Engrenage hélicoïdal
Un engrenage hélicoïdal est un type d'engrenage cylindrique dont les dents sont hélicoïdales et dont les dents sont taillées selon un angle par rapport à l'axe de rotation. Ils sont similaires aux engrenages droits mais offrent des avantages à la fois en termes de capacité de couple et de douceur de fonctionnement. Les engrenages hélicoïdaux transmettent la puissance et le mouvement entre deux arbres parallèles. Pour ce faire, le pas, l’angle de pression et l’angle d’hélice des deux engrenages doivent être les mêmes – cependant, la direction de l’angle d’hélice doit être opposée. Les engrenages hélicoïdaux peuvent augmenter ou diminuer la vitesse et le couple de l'arbre rotatif en fonction de la taille et de la disposition des engrenages.
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Qu'est-ce que l'engrenage hélicoïdal
Un engrenage hélicoïdal est un type d'engrenage cylindrique dont les dents sont hélicoïdales et dont les dents sont taillées selon un angle par rapport à l'axe de rotation. Ils sont similaires aux engrenages droits mais offrent des avantages à la fois en termes de capacité de couple et de douceur de fonctionnement. Les engrenages hélicoïdaux transmettent la puissance et le mouvement entre deux arbres parallèles. Pour ce faire, le pas, l’angle de pression et l’angle d’hélice des deux engrenages doivent être les mêmes – cependant, la direction de l’angle d’hélice doit être opposée. Les engrenages hélicoïdaux peuvent augmenter ou diminuer la vitesse et le couple de l'arbre rotatif en fonction de la taille et de la disposition des engrenages.
Avantages des engrenages hélicoïdaux
• L'une de leurs caractéristiques les plus attrayantes est que les engrenages hélicoïdaux sont plus silencieux que les autres engrenages. Ils sont très recherchés pour les grandes opérations de production. Il en résulte une transition machine plus douce et plus régulée qui atténue efficacement les vibrations et les chocs.
• Il faut également se demander si leur projet nécessite un transfert de puissance entre des arbres qui ne sont pas parallèles. Les engrenages hélicoïdaux permettent cela, mais parfois au détriment de l'efficacité.
• Les dents des engrenages hélicoïdaux permettent aux forces axiales de résister aux mouvements de torsion ou de rotation. Par conséquent, ces engrenages sont conseillés pour une utilisation dans des machines qui doivent tourner à un rythme plus rapide, transporter de grandes quantités de marchandises ou fonctionner en continu.
• Les projets de construction et les installations comportant de la machinerie lourde utilisent fréquemment ce type d'équipement. En effet, les engrenages hélicoïdaux peuvent gérer un changement de couple plus important que les autres types d'engrenages. Ils peuvent le faire grâce à leurs dents d’engrenage équilibrées et bien conçues, qui sont excellentes pour les travaux exigeants.
• La résistance est le dernier avantage des engrenages hélicoïdaux par rapport aux engrenages droits. Étant donné que la dent de l’engrenage hélicoïdal est positionnée en diagonale et effectivement plus grande, les engrenages hélicoïdaux peuvent supporter plus de charge que les engrenages droits. Les engrenages hélicoïdaux offriront une plus grande résistance pour la même taille de dent et la même largeur correspondante.
• La conception des engrenages hélicoïdaux offre de la flexibilité tout en étant durable. Selon l'usage de la machine, les liaisons d'arbre de ces engrenages peuvent être parallèles ou perpendiculaires. Ils permettent d'adapter les machines à des exigences spécifiques, maximisant ainsi la productivité.
• Les engrenages hélicoïdaux et les boîtes de vitesses sont généralement robustes et idéaux pour les applications à charge élevée.
• Les industries automobiles peuvent utiliser ces engrenages pour transmettre la force et le mouvement entre des arbres à angle droit ou parallèle.
Comment fonctionnent les engrenages hélicoïdaux
L'avantage mécanique des engrenages hélicoïdaux, qui est le rapport entre le couple de sortie et le couple d'entrée dans un système, repose sur le rapport de démultiplication. Ce rapport est déterminé en comparant la vitesse du rapport final à la vitesse du rapport initial dans un train d'engrenages. Le principe de conservation de l’énergie est essentiel pour comprendre cette relation. Simplifier cette analyse implique d'examiner la puissance conservée au sein du système, qui relie les vitesses angulaires des engrenages à leurs couples respectifs.
Les engrenages hélicoïdaux comportent des dents disposées selon un angle spécifique par rapport à l'arbre et à la face de l'engrenage. Lorsque les dents s'engagent, le contact initial se produit à une extrémité, s'étendant progressivement à mesure que les engrenages tournent jusqu'à ce que les dents soient complètement en prise. Cet engagement progressif, avec plusieurs dents en contact à la fois, permet à l'engrenage de supporter des charges plus lourdes.
Grâce à ce partage de charge et à cet engagement progressif, les engrenages hélicoïdaux fonctionnent de manière plus fluide et plus silencieuse que les engrenages droits. Cela les rend idéaux pour une utilisation dans pratiquement toutes les transmissions automobiles. De plus, les dents inclinées des engrenages hélicoïdaux nécessitent qu’elles soient disposées en quinconce ou en zigzag pour s’engrener correctement avec les dents des engrenages adjacents.
Bien que l'angle d'inclinaison des dents d'engrenage hélicoïdal améliore les performances, il introduit également un contact glissant qui génère des forces axiales et de la chaleur, ce qui peut réduire l'efficacité. Les dents inclinées créent une charge de poussée sur l'engrenage lors de l'engrènement. Pour gérer cette force de poussée, les systèmes à engrenages hélicoïdaux nécessitent des roulements conçus pour supporter la rotation et résister à ces forces axiales. Ces roulements, qui sont généralement des butées ou des roulements à rouleaux, sont généralement plus grands et plus coûteux que les paliers lisses utilisés avec les engrenages droits, car ils doivent supporter à la fois les forces radiales et axiales. L'ampleur des forces axiales est influencée par l'angle d'hélice, qui est généralement limité à 45 degrés. Des angles d'hélice plus grands peuvent améliorer la vitesse et fournir un mouvement plus fluide, mais ils augmentent également les forces axiales.
Pièces de base des engrenages hélicoïdaux
Pas circulaire normal
Le pas circulaire (p) est la distance entre les points correspondants sur les dents adjacentes le long du cercle primitif ou de la ligne primitive.
Épaisseur circulaire
L'épaisseur circulaire (t) fait référence à la longueur de l'arc entre les deux côtés d'une dent d'engrenage au niveau du cercle primitif.
Angle hélicoïdal
L'angle hélicoïdal est l'angle entre la forme de la dent en développante et le plan transversal (le plan de rotation) au niveau du rayon primitif.
Diamètre primitif
Le diamètre primitif est le diamètre du cercle auquel le pas est mesuré, normal à la dent ou perpendiculaire à celle-ci.
Direction de l'hélice
Également connu sous le nom de plomb, ce terme décrit l'avance axiale de la dent par rotation complète, similaire au pas de filetage.
Cercle primitif
Le cercle primitif représente la taille effective des dents de l'engrenage. Son diamètre est le nombre de dents multiplié par le pas circulaire. Contrairement aux cercles de pointe et de racine, le cercle primitif est un cercle imaginaire utilisé comme référence.
Taille du pas du cercle
Il s’agit du diamètre du cercle primitif, également appelé diamètre du cercle primitif. Il représente le cercle de référence utilisé pour déterminer le pas des dents de l'engrenage et correspond à la circonférence extérieure de la roue de friction.
Angle de pression transversal
L'angle de pression transversale est l'angle formé par la projection de la charge sur le plan par rapport à l'axe de l'arbre.
Distance centrale
Il s'agit de l'entraxe standard, qui est soit étendu, soit réduit à l'entraxe de fonctionnement souhaité.
Addenda (A)
L'addendum (A) est la distance entre le cercle primitif et le cercle de pointe de la dent de l'engrenage. La hauteur de la dent (h) mesure la distance entre le cercle radiculaire et la pointe, et le module de l'engrenage (m) détermine la hauteur totale de l'engrenage.
Diamètre extérieur
Le diamètre extérieur, également appelé diamètre de la pointe, est la circonférence du cercle formé en reliant les pointes des dents.
Dédendum
Le dédendum d'un engrenage est la distance entre le rayon primitif et le rayon de racine au milieu d'une dent d'engrenage.
Profondeur de la dent entière
La profondeur totale d'une dent, du cercle radiculaire au cercle apical, est obtenue en additionnant l'addendum et le dédendum.
Diamètre des racines
Le diamètre de racine (RD) est le diamètre du cercle qui englobe le fond (racine) des entrefers des dents d'engrenage.
Rapport de contact
Ce chiffre dépasse ce qui est réalisable avec des engrenages droits droits car il prend en compte à la fois le chevauchement des dents en développante et le chevauchement hélicoïdal.
Processus de fabrication des engrenages hélicoïdaux
Bien que les dents d'engrenage soient généralement produites par usinage, les ébauches ou cylindres initiaux des engrenages sont souvent créés par un processus plus simple appelé moulage. Ce processus consiste à verser un matériau liquide dans un moule de la forme souhaitée, que l'on laisse ensuite refroidir et se solidifier. Une fois durcie, la pièce moulée est retirée du moule. Le moulage est avantageux pour sa facilité et son aptitude à la production de masse, ce qui le rend idéal pour créer de grands engrenages hélicoïdaux. Pour les très grands engrenages, la coulée est souvent préférée en raison du caractère peu pratique des techniques d'usinage pour de telles tailles.
Le forgeage consiste à manipuler le métal grâce à des techniques telles que le martelage, le pressage ou le laminage à l'aide de divers outils comme des presses, des matrices ou des marteaux. Essentiellement, cette méthode consiste à chauffer le métal et à le façonner pour créer un composant ou une conception adaptée à des applications spécifiques. Selon les besoins, le forgeage peut produire à la fois des ébauches préliminaires et des engrenages finis. Pour les conceptions d’engrenages de base, le forgeage est une méthode pratique et efficace.
En théorie, le forgeage est une excellente technique pour créer des engrenages hélicoïdaux destinés à des applications robustes. Néanmoins, la taille et la finesse des engrenages sont limitées par la force importante requise pour le forgeage. De plus, le traitement thermique est crucial pendant le processus de forgeage pour améliorer la résistance à la fatigue de l'engrenage final.
L'extrusion consiste à forcer un matériau à travers une filière ou une ouverture pour induire une déformation plastique, en le façonnant à sa sortie. Contrairement à l'étirage à froid, où le matériau est étiré à travers des matrices de plus en plus petites pour réduire son diamètre et améliorer sa résistance à la traction sans chauffage, l'extrusion implique souvent de chauffer le matériau. Bien que l’extrusion utilise généralement moins d’outils, elle n’est pas toujours l’approche la plus économique.
La métallurgie des poudres consiste à chauffer des poudres métalliques compactées juste en dessous de leur point de fusion pour produire des composants métalliques. Les progrès récents ont considérablement amélioré ce domaine et il est désormais largement utilisé dans divers processus de fabrication, notamment la production d'engrenages.
Le processus commence avec de la poudre métallique. La première étape façonne toute la poudre sous la forme souhaitée. Ensuite, l'étape suivante consiste à compacter l'ensemble pour garantir de meilleures qualités mécaniques. On peut maintenant chauffer soigneusement l’ensemble de l’arrangement. La métallurgie des poudres est très efficace, simple et pratique pour un grand nombre de personnes. Aucun post-traitement n’est nécessaire et le produit fini sera utilisable immédiatement. Cependant, il existe des restrictions de taille et des contraintes de poids.
Quels sont les types d'engrenages hélicoïdaux
Engrenage hélicoïdal double
Les engrenages à double hélice sont conçus pour contrecarrer les forces de poussée axiale en ayant deux jeux de dents disposés dans des directions opposées avec le même angle d'hélice. Cette conception annule efficacement les forces axiales, les empêchant d'être transférées aux roulements. En conséquence, ces engrenages offrent une capacité de charge élevée et une transmission fiable. En raison de leurs avantages, les engrenages hélicoïdaux doubles sont couramment utilisés dans les systèmes de transmission de puissance pour les turbines à gaz, les générateurs, les moteurs d'entraînement, les pompes, les ventilateurs et les compresseurs des machines maritimes et de construction.
Les grands engrenages à double hélice sont généralement créés à l'aide de générateurs spécialisés. Cependant, le processus d'usinage est limité par la disposition des dents de l'engrenage, ce qui nécessite une gestion précise de l'alignement de phase entre les engrenages en prise. Le développement de machines-outils multi-axes dotées de fonctions avancées a facilité la création de ces formes complexes, conduisant à l’introduction d’un processus appelé fabrication d’engrenages coniques.
Pour remédier à la flexion et à la torsion des dents sous des charges opérationnelles, des ajustements sont apportés aux angles d'hélice de nombreux engrenages hélicoïdaux simples et doubles présentant de grandes largeurs de face. Ces ajustements garantissent que les angles d'hélice de deux engrenages en prise correspondent sous la charge de conception, obtenue en faisant varier intentionnellement le processus de coupe pour chaque engrenage.
Équipement à chevrons
Un engrenage à chevrons est un type spécialisé d'engrenage à double hélice comportant deux jeux de dents, l'un orienté vers la droite et l'autre vers la gauche, sur le même engrenage. Cette conception fait que la poussée générée par un jeu de dents contrecarre la poussée de l'autre, ce qui donne un motif en forme de V vu de dessus. Ce motif à chevrons garantit que ces engrenages ne génèrent pas de forces axiales supplémentaires.
Avec plus de deux dents engagées simultanément, les engrenages à chevrons offrent les avantages d'une transmission de puissance douce et silencieuse à haute vitesse. La poussée latérale équilibrée de chaque jeu de dents améliore leurs performances par rapport aux engrenages hélicoïdaux standard. Par conséquent, les engrenages à chevrons sont fréquemment utilisés dans les boîtes de vitesses de couple et les transmissions mécaniques à grande vitesse, telles que celles que l'on trouve dans les turbines de navires et les moteurs à combustion interne, où un minimum de palier de butée est requis.
Pignon et crémaillère hélicoïdaux
Un type particulier d'actionneur linéaire connu sous le nom de pignon et crémaillère hélicoïdal transforme le mouvement de rotation du pignon circulaire en mouvement linéaire au niveau de la crémaillère. Une crémaillère n'est qu'une barre droite avec des dents d'engrenage, mais elle peut également être conceptualisée comme une partie d'un engrenage avec un rayon infini. Les crémaillères et pignons hélicoïdaux sont abordables pour les mouvements linéaires avec des longueurs de mouvement supérieures à 2 mètres. Ils transforment le mouvement de rotation en mouvement linéaire lorsqu'ils sont combinés. La crémaillère est entraînée en ligne lorsque le pignon tourne. Par contre si la crémaillère est déplacée linéairement, le pignon va tourner.
Les engrenages hélicoïdaux fonctionnent plus silencieusement et plus efficacement que les engrenages à dents droites, car leurs dents s'engagent plus progressivement dans la crémaillère. Cet engagement progressif permet aux engrenages hélicoïdaux de supporter des charges plus importantes en raison de la surface de contact étendue. De plus, les engrenages hélicoïdaux sur arbres parallèles introduisent une composante de poussée en raison de l’orientation opposée de leurs mains. Les engrenages à crémaillère, que l'on trouve couramment dans les systèmes de direction automobile, convertissent le mouvement de rotation du volant en mouvement linéaire, permettant aux roues de pivoter.
Engrenage à vis
Lorsque les engrenages à vis engrènent, ils affichent une action de vis due au glissement continu des flancs de l'engrenage plutôt qu'à un simple mouvement de roulement. Par conséquent, aucun point sur les corps de référence des engrenages hélicoïdaux croisés ne subit un roulement pur et leurs vitesses circonférentielles varient en différents points. Les corps de référence des engrenages à vis sont des hyperboloïdes de révolution, créés en faisant tourner une ligne droite inclinée autour d'un axe de rotation. Ces engrenages sont généralement utilisés pour des vitesses et des couples modérés, comme dans les entraînements de machines-outils.
Les engrenages à vis fonctionnant dans la plage de charge et de vitesse moyenne génèrent un bruit minimal. Pour réduire l'usure causée par le glissement constant des flancs, l'huile pour engrenages hypoïdes est souvent utilisée comme lubrifiant spécialisé. Néanmoins, le trajet des dents de vis génère des forces latérales importantes qui doivent être correctement gérées par la conception de roulements appropriée.
Outre l'orientation oblique des axes des engrenages et leur fonctionnement silencieux, les engrenages à vis peuvent également être déplacés axialement dans des limites assez larges sans dégrader de manière significative le transfert de puissance. Cependant, l'utilisation d'engrenages à vis nuit à l'efficacité de la transmission en raison des mouvements de glissement des flancs. Les engrenages à vis sans fin sont un type rare d'engrenage à vis. Les engrenages à vis sans fin donnent un contact en forme de ligne des flancs, contrairement au cas standard d'un engrenage à vis, permettant la transmission de couples plus importants.
Engrenages à vis sans fin hélicoïdaux
Les engrenages à vis sans fin hélicoïdaux sont constitués d'éléments cylindriques avec un filetage en spirale externe qui s'engage avec un autre engrenage pour l'entraîner. Dans ce système, une vis sans fin ou une vis interagit avec un engrenage. Ces engrenages sont largement utilisés dans diverses industries pour améliorer le couple et obtenir des réductions de vitesse substantielles, avec des rapports atteignant souvent 20 : 1 et dépassant parfois 300 : 1.
En raison de leurs capacités de réduction élevées, les engrenages à vis sans fin hélicoïdale présentent généralement des caractéristiques autobloquantes ; la vis sans fin peut entraîner l'engrenage, mais l'engrenage ne peut pas inverser le mouvement de la vis sans fin. L'angle peu profond de la vis sans fin crée une friction suffisante pour l'empêcher de tourner lorsque l'engrenage tente de la faire tourner. Ces engrenages sont couramment utilisés dans les applications de réduction à grande vitesse, comme dans les systèmes de convoyeurs, où la fonction d'autoverrouillage fonctionne également comme mécanisme de freinage. De plus, des engrenages à vis sans fin sont utilisés dans les différentiels Torsen®, qui améliorent la répartition du couple dans les véhicules hautes performances en ajustant le couple appliqué aux pneus et en améliorant la traction. Les différentiels utilisent la friction générée par le couple appliqué aux engrenages hélicoïdaux pour remplir leur fonction de polarisation du couple.
La roue à vis sans fin de cette boîte de vitesses a un grand diamètre et est reliée aux dents extérieures de l'arbre à vis sans fin. L’axe perpendiculaire et non sécant de la roue à vis sans fin permet au moteur de produire de l’énergie de rotation. Les engrenages engrenants peuvent provoquer une réduction importante de la vitesse puisqu'ils se croisent, ce qui est avantageux pour une large gamme d'applications. Ils sont également largement utilisés pour calibrer les outils, les ascenseurs et les portails. Les réducteurs à vis sans fin hélicoïdale sont également idéaux pour les situations impliquant des charges de choc. Les appareils lourds, notamment les bandes transporteuses, les machines d'emballage et les équipements de concassage, sont inclus dans cette catégorie. Les réducteurs à vis sans fin peuvent également être utilisés dans les cas où le bruit constitue un problème. Les applications à faible puissance et à faible vitesse des engrenages à vis sans fin sont bien connues, mais ils ne peuvent transmettre qu'une petite quantité de puissance.
Engrenages hélicoïdaux coniques
Les réducteurs coniques hélicoïdaux sont généralement utilisés pour obtenir une rotation de 90- degrés de l'arbre de sortie par rapport à l'arbre du rotor du moteur, bien qu'ils puissent également être conçus pour d'autres angles. Ces boîtes de vitesses peuvent comporter des arbres pleins ou creux. Les engrenages coniques sont particulièrement utiles lorsqu'un changement de sens de rotation est nécessaire. Les réducteurs à engrenages coniques hélicoïdaux sont idéaux pour les applications à haute densité de puissance nécessitant un couple de sortie important. Ces réducteurs se distinguent par leurs dents incurvées, disposées dans une base conique au bord de l'appareil. Cette conception permet un fonctionnement fluide et silencieux en facilitant le mouvement de rotation entre les arbres non parallèles. Les dents en spirale s'engagent avec d'autres engrenages hélicoïdaux, le contact augmentant progressivement d'une extrémité de l'engrenage à l'autre sur la longueur de chaque dent.
Ces engrenages sont bien adaptés aux applications qui exigent un couple élevé et une efficacité exceptionnelle. Les engrenages hélicoïdaux coniques peuvent également être programmés. En raison de leur robustesse et de leur adéquation aux tâches lourdes, ces réducteurs industriels sont largement utilisés dans des secteurs tels que le béton, l'acier, les plastiques, l'automobile et les mines. Les applications courantes incluent les mélangeurs industriels, les palans à câble et les systèmes de manutention des bagages. L'engagement des dents assure un transfert de puissance et d'énergie stable. Les réducteurs hélicoïdaux coniques sont polyvalents et offrent un rapport d'efficacité plus élevé que les réducteurs à vis sans fin, ce qui les rend idéaux pour diverses applications exigeantes.
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