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Sommaire :
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Généralités |
Le complément indispensable du tour à métaux est naturellement la scie à ruban horizontale (ou la fraise-scie...). Cette machine outil peut être un modèle professionnel d'occasion, ou une petite machine chinoise pour la plupart de amateurs. Dans ce dernier cas, il faut bien sûr s'attendre à une qualité médiocre. Après avoir lu ce post sur le forum métallo de Cyberbricoleur.com, et le moment de remplacer l'huile du réducteur étant arrivé, c'est avec une certaine inquiétude que je m'y suis mis...
La machine dont il est question ici n'est pas un modèle courant, et n'est manifestement pas distribuée en France. C'est le modèle EBS 128C de la marque Bernardo. Elle est bien sûr fabriquée en Chine, peut-être par Shangaï Sumore Industrial Co. (voir ici). Sa capacité est un peu plus importante que celle des scies les plus courantes chez les amateurs, elle est équipée d'un vérin de descente automatique, et la base est montée sur pivot (contrairement aux modèles meilleur marché munis d'un étau orientable). Elle (ou un de ses clones) est distribuée par Grizzly sous la référence G9742.
Capacité pour les coupes à 90° : 125 mm de hauteur par 150 mm de largeur. Moyennant une modification mineure, elle pourra passer à 200 mm de largeur pour des pièces peu épaisses. Les 125 mm de hauteur dépendent de la hauteur disponible dans l'archet, et il n'est bien sûr pas possible d'y changer quoi que ce soit.
Bernardo EBS128C
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Vidange et surprises |
Ce genre de petite scie, comme les modèles à vocation industrielle, est muni d'un réducteur à vis sans fin. Mais contrairement aux modèles haut de gamme, le réducteur n'est pas scellé et lubrifié à vie. Il faut donc de temps en temps penser à en remplacer l'huile.
Le réducteur, dont le carter est intégré à la fonderie de l'archet, est dépourvu d'orifice de vidange. Il faut donc incliner la scie avant de vider l'huile par aspiration.
Préparation à la vidange
Quatre vis maintiennent le couvercle. Une fois déposé, il suffit d'une seringue pour vider le carter de son huile sans en mettre partout.
Deux constatations immédiates :
- l'huile est très épaisse. C'est manifestement de la SAE140. Elle sent fort le soufre.
- elle est chargée en particules de bronze provenant de la roue creuse.
Vidange à la seringue
L'huile est chargée !
Trois constatations supplémentaires une fois le carter vidé :
- comme signalé sur la discussion du forum Cyberbricoleur citée plus haut, la roue creuse (le "pignon") ne semble pas alignée correctement
- elle présente des taches révélatrices de l'action du soufre sur le bronze
- la surface de la vis sans fin ne présente pas un finition parfaite. Elle n'a pas l'aspect poli que l'on pourrait s'attendre à trouver. C'est cependant loin d'être brut d'usinage (aucune trace), mais sa rectification a dû être sommaire. Elle n'est de toute évidence pas cémentée.
Vis sans fin et roue creuse
La conception semble curieuse : en examinant rapidement le mécanisme, et en consultant la notice, la roue creuse n'est pas calée axialement, mais juste immobilisée en translation par une vis sans tête appuyant sur la clavette. Il va falloir remédier à cela, et régler correctement l'alignement. Donc, dépose de tout ce qui gêne (poulies, protection, moteur).
Les roulements de la vis sans fin accrochent. Ça ne tourne pas correctement...
Couvercle de la vis sans fin
Couvercle de l'axe de la roue creuse (il faut déposer le volant)
Une nouvelle surprise. Après dépose des couvercles, impossible de sortir les axes. Pourtant, s'agissant d'axes tournants et chargés, les roulements devraient être montés serrés sur les arbres, et libres dans les alésages. Il n'en est rien.
Donc il va falloir sortir marteau, jets, et... burin !
L'axe de la roue creuse vient sans trop de difficultés, après desserrage de la vis sans tête de la roue. Quelques coups de marteau sur un jet, et ça sort. Naturellement, les roulements en prennent pour leur grade !
Axe de la roue creuse
L'axe étant sorti, on peut examiner la roue creuse de plus près. On voit nettement où se situe le contact de ses dents avec la vis sans fin. Et on peut s'extasier sur les compétences et la qualité du travail de celui qui a réalisé ce montage !
Les traces d'usure montrent que le contact était limité au bord de la roue. Les profils ne se correspondaient pas. Ceci, associé à un état de surface de la vis imparfait, explique l'usure et les particules de bronze dans l'huile. Normalement, les traces devraient être centrées... On voit également les traces d'oxydation du bronze (au sens chimique du terme - réactions d'oxydoréduction) par le soufre de l'huile (taches noirâtres).
Usure de la roue creuse
La vis sans fin est plus difficile à extraire. Un burin sert de coin pour la chasser.
Un burin sert de coin
Ça vient petit à petit en empilant des cales... Ça va bientôt être le moment de se rafraîchir !
Burin et cales
Victoire !
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Réducteur à vis sans fin |
Il y a de quoi être stupéfait par la stupidité d'un tel assemblage.
- les roulements devraient être glissants dans leurs alésages.
- il est plus que délicat de réaliser le montage sans endommager les roulements dès cette étape.
- le démontage est obligatoirement destructeur pour les roulements
- tous les roulements sont des modèles à billes et contact radial (des 6202 étanches, chinois bien sûr et sans doute de très mauvaise qualité). Compte, tenu de la puissance, du couple transmis, et de la composante axiale des efforts sur la vis sans fin, on aurait dû trouver des roulements à rouleaux coniques.
Donc, quelques recherches dans les catalogues en ligne des fabricants de réducteurs orthogonaux à vis sans fin : à partir d'environ 100 à 200 W, le montage de la vis sans fin s'effectue souvent non plus avec des roulements à billes radiaux, mais avec des roulements à rouleaux coniques. Et ici, la réduction est de 1 à 20 (un filet, 20 dents), avec un moteur de 550 W (3/4 ch., 4 pôles donc 1400 trs/mn).
Le site de Grizzly est une mine d'or quand on cherche à se documenter sur des machines : toutes les documentations y sont en ligne, et la gamme est très large, des petites à vocation hobby, jusqu'aux grosses à destination professionnelle. Seules ces dernières sont équipées de réducteurs sérieux, avec boîte de vitesse ou poulies variables. Toutes les autres scies sont montées comme celle dont il est question ici.
Conclusion : il faut faire quelque chose. Il ne doit pas être bien difficile, ni bien cher, de faire mieux.
Première chose : relever toutes les cotes du réducteur afin de le modéliser et de réfléchir à une solution.
Modèle
Voici comment est conçu le réducteur.
Pour la vis sans fin, deux roulements à billes à contact radial étanches sont enfilés sur l'axe, avec entre eux une entretoise et un joint spi. Le roulement le plus proche de la vis est immobilisé axialement contre elle par un circlip. Le tout est monté en force dans l'alésage. Peut être en chauffant ce dernier pour le dilater, ou encore à coups de masse ou à la presse.
Compte tenu du sens de rotation, l'effort axial lors du fonctionnement se fait de dedans en dehors, contre le couvercle.
Assemblage de la vis sans fin
Côté roue creuse, même chose. Quelques différences cependant :
- le circlip est contre le roulement extérieur
- la position du volant entraînant la lame est fixée par une entretoise
Assemblage de la roue creuse
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Reconception du réducteur |
Il faut "reprendre" les efforts axiaux de la vis sans fin. Il n'est pas possible d'utiliser des roulements à rouleaux coniques par manque de place. Ce seront donc des roulements à billes à contacts obliques, supportant mieux une charge axiale. La solution consistant à associer une butée à billes à des roulements radiaux a été écartée également par manque de place : compte tenu du couple de déversement (la courroie tire sur la poulie, et la vis tend à être chassée de la roue), les roulements doivent être montés aussi éloignés que possible l'un de l'autre.
Je n'ai pas cherché à vérifier le bon dimensionnement du montage. Il me manque au moins un paramètre : le coefficient de frottement de la vis contre la roue creuse. Dans tous les cas, ça ne peut pas être pire qu'un montage avec roulements radiaux !
Quelques calculs rapides...
Pour le lecteur intéressé, une mine d'informations : RoyMech. Ce qui concerne les réducteurs à vis sans fin est ici.
Couples en entrée et en sortie. Le moteur fait 0.55 kW. Sa vitesse de rotation est de 1400 trs/mn. Le couple nominal est donc C = P / w, w étant la vitesse de rotation en rad / s, P la puissance en W, C le couple en N.m. Donc C = 550 / 1400 / 60 * 2 * pi. Le couple du moteur est donc de 3.75 Nm. En se basant sur les poulies moyennes (rapport 1 : 1), et un effort à fournir maximum, la vis subit 3.75 Nm.
Module 2, angle d'hélice = 4°34, angle de pression = 20 °, diamètre primitif = 40 mm
Effort tangentiel sur la vis = effort axial sur la roue creuse :
Fwt = Fga = 2 * M1 / d1
M1 = couple appliqué à la vis (3.75 Nm)
d1 = diamètre primitif de la vis (40 mm)
Fwt = Fga = 2 * 3.75 / 0.04 = 187.5 N
Effort axial sur la vis = effort tangentiel sur la roue creuse :
Fwa = Fgt = Fwt * [ (cos ?n - ? * tan ? ) / (cos ?n * tan ? + ? ) ]
?n = angle de pression (20°)
µ = coefficient de friction ; on va prendre zéro (le pire)
? = angle du filet de la vis = 4°34
Fwa = Fgt = Fwt * [ (cos ?n - ? * tan ? ) / (cos ?n * tan ? + ? ) ]
Fwa = Fgt = Fwt * [ cos(20°) / (cos(20°) * tan(4°34) ) ] = Fwt / tan (4.34°) = 187.5 / 0.076 = 2467 N !!! soit près de 250 Kgf (250 daN)
2467 N !!! soit près de 250 Kgf (250 daN)
Pour les roulements, le site de FAG-INA. La documentation des roulements 7202 est ici. On pourra s'amuser à faire le calcul de durée de vie théorique avec les C, Co, les paramètres de correction prenant en compte la force appliquée axialement, et comparer avec la durée de vie de roulements à contact radial dans les mêmes conditions. Je ne l'ai pas fait, mais tout y est expliqué.
Le montage sera fait serré sur l'arbre, et glissant dans l'alésage. Un des deux roulements devra être immobilisé en translation, et un réglage de jeu devra être prévu. Les documentations indiquent un jeu nul et jusqu'à une précharge de 6 à 8 µm pour des roulements de type 7202 (mêmes dimensions que les 6202 d'origine). Il vaut mieux trop de précharge que du jeu. En fait, il en va bien sûr de la santé des roulements, mais aussi de celle de la roue creuse qui n'apprécierait sans doute pas d'être "attaquée" en biais.
Le dépositaire FAG / Timken local m'a prévenu de la difficulté d'obtenir des roulements obliques étanches. Ils sont au catalogue FAG, mais il faut les commander, pas courants, délais, etc. Va pour des roulements ordinaires. Ceci pose deux problèmes :
- contamination par les particules de bronze qui ne manqueront pas de polluer l'huile
- ils ne baigneront pas en permanence dans l'huile : ils sont situés trop haut. Il faudra donc de temps en temps penser à relever complètement l'archet après utilisation pour permettre à l'huile - très épaisse - d'y accéder.
Les pièces et modifications :
- remplacement de la paire de roulements 6202 par une paire de 7202
- usinage d'une gorge pour circlip de diamètre 35 mm (épaisseur 1.5 mm) au fond de l'alésage. Pour ce faire, il est donc nécessaire de concevoir un outil spécifique.
- usinage d'un couvercle recevant un joint spi
- perçage et taraudage de l'extrémité de l'axe afin de maintenir roulements et entretoises bien serrés les uns contre les autres
Nouvelle conception pour la vis sans fin
Pour l'axe de la roue creuse, des roulements radiaux étanches seront utilisés. Ils seront montés serrés sur l'arbre, glissants dans l'alésage. Il faut pouvoir immobiliser un des deux roulements en translation : sa bague extérieure sera serrée entre un circlip et une extension du couvercle servant également de logement pour la bague extérieure du deuxième roulement. Ce deuxième roulement sera un peu plus petit : 6002 au lieu de 6202. Le volant de la scie servira de "référence" à l'assemblage. Sa position sera déterminée par rapport au carter (position de la lame). Un ensemble d'entretoises calera les éléments les uns contre les autres. A l'autre extrémité, la position de la roue creuse sera fixée par une cale d'épaisseur (valeur à déterminer après réglage par marqueur coloré), et serrée par une vis. Ici, une vis à tête fraisée appuyant sur une rondelle épaulée et fraisée de façon à ne pas risquer d'interférence avec le couvercle du réducteur (la place est comptée).
Il aurait été possible de faire le contraire (roulement extérieur immobilisé), et d'utiliser alors deux 6202. Mais la gorge de circlip aurait dû être usinée dans une position plus "difficile". Voir plus bas. Mais il est préférable d'immobiliser le roulement le plus proche du point d'application de l'effort axial. Ce "point" d'application est la roue creuse.
Un lien utile : Technologie et Mécanique, et plus particulièrement les cours en ligne sur les guidages en rotation.
Les pièces et modifications :
- remplacement de la paire de roulements 6202 par un 6202 et un 6002
- usinage d'une gorge pour circlip de diamètre 35 mm (épaisseur 1.5 mm) au fond de l'alésage.
- usinage d'un couvercle recevant un joint spi et servant à caler le premier roulement, et de logement au deuxième
- perçage et taraudage de l'extrémité de l'axe, côté roue creuse, afin de maintenir roulements et entretoises bien serrés les uns contre les autres
Nouvelle conception de l'axe de la roue creuse
Un détail important : le roulement extérieur, logé dans le couvercle, ne doit pas être chargé axialement. Il doit donc exister un petit espace entre bague extérieure et fond de l'alésage du couvercle. Voir cercles rouges.
Jeu au fond du logement pour le roulement extérieur
Le budget (pharaonique) :
- deux roulements FAG 7202 à 8.95 ? HT la pièce
- un roulement FAG 6002 étanche à 2.51 ? HT la pièce
- un roulement FAG 6202 étanche : déjà en stock, prix du même ordre que celui du 6002
- deux circlips d'intérieur diamètre 35 mm à 0.02 ? HT la pièce
- deux joints spi nitrile 20 x 30 x 7 à 2.00 ? HT l'unité
TOTAL : moins de 35 ? TTC, soit le prix d'une lame neuve... et le plaisir d'avoir trouvé un sujet de bidouille.
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Outil pour usiner les gorges de circlips |
Placer des ciclips dans les alésages suppose de disposer d'une fraiseuse de bonne taille. D'où l'idée de créer et essayer un outil à gorges manuel. Un cylindre d'acier porte-grain. Ce cylindre fera le diamètre de l'alésage. L'extrémité portant le grain sera plus petit de 0.5 mm afin de ménager une zone de dégagement pour les copeaux. Une vis permettra de pousser le grain : avec du M4, le pas est de 0.7 mm. Donc en la tournant de un tour et demi, il creusera une gorge de 1 mm de profondeur. Pour un circlip de 35 mm, la gorge doit faire 1.6 mm de large, 1 mm de profondeur, et être située au moins à 3 mm du bord.
Outil manuel pour gorges de circlips
Les têtes des vis bloquant le grain ne doivent pas toucher ce dernier directement. Des douilles seront interposées. En effet, si le contact est direct, la rotation des vis a tendance à le déplacer.
Détail de l'assemblage
L'outil est percé et taraudé pour recevoir une vis M10. Une rondelle épaulée servira à se caler sur la surface rectifiée (extérieure) des alésages.
L'outil complet
Détail du porte grain
Le grain est taillé dans un barreau d'acier HSS carré de 6 mm de côté. Il y a des dépouilles sur toutes les faces.
Barreau taillé
L'utilisation est simple. Les écrous sont serrés sur la tige filetée autour de la rondelle épaulée de façon à ce que le grain se trouve à environ 3 mm de l'autre extrémité de l'alésage. Les trois vis de blocage sont desserrées. La vis sans tête est serrée jusqu'à ce que le grain entre en contact avec la paroi de l'alésage, puis les trois vis sont resserrées. Rotation de quelques tours, et on recommence la séquence. Au total, en faisant effectuer un tour et demi à la vis sans tête, la gorge fera 1 mm de profondeur. Au début, il faut bien plaquer la rondelle épaulée contre le bord en appuyant fort tout en tournant. Une fois la première passe effectuée, le grain creuse son sillon et y reste.
Positionnement de l'outil
En principe, on ne lubrifie pas pour tailler de la fonte. En pratique, l'ajustement étant relativement serré, il a fallu un peu d'huile pour pouvoir faire tourner l'outil.
L'espace est compté pour passer la clé Allen : il faut se servir soit d'une clé Allen "à boule", soit en couper une qui puisse passer entre la face fraisée et la paroi de l'alésage.
Le grain en action
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Réalisation |
Aucune cote n'est donnée pour les pièces à usiner : elles dépendent de la scie et de la position précise de la gorge.
Après avoir usiné les gorges à circlips, trois coups de taraud 1/4" bien placés faciliteront vidanges et remplissages futurs.
Il faut également élargir les alésages. Naturellement, on ne dispose pas d'une aléseuse pour effectuer le travail. Trois techniques ont été testées :
- la première consiste à enlever un peu de matière sur les bagues extérieures des vieux roulements. Ils sont enfilés sur une tige filetée et serrées par des écrous. Ils sont ensuite enduits de pâte à roder et... ça prend des heures pour gagner 1/10 de mm.
- la deuxième est plus sauvage : meuleuse pneumatique droite avec de la toile émeri enroulée autour
- la troisième est carrément gore : meuleuse pneumatique et meule ! Plus rapide. Il n'y a que 0.1 mm à gagner
Je n'ai pas eu le courage de concevoir et utiliser un alésoir à main au diamètre 35 mm. Mais c'est a priori faisable sans trop de difficultés.
Attention cependant : il ne faut pas perdre de vue que les roulements à contact oblique n'aiment pas les défauts d'alignement. Voir documentation pour l'angle de déversement toléré.
Orifice de vidange n°2 (permettra de vider ce qui est à droite du bossage)
Orifice de remplissage et de vidange n°1
Orifice de mise à l'air libre, indispensable compte tenu de la viscosité de l'huile
L'extrémité de la vis sans fin est percée et taraudée à M10. C'est grâce à une vis que roulements et entretoises seront immobilisés en translation.
Taraudage de la vis sans fin
De même pour l'axe de la roue creuse afin de bloquer cette dernière en place une fois sa position déterminée.
Taraudage de l'axe de la roue creuse
Pour le logement de roulement du couvercle de l'axe de roue creuse, c'est un roulement qui sert de tampon : il doit juste glisser, sans jeu.
Alésage du couvercle d'axe de roue creuse
Les couvercles et leurs joints spi
L'axe de la roue creuse, ses roulements et entretoises, et le couvercle avec son joint spi
Il faut que le couvercle vienne se poser sur le roulement n°1 sans avoir à forcer. Il ne faut en effet aucune précharge sur le roulement qui se trouve dedans (roulements à contact radial).
Essai de l'assemblage de la roue creuse
Vis sans fin, roulements, entretoises et couvercle
Vis sans fin, assemblée
Pour déterminer l'épaisseur de la rondelle de réglage des roulements à contact oblique de la vis sans fin, on pourrait penser à utiliser un comparateur, et mesurer le jeu sous le couvercle... Mauvaise idée ! Le jeu radial important des roulements non chargés perturbe considérablement la mesure. On évalue donc ce jeu, puis on taille une rondelle plus épaisse que la mesure.
Évaluation du jeu axial de la vis sans fin
Il est très facile de tailler des rondelles de précision si l'on dispose d'un bon outil de tronçonnage à plaquettes.
Taille d'une rondelle de précision
Ici, 2.00 mm visés, et 2.00 mm obtenus.
Précision obtenue avec un outil de qualité...
Une rondelle d'épaisseur supérieure à ce qui est nécessaire est placée entre roulement et couvercle.
Rondelle de calage
La rondelle étant trop épaisse, il existe un espace entre carter et couvercle (il faut serrer pour venir au contact, sans plus). On peut ainsi déterminer à 0.05 mm près l'épaisseur à retirer. En fait, il vaudra mieux faire une rondelle un poil plus mince, puis re mesurer le jeu au comparateur afin de réaliser une troisième rondelle, définitive celle-là. En effet, les roulementiers prescrivent une précharge de l'ordre du centième seulement, ce qui n'est pas du tout du même ordre de grandeur que ce qui est mesurable à partir de cales d'épaisseur.
Bref, il n'est pas très facile de faire un réglage dans les règles de l'art, et il est peu probable que le résultat soit atteint avec la précision souhaitée. Il faut aussi relativiser un peu : la machine ne tournera pas 24H / 24, loin s'en faut. Le tout est de juste supprimer le jeu axial sans trop forcer sur les roulements, et basta !
Mesure à l'aide de cales d'épaisseur
Deuxième opération délicate : la détermination de la meilleure position de la roue creuse. Normalement, on se sert d'un colorant gras (bleu d'ajusteur). Y'a pas. Alors, plan B : l'encre de traçage est assez fragile. La roue va en être enduite, puis sera tournée plusieurs fois grâce à la vis sans fin. La couche d'encre sera usée par le contact, et il sera ainsi possible de visualiser les positions relatives. La roue creuse se monte en frottement un peu dur sur son axe. Une vis sert à l'enfoncer pour l'amener à la position souhaitée.
Marqueur coloré
Le problème est qu'à chaque fois il faut :
- colorer la roue
- la laisser sécher
- la mettre en place
- mettre en place la vis sans fin
- faire tourner
- observer (pas facile de bien y voir dans le carter)
- déposer la vis sans fin
- sortir la roue creuse après avoir noté sa position précise par rapport à l'extrémité de son axe
- etc.
Essai
Bref, un vrai pensum... Mais on y arrive. Il ne reste qu'à tailler une entretoise de la bonne épaisseur.
Trace bien centrée
L'ensemble est prêt à être monté. Les perçages et fraisages faits à la main (pas de diviseur...) sont assez immondes.
Photo de famille
Au passage, amélioration de la fixation du carter de courroie : à l'origine, une seule vis le fixait à ce niveau. Trois trous oblongs pour en régler l'orientation, et il est désormais bien serré entre le nouveau couvercle de la vis sans fin et l'ancien, dont les trous ont été fraisés (nécessaire car peu de hauteur disponible).
Fixation du carter des poulies
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Lubrification |
La lubrification des réducteurs à vis sans fin est un sujet qui fait l'objet de très nombreuses discussions sur les forums consacrés à la motoculture et aux véhicules anciens (ponts à vis des Peugeot). Soufre et bronze font mauvais ménage, c'est bien connu. GL2 ou GL4 ? La GL5 est elle plus méchante que la GL4 ? etc.
Après une brève discussion, de visu, avec un chimiste spécialisé en métallurgie, il est ressorti deux choses :
- les bronzes n'ont pas tous la même sensibilité aux additifs EP thiophosphatés ("soufre + phosphore") présents dans les huiles
- les huiles GL4 et GL5 ne sont pas toutes aussi agressives vis à vis des bronzes : le chimiste doit faire en sorte que le soufre ne puisse pas se trouver à l'état ionisé, et cela dépend des molécules auxquelles il est intégré
Et en effet, on trouve bien, sur les Land Rover, du bronze dans des organes lubrifiés à la GL5 : sur Range Rover et autres, les demi arbres intérieurs et les joints homocinétiques tournent sur des paliers bronze alors que la préconisation est GL5...
Ceci dit, pourquoi prendre un risque, ou vouloir à tout prix mettre dans une scie une huile EP GL4 ou GL5, alors qu'il existe des huiles, les GL2, spécialement formulées pour le type de réducteur dont elles sont équipées ? Mystère !
En vente dans tous les magasins spécialisés en motoculture, et dans toutes les concessions Peugeot, pour peu qu'un des mécanos connaisse les modèles anciens (et ait des clients qui en possèdent).
Une huile répondant à la norme GL2 : la TVR de chez Minerva
L'oricice de remplissage / vidange sert à remplir à la seringue...
Remplissage à la seringue
Les roulements obliques montés sur la vis sans fin n'étant pas étanches et lubrifiés à vie, il faut qu'ils puissent recevoir du lubrifiant. Ils existent chez FAG, mais chez SKF les flasques sont réservés aux roulements à double rangée.
L'huile ne peut arriver jusqu'aux roulements de la vis sans fin que scie verticale. Ceci impose de régulièrement laisser l'archet relevé. Il est nécessaire d'amener le niveau au moins jusqu'au trait rouge. Le perçage / taraudage du trou a été fait un peu trop haut !
Il est peut être un peu risqué de considérer que les graisser une fois pour toutes est suffisant.
Niveau mniimum compte tenu des roulements de la vis sans fin
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