La tige d'un vérin hydraulique peut céder même lorsque le vérin fonctionne en dessous de sa pression nominale si, à l'état déployé, elle est trop fine par rapport à la charge de compression et aux conditions de montage. Ce risque prend toute son importance dans le cas des vérins à longue course, où la tige se comporte de plus en plus comme une colonne de compression à mesure qu'elle se déploie. Il est possible d'éviter le flambage de la tige en choisissant un diamètre de tige adéquat, en limitant la longueur effective non appuyée, en veillant à ce que la charge soit alignée avec l'axe du vérin, en optant pour un montage approprié et en vérifiant la résistance de la tige à la charge de compression maximale prévue, en prévoyant une marge de sécurité suffisante.
Qu'est-ce que le flambage de la tige d'un vérin hydraulique ?
Le flambage d'une tige de piston est une instabilité structurelle pouvant survenir lorsqu'une tige de piston longue et élancée est soumise à une compression. Au lieu de se comprimer simplement le long de son axe central, la tige commence à se déformer latéralement et peut se plier brusquement lorsque la charge de compression approche de sa capacité critique de flambage.
Ce phénomène diffère de la flexion ordinaire d'une tige provoquée par une charge latérale externe ou un choc. Une tige de piston peut être parfaitement droite et soumise à une charge axiale, mais devenir néanmoins instable si elle est trop longue et trop mince par rapport à la compression appliquée.
Research notes that column failure or rod buckling can occur when cylinder stroke becomes too long relative to rod diameter. Its cylinder design guidance therefore treats piston rod diameter, stroke and mounting condition together rather than selecting the rod only from hydraulic force.
Le flambage est principalement un problème de course de poussée. Lorsque la tige de piston est soumise à une charge de traction, elle ne se déforme pas de la même manière ; toutefois, la résistance à la traction, le filetage, les raccords d'extrémité de la tige et les éléments de fixation doivent tout de même supporter cette charge.
Pourquoi les vérins à longue course présentent-ils un risque de flambage plus élevé ?
À mesure qu'un vérin hydraulique s'étend, une partie de plus en plus importante de la tige de piston se retrouve sans appui à l'extérieur du vérin. Plus cette section sans appui s'allonge, plus la tige a tendance à fléchir latéralement sous l'effet de la compression.
La relation classique d'Euler sur le flambage permet d'expliquer ce phénomène :
Charge critique de flambage ∝ EI / (KL)²
où E représente la rigidité du matériau, I représente le moment d'inertie de la section de la tige, L est la longueur effective non soutenue, et K reflète la manière dont les extrémités de la tige et du cylindre sont soutenues.
Sur le plan pratique, il est important de noter que la capacité de flambage diminue rapidement à mesure que la longueur effective augmente. Si la longueur effective non appuyée double, la charge critique théorique d'Euler diminue considérablement. La méthodologie de conception des vérins de Bosch Rexroth prend également en compte le type de montage, l'élancement, la contrainte de compression, la contrainte de flexion et la déviation de la tige lors de l'évaluation du flambage de la tige de piston.
Le diamètre de la tige a l'effet inverse. Dans le cas d'une tige ronde pleine, la propriété de la section liée au flambage augmente fortement avec le diamètre ; ainsi, l'augmentation du diamètre de la tige peut améliorer considérablement la stabilité de la colonne.
C'est pourquoi un diamètre de tige tout à fait adapté à un vérin à course courte peut ne pas convenir à un vérin beaucoup plus long produisant la même force hydraulique.
Quels sont les facteurs qui augmentent le risque de flambage de la tige de piston ?
Le diamètre de la tige et la course sont des paramètres importants, mais ce ne sont pas les seuls. Dans un vérin hydraulique réel, le risque de flambage dépend de l'ensemble du système mécanique.
| Facteur | Incidence sur le risque de flambage |
|---|---|
| Diamètre de tige plus petit | Réduit la rigidité de la colonne |
| Longueur non soutenue plus importante | Augmente considérablement le risque de flambage |
| Force de compression plus élevée | Augmente la charge sur la tige |
| Conditions de montage défavorables | Peut augmenter la longueur de flambage effective |
| Mauvais alignement de la charge | Ajoute une contrainte de flexion à la contrainte de compression |
| Chargement latéral | Éloigne la tige de son axe central |
| Structure flexible de la machine | Peut entraîner un désalignement sous charge |
| Longue course en extension maximale | Correspond généralement à l'état le plus grave |
Diamètre de la tige
Une tige de diamètre insuffisant présente une rigidité à la flexion plus faible et une résistance moindre à l'instabilité de colonne. Le choix du diamètre de la tige en se basant uniquement sur la résistance à la traction ou sur les dimensions standard disponibles peut donc s'avérer trompeur dans les applications de poussée à longue course.
La tige doit être vérifiée par rapport à la force de compression maximale prévue en service, en tenant compte de la pression réelle, de la charge externe et de la géométrie de la machine.
Longueur effective non prise en charge
La longueur effective n'est pas toujours identique à la course nominale du vérin. Les points de fixation, le guidage de l'extrémité de la tige, l'emplacement du pivot et la conception du vérin influent sur la longueur effective de la colonne.
Some application engineering guidance uses different effective length relationships for different mounting and guidance arrangements, which shows why the same bore, rod and stroke can have different buckling limits depending on how the cylinder is installed.
Conditions de montage
Un vérin fixe correctement guidé se comporte différemment d'un vérin monté sur pivot doté d'une tige longue non soutenue. Le type de montage influe sur la manière dont la tige et le vérin peuvent pivoter, fléchir ou rester contraints sous charge.
C'est l'une des raisons pour lesquelles il convient de vérifier le flambage de la tige de piston en même temps que le Type de fixation du vérin hydraulique, plutôt que comme un simple calcul du diamètre d'une tige.
Votre guide de montage actuel précise déjà que le fait de modifier l'emplacement du support ou du pivot peut modifier la longueur effective de la tige non soutenue et, par conséquent, influencer la résistance au flambage.
Désalignement et charge latérale
Une tige conçue pour supporter une compression axiale peut devenir beaucoup plus vulnérable lorsque la charge n'est pas alignée avec l'axe du cylindre.
Un mauvais alignement des goupilles, des bagues usées, une déformation du châssis, une géométrie inadéquate des supports ou une charge non guidée vers l'extérieur peuvent générer des contraintes de flexion en plus des contraintes de compression. Parker précise expressément que les tiges de vérins standard ne sont généralement pas conçues pour absorber des moments de flexion importants ou des charges perpendiculaires à l'axe de la tige.
Une tige peut donc céder plus tôt que ne le laisse supposer un simple calcul de flambage idéal si la machine réelle génère des charges latérales.
En quoi le mode de fixation influe-t-il sur le flambage des tiges ?
Le mode de montage détermine la manière dont le vérin transmet la force à la machine et l'efficacité avec laquelle la tige est soutenue lors de son extension.
Un vérin monté sur bride, soumis à une charge externe bien guidée, peut se comporter de manière très différente d’un long vérin monté sur pivot agissant par l’intermédiaire d’une tringlerie articulée. Même si les deux vérins génèrent la même force et utilisent le même diamètre de tige, leurs conditions effectives de flambage peuvent être différentes.
Les vérins montés sur pivot nécessitent une attention particulière, car l'angle du vérin varie au fur et à mesure que le mécanisme se déplace. La force exercée par la tige doit rester proche de l'axe du vérin tout au long de la course. Si les points de pivot sont mal placés ou si la tringlerie sort du plan, la tige peut être soumise à la fois à une compression et à une flexion.
Les vérins à montage fixe nécessitent également un alignement précis. Une bride rigide ne protège pas la tige si la charge entraînée peut se déplacer latéralement.
La conception du système de fixation doit donc répondre à deux questions distinctes :
La tige est-elle suffisamment épaisse pour résister au flambage axial ?
et :
La machine guide-t-elle suffisamment bien la charge pour éviter toute flexion supplémentaire et toute charge latérale ?
Ces deux conditions doivent être remplies.
Comment choisir le diamètre de la tige d'un vérin à longue course ?
Le diamètre de la tige ne doit pas être choisi uniquement en fonction du diamètre intérieur ou de la pression du cylindre.
La première étape consiste à déterminer la force de compression maximale prévue pendant la course de poussée. Le concepteur doit ensuite tenir compte de la course maximale, du mode de montage, de la longueur effective non appuyée, du matériau de la tige et de toute flexion supplémentaire due à la géométrie de la machine.
Il est alors possible de se référer aux tableaux de sélection des tiges fournis par le fabricant ou de recourir à un calcul technique de flambage pour vérifier la tige choisie. Parker, par exemple, recommande expressément de suivre les données de sélection des tiges de piston afin d’éviter tout flambage, plutôt que de partir du principe qu’une tige adaptée à une configuration de cylindre l’est automatiquement à une autre.
La condition critique correspond souvent à la situation où le vérin est en extension maximale ou presque, sous une charge de compression maximale.
Pour les équipements sur mesure, il est également utile de se demander si la machine réelle est susceptible d'être soumise à des pics de pression, à des charges dynamiques ou à des positions défavorables des articulations, susceptibles de générer une force de compression supérieure à celle indiquée par le calcul de la charge nominale.
Il convient donc d'appliquer une marge de sécurité appropriée, en fonction de la méthode technique du fabricant du vérin, des risques liés à l'application et des exigences de conception applicables, plutôt que de se fonder uniquement sur la valeur théorique d'Euler.
Comment éviter le flambage des barres ?
La solution la plus simple consiste souvent à augmenter le diamètre de la tige de piston. Une tige plus épaisse offre une résistance nettement supérieure à la déviation latérale et peut supporter une charge de compression plus élevée pour une même longueur non appuyée.
Cependant, augmenter le diamètre de la tige n'est pas la seule solution.
La réduction de la longueur effective non soutenue peut également améliorer considérablement la stabilité. Des modifications apportées au montage du vérin, au guidage de la tige ou à la géométrie de la machine peuvent permettre de réduire la longueur effective de la colonne sans nécessiter une tige inutilement longue.
La charge externe doit également être correctement guidée. Des rails, des roulements, des glissières ou des articulations de la machine doivent contrôler la trajectoire de déplacement afin que le vérin hydraulique transmette principalement une force axiale plutôt que de servir de guide structurel pour l'ensemble du mécanisme.
Pour certaines applications à grande course, un tube d'arrêt peut être recommandé. Un tube d'arrêt augmente la distance entre le piston et le support de palier de tige lorsque le vérin est en extension, ce qui contribue à réduire les charges sur les paliers et le risque de pliage en accordéon dans les configurations à longue course. Le guide d'application de Parker associe des recommandations relatives aux tubes d'arrêt à des vérifications du diamètre de la tige de piston pour certaines configurations de montage à longue course.
Un tube d'arrêt ne doit toutefois pas être considéré comme un substitut universel à une tige de piston de dimensions adéquates. Le diamètre de la tige, sa longueur effective et son montage doivent tout de même garantir la stabilité requise de la colonne.
Le meilleur design allie généralement :
Diamètre adéquat de la tige → Longueur effective appropriée → Montage correct → Alignement de la charge axiale → Guidage de la charge externe
plutôt que d'essayer de pallier les faiblesses d'une conception à l'aide d'une seule mesure.
Conclusion
Le flambage de la tige d'un vérin hydraulique se produit lorsqu'une tige de piston soumise à une compression devient structurellement instable avant que le matériau de la tige n'atteigne nécessairement une simple limite de résistance à la compression. Une course longue, un petit diamètre de tige, une force de compression élevée, un montage défavorable et un mauvais alignement sont autant de facteurs qui augmentent ce risque.
Le moyen le plus efficace d'éviter le flambage de la tige consiste à choisir le diamètre de celle-ci et le mode de fixation en fonction de la charge de compression maximale et de la longueur effective non soutenue, tout en veillant à ce que le vérin et la charge externe soient parfaitement alignés. Il convient de vérifier spécifiquement le risque de flambage des vérins à longue course, plutôt que de partir du principe qu'une tige choisie uniquement en fonction du diamètre d'alésage ou de la pression est suffisante.
L'augmentation du diamètre de la tige, l'amélioration du guidage externe, la réduction de la longueur effective non soutenue, la correction de la géométrie de montage et l'utilisation de tubes d'arrêt lorsque cela est approprié peuvent toutes contribuer à une conception plus stable.
Pour les applications OEM, Aisoar Hydraulics peut développer vérins hydrauliques sur mesure avec un diamètre de tige, une course, un mode de fixation et une configuration structurelle adaptés à la charge de compression réelle et à la géométrie de la machine.
Questions fréquemment posées
Q : Le flambage de la tige d'un vérin hydraulique correspond-il à une tige de piston tordue ?
A : Non. Le flambage est une instabilité due principalement à une compression axiale exercée sur une tige élancée. Une tige de piston peut également se déformer sous l'effet d'une charge latérale, d'un choc ou d'un désalignement. Dans les équipements réels, la compression et la charge latérale peuvent se produire simultanément, ce qui aggrave la défaillance.
Q : Une tige de piston peut-elle se déformer même si la pression hydraulique est inférieure à la pression nominale du vérin ?
A : Oui. La pression nominale et la capacité de flambage de la tige constituent des limites de conception distinctes. Un vérin peut rester dans les limites de sa pression hydraulique nominale alors même qu’une tige longue et mince n’est pas adaptée à la charge de compression et à sa longueur effective non soutenue.
Q : Une tige de piston plus grande permet-elle toujours de résoudre les problèmes de flambage ?
A : Une tige plus épaisse améliore généralement la résistance au flambage, mais elle ne permet pas de pallier un montage défectueux, des charges latérales importantes ou une géométrie incorrecte de la machine. Il convient d'évaluer l'ensemble du chemin de charge.
Q : Les vérins hydrauliques soumis à une traction doivent-ils faire l'objet d'un contrôle de flambage ?
A : Le flambage est principalement lié à la compression. Une tige soumise à une charge de traction pure ne flambera pas de la même manière, même s'il convient tout de même de vérifier la résistance à la traction de la tige, ses filetages, ses raccords d'extrémité et ses fixations.
Q : Qu'est-ce qu'un tube d'arrêt dans un vérin hydraulique à longue course ?
A : Un tube d'arrêt est une entretoise interne utilisée dans certaines conceptions de vérins à longue course afin d'augmenter la distance entre le piston et le support du palier de tige lorsque le vérin est en position étendue. Il permet de réduire les charges sur les paliers et d'améliorer la stabilité, mais son utilisation doit respecter la méthode de conception du fabricant du vérin et ne doit pas se substituer au dimensionnement correct de la tige.
