Qu'est-ce que la vibration de torsion?
Les vibrations de torsion sont dues à des déséquilibres dans les systèmes en rotation, tels que le désalignement d'un arbre en rotation ou un couplage faible qui permet de petits mouvements non désirés le long de l'axe de rotation. Les pièces sont conçues pour tourner à une vitesse constante ou, parfois, pour accélérer ou ralentir. Moins il y a de vibrations brusques ou aléatoires dans une pièce en rotation pendant le fonctionnement, plus sa durée de vie est longue. De nombreux composants de torsion sont conçus avec des matériaux pouvant résister à des dommages de torsion à long terme, également appelés fatigue de torsion. Sans essais adéquats sous charge vibratoire, les pièces en rotation risquent de se fendre, de manière catastrophique, de causer des dommages périphériques, voire de tuer l'opérateur de la machine.
Les tiges rotatives, qui font généralement partie d'un groupe motopropulseur, telles que les arbres de transmission, les arbres à cames, les vilebrequins, les arbres d'entraînement et les broches, sont soumises à des vibrations de torsion lorsqu'elles transmettent de l'énergie à partir d'un dispositif générateur. De tels arbres tournants sont construits en matériaux ductiles, tels que des métaux qui ont une plus grande résistance à la rupture - résistance à la fissuration. Les pièces métalliques en rotation échouent par une fissuration lente de la surface, là où les contraintes de torsion sont les plus fortes et où les fissures sont les plus faciles à identifier. Des fissures peuvent également se former à partir d'accouplements en rotation, à partir de défauts de surface à l'intérieur des trous de fixation. Les fissures terminales aux surfaces de rupture se développent dans un plan approximatif perpendiculaire à la longueur de l’arbre en rotation et autour de l’axe central.
Un exemple simple de vibration de torsion est un panneau de signalisation dans un vent constant. Les fixations et supports qui maintiennent les panneaux dans des conditions normales ne sont pas conçus pour résister aux mouvements de rotation. Lors d'une tempête, les panneaux de signalisation vont et viennent dans le vent sous l'influence de vibrations en torsion. Même de très grandes enseignes peuvent être arrachées de leurs amarres, devenant des éclats d'obus pour les imprudents pris dans un ouragan.
Des vibrations de torsion peuvent se produire avec des géométries de résonance spécifiques de l'arbre ou lorsque les vitesses de rotation sont élevées, dépassant une certaine valeur limite. À ce stade, la rotation autour de l'axe de l'arbre devient dynamiquement instable et des vibrations dommageables s'ensuivent. Ces vibrations aléatoires, en contradiction avec le mouvement continu normal de l’arbre, ouvrent des fissures dans le métal et sont les principales causes de défaillance des pièces en rotation.
Si une partie d'un composant rotatif mince, par exemple une aube de turbine, subit une défaillance catastrophique d'une fissure traversante, cela peut entraîner des déséquilibres plus importants susceptibles de détruire des systèmes d'alimentation entiers. La raison pour laquelle les vibrations de torsion sont difficiles à prendre en compte est qu’il est compliqué d’appliquer des charges de torsion périodiques pendant les essais. Aujourd'hui, les arbres sont conçus avec des outils analytiques pour optimiser la longueur et le diamètre des arbres afin de minimiser les vibrations de torsion.