Comment les paliers aérodynamiques sont devenus les roulements les plus fluides de l'ingénierie

Nous avons examiné de nombreuses choses fascinantes dans de récents articles, notamment les étaux fractals, les pistons de moteur et l'électroérosion à fil. Mais le « truc » d'aujourd'hui est sans doute encore plus cool (et aussi un peu dangereux...). Non seulement il permet aux composants de flotter, mais l'un d'eux, combiné à la créativité de MetMo, a failli arracher un doigt à un membre de l'équipe*. Alors, plongeons dans l'exploration des voleurs de doigts silencieux et sans frottement : les paliers aérodynamiques.

*Tout sera révélé plus tard.

Qu'est-ce qu'un palier aérodynamique ?

Ils sont amusants, sans frottement et très efficaces. Mais soyons sérieux. Qu'est-ce qu'un palier aérodynamique ?

Palier à air de poussée d'Albert Kingsbury (1917) | Source : Google Patents

Les paliers aérodynamiques sont un type de paliers à air, dont il existe deux types principaux : aérodynamique (auto-actif) et aérostatique (air fourni de l'extérieur). Ils fonctionnent tous deux de manière similaire et utilisent un mince film d'air (ou de gaz) pressurisé, qui agit comme un lubrifiant, créant un petit espace entre les composants et leur permettant de se déplacer sans frottement les uns par rapport aux autres. La seule différence est qu'un palier aérodynamique utilise l'air ambiant pour fonctionner. Je vous expliquerai comment très bientôt.

Une très importante application de palier à air

Types de paliers à air

Ainsi, en principe, les paliers aérodynamiques et aérostatiques sont similaires. En fait, ils ressemblent beaucoup à mes pas de danse du week-end. Mais plutôt qu'un verre ou deux, ces paliers utilisent de l'air pour faciliter le mouvement fluide des composants...  

La manière dont ils le font varie. Il existe donc plusieurs types de paliers à air différents. Bien qu'il soit important de noter qu'ils ne sont pas toujours interchangeables. 

Si nous les regroupons par fonction, il y a :

1. Paliers à air à mouvement linéaire qui supportent les composants dans une ou deux directions (par exemple, les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT)).
2. Paliers à air planaires qui supportent les composants sur une surface plane (par exemple, les systèmes de positionnement).
3. Paliers à air rotatifs qui supportent le mouvement de rotation entre les pièces (par exemple, les paliers lisses ou les paliers de butée à air - ceux-ci peuvent être à la fois aérodynamiques et aérostatiques !).
4. Paliers à air « combinés » qui supportent à la fois les charges radiales et axiales (par exemple, les gyroscopes sophistiqués ou les turbines).

Vous pouvez également les regrouper selon leur mode d'introduction de l'air/de maintien du film :

1. Paliers à air à orifices introduisent l'air dans l'espace du palier par de petits trous. Ceux-ci sont plus faciles à fabriquer car ils peuvent être faits d'un seul matériau.
2. Paliers à air à feuille mince ont une feuille mince rainurée autour de l'intérieur du palier, ce qui les rend plus stables.
3. Paliers à air poreux utilisent des matériaux poreux comme le carbone ou le bronze pour distribuer l'air sur la surface du palier, ce qui les rend plus stables et rigides.
4. Paliers à air en spirale ont des rainures incurvées pour stabiliser le film d'air et fonctionnent mieux à grande vitesse.
5. Paliers à air à patins inclinables ont des patins individuels qui se déplacent pour s'adapter à la position et à la charge de l'arbre.

Bien sûr, il existe de nombreuses variantes et combinaisons de ceux-ci (y compris les paliers à air à rouleaux, coniques et modulaires). La liste pourrait être longue. Les différentes conceptions offrent des capacités de charge, de vitesse et de stabilité différentes. Vous pouvez donc choisir le type qui convient le mieux à votre application. 

Paliers aérodynamiques vs paliers traditionnels

Maintenant que nous savons ce qu'ils sont, vous pourriez vous demander pourquoi les choisir plutôt que des paliers traditionnels. La réponse est assez simple. Les paliers à air sont, pour la plupart, comme mes achats de repas : sans contact. Pas de contact signifie pas de frottement, et pas de frottement signifie pas (ou beaucoup moins) d'inefficacités.

Les paliers traditionnels, cependant, entrent en contact. Ils ont des roulements à billes. Et ce frottement non seulement rend leur mouvement plus rugueux, mais cela signifie également qu'ils doivent être remplacés et entretenus.

Dans le meilleur des cas, c'est une corvée. Mais dans les applications petites, délicates et difficiles d'accès, suivre l'état de vos paliers est une douleur encore plus grande. Les paliers aérodynamiques l'empêchent.

Maintenant, répondons à la question que tout le monde se pose :

Comment fonctionnent les paliers aérodynamiques ?

Imaginez ceci : Vous roulez sur l'autoroute. Il fait froid. C'est gris. Et comme un jour d'été typique dans le nord de l'Angleterre, il commence à pleuvoir. Fort. Bientôt, l'autoroute est couverte d'eau. Et alors que vous conduisez, vous sentez votre voiture commencer à glisser. Vous faites de l'aquaplaning, n'est-ce pas ?

Si vous remplacez l'eau par de l'air, non seulement vous léviteriez, mais vous reproduiriez également le fonctionnement d'un palier aérodynamique.

Nous savons maintenant que ces paliers sont auto-actifs, ce qui signifie qu'ils génèrent leur propre air pressurisé et donc leur propre film d'air. Mais comment cela se produit-il ?  

Prenons l'exemple d'un arbre tournant. Il y a trois étapes. 

Étape 1 : Repos

Au repos, l'arbre touche probablement la surface du palier (sinon, il y a un minuscule espace). Le jeu, maintenant, est asymétrique. Lorsque l'arbre commence à tourner, son mouvement aspire l'air dans l'espace entre l'arbre et la surface du palier.

Étape 2 : Oscillation

Lorsque l'air est aspiré, la pression change. Cela génère le mince film d'air lubrifiant et soulève l'arbre. (Rappel : différentes conceptions ajustent la façon dont le flux d'air et la pression se distribuent sur la surface du palier)

Étape 3 : Flottaison

Des vitesses de rotation plus rapides signifient que l'air pressurisé devient... plus pressurisé et permet au palier de supporter des charges plus lourdes. Le palier est auto-stabilisateur, il crée donc un « tampon » de stabilité. Si l'arbre se déplace vers la surface du palier et que la distance diminue, la pression d'air augmente et ramène l'arbre à sa position neutre.

Remarque : Steve Mould l'explique bien, ici.

Les avantages des paliers aérodynamiques

Ces trois étapes nous offrent des avantages plutôt intéressants. Par exemple :

Il y a un frottement minimal. L'arbre flotte. Il y a donc des mouvements plus fluides, moins de génération de chaleur (meilleure stabilité thermique) et une plus grande efficacité.

Ils durent plus longtemps. Puisqu'il n'y a pas de contact, il y a peu d'usure, ils nécessitent donc moins d'entretien et deviennent plus fiables.

Ils sont rapides. Encore une fois, pas de contact signifie qu'ils peuvent tourner très vite sans surchauffer ni casser. 

Ils sont propres. L'air est le lubrifiant. Pas l'huile ou la graisse. Donc, pour les applications où la propreté est vraiment importante, ils sont excellents.

Ils sont précis. Le mince film d'air permet des tolérances serrées et un positionnement stable. 

Ils sont silencieux. Pas (ou très peu) de contact signifie qu'ils font très peu de bruit.

Ils sont auto-stabilisants. Le film d'air s'ajuste lorsque la charge ou la vitesse change, de sorte que les paliers à air fonctionnent bien dans des conditions changeantes.

Ce n'est pas que du plaisir silencieux et sans frottement

Les paliers aérodynamiques sont cools. Mais ils ne sont pas parfaits.

Oui, la vitesse de rotation et la capacité de charge résultante augmentent en harmonie. Mais par rapport aux paliers traditionnels, les paliers aérodynamiques ne font pas le poids. Les paliers traditionnels peuvent supporter des charges plus lourdes.

Deuxièmement, à basse vitesse, le film d'air pourrait ne pas se développer complètement. S'il y a contact entre l'arbre et le palier, des dommages se produiront. Si vous démarrez et arrêtez continuellement, vous risquez d'endommager davantage les composants.

Troisièmement et enfin, la précision est importante. Des tolérances serrées sont encore plus importantes. Pour maintenir le petit entrefer, l'espace entre le palier et l'arbre doit être juste. Cela nécessite des compétences et une fabrication de haute précision.

L'histoire des paliers à air

Nous savons ce qu'ils sont, comment ils fonctionnent et en quoi ils diffèrent des autres paliers. Mais d'où viennent-ils ?

C'est un trou !

Tout a commencé au début du XIXe siècle, en 1812. Robert Wills a étudié comment de petits trous pouvaient contrôler le flux d'air pour supporter des charges. C'était le tout début, mais c'était, en substance, le début du palier à air à orifice.

Le liquide a rendu un fier service au gaz

Plus tard ce siècle-là, Osbourne Reynolds, physicien britannique, développa ce que l'on appelle aujourd'hui l'équation de Reynolds. Celle-ci décrivait la distribution de pression dans un film fluide et devint la base mathématique pour comprendre les paliers lubrifiés par liquide (et plus tard, par gaz). Cherchez-la sur Google si vous osez... c'est une gigantesque équation différentielle partielle. *Gulp*

Frottement de développement

En 1897, Albert Kingsbury a commencé à expérimenter avec des paliers lisses à air sous pression externe. Bien que le travail fût important, Kingsbury a mis en évidence à quel point les composants devaient être précis et à quel point la fabrication de l'époque ne pouvait pas le faire de manière constante.

Essayez de faire correspondre un alésage et un arbre à un écart constant de 0,0005 pouce avec l'équipement des années 1800.

Décollage

Au XXe siècle, en 1904, George Westinghouse brevète un palier de butée utilisant l'air pour une turbine à vapeur verticale. C'est sans doute la première conception pratique de palier de type aérodynamique dans les machines industrielles.

Coussinets en Babbitt liquide

Un an plus tard, Anthony George Malden (AGM) Michell a développé l'équation de Reynold et a trouvé un moyen de tenir compte des fuites latérales. Auparavant, l'équation ne s'appliquait qu'aux surfaces planes – où le comportement se situait entre deux champs de pression bidimensionnels infinis.

Un des brevets de Michell pour paliers (US1315735A) | Source : Google Patents

Les développements de Michell ont tenu compte des contraintes du monde réel et les ont finalement rendues plus utiles. Ces développements ont probablement aidé Michell à breveter le palier Michell, qui comportait une série de patins basculants en Babbitt pour aider les films d'huile à supporter la charge.

Pareil, mais différent

En 1907, Albert Kingsbury est revenu. La fabrication s'était améliorée et il a pu développer son palier de butée désormais bien connu (un palier hydrodynamique lubrifié à l'huile).  

Comme celui de Michell, le palier de Kingsbury comportait également une série d'arcs pour supporter la charge. Ainsi, lorsqu'il a déposé une demande de brevet, celle-ci a été rejetée en raison des travaux de Michell. Cependant, une fois qu'il a prouvé que ses travaux avaient commencé en premier, son brevet a été accordé.

Brevet de Kingsbury de 1910 : US947242 | Source : Google Patents

Peu après, en 1912, le palier de Kingsbury a trouvé sa première application – à la centrale électrique de Holtwood. Il est apparemment encore en plein usage !

C’est génial, bébé

Après la Seconde Guerre mondiale, la technologie, les matériaux et les capacités de fabrication se sont améliorés. La nouvelle précision a donné aux paliers l'espace dont ils avaient besoin pour respirer – et prospérer. La recherche n'a cessé de progresser. Et les paliers aérodynamiques n'ont cessé de s'améliorer, y compris de nouvelles théories sur la façon dont la conception des rainures pouvait améliorer la stabilité du film d'air.

Les recherches des laboratoires nationaux américains ont contribué à l'implémentation des paliers aérodynamiques dans de nouvelles applications, y compris les machines-outils ultra-précises. Ils ont également développé certains des premiers paliers aérodynamiques poreux.

En fait, en 1965, Check Mate, la première machine de mesure tridimensionnelle (MMT) à utiliser des paliers aérodynamiques, est arrivée sur le marché. Elle utilisait des paliers aérodynamiques poreux, où le matériau poreux était du carbone. Certaines des machines Check Mate seraient encore utilisées aujourd'hui. 

Le plus grand succès, cependant, est sans doute venu d'IBM. Dans les années 60, ils ont utilisé des broches à paliers aérodynamiques pour fabriquer leur première génération de disques durs.

Faire tourner le monde

À mesure que nous nous rapprochons d'aujourd'hui, les entreprises ont commencé à développer leurs propres paliers aérodynamiques, plusieurs d'entre elles se concentrant sur des industries et des applications spécifiques (par exemple, Sheffield Corporation a développé son propre palier aérodynamique poreux pour les MMT dans les années 80). D'autres ont commencé à normaliser les paliers aérodynamiques, les rendant facilement accessibles à des gens comme vous et moi.

L'analyse par éléments finis (AEF) et d'autres développements informatiques ont aidé à modéliser le comportement du film d'air, améliorant les revêtements et les propriétés mécaniques afin que les paliers aérodynamiques puissent en faire plus et résister à plus.

Utilisations des paliers à air

Il ne sera probablement pas surprenant que l'utilisation des paliers aérodynamiques et aérostatiques se soit poursuivie. Nous retrouvons ces fascinations sans frottement dans plus d'industries que jamais. Par exemple :

Aérospatiale

Aujourd'hui, les groupes auxiliaires de puissance (GAP) (la petite turbine à gaz qui fournit de l'énergie lorsque les gros moteurs ne fonctionnent pas), les gyroscopes et les turbocompresseurs les utilisent. Leur caractère sans contact leur permet de fonctionner pendant de longues périodes et de fournir des informations précises (comme l'angle de vol) – et, avec les turbines, de fonctionner à des vitesses élevées.

Électronique

La précision, la fiabilité et le faible niveau sonore des paliers à air les rendent souvent utilisés dans les disques durs et les lecteurs optiques. Ils peuvent atteindre des vitesses de rotation élevées pendant de longues périodes et nécessitent comparativement moins d'énergie pour le faire !

Turbomachinerie

Les compresseurs, les turbines et les turbo-expandeurs utilisent une gamme de paliers aérodynamiques afin qu'eux aussi puissent fonctionner à des vitesses élevées avec un frottement minimal – et sans avoir besoin d'être remplacés régulièrement. Les paliers traditionnels sont confrontés à l'usure, au frottement et à une lubrification régulière. Les paliers aérodynamiques ne le sont pas, ce qui en fait un excellent choix.

Machines

Comme nous l'avons vu, les paliers à air sont utilisés dans les machines de mesure tridimensionnelle. Ils sont également présents dans d'autres équipements d'inspection tels que les inspecteurs rotatifs et les inspecteurs de broches. Comme ils sont sans contact, les débris ne s'envolent pas, ce qui les rend adaptés aux environnements de salle blanche. Ainsi, des éléments tels que les plaquettes (pas le délicieux biscuit) peuvent être produits pour les semi-conducteurs.

Deux machines de mesure tridimensionnelle différentes – les paliers à air aident à déplacer le bras

Énergie

Sans surprise, une grande efficacité est également souhaitable dans le secteur de l'énergie. Les microturbines et les systèmes de piles à combustible offrent un meilleur rendement et réduisent l'impact environnemental grâce aux paliers à air sans frottement.

Divertissement sans frottement et agité

Non seulement les paliers aérodynamiques sont très utiles, mais ils sont aussi très amusants à manipuler. Parce qu'il était une fois, nous avons fabriqué quelque chose d'assez dangereux. Ce n'était pas tranchant comme un scalpel. Et ça ne vous sautait pas dessus quand vous appuyiez dessus…

Ce n'était certainement pas ça

Ainsi, pour épargner les doigts et les yeux, nous avons opté pour quelque chose de plus amusant, d’agité et familial : Le piston MetMo.

Dans toute sa splendeur !

C’est comme cliquer sur un stylo. Seulement, il ne fait aucun bruit, il tourne, rebondit et, bien sûr, il se lance. Celui-ci ne fait pas partie de notre Kickstarter et est disponible à l'achat dans notre boutique dès maintenant. Bien que les séries soient limitées. Si vous souhaitez en obtenir un, jetez un coup d'œil et vérifiez s'ils sont en stock ici. 

Voilà donc les opérateurs doux de notre merveilleux monde de l'ingénierie. J'espère que vous avez apprécié la lecture.