Fiche commission Transmissions mécaniques

Commission
Transmissions mécaniques
Commission : Transmissions Mécaniques.
Président : Michel Pasquier (CMD Engrenages et Réducteurs).
Chargé de profession : Éric Padiolleau.
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Membres de la commission : 20 entreprises et un représentant du syndicat Artema.
Comité programme : Transmissions et roulements regroupant les professions Transmissions
hydrauliques - Transmissions mécaniques - Transmissions pneumatiques - Roulements.
Collaboration entre industriels et le Cetim, les Comités programme doivent optimiser
les moyens consacrés à la R&D en fédérant les thèmes communs à plusieurs commissions
professionnelles.
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Résultats globaux
Une vingtaine d’actions gérées en 2013 dont :
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- une action de veille informative et technologique ;
- le suivi permanent de la normalisation des transmissions mécaniques, dans le cadre de l’UNM 05 et de l’ISO TC60 ;
- des actions de R&D relatives à la conception (optimisation vibroacoustique des carters d’engrenages, dimensionnement des
accouplements à denture, déconcentration des contraintes de frettage, etc.), aux matériaux (données en fatigue des matériaux pour
transmissions mécaniques, etc.), aux procédés de fabrication et de traitement (taillage couteau des matériaux durs, spécifications
pour le traitement thermique des engrenages, grenaillage de précontrainte, etc.), à l’instrumentation des composants… ;
- une action spécifique sur la performance énergétique des transmissions mécaniques, en soutien à l’action de la profession.
7 thématiques prioritaires identifiées en 2008 par le Comité programme Transmissions et roulements
Instrumentation sans fil des composants, nettoyage par voie sèche des composants, impact environnemental, optimisation en vue
de l’adaptation du fonctionnement des composants à leurs environnements et applications, simulation multiphysique, recherche
de lois de comportement des nouveaux matériaux pour la simulation, mise en œuvre et assemblage des nouveaux matériaux.
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Technologies prioritaires 2015 en mécanique
Dans le prolongement de l’exercice Technologies Clés 2015 pour l’industrie française du ministère de l’Industrie, la FIM et le Cetim,
en partenariat avec le Cetiat, l’Institut de soudure et le LRCCP, ont identifié 41 technologies prioritaires pour les entreprises
de mécanique à l’horizon 2015. Ces technologies qui font ou feront la différence demain sont compilées sous forme de fiches et
sont consultables sur cetim.fr.
Sélection des membres des Commissions du Comité programme (2011) :
• Gestion de l’information stratégique de l’entreprise, écoconception, efficacité énergétique des produits et procédés,
composites thermoplastiques, élastomères nanochargés, procédés de formage Near Net Shape, usinage hautes performances,
assemblage multimatériaux, conception et simulation mécatronique, capteurs autonomes et communicants, simulation et
optimisation numérique produit ou procédé, techniques avancées de CND, télésurveillance et pilotage à distance.
Quelques résultats d’actions menées en 2013
E TAILLAGE DES MATÉRIAUX DURS
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Les fabricants d’engrenages rencontrent des problèmes d’usure prématurée des outils pour l’usinage des matériaux durs avec
les techniques de type taillage au couteau acier rapide. Cette opération est employée lors de la réalisation de dentures intérieures
ou lorsque la fraise mère ne peut pas être utilisée en taillage extérieur. Cette durée de vie réduite conduit à des coûts d’outils par
pièce très élevés. La profession a donc demandé au Cetim de trouver une solution d’amélioration des performances et de la durée
de vie des outils pour arriver, in fine, à une diminution du coût unitaire des pièces.
Le groupe de travail a décidé d’orienter les travaux sur la solution innovante consistant à utiliser des outils couteaux carbure.
Plusieurs campagnes d’essais organisées chez des industriels ont permis de réaliser une comparaison technico-économique.
Le temps de taillage unitaire est divisé par trois avec les outils carbure par rapport au taillage à l’acier rapide, en tenant compte
du temps de montage. Le coût de la pièce est divisé par 2,5 car malgré un coût d’outil important (multiplié par 3, réaffûtage
inclus), l’énorme augmentation de durée de vie conduit à un coût d’outil par pièce très faible (durée de vie entre 2 affûtages
multipliée par 12).
Les enseignements tirés de l’ensemble des essais permettent d’encourager les industriels à appliquer le couteau carbure pour tailler
des aciers dont la résistance atteint jusqu’à 1400 MPa, moyennant la prise en compte d’éléments spécifiques à l’utilisation d’outils
carbure. Ainsi, la machine de taillage CN doit permettre des vitesses de coupe adaptées (nombre de coups multiplié par 4 par
rapport à l’acier rapide) et des précautions doivent être prises compte tenu de la fragilité du carbure en comparaison avec l’acier
rapide : choix de pièces de taille et forme permettant l’utilisation du carbure, montage de pièces rigide, procédure d’engagement
dans la matière progressive pour éviter les chocs, précautions de montage, de manipulation et de transport.
L’action est maintenant terminée.
Valorisation Cette action a déjà fait l’objet d’une communication dans la revue Cetim Infos n° 219 ainsi que par un industriel
du groupe de travail. Édition d’un document de la collection Performances, disponible sur le site Cetim, rubrique Mécathèque.
E INSTRUMENTATION SANS FIL DES COMPOSANTS DE TRANSMISSION (ACTION DU COMITÉ PROGRAMME)
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L’instrumentation des composants mécaniques vise à exploiter les nouvelles possibilités offertes par les microtechnologies, et la baisse
générale des coûts associée à leur croissance rapide, pour développer de nouvelles fonctionnalités des composants. Les fabricants
d’organes de transmission ont souhaité que le Cetim étudie les possibilités d’instrumentation sans fil de composants afin d’en
assurer une fonction de surveillance en service ou hors service. L’ambition de cette action était de fournir les éléments nécessaires
au développement de produits industriels.
Après avoir exploré précédemment les possibilités de la technologie RFID pour la mesure de température, et pour la mesure par
jauges de déformation appliquée à la mesure de pression, l’étude s’est poursuivie en 2013 par une application à la mesure de
couple et la recherche de principes de mesure de déplacement sans fil.
Concernant l’évaluation des possibilités offertes par la RFID pour la mesure de couple, une instrumentation spécifique et un corps
d’épreuve ont été développés. L’instrumentation a été réalisée avec une technologie de jauges de déformation à couche épaisse à
haute impédance (10kΩ) et à très faible consommation de courant afin d’être compatible avec le faible niveau d’énergie disponible
en RIFD. Son collage sur l’arbre a fait l’objet de préconisations spécifiques : dimensions admissibles pour le circuit de mesure au
regard des dimensions de l’arbre, choix de la colle, épaisseur du joint de colle… Le capteur de couple réalisé a été étalonné en
statique sur le banc d’étalonnage de couplemètre du Cetim.
La justesse obtenue avec la chaîne de mesure RFID est de l’ordre de 0,5% de l’étendue de mesure (3000 Nm).
Les possibilités offertes par la RFID pour la mesure de déplacement ont également été explorées dans cette phase. Si les travaux
expérimentaux réalisés ont permis de montrer la faisabilité d’une mesure de déplacement sans contact à l’aide d’un capteur à
magnétorésistance géante, ils ont également fait apparaître que la chaîne de mesure RFID ne répond que très partiellement aux
besoins de mesure de déplacement spécifiés par le groupe de travail, notamment en termes de bande passante. En l’état actuel
des connaissances du Cetim, il n’existe pas d’autres solutions permettant de réaliser une mesure de déplacement à la fois « sans fil »
et « sans pile ». Le groupe de travail s’est réuni en novembre et a jugé que les limites de ce qu’il est possible de faire dans un cadre
collectif ont été atteintes : l’action est terminée.
Valorisation Édition d’un document de la collection Performances, disponible sur le site Cetim, rubrique Mécathèque, et
présentation des résultats de l’étude lors de la Journée Transmissions & Roulements du 15 mai 2014. Transfert de technologie
possible dans un cadre individuel.
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E GUIDE DE DIMENSIONNEMENT DES ACCOUPLEMENTS À DENTURES BOMBÉES
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Les machines industrielles intègrent des chaînes cinématiques comportant plusieurs arbres. Dans la pratique, il est difficile
d’aligner parfaitement ces arbres au montage. Il y a inévitablement des écarts d’alignement induits en fonctionnement, pouvant
générer des vibrations et conduire à des dégradations de composants de la chaîne cinématique. Pour remédier à ce problème,
les arbres des chaînes cinématiques sont raccordés au moyen d’accouplements, capables de transmettre la puissance en rotation
sans glissement angulaire et de s’accommoder à des écarts d’alignement. Les accouplements à dentures figurent parmi les dispositifs
utilisés pour assurer une transmission de mouvement « efficace et robuste » : ils équipent de nombreux types de machines, avec
des caractéristiques variées en termes de puissance transmise (jusqu’à plusieurs mégaWatts) et de vitesse de fonctionnement
(jusqu’à 15000 tr/min). Lorsqu’ils sont correctement conçus, installés et entretenus, les accouplements à dentures présentent
une longue durée de vie et une bonne fiabilité. Cependant, à l’heure actuelle, le calcul et le dimensionnement des accouplements
à denture bombée n’ont jamais fait l’objet d’un travail d’harmonisation sur le plan normatif, ni au niveau national, ni à l’international :
la pratique industrielle actuelle de dimensionnement de ces composants se réfère au savoir-faire et à l’expérience du fabricant.
Dans ce contexte, la profession a demandé au Cetim de définir un guide méthodologique de dimensionnement reconnu et partagé
par tous les concepteurs et fabricants d’accouplements à dentures participant au groupe de travail constitué dans le cadre
de la Commission transmissions mécaniques.
Les travaux ont consisté à élaborer un document décrivant les principales particularités, caractéristiques et l’état de l’art sur
le dimensionnement des accouplements à dentures sur la base de la littérature technique, industrielle et scientifique existante.
La synthèse de résultats issus de nombreux travaux de recherche théorique et expérimentale, de l’expérience accumulée de
diverses applications industrielles d’accouplements à dentures y est développée. Des questions spéciales relatives aux sollicitations,
à la capacité de charge et à l’utilisation d’accouplements à dentures bombées ont également été traitées. Le guide réalisé comporte
des recommandations concernant les bonnes pratiques et les conditions optimales d’exploitation, qui reposent essentiellement
sur une démarche d’identification et de caractérisation de l’influence de différents paramètres, géométriques et fonctionnels,
liés à ce type de composant mécanique.
Valorisation Édition d’un document de référence dans la Collection Performances, disponible sur le site Cetim, rubrique Mécathèque.
E DÉCONCENTRATION DES CONTRAINTES DE FRETTAGE
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Les assemblages par frettage sont couramment employés dans l’industrie des transmissions pour permettre la transmission de
couple d’une pièce de révolution montée sur un arbre. Dans ce type d’assemblage, qui consiste à assembler deux pièces par
un ajustement serré, il y a des concentrations de contraintes sur les extrémités : le passage progressif de la valeur de diamètre
serré à celle du diamètre libre entraîne une compensation de pression. La littérature propose plusieurs solutions pour éviter
ces effets de bord. L’objectif de l’étude consistait à tenter de connaître par simulation numérique l’influence des effets de bord
du frettage et de solutions de déconcentration de contraintes. En 2012, une première phase de l’étude a consisté à effectuer
des calculs par éléments finis axisymétriques pour trois dimensions de frettage et deux serrages, sur trois modèles : frettage
lisse d’un côté et chanfrein de l’autre ; avec ajout de gorges de déconcentration ; et frette en forme de jante fine ou épaisse.
Les travaux ont été poursuivis en 2013 en tenant compte d’efforts externes de traction, de flexion et de torsion, dans les cas de
roues pleine et avec gorges profondes, avec une denture hélicoïdale de 8° d’hélice. L’application d’efforts axiaux et tangentiels
a impliqué l’utilisation d’un modèle 3D et d’un maillage fin, pour une bonne corrélation avec les calculs axisymétriques réalisés
en phase précédente avec le frettage seul.
Les calculs réalisés ont montré que les efforts extérieurs ont peu d’influence sur les effets de bord. Les gorges de déconcentration
sont efficaces, mais ont également une influence sur le couple transmissible. Les calculs montrent des résultats sensiblement
différents en termes de contraintes statiques dans les rayons de raccordement de l’arbre par rapport aux méthodes classiques
en fatigue type DIN743. À la demande des industriels, une phase suivante est à l’étude pour évaluer la faisabilité d’intégrer
les contraintes de frettage dans une approche type DIN 743.
Valorisation
Édition d’un rapport dans la collection Performances, disponible sur le site Cetim, rubrique Mécathèque.
Quelques actions sur 2014
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E TRAITEMENTS ET REVÊTEMENTS À FONCTION TRIBOLOGIQUE POUR LES TRANSMISSIONS MÉCANIQUES
Les fabricants de transmissions mécaniques connaissent deux problématiques tribologiques récurrentes : le fonctionnement en
conditions de lubrification limite (haute température, faible vitesse, forte charge), et les cas d’usure par fretting de pièces statiques.
Les industriels de la profession ont demandé au Cetim de leur apporter des éléments sur les différents traitements et revêtements
de surface permettant d’améliorer le comportement tribologique des pièces de transmissions mécaniques. La priorité a été donnée
au cas du fonctionnement d’engrenages en régime de lubrification limite, qui génère une augmentation du coefficient de frottement
(perte de rendement) et des défaillances par grippage. L’enjeu de l’étude est d’évaluer l’intérêt des traitements et revêtements à
fonction tribologique pour les industriels de la profession, tout en conservant la résistance à la fatigue à la pression superficielle.
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En 2014, l’action débutera par un état de l’art qui consistera à définir des applications types (matériaux, dimensions, conditions
de fonctionnement, etc.), synthétiser et évaluer les solutions techniques, ainsi que les essais disponibles. L’étude entrera ensuite
dans une seconde phase consistant à caractériser et tester les solutions proposées : il s’agira de mettre en place des protocoles
d’essais, fabriquer les éprouvettes et mettre en œuvre des solutions techniques en vue de réaliser un programme d’essais sur bancs.
E PERFORMANCE ÉNERGÉTIQUE DES TRANSMISSIONS MÉCANIQUES
Dans un contexte de fort lobbying de la part des fabricants de moteurs et variateurs électriques pour affirmer que les technologies
à entraînement direct sont les meilleures, au détriment des systèmes avec moteur et réducteur, et où des documents qui ne
valorisent pas toujours les Transmissions Mécaniques sur l’aspect rendement apparaissent dans différents médias, la profession
a été amenée à solliciter le Cetim pour établir un programme de travail sur le sujet. Il s’agissait dans un premier temps d’établir
un document similaire au document normatif existant pour la mesure des pertes et du rendement dans les moteurs électriques
(EN 60034-2-1 de juin 2008), mais adapté à la mesure des pertes globales et du rendement dans les transmissions mécaniques,
en travaillant d’abord sur les réducteurs.
Les travaux 2013 ont consisté à élaborer avec le groupe de travail un document définissant les méthodologies de mesure pour
caractériser le rendement des réducteurs et multiplicateurs de vitesse. L’action se poursuivra en 2014 par une campagne d’essais
en vue de tester la robustesse des méthodologies sur plusieurs réducteurs de la profession.
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Valorisation Exploitation dans le cadre des actions du syndicat professionnel. Présentation à l’occasion de la Journée
Transmissions & Roulements le 15 mai 2014.
E ASSEMBLAGE MULTIMATÉRIAUX (ACTION DU COMITÉ PROGRAMME)
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L’amélioration continue des performances des produits de l’industrie pousse à une plus grande utilisation de nouveaux matériaux,
généralement à plus hautes caractéristiques mécaniques, ou plus légers. Cette approche consiste à utiliser le bon matériau au
bon endroit afin de diminuer les coûts, réduire les balourds, abaisser les centres de gravité sur les engins, et à intégrer davantage
de fonctions. Mais les problématiques se concentrent alors au niveau des assemblages pour des questions de compatibilité entre
les matériaux, de contraintes mécaniques à transmettre, et de robustesse.
Dans ce contexte, les industriels des transmissions et roulements ont demandé au Cetim de les accompagner dans la recherche
de solutions d’assemblage multimatériaux adaptées aux fonctions et contraintes de leurs composants. Deux principaux axes
d’études ont été identifiés avec le groupe de travail. Le premier concerne le soudage hétérogène entre « aciers de mécaniciens »
et « aciers de construction ». Une communauté d’intérêt issue de plusieurs professions des transmissions et roulements et
des engins mobiles sera mise en place début 2014 sous pilotage Cetim : elle s’appuiera sur une synthèse bibliographique et aboutira
à la rédaction d’un guide de bonnes pratiques. Le second axe concernera l’assemblage métal / composite pour des applications à
pression et de transmission de couple : les travaux 2014 consisteront à réaliser l’étude de faisabilité, avec un volet process et
un volet prédimensionnement / conception, en vue d’aboutir à deux technologies d’assemblage par application.
E PROPRETÉ DES PIÈCES (ACTION DU COMITÉ PROGRAMME)
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Un accompagnement à la définition de bonnes pratiques pour une meilleure maîtrise, à la fois de la propreté des pièces en
production, et aussi de la mesure de ladite propreté : c’est en somme l’objet de cette action demandée par les professions
des transmissions et roulements. Ainsi, dans la continuité d’une précédente action sur le nettoyage par voie sèche, une suite a
été demandée sur cette problématique par les industriels du groupe de travail. L’étude a commencé en 2013 et a consisté dans
un premier temps à organiser une journée de sensibilisation à la propreté des pièces.
Elle se poursuit en 2014 suivant deux axes de travaux :
- la détermination des étapes critiques de plusieurs process de fabrication et l’identification des actions d’amélioration sur
le plan de la propreté, à travers la réalisation de quatre études de cas industriels ;
- la réalisation d’une campagne d’essais croisés de comptage particulaire sur cinq membranes d’essais entre différents
laboratoires. Trois industriels des transmissions et roulements vont participer à cette campagne d’intercomparaison, qui
devrait durer jusqu’à la fin du premier semestre 2014.
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