Coupling Types for Different Applications

Après acquisition d'une pompe puissante et du moteur nécessaire pour la faire tourner, la décision majeure à prendre porte sur la façon de les raccorder pour exploiter pleinement leurs capacités et les protéger contre l'usure normale.

L'accouplement d'arbres de transmission et entraînés serait une opération simple s'ils étaient parfaitement alignés, si les machines ne vibraient pas et si les arbres ne se déplaçaient pas. Dans le monde réel de la transmission de puissance, un accouplement élastique peut concilier les lacunes et la dynamique inhérentes à la plupart des systèmes.

« Même si vous réussissez à obtenir des arbres parfaitement alignés, vous le faites lorsque l'équipement n'est pas en marche », a déclaré Paul Konkol, responsable du développement commercial et marketing, division Accouplements industriels, chez Altra Industrial Motion.

« Lorsque les choses commencent à bouger, les températures et les conditions de fonctionnement évoluent et les fondations se stabilisent. Vous avez donc besoin d'un accouplement, mais pas d'un accouplement quelconque. Vous avez besoin du bon accouplement, celui de la bonne taille, pour l'application de pompe qui convient. »

La fonction basique de tous les accouplements consiste à transmettre la puissance, à s'adapter au désalignement et à compenser le mouvement axial (mouvement d'extrémité d'arbres). Il est parfois demandé à un accouplement d'absorber les chocs ou les vibrations. Le choix du bon accouplement dépend de quatre conditions fondamentales du désalignement ou du mouvement de l'arbre.

• Un désalignement parallèle se produit lorsque les deux arbres ne partagent pas le même axe de rotation. Leurs faces d'extrémité peuvent être parallèles, mais leurs axes centraux sont décalés latéralement les uns par rapport aux autres.
• Un désalignement angulaire se produit lorsque les arbres ne sont ni coaxiaux ni parallèles. L'angle auquel les arbres sont désalignés peut être symétrique ou asymétrique.
• Un jeu axial se produit lorsqu'un ou les deux arbres connaisse(nt) un mouvement axial, en se déplaçant vers l'intérieur et l'extérieur. Un moteur à paliers à douille, par exemple,  « flotte » lorsque le rotor recherche le centre magnétique de l'enroulement. Des changements de température peuvent également provoquer une dilatation thermique et un changement de position des arbres.
• L'élasticité en torsion correspond au mouvement de torsion dans les plans perpendiculaires à l'axe de l'arbre. Ce phénomène est généralement dû à des chocs ou à des vibrations. Un accouplement élastique en torsion absorbe et amortit ces mouvements.

Quatre conditions basiques du désalignement d'un arbre déterminent le choix du bon accouplement.

La construction de base de la plupart des accouplements élastiques prévoit deux brides ou moyeux, qui se fixent aux arbres à accoupler, et un élément de raccordement qui peut être en métal (comme dans les accouplements à disque) ou un manchon en matière élastomère comme le caoutchouc EPDM, le néoprène, l'Hytrel ou l'uréthane, ou une liaison mécanique (comme dans un
joint universel ou un accouplement à engrenages).

Pour être qualifié d'élastique, un accouplement doit rattraper le désalignement parallèle et angulaire. Les accouplements avec une élasticité dans les quatre sens rattrapent à la fois le jeu axial et le mouvement de torsion.

Élasticité dans les quatre sens

Un exemple d'accouplement élastique dans les quatre sens avec une bonne élasticité en torsion est un accouplement élastomère qui opère en cisaillement (par opposition à la compression). L'organe élastique en élastomère peut se déformer ou s'étirer en cisaillement, se déplaçant sous une charge. L'ampleur du déplacement en torsion ou « enroulement » élastomère est une mesure du choc pouvant être absorbé. Il se comprime facilement et s'étire pour rattraper le jeu axial.

L'élasticité en torsion permet à l'accouplement à cisaillement élastomère d'amortir l'amplitude des vibrations, isolant un arbre des effets de l'autre. L'énergie absorbée pendant les charges de choc est essentiellement utilisée pour entraîner l'élastomère dans un mouvement de torsion. La force de l'impact provenant du moteur étant réduite par la quantité d'énergie écoulée dans l'enroulement de l'organe élastique, le choc contre l'arbre de pompe est atténué. Cette énergie retourne ensuite dans le système de transmission lorsque l'accouplement se déroule.

Les accouplements de cisaillement élastomères deviendront également défaillants sous des charges de choc excessives et couperont la pompe du moteur afin de la protéger en cas de blocage ou d'événement créant un choc excessif.

« Les accouplements qui utilisent de l'élastomère en compression n'ont pas la même ampleur de désalignement ni les mêmes capacités d'amortissement axial ou en torsion que lorsqu'ils fonctionnent en cisaillement. En compression, le caoutchouc est écrasé pour transmettre le couple, mais ne vrille pas », explique Paul Konkol.

Et d'ajouter : « Dans les accouplements de cisaillement, la structure moléculaire de l'élastomère est très sophistiquée, car le matériau doit être plus résistant pour résister aux forces de cisaillement. On peut comparer ce phénomène à la différence entre le métal coulé et l'acier forgé où, en forgeant, on aligne essentiellement la structure moléculaire pour rendre le matériau plus résistant ».

Accouplements pour couple élevé, vitesse haute

Alors que les accouplements élastomères sont très prisés dans de nombreuses applications de pompes industrielles à usage général jusqu'à 115 HP/100 tr/min, les limites des matériaux élastomères sont dépassées dans les applications nécessitant la transmission de couples et de vitesses plus élevés. Les accouplements à engrenages, à ressort et à disque sont des accouplements métalliques qui sont plus rigides en torsion et présentent des avantages dans ce genre d'applications.

« Les accouplements à engrenages et à ressort excellent avec leurs couples supérieurs mais, comme dans toute chose, ce que vous gagnez d'un côté, vous le perdez d'un autre », déclare P. Konkol. Il poursuit : « Dans ce cas, c'est l'amortissement de torsion. Ce sont des accouplements plus rigides d'autant que plus de vibrations seront transmises à travers la pompe ».

Les accouplements à engrenages sont construits avec un manchon doté de dents internes qui s'engrènent avec celles sur la partie extérieure du moyeu. Appréciés pour leur vitesse haute, leur puissance et leur couple élevés, leurs applications à vitesse basse, ils fonctionnent bien dans les applications nécessitant de la rigidité en torsion.

La correspondance des dents dans un accouplement à engrenages permet un désalignement, mais le degré de compensation du désalignement angulaire dépend du contour des dents d'engrenage et du jeu entre elles. Grâce à leur structure, ces accouplements rigides en torsion sont en mesure de résister à certaines charges de choc, mais ne peuvent pas en absorber d'importantes.

Les accouplements à ressort se composent de deux moyeux bridés à rainures reliés par un ressort conique en acier ayant la forme d'une spirale. Comme les accouplements à engrenages, ils ont besoin d'être lubrifiés, mais garantissent élasticité et efficacité à vitesse haute ou à vitesse basse à des couples élevés. Les accouplements à ressort peuvent fonctionner jusqu'à 400 HP/10 tr/min. Étant plus rigides, ils affichent une capacité de désalignement moindre par rapport à celle des accouplements élastomères et l'alignement des arbres de moteurs et de pompes est plus difficile.

Les accouplements à disque ont une conception extrêmement uniforme et peuvent tourner à des vitesses élevées. Les pompes fonctionnant à des régimes élevés conviennent idéalement pour ces dispositifs bien équilibrés au fonctionnement régulier qui, comme les accouplements élastomères, ne nécessitent aucune lubrification. Les accouplements à disque sont toutefois assez complexes et extrêmement sensibles au désalignement et au mouvement axial. La flexion d'un disque ou d'un composant métallique au-delà de sa limite élastique peut provoquer de la fatigue et le mouvement axial peut être à l'origine de défaillances.

Aspects dimensionnels

Lors du choix d'un accouplement, les utilisateurs de pompes doivent se méfier d'un piège consistant à croire que « plus, c'est mieux .» Le surdimensionnement d'un accouplement peut se traduire par une réduction de l'élasticité ou de la compensation de désalignement nécessaire, et un accouplement trop conséquent peut aggraver les sollicitations sur les pompes et les moteurs en cours d'accouplement. Par ailleurs, un accouplement avec une capacité de désalignement trop importante peut être trop souple ou docile, ce qui peut provoquer des vibrations ou un déséquilibre en rotation.

« Pour des équipements entraînés par une turbine tournant à une vitesse de 3 000 tr/min ou plus, un accouplement à disque peut être souhaitable », explique P. Konkol. Et d'ajouter : « Pour un couple élevé, un accouplement à engrenages ou à ressort peut s'avérer être le bon choix ».

« Il s'agit d'associer le bon accouplement et la bonne application et c'est là que le fabricant peut être un atout précieux dans le processus de sélection. Cette base de connaissances technologiques peut être une réelle valeur ajoutée au service de l'utilisateur. »