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RÉSUMÉ
La fonction des paliers et des butées aérostatiques est de réaliser des guidages en rotation ou des supports axiaux ayant une capacité portante à des vitesses nulles de rotation. Le lubrifiant le plus souvent utilisé dans ces systèmes reste l’air, qui possède l’avantage d’être disponible. L'article présente les principales caractéristiques statiques et dynamiques des butées et des paliers aérostatiques. Des méthodes simplifiées permettent leurs calculs, mais elles restent toutefois assez imprécises, le recours à des méthodes numériques conduisant à de bien meilleurs résultats. Les règles générales de conception, érigées sur la base de la connaissance des mécanismes physiques en jeu, restent importantes. Dans le cas du palier, au risque d’instabilité pneumatique présent également avec la butée, s’ajoute celui de l’instabilité aérodynamique typique aux grandes vitesses de rotation.
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Mihai ARGHIR : Institut Pprime, université de Poitiers
INTRODUCTION
La fonction des paliers et des butées aérostatiques est de réaliser des guidages en rotation ou des supports axiaux ayant une capacité portante à des vitesses nulles de rotation. Les grandes lignes et les principes sont les mêmes que pour la lubrification hydrostatique avec laquelle il est supposé que le lecteur est familiarisé [BM 5 325] : la pression dans le film d'air (ou plus généralement de gaz) est maintenue d'abord (sinon uniquement) par un circuit d'alimentation extérieur. La pression aérostatique du film lubrifiant assure ainsi l'absence du contact même si la vitesse relative entre les deux parties du guidage est nulle. Le lubrifiant le plus souvent utilisé est l'air qui a l'avantage d'être facilement disponible.
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2. Butées aérostatiques
2.1 Butée aérostatique circulaire alimentée par une alvéole centrale
Cette première catégorie de butées aérostatiques est présentée sur les figures 1 a à 1 c ).
La butée aérostatique circulaire représentée sur la figure 4 est une reproduction fidèle de la butée hydrostatique (fonctionnant avec un fluide incompressible comme l'huile ou l'eau) la seule différence étant que le fluide d'alimentation est maintenant compressible (air). La butée de rayon R b est prévue avec une poche circulaire de rayon R r dont la profondeur E est d'au moins un ordre de grandeur supérieure à l'épaisseur du film mince h qui est généralement comprise entre 5 et 25 μm. L'alimentation se fait via un orifice d'alimentation de diamètre d o et à une pression constante P s fournie par le circuit pneumatique. Après avoir traversé l'orifice, la pression de l'air chute à une valeur P r dans l'alvéole. L'air s'engage ensuite dans le film mince où la pression continue à diminuer. La section de sortie du fluide est représentée par tout le périmètre extérieur de la butée. La pression y est égale à la pression atmosphérique P a .
Il est supposé que la pression dans l'alvéole est constante. Cette hypothèse est correcte si la profondeur de l'alvéole est assez importante par rapport au film mince. La variation de la pression dans le film mince est déterminée à partir de l'équation de Reynolds compressible (1) particularisée pour les conditions d'écoulement dans la butée.
Pour le cas général, quand la face mobile est inclinée par rapport à la face fixe et l'épaisseur du film mince est variable, cette équation est solutionnée à l'aide des méthodes numériques....
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FRÉNE (J.), NICOLAS (D.), DEGUEURCE (B.), BERTHE (D.), GAUDET (M.) - Lubrification hydrodynamique. Paliers et butées. - Éditions Eyrolles, 488 p. (1990).
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(2) - RIEGER (N.F.) editor - Design of gas bearings notes supplemental to the RPI-MTI course on gas bearing design (Conception des paliers à air. Notes supplémentaires au cours). - RPI-MTI, 2 volume (1967).
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(3) - CONSTANTINESCU (V.N.) - Gas lubrication (La lubrification à gaz). - ASME Press, 621 p. (1969).
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(4) - POWELL (J.W.) - Design of aerostatic bearings (Conception des paliers aérostatiques). - The Machinery Co. Ltd., 279 p. (1970).
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(5) - GROSS (W.A.), MATSCH (L.A.), CASTELLI (V.), ESHEL (A.), VOHR (J.H.), WILDMANN (M.) - Fluid film lubrication (La lubrification à film fluide). - Wiley-Interscience, New York, 774 p. (1980).
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(6) - ARGHIR (M.), LE LEZ (S.), FRENE...
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