Calcul de couple en fonction d'une force de réaction

[Khove]

Bonjour,

Je développe une bride qui doit se serrer sur un joint plat pour avoir une étanchéité parfaite entre l'intérieur et l'extérieur de la bride.
Le serrage se fait par 2 gorges le long desquelles glissent 2 détrompeurs. Les 2 détrompeurs glissent dans les gorges, et entraînent ainsi la bride à serrer le joint.

La fermeture de cette bride se fait par 2 poignées qui permettent d'exercer le couple requis.

Je connais ma force de réaction grâce à un logiciel de simulation pour une compression du joint (qui est plat) de 0.3mm.

Ma question est la suivante : comment puis-je évaluer le couple à exercer sur les poignées pour atteindre la force de réaction, et ainsi la compression de 0.3mm de mon joint (les dimensions du joint sont 138x124x3mm)? Quel est le raisonnement mécanique à mener?

La bride, les détrompeurs, les poignées sont en inox.
Le joint est en EPDM.

Je vous place plusieurs images pour illustrer le problème.

Pour plus de clarté j'ai volontairement rendu transparente la bride supérieure. Ceci est une vue éclatée.
Vue eclatee bride.jpg


La gorge et le détrompeur
Descriptif.PNG

La force de réaction résultante nécessaire pour comprimer le joint de 0.3mm
Force resultante.PNG

Merci à tous ceux qui accepteront de m'aider !
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[Dynamix]

Salut

Le couple est fonction de la pente de la gorge et des frottements .
En fin de course , il semble que la pente est nulle , donc tu n' as plus que les frottements .

PS :
Il n' y a pas de "détrompeur" dans ton système .

[Khove]

Salut et merci pour ta réponse.

Tu as raison ça n'est pas à proprement dit un détrompeur, c'est une petite pièce cylindrique.


Je crois qu'en plus des frottements créés par la gorge, il y a le frottement de la bride supérieure sur le joint?

J'ai essayé de calculer le couple en utilisant l'expression du couple d'un embrayage, mais je ne suis pas sûr que cela soit correct. Cette expression marche pour 2 disques en contact sans glissement. Alors que dans mon cas il y a glissement entre le joint et la bride supérieure.

[Dynamix]

Le calcul n' est pas très différent .
Il faut prendre le coefficient de frottement cinétique à la place du coefficient de frottement statique .

[A voir en vidéo sur Futura]

[le_STI]

Salut.

Il faut commencer par lister l'ensemble des composantes qui vont former le couple résistant :

Composante tangentielle des forces de frottement du couvercle sur le joint
Composante tangentielle des forces de frottement des pion dans leurs rainures
Composante tangentielle de l'effort de réaction des rainures sur les pions

A vue d'oeil, je dirais que tes rainures n'ont pas une pente constante (comme l'a fait remarquer Dynamix), il faudra donc poser les équations définissant la composante tangentielle des forces dues au frottment du pion et à la réaction des rainures en fonction de l'angle de serrage.
Ne pas oublier que la réaction à l'écrasement du joint est également fonction de l'angle de serrage.

Si c'est pour une estimation "à la louche", tu peux fixer deux ou trois positions entre le début du serrage et le serrage complet et relever les angles qui t'intéressent à l'aide de ton logiciel de CAO.

PS: On parle plutôt de coefficient de frottement (lorsqu'il y a glissement) et facteur/coefficient d'adhérence (lorsqu'il y a ... adhérence )

[mécano41]

Bonjour,

Je ne suis pas sûr qu'il soit très bon de faire frotter une pièce tournante sur le joint...(si j'ai bien compris le système) Il vaudrait mieux avoir une pièce intermédiaire de frottement acier/acier en comprimant seulement le joint. On n'abîme pas le joint et le couple de serrage est moindre (voir croquis du haut)

Si l'élastomère est très dur et que l'on n'est pas sûr de la correction géométrique des éléments conduisant au parallélisme des deux parties serrant le joint, il faut compenser les défauts (cardan) mais bon ...c'est plus compliqué et la bride doit être épaisse - en fonction du serrage exercé (voir croquis du bas)...

Ce n'est qu'un avis...

Cordialement

[le_STI]

Salut mécano41.

Comment assures-tu l'étanchéité entre la bride et la pièce intermédiaire? Grâce à un joint?

Si on veut éviter le frottement acier/caoutchouc, il faudrait plutôt un système de fermeture à genouillère comme sur les bocaux réutilisables.
Ou tout simplement un serrage par des vis réparties sur le pourtour de la bride.

[mécano41]

Si nécessaire, on peut faire ainsi...

Cordialement

[Khove]

Merci Dynamix pour ton observation.

C'est entendu je prends le coefficient de frottement pour l'estimation de mon couple. D'ailleurs il est énorme. Car en prenant :

• Un module de Young 6Mpa pour le matériau EPDM qui constitue le joint (j'ai un shore de 70 et je n'ai trouvé nul part de valeur du module de Young clairement définie pour l'EPDM)

• Un écrasement de 0.3mm du joint qui a une épaisseur de 3mm

• Ma simulation me donne une force de réaction résultante sur le joint de 5.33kN (soit 533kg ) pour atteindre la compression de 0.3mm

• Je calcule mon couple nécessaire pour comprimer le joint de 0.3mm avec cette force de réaction de 5.33kN

J'obtiens un couple énorme de 219NM.... Sans compter, comme le dis le_STI, les forces de frottement tangentielle et normale des pions dans les rainures.

[Khove]

Merci le_STI,

Si je comprends bien je peux appliquer le PFS pour différents angles de rotation de ma bride supérieure?
le_STI, peux-tu me confirmer que je calcule mon couple résistant en prenant en compte mes forces de frottements tangentielles?

Tout à fait les rainures ont volontairement un plat. Le but étant d'empêcher les pions de remonter le long de la gorge à cause du couple résistant. Une fois les pions positionnés sur les plats de la rainures, seule la force de réaction agit sur eux.

[Khove]

Merci mécano41,

J'ai beaucoup aimé ton idée de pièces en acier pour éviter les frottements contre le joint. Malheureusement comme le dis le_STI je vais avoir une perte d'étanchéité entre la bride supérieure et ce disque en acier. Merci pour tes visuels !

[Dynamix]

le_STI, peux-tu me confirmer que je calcule mon couple résistant en prenant en compte mes forces de frottements tangentielles?

"forces de frottements tangentielles" est un pléonasme .
Tu as 2 forces verticales sur le couvercle :
F_{joint/couvercle} + F_{doigts/couvercle} = 0
Connaissant les coefficients de frottement et les rayons tu en tire le couple du aux frottement , qui est l' opposé du couple à appliquer .

[Khove]

Effectivement désolé pour le pléonasme.

Ok merci Dynamix pour la précision, je devrais pouvoir m'en tirer !

[mécano41]

Merci mécano41,

J'ai beaucoup aimé ton idée de pièces en acier pour éviter les frottements contre le joint. Malheureusement comme le dis le_STI je vais avoir une perte d'étanchéité entre la bride supérieure et ce disque en acier. Merci pour tes visuels !

Pas dans les dessins du message #8...ou alors je n'ai pas compris ce que tu veux faire...

Cordialement

[Khove]

Oui effectivement tu as raison, c'est une idée que je retiens désolé !

[Jaunin]

Bonjour,
Vos doigts vont ils résister à cette force ?
Cordialement.
Jaunin__

[le_STI]

...
Tu as 2 forces verticales sur le couvercle ....

C'est vrai lorsque les pions sont dans la partie "plate" de la rainure mais, pendant le serrage, l'angle de rampe de la rainure fait que les forces de frottement ne sont plus contenues dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la bride.

@Khove : je te propose effectivement d'appliquer le PFS (qui n'en est pas réellement un puisqu'il y a glissement ) en différents endroits pour déterminer l'évolution du couple en fonction de l'angle de serrage.

[le_STI]

Vos doigts vont ils résister à cette force ?

Au pire, il mettra des gants
(désolé, c'est le début du week-end, donc je suis euphorique )

[Dynamix]

C'est vrai lorsque les pions sont dans la partie "plate" de la rainure mais, pendant le serrage, l'angle de rampe de la rainure fait que les forces de frottement ne sont plus contenues dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de la bride.

Les forces de frottement ne sont pas verticales .
Les forces verticales ont la particularité d' être verticales dans toutes les phases du serrage , sinon elles ne serraient pas verticales .

[le_STI]

Les forces de frottement ne sont pas verticales .

Si tu fais référence à la phrase dans laquelle je parle de forces contenues dans un plan, relis-moi bien.
Je parle de forces contenues dans un plan perpendiculaire à la verticale, donc horizontales.

Les forces verticales ont la particularité d' être verticales dans toutes les phases du serrage , sinon elles ne serraient pas verticales .

Trop marrant , merci pour ce moment de détente, mais ça ne va pas aider Khove.
Il n'y a pas uniquement et quelque soit la phase de serrage deux forces verticales sur le couvercle (je voulais éviter toute confusion puisque tu sembles l'affirmer en ne parlant pas de composantes verticales, mais de forces verticales).

La relecture de mon message m'a permis de voir que j'ai oublié une chose.
Lorsque les pions ne sont pas sur la partie plate, ça c'est faux:

Connaissant les coefficients de frottement et les rayons tu en tire le couple du aux frottement , qui est l' opposé du couple à appliquer .

Le couple à appliquer doit également tenir compte de la composante tangentielle de la force de réaction de la rainure sur le pion, qui n'est pas nulle lorsque le pion se trouve dans la partie "pentue" de la rainure (tu peux faire l'analogie avec un filetage).

Mais Khove s'en rendra compte par lui même lorsqu'il appliquera le PFS en phase de serrage (pion dans la pente).

[Dynamix]

Il n'y a pas uniquement et quelque soit la phase de serrage deux forces verticales sur le couvercle

Je n' ais pas dit uniquement .

Mon but n' est pas de faire le travail à la place de Khove , et lui détailler toutes les forces en jeu comme cela est trop souvent le cas .
Je me contente de lui donner des explication sur la marche à suivre . Et ça commence par l' équilibre des forces verticales , vu que les autres en découlent .
Après , je pense qu' il est capable de se débrouiller tout seul .
Et si ce n' est pas le cas , on aura la joie d' avoir de ses nouvelles .

[mécano41]

Bonjour,

Si les dimensions le permettent, des galets à aiguilles remplaceraient avantageusement les doigts - il faudrait adjoindre un petit verrou (bille à ressort).

...mais avec trois dispositifs à sauterelle, on éviterait beaucoup de problèmes (choisir un modèle réglable) :

http://www.emile-maurin.fr/elements-..._e/type_264_e/

Cordialement

[Jaunin]

Bonjour, Mécano41,
Voilà, c'est exactement se que je cherchais.
Cordialement.
Jaunin__

[Touche-à-tout]

Bonjour,

Le système de fermeture à baïonnettes présenté par Khove est un classique pour les lunettes de manomètres industriels où il ne s'agit pas de "doigts" mais d'emboutis. La pente y reste constante, il n'y a pas besoin du plat, car le frottement métal/métal dans les baïonnettes et la pression du joint empêchent le desserrage (et il y a une vitre entre le boîtier et la lunette, on pourrait y substituer un tube). J'aime autant vous dire qu'il faut une bonne clé pour fermer et rouvrir les boîtiers ainsi équipés.
Tout aussi classique, le raccord symétrique dit "pompier", qui n'est pas réputé pour se desserrer tout seul...

Le desserrage n'est à craindre que si l'effort de compression est faible, dans le cas de dispositifs devant être manœuvrés sans outils, comme les connecteurs type BNC. Les baïonnettes sont alors complétées par un cran en fin de course.

Pas étonnant de trouver un couple élevé pour obtenir un écrasement de 3/10, si le joint est en EPDM 70sh comme un autre sujet lancé par Khove le laisse penser. 70sh, c'est la dureté moyenne des joints toriques (qui sont sensés avoir de la place pour se déformer), en plat sur plat c'est beaucoup plus raide, surtout si le joint ne peut pas fluer vers un espace libre. Le critère de 3/10 d'écrasement n'est pas représentatif de l'étanchéité mais de la course des baïonnettes. Si l'étanchéité est obtenue dès le premier 10e de serrage, il reste deux tiers de la course prévue pour compenser un joint plus souple ou usé, ou une pièce à serrer plus fine. Si la fin de course des baïonnettes est plate, il n'y a plus cette marge au serrage et les ennuis peuvent apparaître avec une des variables précédentes (cas des raccords symétriques d'arrosage ou air comprimé qui fuient dès qu'un joint s'use un peu car on ne peut pas les serrer plus fort).

Cordialement,
Nicolas.

[Khove]

Merci Dynamix et le_STI pour vos échanges sur la partie théorique. Il y a suffisamment de matière pour faire mes calculs

Merci mécano41 pour le système de galet à aiguilles que je retiens. Je ne connaissais pas. Ici j'ai besoin d'avoir un frottement pour maintenir la compression du joint (tel que décrit par Touche-à-tout) du coup je ne l'appliquerai pas ici, mais peut-être dans un autre projet.

Merci Touche-à-tout pour toute la réflexion et les informations précises. Effectivement le joint présenté sur l'autre topique est relié à cette bride (je ne trouve pas de module de Young bien précis). Je vais essayer d'analyser les frottements des doigts sur la rainure, histoire de m'assurer que la bride reste en place pour un écrasement du joint de 1/10mm ou 2/10mm ou etc....

[Dynamix]

Je vais essayer d'analyser les frottements des doigts sur la rainure.

Et le frottement du joint .
J' ais vu traîner un coef de frottement de 0,5 , ce qui signifie que le couple résistant vient principalement de là .

[Khove]

De mon côté j'ai trouvé un coef d'adhésion de 0.8 et un coef de frottement de 0.2.
Merci!