Calcul Des Chaines Mecaniques

Conception mécanique

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Les chaînes mécaniques 1. Généralités Depuis quelques années, l’industrie des chaînes mécaniques n’a pas subi de transformation essentielle. Les chaînes mécaniques existent en effet depuis plusieurs dizaines d’années et sont maintenant stabilisées dans leur conception et leurs principales applications. Dans le domaine de la transmission de puissance, des améliorations notables ont été apportées aux matériaux et à leurs traitements en vue d’améliorer les performances, en particulier la résistance à l’usure. Dans le domaine de la manutention, les applications nouvelles ne cessent de croître : les nouveaux produits, utilisant de plus en plus fréquemment d’autres matériaux que l’acier, permettent de remplir les fonctions créées par les nouvelles conceptions et organisations de la production.

2. Différents types de chaînes 2.1. Chaînes à rouleaux Les chaînes à rouleaux sont constituées d’une succession de deux types de maillons différents disposés alternativement (figure 1) : les maillons intérieurs et les maillons extérieurs.

Figure 1 – Chaîne à rouleaux : éléments constitutifs constitutif s •

Les maillons intérieurs sont formés de deux plaques dites intérieures en acier, traité ou non, dans lesquelles sont emmanchées deux pièces tubulaires appelées douilles, généralement en acier cémenté.

Selon les utilisations, il existe plusieurs variantes : 2ème année G.IND

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-

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dans le cas le plus général, les douilles reçoivent une autre pièce tubulaire libre en rotation appelée rouleau, d’où le nom donné à cette famille de chaînes ;

-

lorsque le rouleau a un diamètre supérieur à la largeur des plaques, il est appelé galet

et permet à la chaîne de rouler sur une surface dans les applications de

manutention ; le galet peut être lisse ou épaulé ; •

lorsque le rouleau est absent, la chaîne est dite à douille.

Les maillons extérieurs sont formés de deux plaques dites extérieures en acier, traité ou non, reliées par deux axes généralement en acier cémenté ; ils sont rivés ou fixés par tout autre moyen : goupilles, écrous, etc.

Un maillon extérieur spécial dit de jonction permet, le cas échéant, de relier les deux extrémités de la chaîne. Il en existe deux types, autres que le maillon à river identique aux autres maillons extérieurs de la chaîne : — le maillon à axes goupillés ou avec écrous, du même côté (figure 2 a ) ou tête bêche ; — le maillon à ressort, dont les extrémités des axes munies d’une gorge reçoivent différents types de clips (figure 2 b ).

Figure 2 – Maillons de jonction à écrous ou à ressort Les maillons intérieur et extérieur s’articulent l’un sur l’autre, l’axe pivotant dans la douille, ou réciproquement, à l’engrènement ou au désengrènement de la chaîne sur les pignons ; chacune de ces articulations forme un palier. Les maillons extérieurs reçoivent un seul ou plusieurs rangs de maillons intérieurs séparés par des plaques intermédiaires, formant ainsi des chaînes simples, doubles, triples... multiples (figure 3).

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Figure 3 – Chaîne multiple à rouleaux Les chaînes à rouleaux de précision à pas court sont plus spécialement utilisées dans les transmissions de puissance ou en manutention légère. Pour la manutention lourde ou des applications à faible vitesse, les chaînes ont généralement des pas plus longs et sont souvent équipées de plaques spéciales à attaches ou d’axes creux pour la fixation d’aménagements variés.

2.2. Chaînes à blocs Les chaînes à blocs reçoivent des maillons extérieurs semblables à ceux des chaînes à rouleaux, mais les maillons intérieurs sont constitués de pièces massives (figure 4).

Figure 4 – Chaîne à blocs : schéma type

Figure 5 – Chaîne à maillons coudés

Ce type de chaîne est généralement utilisé pour exercer un effort important de traction, dans les bancs d’étirage par exemple.

2.3. Chaînes à maillons coudés Les chaînes à maillons coudés sont formées d’un seul type de maillons : les plaques, coudées à mi-longueur, portent une douille à une extrémité et un axe à l’autre (figure 5). Ce type de chaîne est principalement utilisé dans les forages pétroliers. Simples ou multiples, et ayant ou non des rouleaux, il en existe de nombreuses variantes, principalement celles à maillons monoblocs forgés ou moulés qui trouvent encore des applications en milieu agressif.

2.4.Chaînes à mailles jointives

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Les chaînes à mailles jointives ne sont constituées que de plaques s’articulant sur des axes (figure 6) et la combinaison des plaques sur deux maillons consécutifs est variable selon les types de chaînes.

Figure 6 – Chaîne à mailles jointives Ces chaînes sont principalement utilisées en levage où la charge est appliquée à leur extrémité à l’aide d’une chape et, par construction, ne peuvent engrener sur un pignon, sauf dans les deux variantes particulières suivantes : — les chaînes à axes débordants, l’engrènement et le passage des efforts se faisant par les extrémités des axes ; — les chaînes Galle, dont l’axe épaulé, appelé alors fuseau, réserve une portion centrale sans plaque pour l’engrènement (figure 7).

Figure 7 – Chaîne Galle Parmi ces quatre familles de chaînes, les chaînes à rouleaux et à mailles jointives sont les plus utilisées.

3. Pignons et roues Les pignons et les roues ne peuvent être dissociés ni du fonctionnement de la chaîne qui leur doit sa cinématique complexe, ni de la longévité de la chaîne qui dépend beaucoup du soin apporté à leur conception et à leur réalisation.

3.1. Différents types On réserve généralement le terme de pignon lorsque le nombre de dents est inférieur à 25 ou 30 dents et le terme de roue pour les nombres de dents supérieurs. Les fabricants proposent différentes formes relatives aux moyeux (figure 8 ) : -

moyeu asymétrique ou symétrique par rapport au plan de la denture ;

-

disque (absence de moyeu).

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Figure 8 - Différentes formes relatives aux moyeux Les roues et pignons sont généralement stockés avec un alésage minimal destiné à être repris à la commande selon les spécifications du client qui définit également le mode de liaison avec l’arbre : - clavettes (une ou plusieurs, parallèles ou forcées, selon normes) ; -

cannelures (norme à préciser par le client) ;

-

vis de pression ;

-

vis longitudinales, en particulier pour les disques ;

-

douille expansible, etc.

Différentes techniques de fabrication sont utilisées dont dépendent la qualité géométrique, les caractéristiques mécaniques et également la forme des roues et pignons : - tournage des pignons monoblocs ; -

tournage du moyeu sur lequel est rapporté par soudure un disque denté ;

-

fonderie selon diverses techniques en fonction des quantités ;

-

oxycoupage de disques ;

-

frittage permettant de produire sans reprise d’usinage des pièces de forme complexe.

Pour la denture, on a déjà signalé le taillage à la fraise disque ou à la fraise mère. Aux faibles vitesses, en particulier en manutention, la denture peut être réalisée par oxycoupage ou laissée brute de fonderie. La matière la plus couramment utilisée pour les pignons est l’acier mi-dur avec ou sans traitement thermique selon les applications. Les roues peuvent être également en acier mais on utilise aussi la fonte (figure 9- a ), l’acier moulé, les alliages d’aluminium et de cuivre et, dans certaines applications, les matières thermoplastiques, telles que les polyamides, polyacétals, polycarbonates, etc., et également des thermodurcissables. Ces matières peuvent être armées de fibres (verre, carbone, aramide, etc.) et/ou se présenter sous forme de surmoulage d’une armature métallique.

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a- roue en fonte

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b- roue à goupille de

c- roues en deux pièces

cisaillement

boulonnées

Figure 9 – Différents types de roues Les fabricants proposent également des roues de conception spéciale destinée à répondre à une fonction spécifique. Citons : -

la roue à goupille de cisaillement (figure 9- b) ou à disque de friction, protégeant la chaîne contre toute surtension, lorsqu’une rupture de chaîne peut avoir des conséquences dramatiques sur le plan humain ou matériel ;

-

la roue en deux pièces boulonnées (figure 9- c), lorsqu’elle ne pourrait être montée sur son arbre sans cet artifice : diamètres d’extrémités plus forts que l’alésage de la roue, dépose coûteuse de l’arbre, etc.

3.2. Normalisation Lorsqu’une chaîne est normalisée, le document normatif précise également les principales caractéristiques dimensionnelles et géométriques des roues et pignons devant être utilisés avec ce type de chaîne. Ainsi : -

NF E 26-102 et E 26-103 pour les chaînes à rouleaux à pas courts et à pas longs ;

-

NF E 26-104 pour les chaînes à douilles ;

-

NF E 26-105 pour les chaînes à rouleaux de types C et S ;

-

NF E 26-106 pour les chaînes de manutention ;

-

NF E 26-109 pour les chaînes à maillons coudés haute résistance

4. Lubrification Des enquêtes ont révélé que 60 % des cas de défaillance des chaînes peuvent être imputés à une lubrification insuffisante ou inadéquate. C’est dire que le concepteur devra 2ème année G.IND

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apporter un soin tout particulier à cet aspect de son projet, en suivant au mieux les indications et les prescriptions des fabricants de chaînes dont les principales ont été regroupées ci-après. A posteriori, la lubrification peut être jugée satisfaisante si, au démontage, les surfaces en

contact sont trouvées polies et brillantes. Pour mieux faire saisir l’importance de la lubrification, il n’est pas inutile de rappeler qu’elle est destinée à assurer diverses fonctions. 

Interposer un fluide entre les surfaces frottantes (axes/douilles, douilles/rouleaux et rouleaux/denture) mais aussi entre les plaques intérieures, d’une part, et les plaques extérieures, les rouleaux et la denture, d’autre part, pour éviter autant que possible tout contact direct métal/métal. Pour limiter l’usure des surfaces frottantes et éviter la corrosion de contact et le grippage, le graissage hydrodynamique est le mode idéal, mais difficile à réaliser dans un mouvement de pivotement alternatif. En conséquence, on choisira de préférence des lubrifiants avec des additifs extrême-pression pour éviter la rupture du film d’huile. On pourra par ailleurs juger de l’efficacité du lubrifiant en cours de fonctionnement si l’huile suintant de la chaîne n’a pas une couleur rougeâtre, symptôme de corrosion de contact qui est la cause d’une usure accélérée.



Évacuer les calories provenant de l’énergie dissipée en frottement, dans le cas où une dissipation naturelle de cette chaleur serait insuffisante.



Interposer un fluide entre les surfaces soumises à des chocs pour réduire l’énergie encaissée par les matériaux de ces surfaces, afin d’éviter leur rupture et d’atténuer le bruit.



Protéger la chaîne contre les agressions du milieu ambiant, en particulier éviter son oxydation tant externe (risque de fissuration par corrosion sous contrainte) qu’interne (détérioration des surfaces frottantes, spécialement à l’arrêt).

Figure 10- Carter avec pompe de lubrification 2ème année G.IND

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Lubrification avec pinceau

Chaîne simpleChaîne multipleLubrification sous Lubrification en goutte à pression goutte Figure 11- Différentes méthodes de lubrification

5. Entretien Dans une installation bien conçue et bien lubrifiée, telle qu’elle a été définie dans les paragraphes précédents, l’entretien se limitera au contrôle de la permanence dans le temps des qualités de conception et de lubrification : — vérification périodique de la géométrie de l’installation, en particulier de l’alignement des pignons et du degré d’usure de leur denture ; — vérification périodique de l’état de la chaîne, en particulier pour détecter les traces de frottement indiquant une mauvaise géométrie de l’installation ou des contacts intempestifs avec des pièces de structure ; — vérification périodique de l’usure de la chaîne soit par mesure directe, soit par sa relation avec la course du système de tension ; — le cas échéant, rechercher les causes d’usure ou traces anormales et y remédier. Si un changement de pignon ou de la chaîne s’imposait, il est préférable de changer l’ensemble chaîne + pignons ; — vérification de la lubrification : état et position des gicleurs, couleur et degré de contamination de l’huile. Selon les constatations faites, l’installation vidangée sera pourvue d’une huile neuve de

qualité semblable ou accrue ; — dégraissage et nettoyage de la chaîne en cas de dépôt de cambouis, de poussières amalgamées avec l’huile, empêchant le lubrifiant de pénétrer entre les surfaces frottantes ; — regraissage périodique au trempé après dégraissage et nettoyage dans les installations ne possédant pas de moyens de lubrification. Afin de faciliter le travail des équipes d’entretien, le tableau ci-dessous résume les différents incidents de fonctionnement le plus couramment rencontrés, ainsi que leurs causes probables. 2ème année G.IND

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(référence : techniques de l’ingénieur)

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6. Ce qu’il faut retenir : 6.1. Principales caractéristiques:  Rapport de transmission constant (pas de glissement)  Longues durées de vie  Aptitude à entraîner plusieurs arbres récepteurs en même temps à partir d'une même source  Sont essentiellement utilisées aux basses vitesses (moins de 13 m/s (2500 pi/min) pour les chaînes à rouleaux, moins de 20 m/s (4000 pi/min) pour les chaînes silencieuses)  Montage et entretien plus simples que celui des engrenages et prix de revient moins élevé 6.2. Comparaison avec les courroies  Sont plus bruyantes  Présentent des durées de vie plus élevées  Supportent des forces de tension plus élevées  Tournent moins vite  Supportent des conditions de travail plus rudes (températures plus élevées…)  Nécessitent une lubrification 2. Conditions de fonctionnement d'une transmission par chaîne  En général, les arbres doivent être parallèles  Le rapport de vitesse ne doit pas dépasser 7  Une ligne de centres horizontale, ou même légèrement inclinée est idéale. Une ligne des centres verticale ou inclinée à plus de 45! par rapport à l'horizontale est à éviter. Les effets de la gravite, dans ce cas, causent des vibrations excessives et une tendance de la chaîne se désengager du pignon.  Pour éviter le contact répété des mêmes maillons avec les mêmes dents du pignon, on recommande de choisir pour celui-ci un nombre impair de dents, lorsque cela est possible. Pour réduire les chocs et les vibrations dus à l'effet polygonal, il faut choisir des pignons dont le nombre de dents est supérieur à 17. On peut utiliser les nombres de dents plus petits si la vitesse de rotation est faible (convoyeurs lents)  Utiliser un nombre pair de maillons (pour éviter de recourir à des maillons spéciaux à plaques extérieures coudées)  Nombre de dents de la roue doit se limiter à 110 dents  Angle d'enroulement doit être d'au moins 120°  Entraxe doit se situer entre les limites suivantes: 30 < am < 50 soit 30*p < a < 50*p (1) Exceptionnellement, on peut accepter une valeur maximale de a de l'ordre de 80*p.  Selon la vitesse de la chaîne et la puissance, on utilise les divers types de lubrification: Graissage périodique au pinceau , lorsque V"200 pi/min (1 m/s) et P#5 hp ( 3,5 kW) Lubrification par compte-gouttes, lorsque V = 200 à 400 pi/min ( 1 à 2 m/s) Lubrification par bain d'huile, lorsque V = 400 à 1400 pi/min (2 à 7 m/s) Lubrification sous pression, lorsque V $1400 pi/min (7 m/s) o

o o o

Remarque: la vitesse du pignon: π .d . N d V = 60 × 1000 π .d . N d V = 12

en(m / s ) en( pi / min )

7. Géométrie d'une transmission par chaîne Les types de chaînes les plus utilisés pour la transmission de la puissance sont les chaînes à 2ème année G.IND

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rouleaux et les chaînes silencieuses. Les chaînes à rouleaux sont constituées de maillons qui peuvent être extérieurs ou intérieurs. Les maillons extérieurs sont formés de deux plaques extérieures reliées entre elles par deux axes sertis, tandis que les maillons intérieurs sont formés de deux plaques intérieures reliées entre elles par deux douilles serties (fig.1). Ces chaînes sont sans contredit les plus répandues dans l'industrie.

Fig.1 Éléments constitutifs d'une chaîne à rouleaux Les chaînes silencieuses sont constituées de lames de forme spéciale, juxtaposées et assemblées par des axes. Chaînes à rouleaux Les dimensions des chaînes à rouleaux sont présentées sur la fig.2 et les caractéristiques des principales chaînes dans le tableau 1.

Fig.2 Dimensions des chaînes à rouleaux 2ème année G.IND

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Fig.3 Engrènement entre chaîne et pignon Z . p N . en(m / s ) La vitesse de la chaîne peut être définie comme : V = 60 × 1000 Où : Z = nombre de dents d'une roue p = pas en mm N = vitesse de rotation d'une roue en tr/min . N . p en(m / s ) La vitesse maximale de la chaîne est égale : V = 60 × 1000 × sin (α / 2) π * d = p * Z = circonférence de la roue 8. Conception et choix des chaînes 8.1 Efforts appliqués sur une chaîne Le brin tendu de la chaîne est soumis à un effort de tension F, lorsqu'il y a transmission de puissance. Les deux brins sont soumis à une tension Fc due à force centrifuge. F =

P V

en F c

=

( N ) où : P = puissance en kW ; V = vitesse en m/s m.V 2 c

où: m = masse linéique de la chaîne

8.2 Calcul de la longueur de la chaîne Comme on l'a fait pour les courroies, on calcule la longueur d'une chaîne en faisant la somme des longueurs de ses deux sections droites et de ses deux arcs d'enroulement. On peut calculer approximativement la longueur de la chaîne à l'aide de la formule suivante: 2 p( Z d + Z D ) p 2  Z D − Z d  L p = 2.a + +   en (mm) 2 a  2π  2ème année G.IND

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2.a Z d + Z D ( Z D − Z d )2 Lm = en nombre de maillons (7) + + 2 p 2 4π (a / p ) où : a = entraxe, p = pas, Zd, ZD = nombre de dents du pignon et de la roue

8.3 L'angle d'enroulement Pour assurer une répartition adéquate des efforts appliqués sur la chaîne, l'angle d'enroulement sur le pignon doit être égal ou supérieur à 120°, soit: θ = 180° − 2 sin

−1

 D − d    ≥ 120° a 2  

où : a = entraxe, D,d = diamètre de la roue et du pignon

8.4 Démarche de calcul Pour choisir une chaîne convenant à une transmission donnée, on est amené à procéder de la façon suivante, à partir des données dont on dispose qui sont, le plus souvent, la puissance et la vitesse de rotation de la machine motrice ainsi que le rapport de transmission :  choix

du nombre de dents du plus petit pignon (z);

 calcul

de la puissance corrigée (Pc), compte tenu des coefficients correcteurs (ki).

 choix

de la chaîne, en utilisant les diagrammes ou tableaux de puissance transmissible ;

 calcul

de la longueur de la chaîne ou évaluation de l'entraxe des pignons (O1O2) exprimés

en nombre de pas de la chaîne choisie ;  éventuellement,

reprise de tous les calculs ci-dessus, certains coefficients correcteurs

devant être modifiés en raison du résultat de la première estimation. On peut être amené, par exemple, à modifier le pas et le nombre de rangs de la chaîne pour des impératifs d'encombrement diamétral ou transversal ;  détermination,

enfin, de la conception technique et pratique de la transmission :



précision mécanique de la réalisation



mode de lubrification



modalité de montage, choix du type de fermeture de la chaîne,



conception de l'éventuel système de réglage de l'entraxe ou de soutien du brin mou.

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