Les engrenages à vis sans fin sont largement utilisés dans les systèmes de transmission de puissance en raison de leur taille compacte, de leurs rapports de démultiplication élevés et de leurs capacités d'autoblocage. Cependant, la géométrie unique et le contact glissant entre la vis sans fin et la roue à vis sans fin entraînent des rendements inférieurs à ceux des autres types d'engrenages.
Facteurs affectant l'efficacité des engrenages à vis sans fin
Rapport de démultiplication
La rapport de démultiplication, défini comme le nombre de dents sur la roue à vis sans fin divisé par le nombre de démarrages sur la vis sans fin, a une influence directe sur vis sans fin Rendement. Des rapports de démultiplication plus élevés entraînent généralement une baisse du rendement en raison d'un frottement de glissement accru entre la vis sans fin et la roue. Plus le rapport de démultiplication augmente, plus la vis sans fin doit effectuer de tours pour faire tourner la roue, ce qui entraîne des pertes de puissance plus importantes.
Les rapports de démultiplication inférieurs, en revanche, ont tendance à avoir des rendements plus élevés car la distance de glissement et la surface de contact entre la vis sans fin et la roue à vis sans fin sont réduites. Cependant, les rapports de démultiplication inférieurs peuvent ne pas fournir la réduction de vitesse ou la multiplication de couple souhaitées pour l'application.
Lubrification
Le lubrifiant forme un film mince entre la vis sans fin et la roue à vis sans fin, réduisant ainsi le contact direct métal sur métal et les frottements. Le type de lubrifiant, sa viscosité et la méthode d'application ont tous un impact sur l'efficacité.
Propriétés matérielles
Les matériaux utilisés pour la vis sans fin et la roue à vis sans fin ont une incidence considérable sur l'efficacité de l'engrenage à vis sans fin. Les combinaisons de matériaux les plus courantes sont les vis sans fin en acier avec les roues à vis sans fin en bronze, bien que d'autres matériaux comme la fonte, l'aluminium et les plastiques puissent être utilisés en fonction des exigences de l'application.
Les propriétés des matériaux, telles que l'élasticité, la conductivité thermique et la finition de surface, influencent également l'efficacité. La déformation élastique des dents de l'engrenage sous charge peut entraîner une augmentation de la surface de contact et du frottement, tandis qu'une mauvaise conductivité thermique peut entraîner des températures de fonctionnement plus élevées et une efficacité réduite du lubrifiant. Des finitions de surface lisses sur la vis sans fin et la roue à vis sans fin peuvent aider à minimiser le frottement et à améliorer l'efficacité.
Précision de fabrication
La précision et l'exactitude du processus de fabrication des vis sans fin et des roues à vis sans fin ont un impact direct sur l'efficacité de l'engrenage à vis sans fin. Des facteurs tels que le profil des dents, l'angle d'attaque et la finition de surface doivent être soigneusement contrôlés pour garantir un engrènement correct et minimiser les pertes de puissance.
L'alignement et le réglage corrects de la vis sans fin et de la roue à vis sans fin lors de l'assemblage sont également essentiels pour optimiser l'efficacité. Un mauvais alignement peut entraîner une répartition inégale de la charge, une augmentation des contraintes de contact et des pertes par frottement plus importantes. L'utilisation de roulements, d'arbres et de boîtiers de précision peut aider à maintenir un alignement correct et à minimiser les pertes d'efficacité.
Calcul de l'efficacité d'un engrenage à vis sans fin
Relation couple/vitesse
L'efficacité d'un engrenage à vis sans fin est définie comme le rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée, exprimé en pourcentage. Cette relation peut être déterminée en prenant en compte le couple et la vitesse au niveau des arbres d'entrée (vis sans fin) et de sortie (roue à vis sans fin).
Le couple d'entrée (T_in) et la vitesse (ω_in) sont liés au couple de sortie (T_out) et à la vitesse (ω_out) par le rapport de démultiplication (i) et le rendement global (η) :
T_out = T_in × i × η
ω_out = ω_in ÷ i
Sources de perte de puissance
Plusieurs sources de pertes de puissance contribuent à l'inefficacité globale des engrenages à vis sans fin. Ces pertes peuvent être classées en trois catégories principales : frottement par glissement, frottement par roulement et pertes par barattage.
Frottement de glissement
Le frottement par glissement est la principale source de perte de puissance dans les engrenages à vis sans fin, responsable de la majorité des inefficacités. Ce frottement se produit en raison du mouvement de glissement relatif entre la vis sans fin et les dents de la roue à vis sans fin, qui sont en contact constant pendant le fonctionnement.
Frottement de roulement
Bien que moins important que le frottement de glissement, le frottement de roulement contribue également à la perte de puissance dans les engrenages à vis sans fin. Ce frottement provient du contact de roulement entre la vis sans fin et les dents de la roue à vis sans fin, en particulier près du point de pas où la vitesse de glissement relative est minimale.
Des pertes considérables
Les pertes par barattage se produisent lorsque les engrenages agitent et cisaillent le lubrifiant, créant une traînée de fluide et une génération de chaleur. Ces pertes sont plus prononcées dans les applications à grande vitesse ou lorsqu'un excès de lubrifiant est présent dans le carter d'engrenage.
Plages d'efficacité typiques pour les engrenages à vis sans fin
Les rendements des engrenages à vis sans fin varient généralement de 50 à 90 %, en fonction du rapport de démultiplication, des conditions de fonctionnement et des optimisations de conception. Les rapports de démultiplication inférieurs (par exemple, 5:1 à 20:1) ont généralement des rendements plus élevés, souvent de l'ordre de 70 à 90 %. Les rapports de démultiplication supérieurs (par exemple, 20:1 à 100:1) ont tendance à avoir des rendements inférieurs, généralement compris entre 50 et 70 %.
