Un nouvel accouplement atténue les vibrations dans les moteurs à faibles émissions

Afin de répondre à la demande croissante de réduction de l'empreinte carbone des grues et autres équipements lourds, les constructeurs installent des moteurs diesel Stage V/Tier 4 plus économes et plus performants, fonctionnant à un régime de ralenti plus bas avec un couple élevé et produisant moins d'émissions de CO2 grâce à leur faible consommation de carburant. Bien que plus respectueux de l'environnement, ces moteurs à forte densité de puissance produisent des niveaux de vibrations beaucoup plus élevés, notamment au ralenti en raison d'une résonance harmonique importante.

Dr. Hasan Mahamudul (Dr. Maha), directeur de la R&D chez Regal Rexnord, et ingénieur en chef à l'origine du concept et de la conception de l'accouplement CENTAFLEX-TIR. (Photo : Eason Photography)

« Des vibrations plus élevées sont toujours mauvaises, car elles font souffrir tout le reste, de l'entraînement de la pompe aux boîtes de vitesses en passant par les roulements », a déclaré Rene Klimach, ingénieur et chef de produit chez Regal Rexnord, un fournisseur de solutions de groupes motopropulseurs basé aux États-Unis.

Les accouplements sont essentiels pour atténuer les vibrations de torsion des moteurs et garantir la fiabilité des composants du groupe motopropulseur. Cependant, la plupart des accouplements flexibles sont trop rigides dynamiquement pour les moteurs Stage V/Tier 4, explique Regal Rexnord, ce qui les oblige à fonctionner à des régimes de ralenti plus élevés pour éviter les surcharges, protéger les équipements et garantir la disponibilité, ce qui annule leurs avantages en termes d'efficacité.

Le site allemand du fabricant de grues Tadano s'est trouvé confronté à un tel défi lorsqu'il a choisi de collaborer avec son fournisseur de moteurs pour repenser la transmission d'un grand modèle de grue sur chenilles à flèche en treillis. Le régime de ralenti plus faible du moteur Stage V (jusqu'à 600 tr/min) et les vibrations plus élevées risquaient d'accélérer l'usure des composants essentiels du groupe motopropulseur, tels que les boîtes de vitesses et les roulements.

La plupart des accouplements n'étant pas conçus pour des vitesses inférieures à 750 tr/min, Tadano a contacté les ingénieurs de Regal Rexnord pour trouver une solution.

Renforcer le contrôle des vibrations

Cette solution s'est avérée être le CENTAFLEX-TIR (TIR), un accouplement à rouleaux de nouvelle génération avec des caractéristiques de torsion progressives douces qui, selon Regal Rexnord, peut servir à de nombreuses applications complexes dans l'agriculture, la construction, la marine, les carrières, ainsi que les groupes électrogènes à vitesses variables.

« Le CENTAFLEX-TIR agit comme un élément amortisseur entre le moteur et les organes entraînés, absorbant efficacement une part importante des vibrations », explique Klimach. « Cela permet à l'ensemble du système de fonctionner à des régimes de ralenti plus bas en cas de forte demande de couple, ce qui se traduit par une réduction de la consommation de carburant et des émissions de CO2. »

L'accouplement est doté d'une conception à rouleaux à deux étages et de chambres modifiées qui assurent un glissement en douceur des rouleaux en caoutchouc. (Photo : Regal Rexnord)

À première vue, le TIR n'a rien de très nouveau, les dimensions disponibles et les matériaux utilisés étant quasiment identiques à ceux des précédents raccords. Mais contrairement aux raccords flexibles traditionnels, le TIR est équipé de deux rangées de rouleaux en caoutchouc flexibles au lieu d'une seule.

Le Dr Hasan Mahamudul (Dr. Maha), directeur de la R&D chez Regal Rexnord et ingénieur en chef à l'origine de l'idée et de la conception de l'accouplement CENTAFLEX-TIR, a déclaré que cette conception à rouleaux à deux étages permet au nouvel accouplement « d'absorber encore plus de vibrations sans surchauffer, augmentant ainsi sa perte de puissance admissible et améliorant les vibrations et la durée de vie des composants du système. »

Des chambres modifiées assurent un glissement fluide des rouleaux. « Lorsque vous utilisez un moteur à bas régime, ces rouleaux en caoutchouc glissent uniquement dans leur chambre », explique le Dr Maha. « Il n'y a donc aucune résonance dans la transmission. Grâce à sa souplesse, elle est totalement exempte de résonance et le pic de résonance majeur est décalé à bas régime. »

Selon Regal Rexnord, cette conception permet également une amélioration de 80 % de la capacité de charge thermique à des couples alternatifs plus élevés par rapport à son prédécesseur. Une augmentation correspondante de 80 % de la perte de puissance admissible garantit une absorption efficace des vibrations, évitant ainsi la surcharge de l'accouplement et les pics de couple alternatifs dans le groupe motopropulseur.

De plus, la capacité de l'accouplement à faire varier sa rigidité dynamique en fonction des variations du couple moyen est beaucoup plus fluide et plus souple que celle des conceptions conventionnelles, a souligné le Dr Maha. « Alors que les conceptions conventionnelles deviennent progressivement plus rigides à mesure que le couple augmente, l'accouplement CF-TIR conserve une rigidité plus souple, même sous un couple moyen élevé. »

En conséquence, le TIR offre la souplesse de torsion nécessaire pour résister à des régimes de ralenti de 525 à 625 tr/min, qui sont courants parmi les moteurs diesel Stage V/Tier 4.

Réduction des coûts et des émissions

Le Dr Maha décrit le TIR comme « une solution très compétitive en termes de coût et de conception très simple ». Pourtant, il a le potentiel d'influencer de nombreux aspects de la conception et de l'application des machines.

Grâce à l'accouplement TIR, l'entreprise affirme que les équipementiers pourraient réduire la taille de leurs boîtes de vitesses. Le Dr Maha a indiqué que son équipe travaille actuellement sur un projet pilote avec un client pour prolonger la durée de vie des boîtes de vitesses. « Mais les progrès sont lents, car les vibrations sont si faibles avec cet accouplement qu'ils envisagent d'utiliser une boîte de vitesses [plus petite]. »

Il a été démontré que le CENTAFLEX-TIR amortit les fortes vibrations de torsion, permettant aux moteurs Stage V/Tier 4 de fonctionner à des régimes de ralenti plus bas. (Photo : Regal Rexnord)

Une telle mesure permettrait de réaliser des économies de poids et d’améliorer l’efficacité globale, générant ainsi des économies de coûts au niveau du système.

D'autres économies sont également envisageables. Après son installation sur le prototype de grue sur chenilles à flèche treillis Tadano, une analyse des vibrations de torsion a montré que l'accouplement TIR réduisait significativement les vibrations du système et abaissait le régime de ralenti de 750 à 650 tr/min. Cela a entraîné une baisse moyenne de la consommation de diesel de 0,7 litre/heure. Avec deux moteurs sur la grue, on estime que cela permettra d'économiser jusqu'à 1 092 litres de diesel par an, soit une économie annuelle pouvant atteindre 1 900 dollars (1 750 euros).

« L'attelage est largement rentabilisé, rien que par les économies de carburant », a déclaré Klimach. « En un an, le retour sur investissement est atteint. C'est intéressant pour l'utilisateur final : les économies sont plus importantes, car le moteur tourne au ralenti moins longtemps. »

Il y a aussi les avantages environnementaux. On estime que la grue permettra de réduire les émissions de CO2 de 2,89 kg par an.

« En consommant moins de carburant sur le terrain, on réduit les émissions de CO2 », a déclaré Klimach. « Et dans cette application particulière, on parle d'environ 2,8 tonnes d'émissions de CO2 par an, ce qui est très intéressant pour le constructeur d'équipement d'origine (OEM) compte tenu des émissions moyennes de sa flotte. »

En résumé, Klimach a déclaré : « Je pense que nous avons une proposition de valeur très claire avec cette innovation de produit. »

Note de l'éditeur : Le projet de grue Tadano de Regal Rexnord a été finaliste pour l'application de produit hors route de l'année 2024 des Power Progress Summit Awards.