couple limite est atteint, la cinématique est désolidarisée et protégée de la source dénergie ce qui permet daugmenter la durée de système, car il y a moins dusure.
Autres avantages intéressants à lutilisation, il peut être réglé de façon précise même lorsquil est monté et, possède une butée longitudinale intégrée.
Enfin, il est possible de substituer des limiteurs de couples dorigines diverses présents sur le marché par ce coupleur manuel à rouleaux.
Les différentes versions de coupleurs
Pour le coupleur manuel à rouleaux, il existe plusieurs versions différentes correspondant à des utilisations différentes. Nous avons :
Montage flasqué :
Ce type de montage est utilisé pour une fixation de roue à chaîne, de poulies, de pignons.
Avec centrage court et roulements intégrés :
Ce montage est destiné au montage dorganes de transmission du style couronne ou autre. Le centrage est réalisé sur un roulement à aiguille.
Avec centrage long :
Ce montage est prévu afin de recevoir des paliers lisses ou des roulements pour centrer un organe de transmission de grande largeur, type poulie, sur lautocoupleur
Avec accouplement élastique :
Le but de ce montage est de relier deux arbres non alignés.
Coupleur synchrone manuel à doubles rouleaux
Ci contre une vue de coupe du mécanisme
Principe de fonctionnement du mécanisme
Le couple est transmis par six paires de rouleaux pressés dans des cavités par des ressorts hélicoïdaux. Quand le couple limite préréglé est atteint, le coupleur désolidarise le moteur et la cinématique. Pour ce faire, les rouleaux cylindriques roulant lun contre lautre, gravissent la pente de la rainure en V du collecteur pour soulever la bague de pression et annuler la force due aux ressorts.
Un mécanisme de verrouillage à billes maintient la bague de commande en position. Ce mécanisme est le suivant :
Comme nous lavons dit précédemment, lorsque le couple limite est atteint, la bague de commande (en bleu) se déplace et donc désaccouple le système. En se déplaçant, elle pousse la bille rouge. La bille sort de son logement, la bague jaune bloque la bille contre la pièce bleue. Après élimination de la surcharge, le réaccouplement sera effectué manuellement, en exerçant une force de déverrouillage sur la bague de commande. Le coupleur sera réaccouplé dans sa position initiale grâce à la reprise de synchronisme à 360° garanti par la position asymétrique des cavités des rouleaux.
Les avantages de ce type de mécanisme
Tout comme lautocoupleur synchrone à doubles rouleaux, le couple de déclenchement reste constant durant toute la durée dutilisation (ceci étant dû au principe des doubles rouleaux) et, létalonnage ne peut être modifié par un opérateur non autorisé.
De plus, lorsque le couple limite est atteint, la cinématique est désolidarisée et protégée de la source dénergie ce qui permet daugmenter la durée de système, car il y a moins dusure.
On retrouve aussi la reprise de synchronisme tous les 360°.
Enfin, le coupleur synchrone manuel à doubles rouleaux possède une large plage dutilisation en terme de couple(jusquà 10 000 Nm), et une large possibilité de diamètre darbre ( jusquà 125 mm) ce qui lui offre une grande possibilité dutilisation.
Les différentes versions possibles
Pour le coupleur synchrone manuel à doubles rouleaux, plusieurs version ou série existe suivant son utilisation. Les versions sont les suivantes :
Montage flasqué :
Ce type de montage est utilisé pour une fixation de roue à chaîne, de poulies, de pignons.
Avec accouplement de compensation :
Ce montage est destiné à obtenir une rigidité torsionnel totale entre les deux arbres. Il permet également une compensation importante du décalage parallèle et angulaire
Avec centrage long :
Ce montage est prévu afin de recevoir des paliers lisses ou des roulements pour centrer un organe de transmission de grande largeur, type poulie, sur lautocoupleur
Avec accouplement élastique :
Le but de ce montage est de relier deux arbres non alignés
Limiteur de couple cunéiforme
Dessin densemble dun limiteur de couple cunéiforme - sikumat
Choix dun limiteur de couple cunéiforme
Ces cartouches peuvent être utilisées dans des conditions extrêmes où les chocs et les vibrations torsionnelles sont fortement présentent car les deux parties de ces cartouches ont de grandes surfaces de contact. Elles bénéficient également dun faible encombrement.
La précision de déclenchement de ces limiteurs est très élevée et aucun déclenchement prématuré nest à craindre en dessous du couple nominal.
Principe de fonctionnement de ce système
Ce type de limiteur de couple est principalement utilisé pour réaliser des brides daccouplement ou des poulies à limitation de couple. Lutilisateur peut réaliser lui-même son montage en bénéficiant dun encombrement réduit.
Principe du contact de surface cunéiforme
Les doigts cunéiformes reliant le coté moteur et le coté récepteur sont logés dans des cartouches et précontraints par des rondelles Belleville.
Lors de la transmission du couple, la pression superficielle est très basse grâce à une grande surface dappui (fig1).
Sur la figure 2, le couple dépasse la valeur limite. Les doigts cunéiformes se déplacent vers la droite en tournant sur eux-mêmes. Le contact de surface avec la cavité reste maintenu pendant toute la durée du déclenchement. Le système de réarmement est manuel ou commandé à distance (pneumatique
)
Tarage de la force tangentielle
Chaque cartouche est réglée à la demande en usine à la force tangentielle désirée Ft. Lutilisateur peut procéder lui-même au réglage.
Réenclenchement
Une fois le système arrêté, le coté moteur et le coté récepteur sont ramenés en synchronisme angulaire. Les extrémités des doigts cunéiformes sont replacées lune après lautre dans leur cavité à laide dun marteau.
Avantage du limiteur de couple Sikumat :
Contact de surface maintenu pendant le déclenchement grâce aux doigts cunéiformes mobiles.
Extrême longévité. Aucun entretien.
Déclenchement automatique.
Réglage très précis du couple.
Réenclenchement aisé et rapide.
Calcul du couple de déclenchement
EMBED Equation.3
Md : couple de déclenchement désiré en N.m
Ft : forcr tangentielle de la cartouche en kN
D : diamètre dimplantation des cartouches
z : nombre de cartouche de surcouple
Exemple daccouplement de deux arbres
Arbre récepteur Arbre moteur
Remarque :
Pour rendre un système encore moins coûteux les fabricants remplacent les cartouches par des vis calibrées à un certain couple de cisaillement qui relient larbre moteur et larbre récepteur. Quand le système se trouve en présence dun surcouple les vis cassent. Lutilisateur doit alors remplacer ces vis en respectant leur calibrage pour ne pas risquer dendommager la machine. Ce système de limiteur de couple et principalement utilisé sur le matériel agricole qui est déjà très coûteux et très robuste il est donc rare que ces vis se cassent.
Mise en uvre des limiteurs de couple
Réglage du couple limite
La majorité des limiteurs de couple se règle manuellement, néanmoins dautres technologies existent pour faciliter le réglage et limiter certaines contraintes du manuel
Réglage manuel : rondelle Belleville
limiteurs de couple à billes synchrone et asynchrone
limiteurs à rouleaux synchrones, asynchrones et coupleurs
Le réglage du couple seffectue à laide de rondelles Belleville 9, en tournant lécrou de réglage 5. La figure « position rondelle / ressort » détermine la plage dutilisation de ces rondelles. Pour cela, il suffit dagir sur lécrou ; en le vissant on diminue la force des rondelles et vice-versa.
Les limiteurs de couple sont préréglés et marqués (calibrés) en usine à une valeur supérieure à 30% du couple maxi (généralement 70%), sauf prescription particulière du client. La cote de contrôle « a » (distance entre la face de lécrou 5 et larête du moyeu 1 est une cote dindication de l « intervention des rondelles dans la plage de fonctionnement.
Pour régler le limiteur de couple on fait alors référence au tableau ci-dessus qui met en relation la valeur de la cote de contrôle et le couple maxi. Pour cela on doit :
Calculer le couple désiré en fonction du couple maxi figurant sur le tableau avec la formule suivante :
réglage(en %) = couple désiré ( 100
couple maxi
Libérer lécrou de réglage en dévissant la vis de blocage
Jouer sur le vissage de lécrou pour le mettre dans la position du couple souhaité grâce à la graduation sur celui-ci. Pour cela on doit utiliser une « clé à ergots »
Enfin on fixe lécrou de réglage avec la vis de blocage en alignant les repères de lécrou et de la rondelle darrêt. Les couples de serrage sont conséquents et doivent être respectés en suivant les valeurs référencées dans le tableau ci-dessous.
Réglage manuel : ressorts
limiteurs de couple hélicoïdal
limiteurs de couple à double-rouleaux
Le réglage du couple seffectue de la même manière que pour la cas des rondelles Belleville, la différence est quen vissant lécrou on augmente la force du ressort et vice-versa. La cote de contrôle visant à déterminer la position de lécrou suivra une loi proportionnelle à la force du ressort tel (L=(F/K ; avec K la raideur du ressort.
Réglage semi-automatique
Technologie électromagnétique : Lembrayage électromagnétique pilotable et réglable
Fonction embrayage et limiteur de couple géré par le même appareil.
Enclenchement et déclenchement synchrones des transmissions à faible vitesse (0-100 tr/min).
Possibilité de commander et régler individuellement les différents arbres si utilisation de plusieurs embrayages.
Appareil de commande : utilisation optimisée du couple
Appareil de commande :
Permet le réglage du courant et ainsi du couple de déclenchement, même en marche.
Surtension afin dobtenir des temps de réponse plus courts ou des couples supérieurs pour masses plus importantes à vitesses plus élevées.
Commande synchrone de lembrayage et du débrayage.
Contrôle de la température
Transmission et limitation du couple :
La transmission des couples se fait du moyeu (par lintermédiaire des rouleaux de précision) au disque et du disque au flasque de transmission.
Lorsque le couple limite est dépassé, il en est de même pour la force magnétique. Le disque déclenche et actionne le détecteur.
Flasque de transmission :
En liaison par lintermédiaire de deux roulements à billes
Montage simple et exact des éléments de transmission, par ex. roues dentées, poulies
Précis en battement axial et en concentricité
Elément de réglage du couple :
La valeur du couple limite de déclenchement est réglée par le biais du courant dans la bobine.
Celui ci est proportionnel à ce courant qui doit alors être maintenu constant pour que ce couple soit régulier et précis ; cest le rôle de lappareil de commande.
Le couple nest pas influencé par les variations de tension et de température.
Le disque est attiré magnétiquement et lié au moyeu par engagement positif.
La bobine :
Alimenté
Tension : 96V C.C.
Courant réglable en continu pendant utilisation
Réglage optimal de lentrefer en usine
La valeur de la force magnétique, qui attire le disque est déterminée en fonction de lentrefer et du courant circulant.
Non alimenté
Séparation du disque et de larbre dentraînement
La bobine nétant plus alimenté le disque nest plus attiré.
Technologie pneumatique : le limiteur de couple synchrone à commande pneumatique.
Fonction embrayage et limiteur de couple géré par le même appareil.
Débrayage précis.
Capteur intégré et protégé mécaniquement.
Montage simple, sans entretien.
Longue durée de vie.
Moments dinerties faibles.
Capteur de proximité :
En cas de surcharge, le capteur détecte précisément le mouvement axial de la pièce de commande.
Il signale également le débrayage, larrêt ou la commande dun autre process.
Dispositif de commande :
Arrivé dair comprimé, pression réglable.
Rotation libre en cas de surcharge.
Enclenchement déclenchement « multi-start »
Réglage du couple plus facile et plus rapide.
Flasque de transmission :
Fixation facile et précise de lélément de transmission sur le flasque de pression.
Le double support permet le montage déléments de transmission larges
Précision de rotation
Les réglages et modifications du couple seffectuent, même en fonctionnement, en agissant sur la pression dair, celui-ci étant proportionnel à cette pression cette dernière doit être constante. Le couple de déclenchement est alors déterminé par la pression dair préréglé. En dépassant celui-ci, le déplacement de la partie entraîné, séparé de la partie entraînement, est détecté par le capteur qui transmet le signal à l'appareil de commande pour dépressuriser lembrayage ou arrêter le moteur.
Courbe du couple en fonction de la pression
Embrayage :
La fonction embrayage est gérée pneumatiquement, ce système transmet le couple de larbre moteur à la partie entraîné. Cette transmission se fait à laide du système breveté de transmission sans jeu. Les domaines principaux dutilisation de cet embrayage sont les systèmes automatisés ainsi que les système
Détection dun dépassement du couple limite
Pour tous les autocoupleurs à réaccouplement automatique, il est nécessaire de détecter le surcouple dès que ce dernier apparaît. Il est aussi important de stopper la transmission dès que ce signal apparaît. En effet une phase prolongée de désaccouplements successifs engendrerait une usure exagérée et une détérioration potentielle de lautocoupleur.
Lors de lapparition du surcouple, différentes bagues subissent un mouvement axial. Ce dernier va être utilisé pour exciter des détecteurs.
Il existe 2 types de détecteur de surcouple :
Inductif
Mécanique
Détecteur de surcouple inductif :
Les détecteurs de surcouple inductifs fonctionnent sans usure. Ils détectent les modifications de champs magnétiques. De plus, ils assurent une commutation plus rapide que les détecteurs de surcouple mécaniques.
Détecteur de surcouple mécanique
Le détecteur de surcouple mécanique fonctionne comme un interrupteur. La tige de palpage du détecteur de surcouple mécanique doit être positionnée à une distance de 0.1 mm de la face de la bague utilisée pour la détection.
Critère de choix dun limiteur de couple
Etude Théorique dun limiteur de couple à billes
Hypothèse :
On suppose que les billes roulent sans glissement et on néglige le poids et les inerties des pièces.
Détermination du couple maximum transmissible théorique :
On cherche à déterminer le couple maximal transmissible théorique. Dðl lim représente la limite pour laquelle il y a désaccouplement.
On isole la bille :
F est la réaction du flasque sur la bille ;
T est leffort tangentiel induit par le couple ;
N est leffort presseur engendré par le ressort.
On écrit ensuite les équations fondamentales de la statique : EMBED Equation.3 ;
Une fois projeté, on a :
EMBED Equation.3
En simplifiant les équations, on obtient :
EMBED Equation.3
La courbe caractéristique dun ressort sans pré charge donne : EMBED Equation.3
La courbe caractéristique des rondelles Bellevilles donne : EMBED Equation.3
La dernière équation peut être utile pour calculer les pressions de Hertz afin de vérifier quil ny ait de matage des billes ou des flasques : EMBED Equation.3 .
La première équation donne la valeur limite pour laquelle il y a équilibre. Au-delà, il y a mouvement ; c'est-à-dire que EMBED Equation.3 . Pendant la phase de désaccouplement, Dðl augmente, par conséquent l effort presseur N diminue ; EMBED Equation.3 .
On peut donner l expression de T en fonction des paramètres du problème et des caractéristiques intrinsèques du limiteur :
On a donc : EMBED Equation.3
Finalement EMBED Equation.3 .
Sélection dun limiteur de couple
Le choix dun limiteur de couple dépend sa fonction dans le mécanisme. On peut différencier 3 cas lors du choix dun limiteur de couple pendant la phase de conception dun mécanisme :
Pour les périodes de glissement rares et courtes, un simple tableau donnant les couples maximaux transmissibles suffit.
Pour les périodes de glissement rares mais longues, un bilan thermique (Cf suite) doit être établie et vérifié suivant le diagramme 1.
Pour les glissements continus ou les périodes de glissement très fréquentes mais courtes, le bilan thermique ainsi établie doit être vérifié selon le diagramme 2.
Finalement le choix dun limiteur de couple doit être mené selon 3 étapes en fonction :
du couple résistant,
du nombre de tours différentiels (Dðn),
des durées des périodes de glissement,
du bilan thermique.
Sélection suivant le couple transmissible et le couple résistant
Le couple transmissible ainsi que le nombre de tours maximal admissible par un limiteur doit être pris sur les documentations des constructeurs, ils constituent des paramètres intrinsèques à chaque type de limiteur.
Le couple de friction réglé sur le limiteur, MF, doit être au minimum de 25 % supérieur au couple de décollage et résistant MK de linstallation à entraîner.
Le couple résistant en marche normale peut être calculer à partir de la puissance absorbée par la machine : EMBED Equation.3 [Nm].
Sélection en fonction de la durée de glissement et du nombre de tours différentiels
Fonctionnement en coupleur de démarrage
Un limiteur de couple fonctionnant en coupleur de démarrage évite que le moteur ne soit en surcharge lors du démarrage. Une formule nous donne la durée du glissement en cas de surcharge :
EMBED Equation.3 [s],
Où J [kgm²] est le moment dinertie des masses à entraîner rapportée au limiteur, n [min-1] est la vitesse de rotation du limiteur pour le moteur en marche normale, MK [Nm] le couple de décollage et résistant de linstallation à entraîner et MLa [Nm] le couple moyen résistant pendant la phase de démarrage. Ce dernier, dans la plus part des cas est pris comme égal à 0.5×ML.
Le nombre de tours différentiels Dðn se évolue au cours du processus de démarrage de n (au début) à 0 (à la fin). Pour les calculs de puissance calorifique, on prendra Dðn = n/2.
Fonctionnement en coupleur sécurité
La durée de glissement est ici contrôlée par des organes de surveillance tel que :
Contrôleur de vitesse,
Surveillance thermique du moteur,
Contrôles optiques.
Le nombre de tours différentiels dans le cas où le coté sortie est bloqué et le coté moteur en fonction est à pleine vitesse, s exprime tout simplement comme : Dðn = n [min-1].
Vérification du bilan thermique
Fonctionnement en coupleur de démarrage
On doit d abord calculer
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Æhþ^`þa$gdSy~ la durée de glissement ainsi que lindice de friction réel. Il est défini selon la formule : EMBED Equation.3 [W].
Une fois la durée de glissement calculée et lindice de friction réel, on recherche lindice de friction standard PR dans le diagramme 1.Puis on calcule PZUL : EMBED Equation.3 , avec K, coefficient dirrégularité, relevé dans les tableaux constructeurs. Lindice de friction de pointe PZUL ainsi déterminé pour lappareil choisi doit être plus grand que lindice de friction réel, Pa.
Remarque :
Pour un appareil travaillant avec un indice de friction de pointe PZUL et dans une ambiance de 20 °C, la température du limiteur sélève à 220 °C.
Fonctionnement en coupleur de sécurité
Lindice de friction réel, Pa doit être là aussi inférieur à lindice de friction de pointe PZUL. Celui-ci est cette fois ci déterminé par le diagramme 2 pour un nombre de tours na du porte ressorts.
Domaine demploi
Dune manière générale, les limiteurs de couples sont utilisés dans le but de protéger un moteur, ou le mécanisme quil entraîne contre les surcouples.
Voici donc une liste de quelques exemples de domaine demploi :
Perceuses :
Raffineurs :
Concasseurs :
Convoyeurs :
Moulinet de canne à pêche :
Ils sont également utilisés dans les broyeur forestier, malaxeur - pulvérisateur de sol, transmission de pont moteur, bineuse,
Liste des Fabricants et indicatif des prix
Les fabricants
Exemple de prix (source HPC)
Limiteur de couple sans jeu : de 447.81 à 856.26 ¬
Limiteur de couple avec accouplement : de 584.15 à 861.62 ¬
Limiteur de couple à friction : de 138.68 à 993.42 ¬
Ces prix varient suivant le diamètre intérieur et suivant sils sont alésés et rainurés.
Construction Mécanique 3A
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Zone dusure
Contrainte maximale
Libre
Effort presseur
Etat de la rondelle
0
0,3
0,2
0,1
4
12
20
28
36
Coef de frottement (Tg Æ)
Vitesse relative (m/s)
Acier-bronze fritté à sec
Acier-bronze fritté lubrifié
Dðl lim
y
x
að
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
billes au nombre de n
R
C
T
Limiteur de couple
( Climite )
wðs = wðe ; Cs = Ce
Côté entraîné
Côté entraînant
wðe ; Ce
wðe ; Ce > Climite
Cs = Crésiduel
Côté entraînant
Côté entraîné
Limiteur de couple
( Climite )
Ressorts
Vis de fixation de roues à chaîne, de poulies ou de pignons
Arbre de so§ÅÎÏëì,/¨©º»¨ª»¼½ÁÂÃáâ÷ò÷ëãëãëãëßØʾµª¢rngn`RRjhOV¼UmHnHu h£hOV¼ h£h£h£jhð[UmHnHujh× +UmHnHuhð[h¼t
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