Chaque système d'entraînement industriel présente le même problème d'inadéquation : le moteur tourne à 1 450 ou 1 750 tr/min avec un couple de quelques newtons-mètres ; le convoyeur, le concasseur ou le four nécessite une faible vitesse et un couple élevé.
Un réducteur de vitesse permet de combler cet écart. Son choix dépend du couple, du facteur de service, du montage et de l'environnement, dans cet ordre, et non de l'esthétique du sous-type.
Qu'est-ce qu'un réducteur de vitesse (également appelé réducteur ou réducteur à engrenages) ?
Un réducteur de vitesse est un dispositif mécanique à rapport de transmission — des engrenages en prise dans un carter étanche — qui transforme le couple et la vitesse de sortie d'un moteur à faible couple en un couple et une vitesse de sortie élevés, nécessaires à une machine industrielle. L'arbre d'entrée est relié au moteur ; l'arbre de sortie entraîne la charge.
Dans les spécifications industrielles, les termes réducteur de vitesse, réducteur à engrenages et réducteur sont utilisés indifféremment. Une réducteur peut techniquement inclure un multiplicateur de vitesse, mais pour l'entraînement d'un convoyeur, d'un broyeur ou d'une pompe, on peut considérer ces trois termes comme synonymes.
Le terminologie relative aux réducteurs et aux réducteurs L'article approfondit cette distinction, et le chevauchement terminologique entre réducteurs et réducteurs de vitesse Utilisation du catalogue de cartes parcellaires.
Fonctionnement d'un réducteur de vitesse : Mécanisme du rapport
La formule du rapport est simple : i = N_out / N_in, où N représente le nombre de dents. Un pignon à 10 dents entraînant une roue dentée à 100 dents donne un rapport i = 10:1. À une vitesse d'entrée de 1 450 tr/min, la vitesse de sortie est de 145 tr/min.
Le couple se déplace dans le sens inverse : T_out = T_in × i × η, où η est le rendement. Un réducteur 10:1 avec un rendement de 95 % transforme un couple moteur de 10 N·m en un couple de 95 N·m à la sortie, couple utilisé par la machine en aval.
Les rapports de réduction à plusieurs étages se multiplient. Un étage 2:1 couplé à un étage 3:1 produit un rapport total de 6:1, et non de 5:1. Un entraînement de convoyeur 20:1 (moteur de 1 800 tr/min, poulie de tête de 90 tr/min) est généralement constitué de deux étages.
Voilà comment conception de réducteur à deux étages et plus lourd configurations à double réduction atteindre des rapports de transmission industriels utiles sans dimensions d'engrenages irréalisables.
L'efficacité se cumule de la même manière, mais à votre détriment. Chaque étage hélicoïdal perd environ 5 %, donc deux étages hélicoïdaux offrent un rendement de 0.95 × 0.95 = 0.9025, soit environ 90 % au total, et non 95 %. Les étages à vis sans fin perdent davantage : leur rendement est de 60 % pour les faibles angles d'hélice et n'atteint 90 % qu'aux alentours de 15° d'angle d'hélice.
Les étages planétaires conservent un rendement proche de 97 % par étage. Pour les chiffres relatifs à un moteur spécifique, le calcul du régime de la réducteur L'outil effectue les calculs arithmétiques.
Composants d'un réducteur de vitesse : engrenages, arbres, roulements, carter, joints d'étanchéité
Le travail est assuré par cinq composants, et chacun présente un mode de défaillance dominant que le prescripteur doit connaître.
| Composant | Fonction | Mode de défaillance courant |
|---|---|---|
| Engrenage | Réglez le rapport, transmettez le couple | Piqûres, sillons, fatigue radiculaire |
| Arbres | Transmettez le couple en entrée et en sortie | Rupture par fatigue au niveau des rainures de clavette, rayons de congé |
| Bearings | Arbres de support, position axiale | Écaillage, effet Brinell, dégradation du lubrifiant |
| Housing | Contiennent du lubrifiant, maintiennent les alésages des roulements alignés | Déformation du canon, fissures au pied |
| Otaries | Retenir l'huile, exclure l'eau et les contaminants | durcissement des lèvres, rainurage des tourillons |
La classe de précision des engrenages est le facteur déterminant de leur durée de vie. Selon la norme AGMA 6113-B16, qui régit les réducteurs hélicoïdaux fermés, la classe de qualité des engrenages, ainsi que le matériau et le traitement thermique, fixent la charge nominale. La norme AGMA 6034 traite des engrenages à vis sans fin ; la norme ISO 6336 fournit le calcul de la durée de vie.
La plupart des pannes évitables commencent au niveau de la lubrification. Une concentration d'eau de seulement 1 000 ppm dans l'huile réduit la durée de vie des roulements de 75 %, c'est pourquoi l'état des joints et l'emplacement des reniflards sont aussi importants que la qualité de l'huile.
La première vidange d'huile est généralement nécessaire entre 500 et 1 000 heures de fonctionnement avec une huile minérale. vidanger et remplir d'huile Cette procédure permet de préserver cette marge de roulement de 75 %. principaux composants d'une réducteur Cette pièce recouvre chaque sous-ensemble.
Types de réducteurs de vitesse (principaux types d'engrenages industriels)
Cinq types d'engrenages sont utilisés pour les transmissions industrielles. Les engrenages cycloïdaux, harmoniques et à vitesse variable relèvent des secteurs de la robotique et de l'aérospatiale, et non des spécifications des convoyeurs ou des cimenteries.
Réducteurs de vitesse à engrenages hélicoïdaux (en ligne, à arbres parallèles, à engrenages coniques hélicoïdaux)
Les réducteurs hélicoïdaux sont des outils indispensables dans l'industrie. Leurs dents inclinées s'engrènent progressivement plutôt que par à-coups comme les dents droites, ce qui permet un rendement de 95 à 98 % par étage, un niveau sonore réduit et une capacité de charge supérieure.
Les rapports de réduction à un étage vont de 1:1 à 1:7 ; les réducteurs à trois étages atteignent 1:200. Les réducteurs hélicoïdaux standard des séries R, F, K et S couvrent une plage de puissance de 0.12 à 200 kW, avec des configurations en ligne, à arbres parallèles, à engrenages coniques hélicoïdaux et à vis sans fin hélicoïdale — une gamme qui convient à la plupart des entraînements dans les secteurs minier, cimentier, sidérurgique et des eaux usées.
Réducteurs de vitesse à vis sans fin (NMRV / à angle droit)
Les réducteurs à vis sans fin offrent des rapports de réduction de 5:1 à 100:1 en un seul étage, dans un format compact à angle droit. Le compromis réside dans le rendement : de 60 à 90 % selon l’angle d’hélice, avec une chute brutale aux alentours de 15°, seuil à partir duquel le blocage automatique se produit.
Le verrouillage automatique est une caractéristique des entraînements de levage et d'élévateur, et non un défaut. Les réducteurs à vis sans fin de la série NMRV sont utilisés pour les mélangeurs de faible à moyenne puissance, les petits convoyeurs et les entraînements d'emballage. La norme AGMA 6034 définit les valeurs limites d'usure et de résistance.
Réducteurs de vitesse à engrenages planétaires
Les réducteurs planétaires répartissent la charge sur trois à cinq satellites engrenés avec une couronne, offrant une densité de couple élevée dans un format coaxial compact. Le rendement d'un étage atteint 98 % ; celui d'un système à trois étages se maintient à 94 %. Privilégiez les réducteurs planétaires lorsque le rapport couple/volume est crucial : entraînements compacts, applications servo à forte réduction ou espaces où un réducteur classique en ligne ne peut être installé.
Réducteurs de vitesse à engrenages coniques hélicoïdaux (série Z)
Les réducteurs à engrenages coniques à spirale inversent le sens de rotation de 90° avec un rendement d'environ 98 %. Ils sont particulièrement adaptés aux entraînements à angle droit à grande vitesse, où la perte de rendement d'un réducteur à vis sans fin engendrerait une consommation d'énergie excessive. Les modèles de la série Z sont couramment utilisés dans les mélangeurs, les entraînements de fours à ciment et les agitateurs.
Réducteurs de vitesse à engrenages droits
Les réducteurs à engrenages droits utilisent des dents à denture droite parallèles à l'arbre. Leur rendement est de 96 à 98 %, mais le bruit et les à-coups lors de l'engrènement les rendent peu adaptés aux vitesses élevées. Ils restent cependant utiles pour les applications à basse vitesse et forte charge, comme les petits treuils et les équipements économiques.
Réducteur de vitesse ou transmission : quelle est la différence réelle ?
Un réducteur maintient un rapport fixe par étage et fonctionne en continu à un seul point de fonctionnement. Une transmission passe par plusieurs rapports sous charge grâce à un embrayage ou un système de synchronisation, et son rendement est moindre en raison des changements de vitesse et du patinage de l'embrayage.
Si la machine entraînée fonctionne à vitesse constante, elle nécessite un réducteur. Si l'opérateur modifie les rapports de réduction en charge pendant le fonctionnement normal, il s'agit d'une transmission. Les variateurs de fréquence ont remplacé la plupart des petites transmissions à vitesse variable ; un réducteur à rapport fixe associé à un variateur de fréquence est désormais la norme pour les entraînements à vitesse variable.
Comment choisir un réducteur de vitesse : couple, facteur de service, montage, environnement
La sélection se fait en quatre étapes, dans l'ordre. Si vous en sautez une, l'appareil risque de tomber en panne sous la charge ou d'être surdimensionné et hors de prix.
Exigences de couple et de vitesse
Commencez par la machine entraînée, et non par le moteur. Calculez le couple de sortie requis à pleine charge et la vitesse de sortie nécessaire au processus. Déduisez le rapport : i = N_moteur / N_sortie.
Vérifiez la puissance nominale du moteur avec T_out = T_motor × i × η à rendement composé. Le calcul du couple doit inclure le pic de couple au démarrage, et non seulement le couple nominal ; les surcharges répétées au démarrage sont la cause la plus fréquente de fatigue des dents d'engrenage et d'endommagement des roulements dans les entraînements de convoyeurs.
Facteur de service : Dimensionnement pour une utilisation réelle
Le coefficient de service n'est pas une marge de sécurité facultative. Selon l'AGMA, la puissance nominale est égale à la puissance du moteur principal multipliée par le coefficient de service, et la classe dépend de l'application, et non d'une pratique conservatrice.
| Classe AGMA | Facteur de service | Exemple de devoir |
|---|---|---|
| Classe I | 1.0 | Charge uniforme — petit ventilateur, agitateur léger |
| classe II | 1.4 | Modéré — convoyeur à vis fonctionnant de 3 à 10 heures par jour |
| classe III | 2.0 | Énergie cinétique intense — compacteur, concasseur de roches, broyeur à boulets |
Un broyeur à ciment TKF en Iran, équipé d'un entraînement Flender B3SH20, présentait des ruptures répétées de l'arbre intermédiaire. Malgré une révision complète des engrenages, des roulements et des joints, le problème persistait. Cause première : facteur de sécurité insuffisant face aux chocs.
La solution a consisté à utiliser des tubes de taille supérieure, de type B3SH21. « Depuis, le problème est totalement résolu », a déclaré l'ingénieur quatre ans plus tard. Un incident similaire survenu à la Saudi Qassim Cement Company a été attribué au même problème de dimensionnement.
Des enquêtes sectorielles suggèrent que 54 % des ingénieurs surdimensionnent encore systématiquement les moteurs, ce qui réduit considérablement leur rendement en dessous de 50 % de charge. La solution n'est pas de privilégier la sécurité au détriment de la taille, mais d'adapter l'étalonnage SF à la classe de service. guide de sélection des réducteurs de vitesse effectue la procédure complète de contrôle du couple et du SF.
Options de montage : pied, bride, montage sur arbre, bras de torsion
Le mode de montage détermine la manière dont le réducteur est fixé et dont le couple de réaction est géré.
- Support de pied: boulonné à un sous-châssis ; nécessite un alignement de l'accouplement
- montage à bride: se fixe par boulonnage à la bride d'un moteur ou d'une machine ; compact, auto-alignant
- Support d'arbreL'arbre de sortie creux coulisse sur l'arbre mené ; le bras de torsion absorbe la réaction ; standard pour les poulies de tête de convoyeur.
- Bras de torsion / arbre creux: associé à un montage sur arbre pour les convoyeurs de matériaux en vrac, les agitateurs et les mélangeurs
Facteurs environnementaux : température, indice de protection IP, lubrification
La plaque signalétique d'un réducteur comporte deux valeurs : la puissance mécanique et la puissance thermique. Ces deux valeurs ne sont pas proportionnelles. Lors de la modernisation d'un convoyeur, avec un débit augmenté de 50 % sur le même réducteur de 5 ch, l'huile a surchauffé en quelques semaines, car la puissance transmise dépassait la puissance thermique nominale, même si la puissance mécanique semblait correcte.
Reynold Cioci, du groupe Brook Hansen Drives, a documenté ce problème dans la revue Machine Design : les caractéristiques mécaniques sont proportionnelles à la vitesse, contrairement aux caractéristiques thermiques. Il est donc important de vérifier les deux en fonction de la puissance équivalente calculée lors d'augmentations de vitesse, de températures ambiantes élevées ou d'installations fermées à faible débit d'air.
Applications des réducteurs de vitesse dans différents secteurs industriels
Les secteurs industriels définissent la classe de service, le type d'engrenage et l'enveloppe environnementale avant même le début du cahier des charges.
- Exploitation minière et granulatsLes concasseurs à mâchoires et à cône, les cribles et les convoyeurs longue distance fonctionnent en classe II-III avec des chocs importants. Les entraînements principaux sont assurés par des unités à arbres parallèles hélicoïdaux et à engrenages coniques hélicoïdaux.
- CimentLes entraînements de fours, de broyeurs à boulets et de ventilateurs de préchauffage fonctionnent en continu en classe II-III avec une charge thermique élevée. Les grands groupes à engrenages hélicoïdaux et coniques sont prédominants.
- transformation de l'huile de palmeLes presses à grains, les presses à vis et les décanteurs fonctionnent avec un couple de démarrage élevé et une charge de fibres variable. Les réducteurs à vis sans fin et à vis hélicoïdale de la série M gèrent cette plage de rapports.
- Traitement des eaux uséesLes aérateurs, les entraînements de clarificateurs et les mélangeurs de boues fonctionnent 24 h/24 et 7 j/7 en environnement corrosif de classe II. Les groupes à vis sans fin à engrenages coniques hélicoïdaux et à montage sur arbre, dotés de joints améliorés et de boîtiers IP-65, sont typiques.
- Manutention de matériaux en vracLes mélangeurs, agitateurs et élévateurs à godets utilisés dans les aciéries, les usines chimiques et agroalimentaires nécessitent des rapports de compression allant de 10:1 à 200:1. Les vis sans fin dominent au-dessus de 30 kW, tandis que les vis hélicoïdales sont privilégiées en dessous.
Le cahier des charges est établi en fonction de la classe de service et de l'environnement ambiant, et non en fonction d'une marque ou d'un type d'équipement préféré.
Étapes suivantes pour la spécification d'un réducteur de vitesse
L'échafaudage ci-dessus se transforme en une unité au niveau de la plaque signalétique en trois étapes.
Premièrement, dimensionnez le variateur : effectuez le calcul du couple en fonction de votre classe de service et de votre profil de choc réels, et non avec un facteur de service par défaut de 1.5. Deuxièmement, vérifiez le rapport de réduction et le régime de sortie par rapport au processus entraîné avant de fixer le moteur. Troisièmement, assurez-vous que les valeurs nominales mécaniques et thermiques dépassent la puissance équivalente calculée dans les conditions ambiantes réelles.
Si vous choisissez ces trois éléments dans le bon ordre, le choix du type d'équipement se fera généralement de lui-même.
