Sources de pertes de puissance dans un engrenage hélicoïdal
La perte de puissance totale dans un engrenage hélicoïdal Le système d'entraînement comporte quatre composants indépendants. Identifier le composant prédominant dans une application spécifique permet de déterminer l'approche la plus efficace pour améliorer l'efficacité ou spécifier le système de refroidissement :
Frottement au niveau du contact dentaire sous film EHL. Le coefficient de frottement µ ≈ 0,04–0,06 pour les surfaces rectifiées engrenages hélicoïdaux Avec une tension de seuil ISO VG 100–220 à température de fonctionnement. Proportionnelle au couple transmis, elle varie en fonction de la charge. Il s'agit de la perte prédominante dans les entraînements à vitesse lente à moyenne, inférieure à 10 m/s de vitesse axiale.
Le brassage visqueux de l'huile dans la zone d'engrènement est indépendant de la charge. Il est proportionnel à la viscosité de l'huile et au carré de la vitesse de la ligne de pas (P_VZO ∝ v²). Ce phénomène est prédominant dans les transmissions à grande vitesse et faible charge, au-dessus de 20 m/s. C'est pourquoi la précision à haute vitesse est essentielle. engrenages hélicoïdaux Utilisez ISO VG 68–100 plutôt que VG 320.
Frottement de roulement et de glissement dans les paliers d'arbre. La perte de puissance transmise par palier est généralement de 0,1 à 0,31 TP3T pour les paliers à contact oblique ou à rouleaux coniques lubrifiés à la graisse. Pour un réducteur à deux étages avec 4 paliers d'arbre : la perte totale par palier est d'environ 0,6 à 1,21 TP3T.
Frottement dû au frottement des dents d'engrenage dans le bain d'huile. Ce frottement est proportionnel au niveau d'huile, à sa viscosité et au cube de la vitesse périphérique (P_VX ∝ v³). Il est minimisé en maintenant le niveau d'huile au minimum nécessaire à la lubrification, et non en remplissant le carter au niveau maximal autorisé. engrenages hélicoïdaux À partir de 15 m/s, le brassage peut dépasser la perte de maille.
Calcul de la production de chaleur totale — La méthode détaillée
Chaleur totale générée dans un engrenage hélicoïdal boîte de vitesse:
Q_total = P_entrée × (1 − η_total) [kW]
Où η_total représente le rendement total de l'entraînement. Pour un étage unique au sol engrenage hélicoïdal boîte de vitesses avec roulements à contact oblique standard :
| Vitesse de la ligne de tangage | Efficacité d'engrènement | Efficacité des roulements | Perte d'étanchéité | η total à un seul étage |
|---|---|---|---|---|
| <3 m/s | 98,5–99% | 99,2–99,5% | 99.5% | 97,5–98% |
| 3–10 m/s | 99–99,3% | 99,3–99,6% | 99.5% | 98–98,5% |
| 10–25 m/s | 99,2–99,5% | 99,4–99,7% | 99.7% | 98,5–99% |
| >25 m/s | 99–99,5% (le barattage domine) | 99,5–99,8% | 99.8% | 98,5–99,2% |
Exemple fonctionnel : Puissance absorbée de 200 kW, monophasé engrenage hélicoïdal boîte de vitesses, vitesse de la ligne de tangage v = 8 m/s, η = 98,5% :
Q = 200 × (1 − 0,985) = 200 × 0,015 = 3,0 kW de chaleur générée
Pour une boîte de vitesses à trois étages avec un rapport de réduction η = 0,985³ = 0,956 : Q = 200 × 0,044 = 8,8 kW, soit près de trois fois la valeur obtenue avec une boîte à un seul étage. C’est pourquoi les boîtes de vitesses à plusieurs étages nécessitent plus fréquemment un refroidissement par huile que les modèles équivalents à un seul étage.
Capacité thermique du boîtier — Quantité de chaleur qu'il peut dissiper
La surface habitable d'un bâtiment industriel engrenage hélicoïdal La boîte de vitesses détermine la dissipation thermique maximale par convection naturelle. Lorsque la chaleur générée par l'engrènement des engrenages et les pertes par roulements dépasse la capacité de dissipation de la surface du carter à une température d'huile acceptable, un refroidissement externe de l'huile devient nécessaire.
La chaleur maximale qu'un carter de boîte de vitesses peut dissiper par convection naturelle dans un environnement d'air immobile est :
Q_max_naturel = k × A_logement × (T_huile_max − T_ambiant) [W]
Où : k ≈ 12–18 W/m²·K pour la convection naturelle (carter en fonte ou en acier, peint), A_carter = surface externe en m², T_huile_max = température maximale admissible de l’huile (généralement 80 °C pour l’huile minérale, 95 °C pour l’huile synthétique PAO), T_ambiant = température ambiante. Pour un réducteur industriel typique avec une surface externe de 0,5 m², T_huile_max = 80 °C, T_ambiant = 25 °C.
Q_max_naturel = 15 × 0,5 × (80 − 25) = 412 W ≈ 0,41 kW
Ce petit nombre révèle l'idée essentielle : la plupart des engrenages hélicoïdaux Les réducteurs d'une puissance continue supérieure à 20-30 kW nécessitent un système de refroidissement actif, en complément de la convection naturelle du carter. La première étape consiste généralement à ajouter un dissipateur thermique externe ou un ventilateur avant d'envisager un échangeur de chaleur huile-eau.
Trois options de refroidissement — Quand chacune est appropriée
Un ventilateur monté sur l'arbre d'entrée dirige l'air sur les ailettes du carter. Il augmente le coefficient de transfert thermique (k) de 12–18 W/m²·K (refroidissement naturel) à 25–40 W/m²·K (refroidissement forcé). Dans l'exemple ci-dessus, le refroidissement forcé augmente la puissance maximale (Q_max) de 0,41 kW à 0,7–1,0 kW, ce qui est suffisant pour les réducteurs jusqu'à environ 50–80 kW en continu. C'est l'option de refroidissement la plus simple et la plus économique. Elle ne convient pas aux variateurs de vitesse où la vitesse du ventilateur (et le débit d'air) varie en fonction de la vitesse d'entrée du réducteur.
La pompe à huile fait circuler l'huile de transmission du carter vers un échangeur de chaleur à ailettes refroidi par air avant son retour à la boîte de vitesses. Capacité de dissipation thermique pratiquement illimitée (limitée uniquement par la taille de l'échangeur) à n'importe quelle vitesse de rotation. L'ajout d'une pompe à huile, d'un échangeur, de tuyauterie et d'un filtre augmente le coût du système, mais assure un contrôle précis de la température pour les transmissions à grande vitesse ou à vitesse variable. engrenage hélicoïdal entraînements de plus de 100 kW.
Solution la plus compacte et efficace lorsque l'eau de refroidissement est disponible. Le coefficient de transfert thermique de l'eau est 10 à 20 fois supérieur à celui de l'air ; l'échangeur est donc beaucoup plus petit qu'un modèle à air équivalent. Norme pour les applications marines, offshore et industrielles de grande envergure. engrenage hélicoïdal Les entraînements dans les stations de pompage et les installations de compresseurs où la distribution d'eau de refroidissement est déjà en place nécessitent une attention particulière au système. La protection contre la corrosion et le gel côté eau requiert une conception système supplémentaire.
Surveillance de la température de l'huile — Prévention de la surcharge thermique
La protection la plus simple et fiable pour un engrenage hélicoïdal La protection contre la surcharge thermique est assurée par un thermocouple ou une sonde PT100 située dans le carter d'huile et reliée à un relais d'alarme de température réglé à T_alarm = T_max − 10 °C. Pour l'huile minérale : T_alarm = 70 °C ; pour l'huile synthétique PAO : T_alarm = 85 °C. Korea Ever-Power recommande la surveillance de la température en standard pour tous les systèmes. engrenage hélicoïdal Pour les applications de plus de 75 kW en continu, il alimente le port capteur (bosselage M18 × 1,5) sur les carters de réducteurs pour les commandes industrielles de précision. Un second relais de déclenchement à T_max (80 °C huile minérale / 95 °C huile PAO) assure un arrêt automatique avant le début de la dégradation de l'huile.
Korea Ever-Power — Calcul de la puissance thermique pour chaque commande industrielle
Korea Ever-Power effectue un calcul de puissance thermique — chaleur générée par les pertes d'efficacité, capacité de dissipation thermique du boîtier en fonction de sa géométrie et besoin en refroidissement — pour chaque engrenage à denture hélicoïdale Commande industrielle supérieure à 50 kW. Le résultat du calcul détermine si le boîtier est thermiquement adapté à l'application ou s'il convient de recommander un refroidissement. fabricant d'engrenages hélicoïdauxEn Corée, Ever-Power inclut la géométrie du boîtier, la surface et la capacité thermique dans sa documentation technique standard afin de fournir à l'ingénieur système du client les informations nécessaires à la conception du système complet de gestion thermique. Consultez gamme de produits à engrenages hélicoïdaux pour plus de détails.
Foire aux questions
La température de l'huile détermine directement sa viscosité au niveau de l'engrènement, et donc l'épaisseur du film EHL. Une augmentation de 10 °C de la température de l'huile réduit la viscosité cinématique d'environ 10 à 15 % pour une huile minérale ISO VG 220, diminuant ainsi proportionnellement le rapport du film EHL λ. La température du carter est un indicateur retardé : elle augmente après que l'huile a déjà surchauffé. La température du carter d'huile est le paramètre pertinent à surveiller et à contrôler. La température de surface du carter, mesurée extérieurement par un thermomètre infrarouge, permet un contrôle sans contact. engrenage hélicoïdal boîte de vitesses avec carter en fonte, température externe du carter ≈ température de l'huile − 5 à −15°C (en fonction du gradient thermique à travers la paroi du carter).
Le guide de sélection ISO VG (voir l'article sur la lubrification) indique le grade de viscosité approprié à la température de fonctionnement prévue du bain. Dans les environnements à température ambiante élevée (climats tropicaux, locaux techniques fermés à 40–50 °C), la température du bain en régime permanent sera plus élevée que dans les climats tempérés, ce qui peut entraîner une viscosité de fonctionnement inférieure au minimum requis pour un film EHL complet – nécessitant ainsi le passage à un grade ISO VG supérieur. engrenage hélicoïdal Un variateur conçu pour une huile de viscosité ISO VG 220 dans des conditions tempérées (20 °C ambiant) peut nécessiter une huile ISO VG 320 à 45 °C ambiant afin de maintenir une épaisseur de film EHL équivalente. Korea Ever-Power spécifie la viscosité de l'huile en fonction de la température ambiante indiquée, fournissant ainsi le grade approprié au lieu d'installation plutôt qu'une spécification par défaut.
Oui, légèrement. Le coefficient de frottement interne µ pour un affûtage DIN classe 5 engrenage hélicoïdal Le coefficient de frottement (Ra ≤ 0,4 µm) est d'environ 0,04 à 0,05, contre µ = 0,07 à 0,09 pour une roue dentée taillée par fraise-mère DIN classe 8 (Ra ≈ 2,0 µm). Cette différence permet de réduire les pertes par engrènement d'environ 40 à 50 % (dépendant de la charge) dans une roue dentée rectifiée par rapport à une roue dentée taillée par fraise-mère, à charge transmise égale. Cela équivaut généralement à un gain de rendement de 0,5 à 1,5 point (TP3T). Pour un entraînement de 500 kW, cela représente une réduction de la chaleur dégagée par la rectification de 2,5 à 7,5 kW, ce qui peut, dans certains cas limites, rendre inutile le refroidissement par huile.
Au-dessus d'environ 90 °C pour l'huile minérale (110 °C pour la PAO), le taux d'oxydation de l'huile de base double approximativement pour chaque augmentation de température de 10 °C. Les améliorants d'indice de viscosité et les additifs anti-usure de l'huile s'épuisent rapidement ; l'huile s'épaissit sous l'effet des produits d'oxydation et du vernis ; le film EHL s'amincit et se rompt. engrenage hélicoïdal Les défaillances dues à la dégradation de l'huile (micro-piqûres, grippage, piqûres accélérées) peuvent sembler être des défaillances d'engrenages, mais il s'agit en réalité de défaillances du système thermique. La solution : toujours associer les spécifications des engrenages à un calcul de résistance thermique et assurer un refroidissement adéquat avant la première heure de fonctionnement, et non après la première défaillance d'engrenage.
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Éditeur : Cxm
