Boîte de vitesses hélicoïdale

Un réducteur à engrenages hélicoïdaux se compose généralement de deux engrenages. Ces deux engrenages, munis de dents taillées, sont emboîtés l'un dans l'autre. Leur fonctionnement conjoint permet de transmettre le couple et la vitesse. Ce type de réducteur est utilisé dans de nombreuses applications.

Principe de fonctionnement

Outre leur coût de fabrication inférieur, les engrenages hélicoïdaux présentent plusieurs avantages par rapport aux engrenages cylindriques à denture droite. Ils offrent un fonctionnement plus fluide, moins de vibrations et un niveau sonore réduit. De plus, ils transmettent des charges plus importantes. Ces engrenages sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels, tels que l'agroalimentaire, la plasturgie et l'industrie pétrolière.
Une autre caractéristique importante des engrenages hélicoïdaux est l'engrènement progressif et en douceur des dents. Ceci contribue à un fonctionnement plus fluide, notamment sous fortes charges. Ce processus réduit les chocs et le jeu, et limite également l'usure.
De plus, l'angle d'hélice est une variable ajustable selon l'application. Cet angle, généralement à gauche ou à droite, peut varier selon le point de vue.
Les engrenages hélicoïdaux sont généralement utilisés dans les transmissions fermées, comme les convoyeurs, les ventilateurs et les ascenseurs. Ils offrent un fonctionnement plus régulier, ce qui les rend idéaux pour les applications exigeant un fonctionnement silencieux. Cependant, leur rendement de transmission de puissance est inférieur à celui des engrenages droits.
La contrainte de contact relative (RCS) calculée pour une dent d'engrenage hélicoïdal est similaire à celle d'une dent d'engrenage droit. Cependant, le volume Vi, qui dépend de l'hélice, est différent. Ce volume correspond au volume total de la poche hélicoïdale, calculé par intégration sur la largeur de la face. Le volume d'une poche quelconque est supérieur à celui d'une poche hélicoïdale sans hélice.
De plus, le rapport de contact est réduit. Ceci est dû au fait que les deux dents ne sont pas parallèles. Un film d'huile épais empêche le contact entre les dents et assure également leur refroidissement.
Le facteur de service est un nombre qui tient compte des conditions d'utilisation d'un engrenage. Il s'agit généralement du rapport entre le couple maximal et le couple produit.

Efficacité

Lors d'une récente campagne de mesures de boîtes de vitesses, 13 boîtes de vitesses commerciales ont été testées de manière approfondie. Leur rendement a été mesuré au couple et à la puissance nominaux. Les courbes de rendement présentées dans cet article montrent que le rendement de chaque boîte de vitesses est relativement similaire.
Le rendement d'une boîte de vitesses dépend de la denture des engrenages et du rapport entre eux. Plus ce rapport est faible, plus le rendement est élevé.
Le rendement est également influencé par le couple de charge. Plus le couple de charge est élevé, plus le rendement est faible. Cela est particulièrement vrai pour les boîtes de vitesses à rapport de réduction élevé.
Les pertes de puissance dépendent également des rapports de contact et de chevauchement. Pour les réducteurs à rapport élevé, l'écart entre le rendement théorique et le rendement calculé est plus important que pour les réducteurs à rapport faible. Heureusement, les progrès en matière de lubrification permettent de réduire cet écart.
Le réducteur à engrenages hélicoïdaux est le plus performant du marché. Il assure une transmission de mouvement optimale entre des configurations parallèles et est plus silencieux que les engrenages droits. Son engrènement doux et progressif réduit l'usure et permet une capacité de transmission de puissance supérieure.
Bien que les engrenages hélicoïdaux soient performants, ils sont plus coûteux que les engrenages traditionnels. Cependant, les économies réalisées peuvent être considérables à long terme. Il est donc important de prendre en compte les avantages d'un réducteur à engrenages hélicoïdaux avant de choisir celui qui convient à votre application.
En comparant le rendement d'un réducteur à engrenages hélicoïdaux à celui d'un réducteur à vis sans fin, ce dernier est plus efficace. Cependant, la différence de rendement est moins importante que pour de nombreux autres types de réducteurs.
Le rendement d'un réducteur à engrenages hélicoïdaux dépend également de la vitesse de rotation des engrenages. Le réducteur doit être correctement lubrifié au niveau des roulements. Il est également important de prendre en compte l'encombrement dans la chaîne cinématique.

Applications

Les réducteurs à engrenages hélicoïdaux sont largement utilisés dans de nombreux secteurs industriels, notamment l'imprimerie, le caoutchouc, les plastiques, le ciment, les travaux publics et la chimie.
Les réducteurs à engrenages hélicoïdaux sont également utilisés pour les convoyeurs et les ascenseurs. Très robustes, ils supportent des charges importantes et sont plus silencieux que les réducteurs à engrenages droits. On les retrouve aussi dans de nombreuses transmissions automobiles.
Les réducteurs à engrenages hélicoïdaux transmettent la puissance entre deux arbres parallèles. Ils constituent une excellente alternative aux engrenages droits. Compacts, ils réduisent les vibrations et le bruit. Très robustes, ils peuvent également fonctionner avec des arbres non parallèles.
L'application la plus courante se trouve dans l'industrie automobile. Les réducteurs à engrenages hélicoïdaux sont également utilisés dans d'autres secteurs. Ils sont très utiles dans les ascenseurs, les convoyeurs et autres applications industrielles lourdes. Ils permettent une réduction de vitesse importante et sont fréquemment utilisés dans les systèmes de contrôle automatisés. On les retrouve aussi dans l'industrie minière et la cimenterie.
Les réducteurs à engrenages hélicoïdaux peuvent être fabriqués avec diverses modifications. Ceci est important car certaines industries peuvent nécessiter des réducteurs différents.
Les engrenages hélicoïdaux possèdent un plus grand nombre de dents, ce qui réduit leur usure. Ils sont également moins bruyants que les engrenages droits. Leur capacité à générer une force de poussée importante les rend idéaux pour les applications à grande vitesse. Ils permettent également de répartir la charge sur plusieurs axes et sont utilisés dans des applications soumises à des chocs et des vibrations importants.
Les réducteurs à engrenages hélicoïdaux offrent un rendement supérieur à celui des engrenages droits. Cependant, leur coût de fabrication est plus élevé.
Les réducteurs à engrenages hélicoïdaux présentent également l'avantage de transmettre la puissance entre des arbres à angle droit. Ils peuvent fonctionner avec des engrenages à axes croisés, ce qui élimine les à-coups.

Variations

Plusieurs variantes de réducteurs à engrenages hélicoïdaux sont disponibles sur le marché pour différents secteurs industriels. Largement utilisés dans les transmissions automobiles et d'autres industries, ils sont plus silencieux que les engrenages droits. Ils sont également durables et très performants. Cependant, ils peuvent engendrer une friction et une usure plus importantes.
Les engrenages hélicoïdaux sont composés de dents qui s'enroulent autour d'un corps cylindrique selon un angle. Cet angle de coupe des dents est appelé angle d'hélice. L'angle d'hélice peut être ajusté en fonction de l'engrenage et de son environnement.
L'angle d'hélice détermine également la force axiale produite par l'engrenage. Un angle d'hélice plus grand génère une force axiale plus importante. Cette augmentation de la force axiale doit être absorbée par les roulements. L'angle de pression influe aussi directement sur la force normale et les rayons de courbure de la dent.
Les engrenages hélicoïdaux peuvent être montés en parallèle ou en croix. Les engrenages hélicoïdaux montés en parallèle nécessitent le même pas et le même angle de pression pour fonctionner correctement. Les engrenages hélicoïdaux montés en croix offrent un fonctionnement plus silencieux et plus régulier que les engrenages droits. Ils permettent également de transmettre des couples plus élevés.
Les engrenages hélicoïdaux existent en versions à simple et double hélice. Les engrenages à simple hélice sont fabriqués avec les mêmes outils et équipements que les engrenages cylindriques. Contrairement à ces derniers, les engrenages à simple hélice offrent une surface de contact plus importante et sont donc plus adaptés aux transmissions de précision.
Les engrenages à double hélice, également appelés engrenages à chevrons, sont fabriqués en usinant une rainure entre deux dents. Ils permettent d'éliminer les efforts axiaux et offrent une capacité de charge élevée.
Les engrenages hélicoïdaux sont couramment utilisés pour la transmission de faibles puissances. Ils constituent également une solution alternative pour l'assemblage d'arbres parallèles et non parallèles. On les retrouve aussi dans les applications à grande vitesse.

Rayon de la pointe de l'outil

Parmi les nombreux paramètres utilisés dans la conception d'un engrenage hélicoïdal, le rayon de courbure de la dent est probablement le plus important, bien que ce soit parce qu'il est l'un des moins intuitifs. La meilleure façon d'estimer le diamètre d'une dent d'engrenage hélicoïdal est d'utiliser un profil de dent de référence comme base de calcul. Une procédure similaire est utilisée pour calculer l'angle d'hélice. Un rayon de courbure trop petit entraînera un retrait de la dent, ce qui pose problème pour les engrenages comportant un grand nombre de dents, afin de réduire le risque de casse.
Pour les passionnés d'engrenages, il existe de nombreux outils et procédés pour les boîtes de vitesses à denture hélicoïdale, le diamètre de la dent n'étant qu'un exemple parmi d'autres. Heureusement pour les férus de conception d'engrenages, la boîte de vitesses à denture hélicoïdale est bien plus complexe qu'il n'y paraît. Par exemple, une dent d'engrenage hélicoïdal est une surface tridimensionnelle ; sa forme et sa fonction peuvent donc être calculées mathématiquement ou numériquement.
Outre la précision de la coupe des dents, la boîte de vitesses hélicoïdale est également le fruit d'un processus de fabrication. Le principal facteur est le décalage de profil, c'est-à-dire la distance entre le diamètre primitif de la roue dentée et la ligne de référence de l'outil de coupe. Bien qu'un concepteur d'engrenages puisse choisir d'ignorer ce problème, il est souvent pris en compte afin d'optimiser les rapports de contact. Cela signifie que les dents des engrenages doivent pouvoir supporter le couple de leurs trains d'engrenages respectifs.
Une dent d'engrenage hélicoïdal est un ensemble géométrique complexe. La meilleure façon de concevoir ces dentures est de minimiser la contrainte de flexion tout en maximisant la rigidité en flexion des dents. Pour ce faire, il est nécessaire de limiter l'épaisseur de la pointe de la dent. On y parvient généralement grâce à un profil de dent dont la forme épouse celle de la dent de la roue dentée qu'elle remplace.

Édité par CX le 25 octobre 2023