Accouplement à mâchoires, accouplement à pince ou accouplement à soufflet : un guide de sélection complet

La sélection d'un accouplement moteur semble simple jusqu'à ce que la machine soit en marche. Trois accouplements peuvent partager la même taille d'alésage et le même couple nominal sur une fiche technique et se comporter néanmoins complètement différemment une fois que le désalignement, les vibrations et la croissance thermique entrent en scène.

Ce guide compare les accouplements à mâchoires, à pince (rigides) et à soufflet en utilisant les spécifications qui déterminent réellement si un accouplement survit dans votre application - capacité de couple, tolérance de désalignement, rigidité en torsion, limites de vitesse et comportement en cas de défaillance - et vous donne un cadre pour choisir entre eux.

Réponse rapide

Ce qu'un couplage doit réellement survivre

Avant de comparer les trois types, il est utile d'être précis sur ce qu'absorbe un accouplement, car le « désalignement » n'est pas une chose :

• Désalignement angulaire- les axes des deux arbres se rejoignent selon un angle plutôt que parallèlement
• Désalignement parallèle (radial)- les axes de l'arbre restent parallèles mais sont décalés d'un côté à l'autre
• Mouvement axial- l'écart entre les extrémités de l'arbre augmente ou diminue, généralement à cause de la dilatation thermique ou du flottement des roulements.

Chaque accouplement gère ces trois charges différemment, et les fiches techniques du fabricant répertorient des tolérances distinctes pour chaque -, un accouplement évalué pour 2 degrés de désalignement angulaire pourrait tolérer beaucoup moins de décalage parallèle. Les mélanger est l’erreur de sélection de couplage la plus courante.

Il existe un quatrième facteur qui compte tout autant que le désalignement :rigidité en torsion, mesuré en Nm/rad. Sous charge, chaque accouplement, à l'exception d'un accouplement parfaitement rigide, se tord légèrement -, c'est ce qu'on appelle l'enroulement. Dans un système de positionnement d'asservissement, l'enroulement apparaît directement comme une erreur de positionnement et peut provoquer une résonance dans le système de charge du -couplage-du moteur. La fréquence naturelle approximative de ce système est :

fn ≈ (1 / 2π) × √(Kt / J)

oùKtest la rigidité en torsion de l'accouplement etJest l'inertie de la charge réfléchie. Si la fréquence de commande de votre servo se rapproche de fn, vous verrez des vibrations ou une instabilité qui ressemble à un problème de réglage mais qui est en réalité un problème de rigidité de couplage. C'est pourquoi la rigidité en torsion - et non seulement l'indice de couple - appartient dès le départ à votre liste de contrôle de sélection.

Accouplement à mâchoires

Mécanisme:Deux moyeux métalliques avec des mâchoires imbriquées prennent en sandwich un insert en élastomère multilobé -appelé araignée. Le couple traverse l'araignée en compression, en alternance entre les faces des mâchoires de chaque moyeu. Les conceptions standards à mâchoires droites-ont un jeu inhérent ; Les conceptions à mâchoires incurvées-utilisent un ajustement serré entre la mâchoire et l'araignée pour obtenir un jeu nul, qui est la version utilisée dans presque toutes les applications d'asservissement et de contrôle de mouvement-aujourd'hui.

Spécifications typiques :

• Capacité de couple : environ 2,5 Nm à 300 Nm dans les tailles standard du catalogue
• Vitesse : nominale jusqu'à ~ 40 000 tr/min dans les conceptions équilibrées
• Désalignement : le plus tolérant des trois types d'accouplement, mais toujours limité - un désalignement parallèle ou angulaire important augmente les charges sur les roulements plus rapidement que dans les accouplements à soufflet ou à disque
• Rigidité en torsion : la plus faible des trois, ce qui lui confère justement son caractère-amortissant

Comportement en cas d'échec :L'araignée est une pièce d'usure par conception et sa dégradation est progressive plutôt que soudaine. À mesure qu'il vieillit - à cause de la chaleur, de l'exposition à l'huile ou de la compression cyclique -, sa rigidité change progressivement, ce qui peut introduire silencieusement un jeu ou un enroulement dans un système qui n'avait auparavant aucun jeu -. Si l'araignée tombe complètement en panne, les mâchoires s'engrènent généralement métal-sur-métal et continuent de transmettre le couple plutôt que de se désengager complètement. Qu'il s'agisse d'un élément de sécurité ou d'un danger dépend entièrement de votre application - pour un convoyeur, continuer à fonctionner est très bien ; pour un système qui devrait s'arrêter en cas de défaillance du couplage, ce n'est pas le cas.

Considération de résonance :Étant donné que l'araignée est essentiellement un ressort de torsion, un accouplement à mâchoires associé à une inertie de charge incorrecte peut créer une résonance directement dans la bande de fonctionnement du servo. Deux solutions courantes : passer à un matériau d'araignée plus dur (par exemple, 98 Shore A au lieu de 92 Shore A double à peu près la rigidité en torsion et augmente la fréquence de résonance), ou ajoutez un filtre coupe-bande dans le réglage du variateur.

Utilisez des accouplements à mâchoires lorsque :l'application est soumise à des charges de choc fréquentes, des inversions de direction ou des cycles de démarrage-arrêt, et le jeu nul absolu n'est pas la priorité absolue - l'automatisation générale, les convoyeurs, les équipements d'emballage et les entraînements de pompe/compresseur sont des ajustements classiques.

Évitez les accouplements à mâchoires lorsque :l'axe nécessite un véritable positionnement à enroulement nul-avec une haute précision, ou l'environnement est suffisamment chaud (généralement au-dessus de 120 degrés pour les élastomères standards) pour dégrader rapidement l'araignée.

Accouplement à pince (accouplement rigide)

Mécanisme:Deux moyeux sont soit boulonnés directement ensemble, soit formés comme un seul moyeu divisé qui se serre étroitement autour des deux extrémités de l'arbre. Il n'y a aucun élément flexible nulle part dans l'assemblage - le transfert de couple est une connexion directe et rigide entre les deux arbres.

Spécifications typiques :

• Capacité de couple : généralement la plus élevée des trois pour une taille d'alésage donnée, limitée principalement par la résistance de l'arbre et des fixations plutôt que par l'accouplement lui-même
• Rigidité en torsion : la plus élevée disponible dans tous les types d'accouplement, avec un enroulement pratiquement nul sous charge
• Tolérance de désalignement : la limite déterminante - bien en dessous de 0,05 mm (0,002 po) de décalage parallèle pour un fonctionnement fiable à long-terme, avec effectivement une tolérance zéro pour le désalignement angulaire
• Vitesse : aucun plafond de vitesse inhérent à la conception de l'accouplement lui-même, mais le fonctionnement d'un accouplement rigide à grande vitesse avec tout désalignement accélère l'usure des roulements de manière disproportionnée par rapport aux types flexibles.

Comportement en cas d'échec :C’est le type d’accouplement le plus souvent blâmé pour une mauvaise défaillance. Un accouplement à pince n'a pas d'élément d'usure pour absorber le désalignement, donc si les arbres ne sont pas alignés dans les limites de tolérance, l'accouplement lui-même survit généralement - mais la contrainte va directement dans le roulement du moteur et dans les roulements de support de la vis à billes. Le symptôme se manifeste par une défaillance prématurée du roulement ou une augmentation du bruit de fonctionnement, et il est facile de diagnostiquer à tort un défaut de roulement ou de vis à billes lorsque la cause fondamentale est un désalignement en amont que l'accouplement n'a pas la capacité d'absorber.

Utilisez des accouplements à serrage lorsque :la conception de montage permet un alignement précis et vérifiable de l'arbre (généralement aligné au laser-ou par fixation-alignée à quelques centièmes de millimètre près) et l'application exige une rigidité en torsion maximale - axes CNC, platines de précision et transmissions courtes-bien soutenues où l'alignement ne dérivera pas au cours de la durée de vie de la machine.

Évitez les accouplements à serrage lorsque :vous ne pouvez pas garantir un alignement serré lors de l'installation et au fil du temps, ou lorsque la dilatation thermique dans la transmission modifie l'écartement de l'arbre pendant le fonctionnement -, un accouplement rigide n'a aucun moyen d'absorber cette croissance axiale.

Accouplement à soufflet

Mécanisme:Un-soufflet métallique à paroi mince - généralement en acier inoxydable hydroformé, parfois en nickel électrodéposé pour des travaux de précision très légers- -, est soudé ou collé entre deux moyeux. La paroi ondulée agit comme un ressort de torsion qui est rigide en rotation mais fléchit facilement en cas de désalignement angulaire, parallèle ou axial, de la même manière qu'un accordéon se plie sans se tordre.

Spécifications typiques :

• Capacité de couple : environ 0,5 Nm à 500 Nm selon l'épaisseur de la paroi, le nombre de plis et le diamètre du soufflet
• Rigidité en torsion : 1 000 à 50 000 Nm/rad - parmi les plus élevées de tous les types d'accouplements flexibles, juste derrière les accouplements à disque ou rigides
• Tolérance de désalignement : généralement 1 à 2 degrés angulaires et 0,25 à 0,5 mm (0,010" à 0,020") parallèle/axial - significativement plus indulgent qu'un accouplement à pince, bien que moins qu'un accouplement à mâchoires
• Vitesse : généralement évaluée jusqu'à 10 000 tr/min dans les conceptions équilibrées
• Précision de position : inférieure à-arc-minute dans les accouplements à soufflet de qualité servo-de précision

Sensibilité de l'installation :Les accouplements à soufflet doivent être installés à leur longueur libre spécifiée -, sans étirement ni compression lors du montage. L'installation d'un soufflet sous tension ou compression axiale pré-charge le soufflet et réduit sa durée de vie en fatigue, même si le désalignement de fonctionnement est conforme aux spécifications. Il s'agit d'une cause courante et évitable de défaillance prématurée du soufflet qui n'a rien à voir avec la sélection de l'accouplement mais plutôt avec la procédure d'installation.

Comportement en cas d'échec :Contrairement à l'usure progressive de l'araignée d'un accouplement à mâchoires, un accouplement à soufflet a tendance à se rompre par fissuration de fatigue une fois que le désalignement ou la contrainte d'installation dépasse sa limite nominale sur suffisamment de cycles de charge - la défaillance peut sembler soudaine même si la fatigue sous-jacente s'est accumulée progressivement. Il n'y a pas d'état intermédiaire « doux » comme vous le donne une araignée en élastomère dégradante ; une fois qu'une convolution se fissure, l'accouplement perd la transmission du couple.

Utilisez des accouplements à soufflet lorsque :l'axe a besoin à la fois d'une rigidité de torsion élevée et d'une véritable tolérance de désalignement - c'est la combinaison que les accouplements à pince ne peuvent pas offrir et les accouplements à mâchoires ne peuvent pas correspondre en termes de rigidité. Les axes CNC de précision, l'automatisation des semi-conducteurs et des laboratoires, ainsi que les axes à vis à billes pilotés par servo-haute vitesse-sont le principal cas d'utilisation.

Évitez les accouplements à soufflet lorsque :l'application implique des chocs ou des impacts réguliers - la même rigidité qui donne la précision du positionnement transmet également les charges de choc directement dans le roulement du moteur, et les chocs répétés sont l'une des principales causes de défaillance par fatigue du soufflet.

Tableau de comparaison

Cadre de sélection

Parcourez-les dans l’ordre :

1. Pouvez-vous garantir et maintenir l’alignement des arbres à quelques centièmes de millimètre près, pendant toute la durée de vie de la machine ?
Oui → un accouplement à pince est l'option la plus simple, la plus rigide et la plus rentable-.
Non → passer à la question 2.

2. L'axe nécessite-t-il à la fois une rigidité en torsion élevée (pour la précision du positionnement) et une réelle tolérance de désalignement ?
Oui → accouplement à soufflet. C'est le seul type offrant les deux à la fois.
Non, une précision modérée est acceptable → passez à la question 3.

3. L'application sera-t-elle confrontée à des charges de choc fréquentes, à des cycles d'inversion ou à des opérations de démarrage-arrêt ?
Oui → accouplement à mâchoires. L'araignée en élastomère protège le moteur et les roulements côté entraîné-des chocs qu'un soufflet ou un accouplement à pince transmettraient directement.

4. L'accouplement fonctionne-t-il à proximité d'une fréquence de commande d'asservissement susceptible de provoquer une résonance ?
Vérifiez fn ≈ (1/2π)√(Kt/J) par rapport à la bande de fonctionnement de votre variateur, quel que soit le type vers lequel vous vous penchez -, un couplage correct en termes de couple et de désalignement peut toujours provoquer une instabilité si sa rigidité crée une résonance en plage.

Résumé

Les accouplements à mâchoires, à pince et à soufflet résolvent le même problème de base - reliant un arbre moteur à un arbre mené -, mais ils compromettent la rigidité en torsion, la tolérance au désalignement et l'absorption des chocs de manière à ne pas se chevaucher. Un accouplement à pince vous offre la plus grande rigidité mais exige l'alignement le plus serré. Un accouplement à soufflet vous offre à la fois rigidité et une réelle tolérance au désalignement, à un coût plus élevé et avec une tolérance aux chocs moindre. Un accouplement à mâchoires renonce à une certaine rigidité en échange d'une meilleure absorption des chocs et d'une installation la plus indulgente. Faire correspondre l'accouplement à votre capacité d'alignement et à votre cycle de service - et pas seulement à son couple nominal - est ce qui détermine s'il dure toute la durée de vie de la machine ou s'il devient la cause cachée d'une défaillance de roulement six mois plus tard.