L'obtention de rapports de réduction élevés dans la transmission de puissance nécessite traditionnellement plusieurs étages d'engrenages, ce qui engendre des systèmes mécaniques encombrants, complexes et coûteux. Des solutions inadaptées entraînent une inefficacité énergétique, une défaillance prématurée des composants et la nécessité de mécanismes de freinage supplémentaires.
Les systèmes d'engrenages à vis sans fin répondent à ces défis en offrant des rapports de réduction exceptionnels en un seul étage compact tout en offrant des capacités d'autoblocage inhérentes qui éliminent le besoin de composants de freinage supplémentaires.
Que sont les engrenages à vis sans fin
Un système d'engrenage à vis sans fin, souvent appelé transmission par vis sans fin, représente une catégorie distincte d'engrenages en génie mécanique. Il se compose essentiellement de deux composants principaux en interaction : un arbre muni d'un filetage hélicoïdal en forme de vis, appelé « vis sans fin », qui engrène avec une roue dentée, parfois simplement appelée « roue », et l'entraîne. Ce système est classé comme un type d'engrenage à arbres décalés, spécialement conçu pour transmettre le mouvement et la puissance entre deux arbres positionnés de manière à ne pas être parallèles ni sécants.
Composants des engrenages à vis sans fin
Le Ver (Vis)
La vis sans fin est généralement l'élément moteur d'un système d'engrenage à vis sans fin. Structurellement, il s'agit d'un arbre comportant un ou plusieurs filets hélicoïdaux continus, lui conférant une apparence similaire à celle d'une vis à métaux standard. Les vis sans fin peuvent être fabriquées soit comme partie intégrante de l'arbre d'entrée, soit comme composant séparé, avec un alésage central conçu pour être monté sur un arbre.
Plusieurs paramètres clés définissent les caractéristiques géométriques du ver :
Le pas (L) représente la distance axiale parcourue par le filetage lors d'une rotation de la vis sans fin, de la même manière qu'une vis à bois avance lorsqu'elle est tournée. Pour les vis sans fin à filets multiples, L = p * Z₁, où p représente le pas axial et Z₁ le nombre de filets. On considère le nombre de filets indépendants qui parcourent la vis sans fin, à l'instar de certaines vis à double filet pour une insertion plus rapide.
angle d'hélice (γ) est l'angle entre la tangente à l'hélice du filetage au diamètre primitif et le plan perpendiculaire à l'axe de la vis sans fin. Cet angle influence directement le rendement et les propriétés d'autoblocage du système d'engrenages ; des angles plus prononcés améliorent généralement le rendement.
La roue à vis sans fin (engrenage)
La roue à vis sans fin est l'élément entraîné du système, conçue spécifiquement pour s'engrèner avec précision avec les filets de la vis. Tout en ressemblant à une engrenage droit ou hélicoïdal dans sa forme de base, les dents d'une roue à vis sans fin présentent généralement une courbure ou un angle spécifique (angle d'hélice) conçu pour se conformer au profil du filetage de la vis sans fin, maximisant ainsi le contact.
Dans les conceptions à gorge les plus courantes (simple ou double), la face des dents de la roue à vis sans fin présente une courbure concave distincte, appelée « gorge ». Cette géométrie à gorge permet à la roue d'envelopper partiellement la vis sans fin, augmentant ainsi considérablement la surface de contact par rapport à un simple engrenage cylindrique engrenant avec la vis sans fin.
Types d'engrenages à vis sans fin
Engrenages à vis sans fin sans gorge
Il s'agit de la forme la plus simple d'engrenage à vis sans fin. Il s'agit d'une vis sans fin cylindrique standard à filetage droit, engrenant avec un engrenage droit classique ou un engrenage hélicoïdal dont la gorge n'a pas été spécifiquement adaptée à la vis sans fin. Cette configuration peut être considérée comme une paire d'engrenages hélicoïdaux à axes croisés, dont l'un des éléments (la vis sans fin) présente un angle d'hélice très élevé et généralement très peu de dents (dents).
Engrenages à vis sans fin à simple gorge (enveloppe simple)
Il s'agit du type d'engrenage à vis sans fin le plus répandu pour les applications de transmission de puissance. Il est doté d'une vis sans fin cylindrique (droite), similaire à celle sans gorge, mais qui engrène avec une roue hélicoïdale spécialement conçue avec des dents concaves. Cette concavité, appelée « gorge », est usinée transversalement. Largeur frontale de la roue à vis sans fin, créant un profil qui enveloppe partiellement le diamètre de la vis sans fin.
Engrenages à vis sans fin à double gorge (double enveloppe / globoïde)
Dans un système à double gorge, la vis sans fin et la roue hélicoïdale présentent des profils concaves conçus pour s'envelopper mutuellement. La vis sans fin elle-même n'est pas cylindrique, mais en forme de sablier, souvent appelée vis globoïde ou conique. Son diamètre est généralement plus petit au centre et augmente vers les extrémités. La roue hélicoïdale est également à gorge, comme dans le système à gorge unique, mais sa courbure est conçue pour épouser le profil enveloppant de la vis globoïde.
Comment fonctionnent les engrenages à vis sans fin
Le principe de fonctionnement fondamental d'un système à vis sans fin repose sur le transfert de mouvement et de puissance de la vis d'entrée à la roue de sortie par l'engrènement de leurs filetages et dents respectifs. Lorsque la vis tourne, son filetage hélicoïdal agit comme une vis traversant un écrou, poussant contre les dents de la roue et provoquant sa rotation.
Cette interaction mécanique crée une caractéristique unique de transmission de puissance : à chaque tour complet de la vis sans fin, la roue avance uniquement du nombre de dents correspondant au nombre de dents de la vis. Dans le cas courant d'une vis sans fin à un seul tour, la roue avance d'une seule dent par tour, ce qui permet d'obtenir des rapports de réduction très élevés.
Calcul des rapports de démultiplication
rapport de démultiplication (i), qui représente le rapport entre la vitesse d'entrée (vitesse de la vis sans fin) et la vitesse de sortie (vitesse de la roue), est déterminé par une relation simple entre le nombre de dents de la roue (Z₂) et le nombre de filets (ou pas) de la vis sans fin (Z₁). La formule est la suivante :
i = Z₂ / Z₁Dans le cas courant d'une vis sans fin à simple filet (Z₁ = 1), le rapport de démultiplication est simplement égal au nombre de dents de la roue (i = Z₂). Par exemple, l'engrènement d'une vis sans fin à simple filet avec une roue de 40 dents donne un rapport de démultiplication de 40:1. Cela signifie que la vis sans fin doit effectuer 40 tours pour que la roue en fasse un.
L'utilisation de vis sans fin à plusieurs démarrages offre un moyen direct d'obtenir des rapports de réduction inférieurs tout en utilisant potentiellement la même roue à vis sans fin et en conservant un rapport de réduction similaire. Distance du centrePar exemple, si la même roue à vis sans fin de 40 dents est associée à une vis sans fin à deux dents (Z₁ = 2), le rapport de démultiplication devient 40/2 = 20:1. Avec une vis sans fin à quatre dents (Z₁ = 4), le rapport serait 40/4 = 10:1.
Auto-verrouillage
L'autoblocage décrit la situation dans laquelle un système d'engrenage à vis sans fin, lorsqu'un couple est appliqué à l'arbre de sortie (roue hélicoïdale), empêche la rotation de l'arbre d'entrée (vis sans fin). Cela se produit lorsque les forces de frottement internes s'opposent au mouvement à l'intérieur du système. maille d'engrenage sont supérieures aux forces tangentielles qui tentent de provoquer un mouvement de recul.
Statique autobloquant
L'autoblocage décrit la situation dans laquelle un système d'engrenage à vis sans fin, lorsqu'un couple est appliqué à l'arbre de sortie, empêche la rotation de l'arbre d'entrée. Cela se produit lorsque les forces de frottement internes qui résistent au mouvement dans l'engrenage sont supérieures aux forces tangentielles qui tentent de provoquer un mouvement inverse.
Autoblocage dynamique (ou autofreinage)
L'autoblocage dynamique décrit la résistance de la réducteur à la marche arrière alors qu'elle est déjà en mouvement, ou sa tendance à décélérer rapidement et à s'arrêter lorsque l'entraînement d'entrée est retiré alors qu'elle est sous charge de sortie.
Matériaux courants des engrenages à vis sans fin
Appariement standard : vis sans fin en acier trempé + roue à vis sans fin en bronze
Cette combinaison représente la norme de l'industrie pour la plupart des transmissions de puissance applications d'engrenage à vis sans fin.
- Matériaux de versLes choix courants incluent les aciers cémentés (comme l'AISI 1020, le 8620, le 4320, le 16MnCr5Eh) ou les aciers alliés durcis à cœur (comme le SCM440, le 4140, le 4150). L'acier inoxydable (par exemple, le SUS303) peut être utilisé lorsque la résistance à la corrosion est primordiale.
- Matériaux des roues (bronze):L'alliage de bronze spécifique est choisi en fonction des exigences de charge et de vitesse :
- Bronze phosphoreux (par exemple, C90700, CAC502):Excellente résistance à l'usure et bonnes propriétés de frottement, largement utilisé à des fins générales et souvent préféré pour des vitesses de glissement plus élevées.
- Bronze d'aluminium (par exemple, C95400, CAC702):Offre une résistance, une dureté et une bonne résistance à la corrosion supérieures, ce qui le rend adapté aux charges plus lourdes, aux vitesses plus faibles et aux environnements difficiles.
- Bronze au manganèse (par exemple, C86300): Offre une résistance très élevée pour les applications de charge extrême.
- Bronze au plomb (par exemple, C93200):Offre une usinabilité améliorée et certaines propriétés autolubrifiantes en raison de la teneur en plomb, mais présente généralement une résistance inférieure.
Associations alternatives
- Vis sans fin en acier + roue en fonte:Une option plus économique, adaptée aux applications à faibles charges et vitesses de glissement (généralement inférieures à 3 m/s pour la fonte grise). Elle offre une durabilité raisonnable, mais une friction et une usure supérieures à celles du bronze. La fonte ductile autorise des vitesses légèrement supérieures.
- Vis sans fin en acier + roue en polymèreLes matériaux comme le nylon moulé (MC901) ou l'acétal (POM) offrent des avantages tels qu'un faible niveau sonore, une résistance à la corrosion, un pouvoir lubrifiant inhérent et un coût réduit. Cependant, leur utilisation est limitée aux charges très légères et aux faibles vitesses en raison de limites de résistance et de température plus faibles.
- Vis sans fin en acier + roue en acier: Utilisé moins fréquemment en raison du risque élevé de rayures et de grippage (grippage) résultant du contact glissant acier sur acier. Nécessite une lubrification exceptionnelle et une conception soignée, généralement réservée aux applications où la haute résistance de l'acier est requise pour les deux composants.
Lubrification des engrenages à vis sans fin
Le glissement rend intrinsèquement difficile l'établissement et le maintien d'un film lubrifiant hydrodynamique stable et complet – l'état idéal où une couche continue d'huile sépare complètement les surfaces en mouvement. Par conséquent, les engrenages à vis sans fin fonctionnent fréquemment en régimes de lubrification limite ou mixte, avec un contact métal sur métal intermittent ou partiel.
Méthodes de lubrification des engrenages à vis sans fin
Lubrification à la graisse
Cette méthode ne convient généralement qu'aux engrenages à vis sans fin à faible vitesse (généralement inférieure à 3-6 m/s de vitesse tangentielle), faiblement chargés ou fonctionnant par intermittence. Elle peut être utilisée dans les systèmes ouverts comme fermés. La consistance collante de la graisse lui permet de rester en place sur les dents de l'engrenage plutôt que d'être projetée par la force centrifuge.
Lubrification par barbotage (bain d'huile)
C'est la méthode la plus courante pour les boîtes fermées. réducteurs à vis sans fin Fonctionnant à des vitesses modérées (nécessitant généralement une vitesse tangentielle minimale d'environ 3 m/s pour être efficace, jusqu'à 15 m/s). Les engrenages rotatifs (généralement la roue à vis sans fin, ou la vis sans fin si elle est placée sous la roue) plongent dans un réservoir d'huile (carter) et projettent celle-ci sur les composants engrenés et les roulements.
Circulation forcée / Lubrification par pulvérisation
Cette méthode est utilisée pour les applications à grande vitesse (vitesses tangentielles généralement supérieures à 10-12 m/s) ou dans les systèmes critiques où une lubrification et un refroidissement constants sont essentiels. L'huile est aspirée d'un carter par une pompe et pulvérisée ou dirigée sur l'engrenage, ciblant souvent le point d'engagement de la vis sans fin avec la roue.
Types de lubrifiants pour engrenages à vis sans fin
Huiles minérales composées
Les huiles minérales composées associent une huile minérale conventionnelle à 3 à 10 % d'acides gras naturels qui améliorent le pouvoir lubrifiant et la résistance du film. Ces additifs permettent au lubrifiant d'adhérer aux surfaces métalliques et de résister à la pression.
Huiles minérales pour engrenages à pression extrême (EP)
Ces huiles minérales contiennent des additifs chimiques (généralement à base de soufre-phosphore) conçus pour réagir avec les surfaces métalliques sous haute pression et température, formant des couches sacrificielles protectrices qui empêchent le soudage, le rayage et l'usure sévère pendant la lubrification limite.
Huiles synthétiques pour engrenages (PAO et PAG)
- Polyalphaoléfines (PAO)Ce sont les huiles de base synthétiques les plus courantes. Elles offrent une excellente stabilité thermique et à l'oxydation (permettant des températures de fonctionnement plus élevées, jusqu'à environ 125 °C), de bonnes propriétés à basse température et une compatibilité avec les huiles minérales et la plupart des joints/peintures. Elles contiennent souvent des additifs anti-usure ou EP.
- Polyalkylène glycols (PAG)Les PAG sont souvent considérés comme particulièrement adaptés aux applications d'engrenages à vis sans fin en raison de leur faible coefficient de frottement et de leurs excellentes propriétés lubrifiantes. Leurs indices de viscosité (IV) très élevés (souvent > 200, voire 280) permettent d'utiliser des grades de viscosité initiale plus faibles tout en maintenant une épaisseur de film adéquate à température de fonctionnement, ce qui réduit encore le frottement interne et améliore le rendement.
