Dans les systèmes mécaniques, la transmission de puissance entre des arbres qui se croisent présente souvent des défis de conception. Les engrenages à onglet sont la solution à ce problème, car ces engrenages coniques spécialisés sont conçus pour transférer le mouvement, généralement à un angle de 90 degrés, en maintenant la même vitesse de rotation.
Ce guide complet se penchera sur les caractéristiques des engrenages à onglet, en les comparant à d'autres types d'engrenages. Nous explorerons plus en détail les différentes variantes d'engrenages à onglet, leurs paramètres de conception spécifiques, leurs matériaux, leurs avantages et leurs limites. De plus, nous aborderons les applications typiques, les mécanismes de défaillance et les processus de fabrication.
Que sont les engrenages à onglet
Les engrenages coniques à denture droite sont un type particulier d'engrenages coniques où les arbres se croisent à angle droit et le rapport de transmission est de 1:1. Les dents de ces engrenages sont taillées à un angle de 45 degrés par rapport à la face de la roue. Cette géométrie unique leur permet de transmettre le mouvement et la puissance entre deux arbres perpendiculaires.
Les engrenages à onglet fonctionnent toujours par paires avec une géométrie identique et un nombre égal de dents. Le rapport de démultiplication 1:1 signifie que pour chaque rotation de l'engrenage à onglet moteur, l'engrenage à onglet entraîné effectuera également une rotation. Cela permet aux engrenages à onglet de changer le sens de rotation de 90 degrés sans modifier la vitesse ou la force de rotation.
Les angles de pression les plus courants pour les engrenages coniques sont de 20 et 25 degrés. L'angle de pression correspond à l'angle entre la ligne d'action (la direction de la force entre les engrenages en prise) et la tangente au cercle primitif. Un angle de pression plus élevé permet un engrenage plus puissant et plus efficace, mais exige des tolérances de fabrication plus strictes.
Caractéristiques des engrenages à onglet
- Angle d'arbre à 90 degrés:Le but premier des engrenages à onglet est de transmettre la puissance entre des arbres orientés à angle droit l'un par rapport à l'autre. Cela les distingue des autres types d'engrenages coniques.
- 1: rapport de réduction 1:Les engrenages à onglet ont toujours un nombre égal de dents et donc un rapport de démultiplication de 1:1. L'engrenage mené tourne à la même vitesse que l'engrenage menant.
- Dents à 45 degrés:Pour permettre un engrènement fluide à un angle d'arbre de 90 degrés, les dents des engrenages à onglet sont coupées à un angle de 45 degrés par rapport à la face de l'engrenage.
- Paires d'engrenages identiques:Les engrenages à onglet fonctionnent toujours par paires appariées. Les deux engrenages appariés ont la même taille, le même pas, le même angle de pression et le même nombre de dents.
- Charges de poussée équilibrées:La géométrie symétrique à 45 degrés permet d'équilibrer les charges axiales de poussée entre les deux engrenages correspondants. Cela permet de réduire l'usure des roulements par rapport aux autres engrenages coniques.
- Format compact:Avec le rapport 1:1 et les arbres perpendiculaires, les assemblages d'engrenages à onglet sont très compacts par rapport aux autres types d'engrenages permettant d'obtenir le même résultat. Cela les rend idéaux pour les applications à espace restreint.
- Vitesses et charges modérées:Les engrenages à onglet sont généralement utilisés pour des applications à vitesse et charge modérées. À des vitesses très élevées ou des charges extrêmes, le maillage à 90 degrés peut subir plus de frottements de glissement et d'usure que les autres types d'engrenages.
Engrenages à onglets et autres engrenages
| Caractéristique | Mitre | Éperon | Hélicoïdal | Ver | Crémaillère et pignon |
|---|---|---|---|---|---|
| Angle de l'arbre | 90 ° | 0 ° | 0-90 ° | 90 ° | 90 ° |
| Rapport de démultiplication typique | 1:1 | 1: 1 + | 1: 1 + | 5:1 – 75:1 | 1: 1 + |
| Charges de poussée | Équilibré | Aucun | axial | axial | Aucun |
| Efficacité | Haute | Haute | Haute | Modérée | Haute |
| Forces relatives | Bon | Édition | Bon | Très élevé | Édition |
| Vitesses relatives | Modérée | Haute | Haute | Low | Haute |
| Douceur/Silence | Modérée | Rugueux | Très bien | Très bien | Rugueux |
Types d'engrenages à onglets
Les engrenages à onglet sont disponibles en plusieurs variantes, chacune avec des caractéristiques uniques adaptées à différentes applications. Les principaux types sont :
Engrenages à onglet à dents droites
Les engrenages à onglet à dents droites ont des dents coupées directement sur la face de l'engrenage. Il s'agit du type d'engrenage à onglet le plus simple et il est généralement utilisé dans les applications à faible vitesse et à faible charge. Les engrenages à onglet à dents droites sont plus faciles à fabriquer que les autres types, ce qui en fait un choix rentable. Cependant, ils peuvent être bruyants pendant le fonctionnement et ont une capacité de charge limitée.
Engrenages à onglet à dents en spirale
Les engrenages à onglet à dents hélicoïdales ont des dents courbées qui forment un motif en spirale sur la face de l'engrenage. L'angle en spirale des dents permet un engagement progressif, ce qui se traduit par un fonctionnement plus fluide et plus silencieux par rapport aux engrenages à onglet à dents droites. Les engrenages à onglet à dents hélicoïdales peuvent supporter des charges et des vitesses plus élevées, ce qui les rend adaptés aux applications plus exigeantes. Cependant, ils sont plus complexes à fabriquer et donc plus chers.
Engrenages à onglet Zerol
Les engrenages à onglet Zerol sont un type spécial d'engrenage à onglet à dents en spirale dont l'angle de spirale est de zéro degré. Cela signifie que les dents sont droites, mais qu'elles sont inclinées dans la direction opposée sur chaque moitié de la face de l'engrenage. Les engrenages à onglet Zerol offrent un compromis entre la simplicité des engrenages à dents droites et le bon fonctionnement des engrenages à dents en spirale. Ils peuvent supporter des charges et des vitesses modérées tout en offrant un fonctionnement plus silencieux que les engrenages à dents droites.
Engrenages à onglet angulaires
Les engrenages à onglet angulaires, également appelés engrenages coniques, ont une surface de pas en forme de cône et des dents droites ou en spirale. Contrairement aux autres engrenages à onglet qui ont généralement un rapport de démultiplication de 1:1, les engrenages à onglet angulaires peuvent avoir différents rapports en fonction de l'angle entre les arbres qui se croisent. Les engrenages à onglet angulaires sont utilisés lorsque les arbres ne sont pas perpendiculaires et que des rapports de vitesse différents sont requis entre les arbres d'entrée et de sortie.
Tableau récapitulatif comparant tous les types d'engrenages à onglet
| Type de vitesse | Forme de dent | Capacité de charge | Capacité de vitesse | Niveau de bruit | Complexité de la production |
|---|---|---|---|---|---|
| Dent droite | Cheveux lisses | Low | Low | Haute | Low |
| Dent en spirale | Courbe | Haute | Haute | Low | Haute |
| Zérol | Droit, Coudé | Modérée | Modérée | Modérée | Modérée |
| Angulaire | Droit ou courbé | Variable | Variable | Variable | Haute |
Matériaux courants pour engrenages à onglet
Les engrenages à onglet peuvent être fabriqués à partir de divers matériaux en fonction des exigences de l'application. Certains matériaux courants comprennent :
- Acier: L'acier est le matériau le plus courant pour les engrenages à onglet en raison de sa grande résistance, de sa durabilité et de sa résistance à l'usure. Différentes nuances d'acier, telles que les aciers à faible teneur en carbone, à haute teneur en carbone et alliés, peuvent être utilisées en fonction des exigences spécifiques.
- Acier Inoxydable:Les engrenages à onglet en acier inoxydable sont utilisés dans des environnements corrosifs ou des applications qui nécessitent une propreté élevée, telles que la transformation des aliments ou les équipements médicaux.
- Laiton:Les engrenages à onglet en laiton sont souvent utilisés dans les applications à faible charge et à faible vitesse où la résistance à la corrosion et l'esthétique sont importantes. Ils ont une bonne usinabilité et assurent un fonctionnement fluide.
- Plastique:Les engrenages à onglet en plastique, comme le nylon ou l'acétal, sont légers et ont de bonnes propriétés autolubrifiantes. Ils conviennent aux applications à faible charge et peuvent fonctionner silencieusement.
- Métal en poudre:Les engrenages à onglet en métal pulvérisé sont formés par compression et frittage de poudres métalliques. Ils offrent une bonne précision dimensionnelle et peuvent être produits en série de manière rentable.
Considérations relatives à la conception des engrenages à onglet
Lors de la conception d'engrenages à onglet, plusieurs facteurs clés doivent être pris en compte pour garantir des performances et une longévité optimales.
Paramètres de conception clés
- Contrecoup: Le jeu correspond à la quantité de jeu entre les dents des engrenages correspondants. Il est nécessaire de tenir compte des tolérances de fabrication et de la dilatation thermique. Un jeu trop important peut provoquer du bruit et des vibrations, tandis qu'un jeu trop faible peut entraîner une usure prématurée.
- Angle de pression:L'angle de pression est l'angle entre le profil de la dent et une ligne perpendiculaire au cercle primitif. Les angles de pression standard pour les engrenages à onglet sont de 14.5°, 20° et 25°. Des angles de pression plus élevés offrent une plus grande capacité de charge, mais peuvent être plus sensibles au désalignement.
- Module:Le module est le rapport entre le diamètre primitif et le nombre de dents. Il détermine la taille des dents de l'engrenage et affecte la capacité de charge. Des modules plus grands donnent des dents plus solides mais augmentent également la taille globale de l'engrenage.
- Profil de la dentLe profil de la dent désigne la forme des dents d'une roue dentée. Les profils en développante sont les plus courants, car ils offrent des rapports de vitesse constants et sont moins sensibles aux variations d'entraxe. Les profils cycloïdes et octoïdes sont utilisés dans des applications spécifiques.
Capacité de charge
La capacité de charge des engrenages à onglet dépend de facteurs tels que le matériau, la taille des dents et la vitesse. Les concepteurs d'engrenages doivent tenir compte des contraintes maximales admissibles dans les dents de l'engrenage et garantir un facteur de sécurité approprié. Une surcharge peut provoquer une usure prématurée des dents, des piqûres ou une rupture.
Charges de poussée
Les engrenages à onglet génèrent des charges axiales de poussée en raison de l'action de glissement entre les dents. Ces charges de poussée doivent être correctement supportées par des roulements pour éviter tout désalignement des engrenages et assurer un fonctionnement fluide. Des roulements de poussée ou des roulements à contact oblique sont couramment utilisés.
Support de roulement
Un support de roulement adéquat est essentiel pour les performances des engrenages à onglet. Les roulements doivent être dimensionnés pour résister aux charges radiales et de poussée générées par les engrenages. Un support de roulement insuffisant peut entraîner un mauvais alignement des engrenages, une usure accrue et une défaillance prématurée.
Alignement
L'alignement précis des engrenages à onglet est essentiel pour une transmission de puissance efficace et une usure réduite. Un mauvais alignement peut entraîner une répartition inégale de la charge, ce qui entraîne une augmentation du bruit, des vibrations et des dommages aux dents. Les carters d'engrenage et les surfaces de montage doivent être conçus pour maintenir un alignement correct dans les conditions de fonctionnement.
Avantages des engrenages à onglet
- Format compact:Les engrenages à onglet ont un encombrement plus petit par rapport aux autres configurations d'engrenages à angle droit, ce qui les rend idéaux pour les applications à espace restreint.
- Haute efficacité:Lorsqu'ils sont correctement conçus et fabriqués, les engrenages à onglet peuvent transmettre de la puissance avec une efficacité allant jusqu'à 98 %, minimisant ainsi les pertes d'énergie.
- Un fonctionnement en douceur:L'action conjuguée des dents de l'engrenage à onglet permet un fonctionnement fluide et silencieux, particulièrement important dans les environnements sensibles au bruit.
- Capacité bidirectionnelle:Les engrenages à onglet peuvent transmettre la puissance dans les deux sens, offrant ainsi une flexibilité dans la conception des machines.
Inconvénients des engrenages à onglet
- Rapports de vitesse limités:Les engrenages à onglet sont généralement limités à des rapports de vitesse de 6:1 ou moins en raison de contraintes géométriques et de défis de fabrication pour des rapports élevés.
- Charges de poussée:L'orientation angulaire des engrenages à onglet génère des charges de poussée axiales qui doivent être supportées par des roulements ou d'autres structures de support, ajoutant de la complexité à la conception.
- Sensibilité d'alignement:Un alignement précis est essentiel pour que les engrenages à onglet fonctionnent correctement et évitent une usure prématurée. Un mauvais alignement peut entraîner une augmentation du bruit, des vibrations et une réduction de la durée de vie des engrenages.
- Coût plus élevé:La géométrie complexe et les tolérances serrées requises pour les engrenages à onglet entraînent souvent des coûts de fabrication plus élevés par rapport aux types d'engrenages plus simples.
- Capacité de charge réduiteLes engrenages coniques ont généralement une capacité de charge inférieure à celle des engrenages droits ou hélicoïdaux de taille similaire en raison de la surface de contact réduite entre les dents des engrenages.
Applications des engrenages à onglet
- Outils électroportatifs:Les engrenages à onglet sont couramment utilisés dans les outils électriques portatifs tels que les perceuses, les scies et les meuleuses pour transmettre la puissance du moteur à la tête de l'outil à angle droit.
- Systèmes automobiles:Dans les véhicules, les engrenages à onglet sont utilisés dans les systèmes de direction, les différentiels et les boîtes de transfert pour changer le sens de transmission de puissance.
- Mécanismes aérospatiaux:Les engrenages à onglet trouvent des applications dans les systèmes de contrôle des aéronefs, les actionneurs et les liaisons mécaniques où une transmission de puissance compacte à angle droit est requise.
- Robotique:Les engrenages à onglet sont utilisés dans les bras robotisés, les poignets et les effecteurs terminaux pour fournir des capacités de mouvement rotatif et de positionnement précises.
- Machinerie industrielle:Les engrenages à onglet sont utilisés dans diverses machines industrielles telles que les équipements d'emballage, les machines textiles et les presses à imprimer pour la transmission de puissance et la synchronisation des pièces mobiles.
Mécanismes de défaillance courants
- L'usure des dents:Usure progressive des surfaces des dents des engrenages due au contact glissant et roulant, entraînant une augmentation du jeu et une réduction de l'efficacité de la transmission au fil du temps.
- Piqûres:Formation de petites cavités sur les surfaces des dents des engrenages causée par des contacts répétés à forte contrainte et par la fatigue, fragilisant les dents de l'engrenage et pouvant entraîner leur rupture.
- Scoring:Usure adhésive sévère caractérisée par des rainures profondes ou des rayures sur les surfaces des dents des engrenages, souvent causées par une lubrification inadéquate ou des charges excessives.
- Fracture:Rupture soudaine des dents d'un engrenage due à une surcharge, un impact ou une fatigue, entraînant une défaillance immédiate de l'engrenage et des dommages potentiels aux composants environnants.
Procédés de fabrication d'engrenages à onglet
Usinage
- Taillage:Une méthode de fabrication courante où une fraise-mère (un outil de coupe avec des dents hélicoïdales) est utilisée pour couper progressivement les dents de l'engrenage dans une ébauche, produisant des profils d'engrenage précis et cohérents.
- Façonner:Une machine à façonner les engrenages utilise une fraise alternative pour façonner les dents de l'engrenage en retirant progressivement de la matière de l'ébauche, adaptée aux petites séries de production ou aux engrenages personnalisés.
- Fraisage:Les dents d'engrenage peuvent être coupées à l'aide d'une fraiseuse équipée d'un outil de coupe d'engrenage spécialisé, offrant une flexibilité pour le prototype ou la production en faible volume.
- Meulage:Après la coupe initiale, les dents des engrenages sont souvent rectifiées à l'aide de meules abrasives pour obtenir des profils de dents précis, une finition de surface améliorée et des tolérances serrées.
Casting
Les engrenages à onglet peuvent être fabriqués par des procédés de moulage tels que le moulage à la cire perdue ou le moulage au sable, où le métal fondu est versé dans une cavité de moule ayant la forme de l'engrenage souhaité. Le moulage convient aux engrenages plus grands ou aux formes complexes, mais entraîne généralement une précision et une résistance inférieures à celles des engrenages usinés.
La métallurgie des poudres
La métallurgie des poudres consiste à compacter la poudre métallique pour lui donner la forme de l'engrenage, puis à la fritter à haute température pour lier les particules entre elles. Ce procédé permet de produire des engrenages aux propriétés matérielles uniques et peut être rentable pour la production en grande série d'engrenages de petite et moyenne taille.
