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Approches analytiques pour l'estimation des pressions de contact dans les accouplements cannelés

Un accouplement cannelé est un type de liaison mécanique entre deux arbres rotatifs. Il se compose de deux parties : un coupleur et un accouplement. Ces deux parties comportent des dents qui s'engrènent et transmettent les charges. Cependant, les accouplements cannelés sont généralement surdimensionnés, ce qui les rend sensibles à la fatigue et aux contraintes statiques. L'usure peut également entraîner leur défaillance. C'est pourquoi une conception appropriée est essentielle pour obtenir des performances optimales.

Modélisation d'un accouplement spline

Les accouplements cannelés sont de plus en plus utilisés dans l'industrie aérospatiale, mais leur fonctionnement avec un léger défaut d'alignement engendre des vibrations et endommage les surfaces de contact. Pour remédier à ce problème, cet article propose des méthodes analytiques d'estimation des pressions de contact dans un accouplement cannelé. Plus précisément, il compare ces méthodes analytiques à des méthodes purement numériques afin de démontrer les avantages de l'approche analytique.
Pour modéliser un accouplement spline, il faut d'abord créer sa base de connaissances. Celle-ci comprend un grand nombre de valeurs de spécification possibles, interdépendantes. Toute modification d'une spécification peut entraîner une violation d'une autre. Pour que la conception soit valide, le modèle d'accouplement spline doit respecter les valeurs de spécification définies.
Après avoir modélisé la géométrie, vous devez saisir les pressions de contact des deux accouplements cannelés. Ensuite, vous devez déterminer la position du cercle primitif de la cannelure. Sur la figure 2, le centre de l'accouplement mâle est superposé à celui de la cannelure femelle. Enfin, vous devez vous assurer que la distance d'engrènement des deux cannelures est identique.
Une fois les données nécessaires à la création d'un modèle d'accouplement cannelé recueillies, vous pouvez commencer par saisir les spécifications de conception de l'interface. Vous devrez ensuite choisir d'optimiser la cannelure interne ou externe. Il vous faudra également spécifier le coefficient de frottement des dents, utilisé pour déterminer les contraintes dans le modèle d'accouplement cannelé 20. Enfin, vous devrez saisir le jeu de guidage, c'est-à-dire le jeu entre l'extrémité 186 d'une dent 32 d'une cannelure et l'élément de la cannelure correspondante.
Après avoir saisi les spécifications souhaitées pour la cannelure externe, vous pouvez entrer les paramètres de la cannelure interne. Par exemple, vous pouvez indiquer la limite du diamètre extérieur 154 de l'enclenchement principal 54 et l'enclenchement secondaire 56 de la cannelure interne. Les valeurs de ces paramètres s'affichent dans des cases colorées sur l'écran 80 de l'interface graphique « Entrées et configuration de la cannelure ». Une fois les paramètres saisis, une représentation géométrique du modèle d'accouplement de la cannelure 20 s'affiche.

Création d'un modèle de couplage spline 20

Le modèle d'accouplement spline 20 est créé par le logiciel de modélisation de produits 10. Ce logiciel valide le modèle d'accouplement spline par rapport à une base de connaissances contenant les contraintes et relations de spécification dépendantes de la configuration. Ce rapport est ensuite intégré au logiciel d'analyse des contraintes ANSYS. Il répertorie les configurations géométriques du modèle d'accouplement spline 20 ainsi que les valeurs de spécification pour chaque élément. Le modèle d'accouplement spline 20 est automatiquement recréé à chaque modification de ses spécifications de configuration ou de performance.
Le modèle d'accouplement cannelé 20 peut être configuré à l'aide du logiciel de modélisation de produit 10. L'utilisateur spécifie la longueur axiale de l'empilement de cannelures, qui peut être nulle ou fixe. Il saisit également la face d'accouplement radiale 148, le cas échéant, et sélectionne une valeur de jeu de guidage de 14,5° ou 30°.
L'utilisateur peut ensuite utiliser la souris (110) pour modifier le modèle de couplage spline (20). La base de connaissances relative au couplage spline contient un grand nombre de valeurs de spécification possibles ainsi que la règle de conception du couplage spline. Si l'utilisateur tente de modifier un modèle de couplage spline, un avertissement signalant une violation d'une autre spécification s'affiche. Dans certains cas, la modification peut invalider la conception.
Dans le modèle d'accouplement cannelé 20, l'utilisateur saisit des spécifications de performance supplémentaires. Il choisit les emplacements de transmission du couple maximal pour les cannelures internes et externes 38 et 40. L'emplacement de transmission du couple maximal est déterminé par la configuration de fixation des éléments de fixation aux arbres. Une fois cette option sélectionnée, l'utilisateur peut cliquer sur « Suivant » pour enregistrer le modèle. Un aperçu de l'accouplement cannelé 20 s'affiche.
Le modèle 20 représente un accouplement cannelé. Les spécifications de l'accouplement sont saisies dans l'ordre et la disposition indiqués sur l'interface graphique du modèle 20. Une fois ces spécifications saisies, le logiciel de modélisation du produit 10 les intègre au modèle 20. Il s'agit de la dernière étape de la création du modèle d'accouplement cannelé.

Analyse d'un modèle de couplage spline 20

L'analyse d'un modèle d'accouplement cannelé consiste à saisir ses spécifications de configuration et de performance. Ces spécifications peuvent être générées par un autre logiciel. Le logiciel de modélisation du produit 10 utilise ensuite sa base de connaissances interne, qui recense les relations et contraintes liées à la configuration, pour créer un modèle paramétrique tridimensionnel valide 20. Ce modèle contient des informations décrivant le nombre et le type de dents 32, d'enclenchements 34 et d'épaulement 36 de l'accouplement cannelé.
Lors de l'analyse d'un accouplement spline, le logiciel 10 intègre des valeurs par défaut pour différentes spécifications. Le modèle d'accouplement spline 20 comprend une spline interne 38 et une spline externe 40. Chaque spline possède ses propres paramètres, tels que sa profondeur, sa largeur, sa longueur et ses rayons. La spline externe 40 possède également ses propres paramètres, notamment son orientation.
Après la sélection de ces paramètres, le logiciel effectuera diverses analyses sur le modèle d'accouplement cannelé 20. Le logiciel 10 calculera les contraintes nominales et maximales sur les appuis de dents, ainsi que la durée de vie en fatigue de l'accouplement. Il déterminera également la différence de torsion entre une cannelure interne et une cannelure externe. Le fichier de sortie de l'analyse sera un rapport contenant les données de configuration et de spécification du modèle. Ce fichier pourra également être utilisé par d'autres logiciels pour des analyses complémentaires.
Une fois ces paramètres définis, l'utilisateur saisit les critères de conception du modèle d'accouplement cannelé 20. À cette étape, il spécifie les emplacements de transmission de couple maximale pour les cannelures externe et interne 38. L'emplacement de transmission de couple maximale dépend de la configuration des éléments fixés aux arbres. L'utilisateur peut saisir jusqu'à quatre spécifications de performance différentes pour chaque cannelure.
L'analyse révèle deux phases d'accouplement des splines. La première phase se caractérise par une forte augmentation des contraintes et des vibrations. La seconde phase montre une diminution de ces deux paramètres. La troisième phase se traduit par une force d'engrènement constante comprise entre 300 N et 320 N. Ce comportement se maintient jusqu'à l'engagement final avec la surface.

Désalignement d'un accouplement cannelé

Une étude a été menée afin d'examiner la position de la force de contact résultante dans un accouplement cannelé en prise avec des dents soumises à un couple constant et à un défaut d'alignement rotatif. Cette étude a utilisé des méthodes numériques basées sur la méthode des éléments finis (MEF). Elle a produit des résultats numériques pour des conditions nominales et un défaut d'alignement parallèle. L'étude a considéré deux niveaux de défaut d'alignement – ​​0,02 mm et 0,08 mm – avec différents niveaux de charge.
Les résultats ont montré que le défaut d'alignement entre les cannelures et les rotors induit une modification de la force d'engrènement du système d'accouplement cannelure-rotor. La dynamique de ce système est régie par la force d'engrènement des cannelures. La force d'engrènement d'un accouplement cannelure désaligné dépend des paramètres du système d'accouplement rotor-cannelure, du couple transmis et du déplacement vibratoire dynamique.
Malgré l'absence de mesures précises, le défaut d'alignement des cannelures est un problème courant. Ce problème est aggravé par le jeu inhérent aux cannelures, jeu qui résulte du défaut d'alignement. Les auteurs ont analysé plusieurs cannelures, en faisant varier le diamètre primitif et le rapport longueur/diamètre.
Un accouplement cannelé est un système mécanique bidimensionnel présentant un jeu positif. Il est composé d'un moyeu et d'un arbre, et les jeux entre les extrémités des cannelures sont supérieurs au jeu angulaire. Un jeu de forme suffisant empêche le contact entre les congés de raccordement. Le couple sur les cannelures est transmis par frottement.
Lorsqu'un accouplement cannelé est désaligné, une force de poussée, modulée par le couple, est générée. Dans ce cas, cette force peut excéder le couple, entraînant le désalignement du composant. La transmission bidirectionnelle du couple et de la poussée est modélisée analytiquement dans cette étude. L'approche analytique fournit des solutions intégrables au processus de conception. Ainsi, face à un problème d'accouplement cannelé désaligné, privilégiez une approche analytique !
Dans cette étude, l'accouplement cannelé est analysé dans des conditions nominales, sans défaut d'alignement parallèle. Les valeurs de rigidité obtenues correspondent à la différence en pourcentage entre le diamètre primitif nominal et le diamètre d'application de la charge. De plus, la différence maximale en pourcentage du diamètre primitif mesuré est de 1,60% sous un couple de 5 000 N·m. L'angle d'hélice est également pris en compte dans le calcul.

Édité par CX le 09/06/2023