4 vérins à vis pour entraînements de précision dans la fabrication des ailes d’avion

Comment GROB utilise des vérins à vis pour déplacer des charges lourdes de manière sûre et précise

Philipp Schmalzhaf

par Philipp Schmalzhaf, Directeur commercial

5.04.2023

Verins a vis ailes davion aeronautique

Vérins à vis : les polyvalents de la technologie d’entraînement linéaire

Les vérins à vis sont des solutions d’entraînement plus simples et économiques par rapport aux systèmes hydrauliques et pneumatiques. Ils permettent de déplacer une charge définie à une vitesse donnée vers une position exacte. Dans un vérin à vis, un mouvement de rotation est transformé en un mouvement linéaire axial.

À savoir : tous les vérins à vis peuvent être reliés en système de levage à moindre coût grâce à des arbres de liaison et des engrenages coniques.

Dans cet article, vous découvrirez :

  1. Comment les vérins à vis sont utilisés pour transporter une charge linéairement de A à B.
  2. Pourquoi nos vérins à vis sont régulièrement employés dans des applications aéronautiques.
  3. Quelles charges nos vérins à vis peuvent déplacer.

Pour des avions pesant plusieurs tonnes, chaque gramme compte

Dans la construction aéronautique, la tendance est au design léger depuis des décennies, car chaque gramme supplémentaire augmente la consommation de carburant. C’est pourquoi de nombreuses pièces de la structure et des ailes sont fabriquées en matériaux composites à fibre de carbone (CFC). Leur atout : une stabilité et une durabilité énormes tout en restant légères. Dans les derniers modèles d’avions, comme le Dreamliner et l’A350, la proportion de CFC dépasse 50 %. Les ailes d’avion sont fabriquées sur de grandes installations de formage.

Installation de formage

Installation de formage

Tâche complexe résolue avec élégance – grâce à un vérin à vis

Lorsque le groupe AIC a reçu une commande pour la fabrication d’une grande installation de formage pour une grande entreprise aérospatiale russe en Russie, il s’est tourné vers notre représentant Drive Lines au Royaume-Uni afin d’être conseillé sur le système d’entraînement optimal.

Les deux entreprises avaient déjà collaboré sur des projets similaires et disposent donc d’une expertise considérable dans cette technologie de stratification. Les installations de formage sont populaires dans l’industrie aéronautique car elles permettent de fabriquer des pièces d’avion stables mais légères. Dans ce cas, l’installation est utilisée pour la production de longerons d’ailes.

Depuis sa création en 1990, AIC est un leader dans ce domaine. L’entreprise a intégré de nombreuses fonctions avancées dans ses installations précédentes, notamment des lits chauffants par zones, un positionnement précis du lit, le préchauffage des outils, un contrôle sophistiqué du vide et la technologie à double membrane.

Drive Lines, créée cinq ans avant AIC, est l’un des principaux fournisseurs britanniques de composants et systèmes de transmission mécanique. Grâce à son expérience étendue, elle apporte une expertise considérable à chaque nouveau projet.

L’installation décrite mesure 11 x 2 m et, comme chaque machine AIC, est un design sur mesure. Des stratifiés de plus de 20 mm d’épaisseur peuvent être formés avec précision.

Elle se compose essentiellement d’un lit à vide contenant l’outil de formage. Au-dessus se trouve une « Hot Box » qui chauffe l’outil. Il y a également une rampe de lampes permettant de chauffer les matériaux composites afin qu’ils épousent parfaitement l’outil. La « Hot Box » et la rampe de lampes sont montées sur un cadre mobile, qui peut être soulevé par un mécanisme d’entraînement spécifié par Drive Lines pour permettre un accès libre au lit à vide.

Une charge énorme de plus de 20 tonnes doit être déplacée – via un vérin à vis

La rampe de lampes pèse 12 tonnes et la « Hot Box » 8,5 tonnes, soit un peu moins. Environ 20 tonnes de poids doivent donc être soulevées sur 1250 mm, et ce en seulement 75 secondes, soit une vitesse de plus d’un mètre par minute.

Matt Jones, impliqué dans le projet pour Drive Lines, explique : « La charge était à la fois grande et lourde, et nous devions nous assurer qu’elle soit toujours levée verticalement, car tout désalignement pourrait provoquer d’importants dommages structurels sur le reste. »

En collaboration avec l’équipe de conception d’AIC, il a été décidé d’utiliser un seul moteur central entraînant quatre vérins à vis via un réducteur conique. Pour garantir une levée parfaitement uniforme, Jones a dû spécifier des arbres d’entraînement sans jeu imprévisible, transmettant exactement le même couple sur la même distance pour tous les vérins.

Verin a vis cubique en acier inoxydable

Vérin à vis cubique MJ4

Les vérins à vis éprouvés de la série MJ

Les vérins à vis sélectionnés GROB MJ4 ont été fournis par Drive Lines. Chacun des quatre mécanismes est équipé d’un écrou de sécurité sur mesure et d’un adaptateur à rotule, spécialement conçus pour cet entraînement. Le réducteur choisi est une unité conique de précision PowerGear de Drive Lines, reliée aux vérins par des arbres élastomères haute vitesse de R+W.

Les vérins à vis MJ4 de GROB sont disponibles chez Drive Lines dans une grande variété de conceptions, tailles et options, afin de s’adapter à chaque application. Ils sont généralement utilisés pour déplacer une charge de manière linéaire entre des positions et peuvent être installés verticalement ou horizontalement. La force de levage maximale atteint jusqu’à 500 kN et les courses standard vont jusqu’à 4 m – mais peuvent être prolongées sur demande.

Jamie Hardiment, responsable du développement commercial chez AIC, déclare : « De telles installations de formage (en anglais « Hot Drape Former HDF ») sont indispensables dans l’industrie aérospatiale. Grâce à notre recherche et développement continue, nos installations de formage portent la transformation du carbone à un nouveau niveau, permettant à nos clients de produire plus efficacement des ailes et d’autres pièces en matériaux composites pour l’aéronautique. »

Pour information, l’article complet original est disponible sur le site Internet de Drive Lines.

Quelle vis est généralement utilisée dans nos vérins à vis ?

Deux variantes sont disponibles :

  1. Vis trapézoïdale
  2. Vis à billes (mécanisme à billes)

Quelle est la différence entre ces deux variantes ?

La vis trapézoïdale est robuste, économique et adaptée à la plupart des tâches de réglage. Il est important de bien lubrifier, car la vis et l’écrou subissent des frottements.

Le mécanisme à billes est utilisé lorsque l’application exige une précision de positionnement et de répétabilité plus élevée. Le principe de recirculation des billes de l’écrou permet des durées d’enclenchement plus longues, des cycles de travail et des vitesses supérieurs, car le rendement est plus élevé que celui de la vis trapézoïdale. Pour le client, cela se traduit par une consommation d’énergie réduite et une moindre production de chaleur.

Extrait des donnees CAO du verin a vis

Extrait des données CAO du vérin à vis

Quels sont les avantages pour les concepteurs à collaborer avec nous ?

Les concepteurs travaillent généralement sous pression. Les délais sont courts et beaucoup de choses se font dans l’urgence. Il est donc très avantageux pour eux de pouvoir accéder rapidement et facilement aux données CAO. Cela leur permet, d’une part, de commencer la conception sans délai et, d’autre part, d’économiser jusqu’à 30 % de leur temps, car ils peuvent débuter immédiatement la conception. Pour information, toutes les données CAO de nos produits sont disponibles dans différents formats ici.

Autres cas d’application des vérins à vis

Où les vérins à vis sont-ils encore utilisés comme actionneurs linéaires ?

  1. Pour le réglage de scènes de théâtre et d’autres plateformes
  2. Pour le réglage d’antennes paraboliques
  3. Pour le réglage de coffrages en acier pour poutres en béton
  4. Sur des tables élévatrices à ciseaux

Questions fréquentes sur le vérin à vis

Un vérin à vis est la combinaison d’une vis et d’un écrou (écrou à vis sans fin ou écrou mobile), qui transforme un mouvement de rotation en mouvement linéaire grâce à un engrenage à vis sans fin.

Le terme « blocage de course » décrit l’exécution d’un mouvement de levage contre une butée fixe. L’élément de levage est alors « bloqué » par l’élément fixe correspondant.

Version de base : la vis effectue elle-même le mouvement axial.

Version à écrou mobile : la vis reste toujours fixe dans l’espace mais tourne. L’écrou se déplace alors le long de la vis vers le haut ou vers le bas.

  1. Cubique et Classique : différences principalement esthétiques. C’est une question de philosophie : ce qui plaît le plus à chacun. Les performances sont quasiment identiques.
  2. HMC : standard jusqu’à 3000 tr/min à l’entrée, avec remplissage d’huile et ailettes de refroidissement – capacité de charge dynamique explicitement plus élevée.
  3. KH : dynamique particulièrement élevée, mais la capacité de charge maximale descend à 90 kN.

La charge nominale indiquée par le fabricant ne doit pas être dépassée. Néanmoins, les réducteurs de levage intègrent des facteurs de sécurité de 1,5 à 2,5 par rapport à la charge nominale.

L’écrou de sécurité SFM suit normalement l’écrou porteur sans charge. Si l’écrou porteur se casse, le SFM reprend la charge. Il permet alors encore un mouvement de levage pour mettre l’installation à l’arrêt. L’écrou SFM est également utilisé comme écrou de référence pour mesurer l’usure.

La mention « 20 % de cycle de service par heure » doit toujours être considérée en relation avec une certaine puissance absorbée par le réducteur. Si la puissance admissible n’est pas dépassée, moins de chaleur est générée et le réducteur nécessite moins de temps pour refroidir. Il est donc possible d’atteindre un cycle de service supérieur à 20 %.

Oui, les réducteurs à vis peuvent être entièrement fabriqués en acier inoxydable et lubrifiés avec une graisse conforme à la norme H1 pour le contact alimentaire.

Le boîtier est en aluminium moulé sous pression ou en fonte grise, la vis, le tube de protection et la vis sans fin sont en acier, et la roue sans fin ou l’écrou mobile est en alliage de bronze. De plus, de nombreuses variantes existent.

Elle empêche la vis de tourner. Si une vis de translation effectuait un mouvement de rotation, aucun mouvement linéaire ne serait possible.

Oui, grâce aux brides moteur, il est possible de monter de manière flexible des moteurs ou des motoréducteurs. Vous décidez si vous fournissez le moteur vous-même ou si GROB s’en charge.

Oui. Un vérin à vis peut être actionné par n’importe quel type d’entraînement rotatif, qu’il soit électrique, mécanique ou manuel.

En cas de charge en compression, le facteur limitant est généralement le flambage.

En cas de charge en traction, il s’agit soit de la disponibilité du matériau brut (barres couramment disponibles jusqu’à 6 m), soit de la vitesse critique de flexion (dans le cas d’une version à écrou mobile).

Pour des courses plus longues, la vis peut également être conçue en plusieurs parties.

La confusion vient parfois du fait que, dans les deux cas, un élément supplémentaire est placé à l’arrière de la vis.

  1. Le dispositif anti-dévissage n’est qu’un anneau sur le filetage qui empêche la vis de sortir.
  2. Le dispositif anti-rotation empêche en plus la vis de tourner.

Côté client : le client supporte la charge, ce qui empêche la vis de tourner. Si la vis est fixée à la charge, celle-ci ne peut pas non plus tourner.

Côté réducteur (produit avec dispositif anti-rotation intégré) : on utilise soit une rainure traversant complètement la vis avec une clavette comme contre-partie, soit, en alternative, un bloc carré vissé à l’arrière de la vis, et le tube de protection est alors réalisé en forme carrée.

La vitesse d’un moteur asynchrone triphasé dépend de la fréquence du réseau électrique : plus la fréquence est élevée, plus le moteur tourne vite.

La vitesse nominale à 50 Hz est :

  1. moteur 2 pôles : 3000 tr/min
  2. moteur 4 pôles : 1500 tr/min
  3. moteur 6 pôles : 1000 tr/min
  4. moteur 8 pôles : 750 tr/min

Cela dépend du cycle de fonctionnement et des conditions d’exploitation. En général, tous les 500 courses doubles.

0 à MAX mm. Des incréments au millimètre près peuvent être réalisés.

Lubrification par graisse dans le réducteur : jusqu’à 1500 tr/min ; au-delà de 1500 tr/min et jusqu’à 3000 tr/min, graisse fluide ou lubrification à l’huile.

Il est possible de monter des interrupteurs de fin de course mécaniques, magnétiques ou inductifs. Une préparation pour vos propres capteurs est également possible. Veuillez noter qu’il n’est pas possible d’implémenter une coupure en fin de course sur les vérins à vis en version à écrou mobile.

Une vue d’ensemble détaillée se trouve au début de chaque chapitre sur les vérins à vis dans notre catalogue. Voici un exemple pour les vérins à vis cubiques :

Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Pour les vérins à vis lubrifiés à la graisse, la position d’installation peut être choisie librement. Pour les vérins à vis lubrifiés à l’huile, l’orientation de la ventilation doit être respectée.

Plus la vis est épaisse, plus le dispositif anti-rotation par rainure et clavette devient complexe. Règle générale : pour une vis jusqu’à 40 mm, un dispositif anti-rotation par rainure et clavette est judicieux ; à partir de 55 mm, il vaut mieux opter pour un dispositif avec tube carré et bloc carré.

C’est possible à court terme, mais cela entraîne une diminution de la durée de vie supérieure à la normale.

  1. Les réducteurs standard avec vis trapézoïdale standard atteignent un rendement de 25 à 35 %.
  2. En augmentant le pas, le filetage glisse plus facilement, ce qui améliore le rendement.
  3. La combinaison avec une vis à billes peut permettre d’atteindre un rendement allant jusqu’à 50 %.
  4. La meilleure combinaison : vérin à vis à roue conique avec vis à billes, ce qui permet d’atteindre plus de 80 %.

Oui, pour les vérins à vis équipés de vis à billes ou à rouleaux, il est possible de calculer la durée de vie. Pour les vis trapézoïdales, aucun calcul de durée de vie n’est possible.

La puissance requise dépend de la charge et de la vitesse de levage. Il est recommandé de prévoir une marge de 30 % par rapport à la puissance nécessaire pour l’entraînement. Le vérin à vis doit être utilisé dans les limites maximales indiquées, qui dépendent de la version et de la taille. Voici, à titre d’exemple, les limites de puissance pour les vérins à vis cubiques : Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

L’utilisation de vis à billes est judicieuse lorsque :

  1. la puissance absorbée est trop élevée avec des vis trapézoïdales,
  2. une vitesse de levage plus élevée est souhaitée,
  3. une précision plus grande est requise.

Le jeu axial d’une vis trapézoïdale est généralement compris entre 0,1 et 0,3 mm. Lorsque le jeu axial atteint ¼ du profil trapézoïdal, il est recommandé de remplacer l’écrou trapézoïdal.

Même si les forces latérales réduisent fortement la durée de vie des vérins à vis, il est possible d’en absorber dans certaines limites. Vous trouverez ici une base correspondante : Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

La vis fixe effectue un mouvement relatif grâce à la rotation de la roue sans fin, tandis que la vis tournante crée un mouvement relatif pour l’écrou mobile. Les avantages et inconvénients dépendent de l’espace disponible dans votre système de levage.

Oui, chaque taille (indépendamment du type de vérin à vis) offre deux niveaux de réduction (→ normal et lent). L’exception concerne les vérins à vis à roue conique : ici, les démultiplications possibles sont 1:1, 2:1 et 3:1.

La rallonge de vis définit une longueur supplémentaire par rapport à la version standard lorsque le vérin est en position rentrée.

Exemple : vous avez besoin d’un mouvement effectif de 100 mm, mais il faut franchir 400 mm entre le point de départ et le réducteur. Dans ce cas, nous prolongeons la vis de 400 mm, ce qui donne une longueur totale de 500 mm en position sortie.

Des codeurs peuvent être montés sur le moteur ou sur la vis sans fin pour une surveillance permanente.

Si seule la position des fins de course est importante, des interrupteurs de fin de course peuvent détecter les positions souhaitées.

Dans les vérins de levage, nous utilisons également souvent des potentiomètres, qui renvoient une certaine valeur de résistance pouvant être lue par le système de commande.

Oui, la protection correspondante peut être assurée par une peinture ou par l'utilisation de matériaux inoxydables.

Oui, la fonction de levage et de déplacement peut être assurée par tout élément de levage mécanique.

Cette exécution utilise un tube supplémentaire monté sur l’écrou mobile pour protéger la vis. L’exécution à tube de poussée désigne ainsi un vérin de levage modifié sur la base d’un vérin à vis.

Graisse de classe NLGI 1 ou 2, adaptée aux paliers lisses et roulants fortement sollicités. Il faut veiller à la compatibilité avec le lubrifiant déjà en place. L’élément déterminant est de savoir si la graisse est fabriquée sur une base minérale ou synthétique.

La quantité de lubrifiant dépend de la taille et du type de vérin à vis. Vous trouverez les données correspondantes dans notre catalogue complet. Voici, à titre d’exemple, celles pour nos vérins à vis cubiques :

Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Dans les applications avec des exigences de sécurité élevées, deux mécanismes de maintien indépendants peuvent être nécessaires. Il peut s’agir d’un auto-blocage dynamique combiné à un frein moteur, ou bien d’un double frein indépendant commandé sur le moteur triphasé.

La vis peut être protégée par un soufflet ou un ressort hélicoïdal.

Oui. Les tensions courantes sont 24 V CC, 230 V CA et 400 V CA. D’autres tensions en courant continu ou alternatif sont disponibles sur demande.

La marge de sécurité peut être augmentée ou réduite. En cas de réduction, il faut veiller lors de l’utilisation de l’installation qu’un blocage de course soit dans tous les cas exclu.

Pour l’extrémité de la vis, le programme standard propose les options suivantes : extrémité filetée, tête articulée, tête à rotule, plaque de bride, plaque de bride avec palier, tenon. Les dimensions correspondantes se trouvent dans Gesamtkatalog 2023 (grob-antriebstechnik.de)

Un dispositif anti-dévissage (AS) empêche la vis de levage de tomber accidentellement dans une version de base. Il ne sert pas de butée mécanique !

  1. Pont électronique : si chaque élément de levage de l’installation est entraîné par un moteur, un pont électronique peut être réalisé à l’aide de codeurs.
  2. Éléments de liaison mécaniques : plus sûrs et moins coûteux, les arbres de liaison et les boîtes de distribution peuvent connecter tous les éléments de levage d’une installation entre eux.

Oui, l’utilisation de matériaux inox est une pratique courante pour les environnements exposés à des milieux agressifs.

L’élément moteur, généralement un moteur triphasé, ne s’arrête pas automatiquement et doit recevoir un signal pour se couper. Ce signal peut être généré par des interrupteurs de fin de course, des codeurs, des potentiomètres ou d’autres composants de suivi de déplacement.

Les entraînements mécaniques réagissent très fortement à un mouvement contre une butée fixe. Selon la puissance du moteur, un blocage de course entraîne le plus souvent des dommages au système vis-écrou.

Les points suivants nécessitent impérativement une version lubrifiée à l’huile :

  1. Utilisation en zone à risque d’explosion avec gaz. Un questionnaire ATEX est alors obligatoire.
  2. Vitesse d’entrée de la vis sans fin de 1500 tr/min à 3000 tr/min.

Oui, les vérins à vis et les cylindres MINI peuvent également être utilisés dans certaines limites en zones ATEX.

Questionnaire ATEX | GROB GmbH Antriebstechnik chevron_right

Pour la version à écrou mobile, seules les dimensions de fixation de l’écrou changent.

Pour la version de base avec vis à billes, il peut arriver que le couvercle de palier soit surélevé afin d’accueillir l’écrou à billes dans le réducteur.

Oui, les vis filetées peuvent également être fabriquées en acier inoxydable.

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