Guide de calcul et de sélection des charnières à couple : Formules et normes

Les charnières à couple (également connues sous le nom de charnières à friction ou charnières à butée libre) introduisent un amortissement contrôlable et un couple de maintien dans une articulation rotative. Elles permettent à un couvercle, à un présentoir ou à une porte de conserver sa position à n'importe quel angle sans retour de ressort, ce qui garantit une sensation constante lors de l'ouverture et de la fermeture.

Dans les ordinateurs portables, les portes de service des équipements industriels, les bras d'affichage médical et les instruments de précision, ces charnières ont une incidence directe sur la qualité de l'interface homme-machine (IHM), la durée de vie du produit et la sécurité.

Ce guide complet fournit des méthodes pratiques de calcul du couple, un processus de sélection, des informations essentielles sur les matériaux et des références aux normes techniques afin de rationaliser votre processus de conception.

Principes de base des charnières à couple

Définition et signification physique

Couple ($T$) : La force de rotationdéfini comme le produit de la force appliquée et du bras de levier.

• Unité : N-m (Newton-mètre), par ISO 80000-4:2019 les quantités et les unités en mécanique.

Dans une structure articulée, la gravité génère une moment gravitationnel via la distance perpendiculaire entre le centre de gravité du panneau et l'axe de rotation. La paire de frottements internes de la charnière produit un effet de résistance. couple de frottement. L'équilibre entre les deux détermine si la pièce tient sa position.

Couple statique et couple dynamique

Lors du choix d'une charnière, il est essentiel de faire la distinction entre ces deux concepts :

• Couple statique : Le couple nécessaire pour tenir le panneau stationnaire à un angle spécifique contre la gravité. Les calculs de conception se concentrent principalement sur cette valeur.
• Couple dynamique : Le couple nécessaire pour déplacer le panneau (en surmontant l'inertie et le frottement cinétique).
  • Remarque : La graisse amortissante à haute viscosité entraîne généralement un couple dynamique légèrement supérieur au couple statique. Cela permet d'éviter les "rebonds" mais nécessite une force légèrement supérieure de la part de l'utilisateur pour initier le mouvement.

Mécanisme de fonctionnement

À l'intérieur, des plaques de frottement empilées (par exemple, en acier ou en bronze phosphoreux) ou des éléments élastiques précontraints créent un amortissement constant ou quasi-constant.

• Condition de maintien : Quand Couple de frottement ≥ Couple de perturbation externe (Gravité + Vibration), l'angle est "verrouillé" de manière stable.
• Tests pertinents :
  • ISO 4287/4288: Paramètres de rugosité de surface et évaluation.
  • ASTM G99: Essai d'usure broche sur disque pour évaluer la longévité de la paire de frottement.

Classification par forme structurelle

Type	Description	Application typique
Unidirectionnel	Fournit un amortissement principalement dans une direction (par exemple, amortissement à la fermeture, libre à l'ouverture).	Couvercles de maintenance lourde, bacs à chargement par le haut.
Bidirectionnel	Amortissement symétrique dans le sens de l'ouverture et de la fermeture.	Écrans d'ordinateurs portables, moniteurs médicaux, écrans de points de vente.
Indexé (Détente)	"S'enclenche à des angles déterminés (par exemple, 0°, 90°, 180°) pour un retour d'information tactile.	Positionnement industriel, équipement pliable.
Non indexé	Amortissement continu et souple sur toute la course (position infinie).	Électronique grand public, appareils électroménagers haut de gamme.

Paramètres clés pour la sélection des charnières à couple

Quantités de base nécessaires

• Poids ($W$) : En Newtons (N). Formule : $W = Masse (kg) \npar 9,81 m/s²$.
• Bras de levier ($L$) : Le distance perpendiculaire du centre de gravité (COG) à l'axe de rotation (mètres).
• Angle ($\theta$) : L'angle par rapport à la direction de la gravité.
• Nombre de charnières ($n$) : Détermine la part de couple par charnière.

Formule de calcul du couple

L'exigence fondamentale pour un poste d'attente est la suivante :

$$T_{req} = W \times L \times \sin(\theta)$$

Note : $\theta$ représente l'angle où la gravité a un effet de levier maximal. Ce pic se produit presque toujours lorsque le panneau est horizontal ($\sin 90^\circ = 1$).

Formule de calcul (avec facteur de sécurité) :

$$T_{design} = SF \times T_{req}$$

• Facteur de sécurité recommandé (SF) : 1.2 - 1.5 (Tient compte des tolérances de fabrication, des changements de viscosité de la graisse et de l'usure).
• T_design définit votre plage de sélection cible.

Les pièges les plus fréquents

Avertissement :

• Masse et poids : N'utilisez pas directement le Kg. Il faut convertir en Newtons ($kg \ fois 9,81$).
• Centre géométrique et COG : Ne pas supposer que le centre géométrique est le centre de gravité (COG). Pour les panneaux asymétriques, trouver le vrai COG en CAO.
• Le piège horizontal : Le couple maximal requis est déterminé lorsque le bras de levier est le plus long (horizontal). Il faut toujours calculer en fonction de ce scénario le plus défavorable.

Exemples de calcul par application

Écran d'ordinateur portable (léger/précis)

• Conditions : Masse de l'écran 0,45 kg ($W \approx 4,415 N$) ; distance COG $L = 0,10 m$.
• Condition de pointe : Horizontal (ouvert à 90° ou 180° selon la disposition).
• Calcul:$$T_{req} = 4,415 N fois 0,10 m = 0,4415 N\cdot m$$
• Objectif de conception (SF = 1,3):$$T_{design} = 0,4415 fois 1,3 = 0,574 N\cdot m$$
• Sélection : Deux charnières se partagent la charge $\rightarrowrow$ ~0,29 N-m par charnière.

Couvercle de service industriel (usage intensif)

• Conditions : Masse de la couverture en acier 3,0 kg ($W = 29,43 N$) ; distance COG $L = 0,18 m$.
• Calcul:$$T_{req} = 29,43 N fois 0,18 m = 5,30 N\cdot m$$
• Objectif de conception (SF = 1,3):$$T_{design} = 5,30 \ fois 1,3 = \mathbf{6,89 N\cdot m}$$
• Sélection : Deux charnières $\rightarrow$ ~3,45 N-m par charnière.
• Remarque : Pour les environnements vibrants (générateurs, compresseurs), augmenter le SF à 1,5 ou 2,0 pour éviter le "fluage".

Bras d'affichage médical (Multi-Joint)

• Approche : Modéliser chaque articulation indépendamment.
  • Joint A (Base) : Porte le poids total du bras et du présentoir.
  • Joint B (extrémité) : Ne porte que l'affichage.
• Exigence : Les environnements médicaux exigent souvent une compatibilité spécifique avec les matériaux (nettoyeurs) et des contrôles des émissions de particules (salles blanches de classe ISO).

Matériaux et durabilité environnementale

Matériau	Avantages	Risques et notes	Normes connexes
Acier inoxydable (SUS304/316)	Haute résistance et résistance à la corrosion.	Risque d'usure, coût plus élevé.	ISO 9227 (Spray salé) ; ISO 3506 (Fixations)
Alliages d'aluminium (6061/6063)	Léger, extrudable.	Faible dureté de la surface ; nécessite une anodisation.	ISO 7599 (Anodisation) ; ISO 2081 (placage Zn)
Plastiques techniques (POM/PA+GF)	Faible frottement, fonctionnement silencieux, faible coût.	Dérive thermique (baisse du couple sous l'effet de la chaleur), fluage.	UL 94 (Inflammabilité)

Note sur la corrosion : Pour les environnements extérieurs ou chimiques, privilégier l'acier inoxydable 316L ou les revêtements anodiques durs. Vérifier les performances par des essais cycliques à la chaleur humide (IEC 60068-2-30).

Processus de sélection (liste de contrôle)

1. Définir l'orientation : Déterminer la plage de rotation et l'"angle de crête" (là où la gravité agit le plus fort).
2. Calculer le couple maximal : $T_{req} = W \times L_{COG}$.
3. Appliquer le facteur de sécurité : Multipliez par 1,2-1,5 pour obtenir $T_{design}$.
4. Déterminer la répartition de la charge : Diviser par le nombre de charnières ($n$).
5. 5. Sélectionner le modèle: Correspondre à la gamme de couple et au type de courbe (Uni/Bi-directionnel).
6. Vérification du prototype : Tester la "sensation", le jeu et la dérive thermique (-20°C à +60°C).

Guide de dépannage

Enjeu	Cause potentielle	Solution
L'opération semble trop lourde	Précharge trop élevée ; Couple statique $\gg$ Couple dynamique.	Choisissez une courbe dépendant de l'angle ; ajoutez des ressorts d'assistance.
Le couvercle s'affaisse / ne tient pas	Le couple sélectionné était basé sur la masse et non sur le poids ; le SF est trop faible.	Augmenter le niveau de couple ; optimiser le COG.
Sentir les changements de température	Changement de viscosité de la graisse ou expansion plastique.	Utiliser des paires de frottement à faible dérive temporelle ; vérifier par IEC 60068-2-14.
Grincement / Bruit	Phénomène d'adhérence et de glissement ; entrée de débris.	Vérifier la rugosité de la surface ($Ra$) ; améliorer l'étanchéité/la lubrification.

Tableau de conversion des unités de couple

Unité	Conversion en N-m	Note
1 kgf-cm	0,09807 N-m	Fréquent sur les marchés asiatiques
1 kgf-m	9,80665 N-m	Ancienne norme métrique
1 lbf-in	0,11298 N-m	Courant dans l'aérospatiale et l'électronique en Amérique du Nord
1 lbf-ft	1,3558 N-m	Fréquent dans l'industrie lourde américaine

Plages de référence de couple typiques

• Petits appareils électroniques (téléphones/tablettes) : 0,1 - 0,6 N-m
• Ordinateurs portables : 0,4 - 0,8 N-m (par charnière)
• Affichages médicaux/POS : 1,5 - 5,0 N-m
• Armoires industrielles : 5,0 - 15,0 N-m
• Trappes pour machines lourdes : 20,0+ N-m (nécessite généralement des charnières à contrepoids ou des vérins à gaz)

FAQ

Q1 : Dois-je utiliser la masse ou le poids pour la sélection ?

Utilisez toujours le poids (N). Si vous avez la masse ($kg$), calculez $W = kg fois 9,81$.

Q2 : Pourquoi le pic de couple se produit-il généralement à l'horizontale ?

En effet, à 90° (horizontal), le bras de levier de la gravité par rapport à l'axe de la charnière est à sa longueur maximale, ce qui crée le moment gravitationnel le plus élevé.

Q3 : Deux charnières se partagent-elles la charge de manière parfaitement égale ?

Pas parfaitement. Le biais d'assemblage et les différences de frottement entraînent un partage inégal. C'est pourquoi nous appliquons un facteur de sécurité d'au moins 20%.

Q4 : Comment concilier "sensation de légèreté" et "forte tenue" ?

Utiliser une courbe de couple en fonction de l'angle (où le couple n'est plus élevé qu'aux angles de maintien) ou un système composite (charnière à friction + jambe de force à gaz) pour fournir une assistance au levage.