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Comment optimiser les performances et le coût des rails ronds en choisissant judicieusement ses douilles à billes
Dans la conception d'un système de mouvement linéaire, la décision initiale quant au choix du rail, rond ou carré, peut avoir une incidence significative sur le coût, les performances et la durabilité.
Le rail carré, qui est habituellement l'option la plus coûteuse, possède une capacité de charge et une précision plus élevées. Le rail rond présente, quant à lui, des avantages particuliers en termes de coût et de fiabilité dans certaines applications, à condition de choisir le palier adapté pour minimiser la friction. Les concepteurs doivent souvent choisir entre paliers lisses, souvent appelés douilles, et roulements à billes, avec chaque fois des options supplémentaires qui auront un effet sur le prix, les performances, la maintenabilité et la durabilité. Une bonne connaissance de ces options à un stade précoce du cycle de conception permet d'optimiser les performances et le coût de l'application de mouvement linéaire.
La simplicité du palier lisse
Étant donné que les paliers lisses ne comportent pas d'éléments roulants, contrairement aux roulements à billes, ce sont les moins chers à fabriquer et donc les moins coûteux à l'achat. Par ailleurs, ils sont plus performants que les ensembles avec éléments roulants en termes de fluidité et fonctionnement silencieux, et moins sensibles à la poussière et aux saletés grâce à un nombre réduit de pièces mobiles.
Les paliers lisses à coussinet élastomère amplifient ces avantages. Ils sont proposés avec des matériaux hautes performances de qualité roulement qui sont appliqués sur des substrats en aluminium, ou un autre matériau, pour offrir une bonne capacité de charge (20 % de celle d'un roulement à billes) et un coefficient de friction relativement faible, souvent compris entre 0,05 et 0,25.
De plus, avec leur grande surface de contact, les paliers lisses sont compatibles avec les arbres ronds non trempés, ce qui procure aux concepteurs une plus grande latitude dans le choix des matériaux, avec la possibilité, par exemple, de répondre aux exigences de protection anticorrosion ou de poids.
Certains fabricants de paliers lisses utilisent des polymères autolubrifiants à faible besoin d'entretien. (Figure 1)
Les avantages en termes de coût et de fluidité des paliers lisses sont toutefois obtenus au détriment de la capacité de charge, de la précision et de la vitesse. Ces paliers sont donc principalement destinés aux applications dans lesquelles l'alignement et les moments ne sont pas essentiels, ou celles nécessitant des arbres non compatibles avec les Ball Bushings® traditionnels en aluminium ou en acier inoxydable 316. En règle générale, les paliers lisses supportent des charges statiques pouvant aller jusqu'à 50 kN (11 000 lbf), des charges dynamiques jusqu'à 9 kN (2 023 lbf) et des vitesses jusqu'à 0,5 m/s (100 fpm). Lorsque ces paramètres sont respectés, les paliers lisses, surtout ceux utilisant des polymères, sont avantageux dans les environnements propres ou difficiles. Les applications principales peu exigeantes en termes de poids de la charge, de vitesse et de précision sont l'emballage, l'automatisation des usines, la robotique, la santé et le fitness, le travail du bois, l'agroalimentaire et la distribution automatique de produits. D'autres applications pouvant également impliquer des environnements ultra-propres, toxiques ou difficiles sont notamment la production de semi-conducteurs, l'automatisation médicale et la production alimentaire.
Renforcement des exigences
Les applications plus exigeantes en termes de capacité de charge, de vitesse ou de précision nécessitent des paliers dotés d'éléments roulants internes. Le type de palier spécifié dépend du nombre de billes utilisées, facteur qui a une incidence directe sur la charge admissible et la vitesse.
La conception en acier de précision (Figure 2a) utilise des roulements à billes linéaires trempés, qui ont un contact point à point sur un point fixe. Elle permet de gérer des charges dynamiques pouvant atteindre 22 kN (5 000 lbf) et des diamètres compris entre 6 et 100 mm.
Le niveau de performances suivant intègre une seule piste à billes dans une rainure de conformation sur une plaque flottante. (Figure 2b) Ce palier a un faible coefficient de friction et peut tripler la capacité de charge par rapport à la plaque fixe, le tout avec une durée de vie jusqu'à 27 fois plus longue que les paliers de précision. Cette configuration est optimale pour les rails de 5 à 50 mm de diamètre et des charges dynamiques allant jusqu'à 13 kN (3 000 lbf).
Plus le nombre de billes porteuses est important dans la zone de charge, plus la capacité de charge et la durabilité sont élevées. L'utilisation de deux pistes à billes dans une piste flottante de conformation, par exemple, peut permettre de multiplier par 6 la capacité de charge et par 216 la durée de vie du palier par rapport à un palier de précision. (Figure 2c) Cette configuration est également optimale pour les rails de 12 à 38 mm de diamètre et des charges dynamiques allant jusqu'à 17 kN (3 880 lbf).
Les paliers auto-aligneurs ont une durée de vie plus longue
Lorsqu'une capacité de charge, une vitesse et une précision élevées sont des priorités, un palier auto-aligneur peut maintenir un faible coefficient de friction tout en maximisant la durée de vie du palier. Certains fabricants atteignent ce résultat en concevant la plaque d'appui de telle sorte que le rayon de sa surface extérieure soit plus petit que le rayon intérieur de la bague de précision trempées. Cette conception permet à la plaque d'appui de rouler contre la bague, en répartissant uniformément la charge sur chacune des deux pistes à billes. Ces types de paliers permettent aussi aux plaques d'appui de basculer de 0,5° autour de la bague de précision trempée, ce qui garantit une entrée et une sortie fluides des billes dans la zone porteuse, et une charge optimale des billes de bout en bout.
Cette structure auto-aligneuse compense le défaut d'alignement par torsion pouvant être causé par des imprécisions dans l'usinage de la base ou par la flexion de la machine, avec une faible augmentation de la contrainte sur les composants du roulement. En montant un palier auto-aligneur dans un boîtier ajustable, les concepteurs peuvent atteindre la précharge de leur choix. La conception du pallier autorise un mouvement radial des plaques d'appui qui permet d'atteindre des ajustements précis palier/chemin linéaire dans les applications de haute précision.
En outre, même si les roulements à billes ne sont pas nécessairement aussi résistants à l'environnement que des paliers lisses en polymère, certaines mesures peuvent être prises pour maintenir une capacité de charge et une durabilité élevées dans les environnements corrosifs. Cela peut consister, par exemple, à spécifier des éléments roulants en acier inoxydable, en nylon ou à revêtement nylon dans les environnements corrosifs.
Conclusion
Si les applications exigeant un faible coût ainsi qu'un fonctionnement fluide et silencieux, ou des performances fiables dans des environnements corrosifs, sont plus importantes pour vous qu'une capacité de charge, une précision et une vitesse élevées, vous devez envisager un palier lisse. Si vos exigences en matière d'arbres ne sont pas compatibles avec les matériaux traditionnels des roulements à billes comme l'aluminium ou l'acier inoxydable 316, alors vous devez considérer les matériaux polymères. Si la durabilité et la maintenabilité sont des priorités, les paliers lisses autolubrifiants constituent la solution idéale.
Sinon, vous aurez besoin d'un roulement à billes, pour lequel le prix, la précision et la capacité de charge dépendront du nombre de billes chargées, du type de piste à billes (fixe ou flottante) ou de l'auto-alignement ou non de l'ensemble. Nous vous avons proposé un guide général sur le choix des paliers, mais la décision finale dépendra, évidemment, des besoins de votre application. Des ressources telles que les outils de dimensionnement et de sélection LinearMotioneering® sur le site Web de Thomson Industries (www.thomsonlinear.com) peuvent vous aider à optimiser le choix du palier pour vos applications à rail rond.
