Types d’engrenages : Classifications, applications et conseils

Qu’est-ce qu’un engrenage ?

Un engrenage est un composant mécanique. Il est constitué de cliquets ou d’engrenages à dents. Ils s’emboîtent pour transmettre la rotation et le couple d’un arbre à l’autre. Cet engagement précis permet d’éviter les compromis. Ils peuvent être à l’origine d’une vitesse et d’une puissance irrégulières. Les engrenages sont des composants essentiels dans de nombreux secteurs. Il s’agit de l’automobile, des machines, de l’aérospatiale et de la robotique. Les engrenages sont utilisés pour contrôler la vitesse et transférer la puissance.

Il n’existe pas de norme pour l’industrie des engrenages. Cependant, les engrenages sont classés en fonction de leur denture et de leur sens de rotation. Ceci illustre comment les différents types d’engrenages et leurs utilisations spéciales sont discutés. Les engrenages sont utilisés dans de nombreux systèmes mécaniques différents. Cela permet d’illustrer la façon dont les engrenages sont conçus pour des configurations complexes.

Terminologie importante concernant les engrenages

Paramètres de base des engrenages

Les engrenages ont des paramètres. Il s’agit des propriétés techniques des engrenages. Ces paramètres sont exigés par les ingénieurs de l’industrie. Tous ces paramètres sont appliqués aux différentes parties d’un engrenage. Ils déterminent le fonctionnement et les performances de l’engrenage.

Nombre de dents : Les dents ont des arêtes vives et entourent complètement l’engrenage. Le nombre de dents doit être un nombre entier, ce qui peut affecter le rapport de transmission, un aspect important de la performance de l’engrenage. Un plus grand nombre de dents rend le mouvement plus doux, mais nécessite une fabrication de précision.

Profondeur totale: La profondeur totale est mesurée depuis le sommet d’une dent jusqu’à son point le plus bas. Cela permet de s’assurer que la charge prévue peut être supportée par l’engrenage en question. Elle permet également le bon fonctionnement de l’engrenage au sein d’un système mécanique.

Cercles et diamètres critiques

Cercle primitif: Le cercle primitif est un cercle imaginaire qui indique la taille d’un engrenage. Il est essentiel pour les engrenages qui s’engrènent. Leurs cercles primitifs doivent bien correspondre pendant le fonctionnement. Le cercle primitif divise la dent en addendum et en dedendum.

Cercle radiculaire:Le cercle radiculaire est parfois appelé diamètre intérieur. Il marque le bas d’une dent, ou plus précisément sa hauteur. Cette hauteur est utilisée dans les calculs de profondeur et de résistance de la dent.

Cercle extérieur : En ce qui concerne les dimensions extérieures, le cercle extérieur indique le diamètre sur lequel commence le marquage et où commencent les extrémités des dents, du haut vers le bas. La taille globale et l’interchangeabilité entre les engrenages d’un système en dépendent.

Diamètre du pas : Le diamètre primitif est défini comme le diamètre du cercle primitif. Il est donc essentiel d’estimer la distance entre deux engrenages en cours d’engrènement. Elle permet d’éviter les interruptions qui surviennent lorsque ce processus n’est pas bien géré…

Hauteur et module

B Il mesure la distance entre deux dents adjacentes sur le cercle primitif. Elle est essentielle pour comprendre le positionnement et l’interaction.

Module : C’est un rapport obtenu en divisant le diamètre des cercles primitifs par π (pi). Dans l’analyse des engrenages, il est souvent utilisé pour simplifier les calculs de taille et d’espacement des engrenages.

Pas diamétral : Nombre de dents sur un engrenage divisé par le diamètre du cercle primitif. Les engrenages ayant le même pas diamétral s’engrènent bien. Il s’agit donc d’un paramètre important pour la compatibilité des engrenages.

Épaisseur circulaire : Mesure qui définit l’épaisseur d’une dent vue isolément sur sa circonférence. Ces mesures garantissent que les engrenages peuvent supporter les forces appliquées pendant leur fonctionnement.

Angles et points

Angle de pression : L’angle entre la normale commune au point de contact de la dent et la tangente commune au cercle primitif. Il affecte la transmission de la force ainsi que la fluidité du fonctionnement de l’engrenage.

Point de tangage : Le point où deux engrenages en prise ont des points de contact situés sur leurs cercles primitifs respectifs. L’alignement précis des engrenages dépend de ce point ; c’est pourquoi il est lisse.

Surface de pas : L’engrenage denté est connu pour remplacer une surface imaginaire de cylindre roulant. Cela nous aide à comprendre le mouvement des engrenages lorsqu’ils interagissent.

Addendum, Dedendum et Profondeurs.

Addendum &amp ; Dedendum : La distance radiale va de l’addendum à la base de la dent. Elle assure un bon contact de l’engrenage pendant le chargement.

Cercle de l’Addendum et Cercle du Dedendum : Il se trouve à l’extrémité de chaque dent… Ces deux cercles sont concentriques au cercle de tangage et servent de limites à la zone des dents.

Cercle de base: Les profils de dents involues sont dérivés de ce cercle. Cela détermine la forme et la force de la structure de la denture à 13 dents.

Profondeur totale et profondeur de travail : La différence radiale se situe entre les cercles d’addendum et de dédendum. La profondeur de travail assure l’ajustement des engrenages entre l’addendum et le cercle de dégagement.

Épaisseur de la dent et espace entre les dents : Il s’agit de la largeur d’une dent sur le cercle primitif. Ces mesures permettent de déterminer les distances entre les dents et leur interaction avec le système d’engrenage.

Classification des engins

Types d’engrenages en fonction de la forme de la denture

Selon la forme des dents, il existe trois grands types d’engrenages : les développantes, les cycloïdes et les trochoïdes. Les engrenages à développante sont connus pour leurs profils courbes qui assurent une transmission en douceur. Les engrenages cycloïdes ont une forme incurvée. Cette forme les rend plus efficaces dans certains cas que dans d’autres. Les engrenages trochoïdes ont des dents uniques. Elles permettent aux engrenages d’être performants dans certaines conditions.

Types d’engrenages en fonction de la configuration des axes

Les engrenages peuvent également être classés en fonction de la configuration de leurs axes. Les engrenages à axe parallèle sont placés dans des arbres parallèles qui partagent le même plan. Ils ont une grande efficacité dans le transfert de mouvement, tout comme les engrenages hélicoïdaux et les crémaillères. Les engrenages à axe se rejoignent en un point. L’engrenage conique en est un exemple. Ce type d’engrenage se rencontre sur un plan. Il conserve un rendement élevé. En revanche, les arbres d’un engrenage à vis sans fin ne se rencontrent pas ou ne sont pas parallèles. Cela entraîne un faible rendement.

Différents types d’engrenages

L’engrenage est un élément essentiel de toute machine. Il transmet la rotation et la force entre les pièces. Ils se présentent sous de nombreuses formes. Ils répondent à de nombreux besoins mécaniques dans diverses industries. Les ingénieurs doivent connaître les propriétés et la conception de chaque type d’engrenage. Ils utilisent ces connaissances pour choisir les meilleurs en fonction de leurs besoins.

Engrenage droit : Les engrenages droits sont simples. Leurs dents sont parallèles à leur axe de rotation. Cela signifie qu’ils ne peuvent s’engrener qu’avec d’autres engrenages droits qui ont des axes parallèles. Ce type d’engrenage est largement utilisé parce qu’il est simple, bon marché et facile à entretenir. La pratique de la fonderie doit donc être utilisée dans des applications à vitesse modérée, comme les entraînements de broyeurs et les équipements de levage.

Engrenage hélicoïdal : Les engrenages hélicoïdaux ont des dents taillées en biais par rapport à l’axe. Ils sont plus silencieux et vibrent moins que les engrenages droits. Les applications à grande vitesse sont les mieux adaptées à ces engrenages. Ils peuvent également supporter une charge plus importante, ce qui les rend appropriés pour les transmissions de voitures et les machines lourdes.

Engrenage hélicoïdal double : Un engrenage hélicoïdal double est constitué de deux faces hélicoïdales parallèles avec un espace entre elles ; il n’y a donc pas de poussée axiale et le fonctionnement est plus doux. Ce type d’engrenage est fortement recommandé pour les applications à grande vitesse et à grand rapport. Ce type d’engrenage est également utilisé pour absorber les chocs et les vibrations.

Engrenage à chevrons : Les engrenages à chevrons sont semblables à des engrenages hélicoïdaux doubles. Mais ils n’ont pas d’espace entre les deux côtés. Ils sont donc parfaitement adaptés aux chocs et aux vibrations. Cependant, leur processus de fabrication complexe et leur coût ne permettent pas de les utiliser à grande échelle.

Engrenage à vis sans fin: Un engrenage à vis sans fin est composé d’une vis sans fin et d’une roue à vis sans fin. Ils sont destinés à des arbres qui ne se croisent pas à angle droit. Les rapports de réduction sont élevés. Ce type d’engrenage est connu pour son fonctionnement silencieux. Il convient donc mieux aux cas de vitesse lente à moyenne avec des charges de choc.

Engrenage conique : Les engrenages coniques transmettent la puissance entre des arbres qui se croisent à un certain angle, par exemple 90 degrés. Ils sont couramment utilisés dans les différentiels automobiles, les outils électriques et les systèmes de direction. Cela s’explique par le fait qu’ils peuvent supporter efficacement un couple élevé.

Crémaillère et pignon : Ce type d’engrenage convertit la rotation en mouvement linéaire ou vice versa. Il est essentiel dans les systèmes de direction, les machines à commande numérique et les actionneurs linéaires. Les engrenages à crémaillère permettent un contrôle précis des mouvements. C’est pourquoi ces types de produits doivent être efficaces dans de nombreux cas.

Engrenage planétaire: Les engrenages planétaires sont constitués d’un planétaire central, de plusieurs satellites et d’une couronne extérieure. Ils permettent d’obtenir des rapports de réduction très élevés. Ils sont également suffisamment compacts pour supporter de lourdes charges. Ils sont donc très utilisés dans les voitures, les robots et les machines qui ont besoin de cette combinaison.

Engrenage intérieur : Les engrenages intérieurs sont principalement utilisés dans les entraînements par engrenages planétaires et les accouplements d’arbres. Ces engrenages ont des dents à l’intérieur d’un cône ou d’un cylindre, ce qui leur permet de tourner dans le même sens. Nous avons besoin d’exigences spécifiques en matière d’alignement des engrenages et de contrôle de la rotation.

Principes de fonctionnement des engrenages mécaniques

Engrenage et transmission de mouvement

Les engrenages fonctionnent lorsque leurs dents s’enchevêtrent pour modifier les vitesses et les mouvements. Les dents de l’engrenage s’emboîtent dans celles d’un autre engrenage. Cela leur permet de transmettre la rotation. Ce faisant, un avantage mécanique est créé lorsque le couple, la vitesse et le sens de rotation sont modifiés. De cette manière, le transfert de mouvement des engrenages se fait de manière efficace, principalement grâce à l’engrènement.

La connectivité entre l’engrenage et l’arbre

En tant que tels, les engrenages tournent le long des arbres sur lesquels ils sont montés. Cela signifie que les mouvements peuvent être transmis d’un engrenage à l’autre par l’action de l’engrenage le long de l’arbre. Les engrenages sont positionnés correctement à l’aide d’un arbre. L’arbre maintient les engrenages stables et alignés afin qu’ils fonctionnent correctement. S’il n’y avait pas d’arbre, les engrenages risqueraient de ne pas conserver leur configuration pour un mouvement efficace.

Engrenage moteur et engrenage entraîné

Dans un jeu d’engrenages donné, il existe deux types principaux : l’engrenage moteur et l’engrenage entraîné. L’engrenage moteur provoque le mouvement de l’engrenage entraîné en tournant lui-même. Le mouvement se produit donc en raison de l’interaction avec d’autres pièces d’un mécanisme. En effet, lorsque l’engrenage moteur se met en mouvement, sa rotation influe directement sur la vitesse de fonctionnement de l’engrenage entraîné. Cela garantit un fonctionnement sans heurts.

Matériaux couramment utilisés dans la fabrication des engrenages.

Métaux et alliages

S45C

L’acier S45C appartient à la norme JISG4051-79 (94) connue sous le nom d’acier 45 en Chine, avec des désignations similaires au Japon (S45C) et à Taiwan (S45C). Il s’agit d’un acier au carbone de haute qualité qui ne présente aucun défaut structurel. Sa microstructure est uniforme dans toute sa gamme de masse. Sa résistance à l’usure augmente avec une teneur en carbone supérieure à 0,4 %. Toutefois, un traitement thermique approprié est nécessaire lors de la trempe afin d’éviter toute déformation ou fissuration.

SUS304

Également appelé 06Cr19Ni10 ou simplement 304, il s’agit d’un exemple d’acier inoxydable. Il possède une excellente résistance à la corrosion et d’excellentes propriétés mécaniques. Il est toutefois possible de le transformer à chaud. Des opérations telles que le cintrage et l’emboutissage peuvent être réalisées sans durcissement. Cet acier reste inchangé de -196°C à 800°C. Le grade alimentaire 304 a plus de règles pour le chrome, le nickel et les métaux lourds.

40Cr

Équivalent chinois du SCr440 (Japon), du 5140 (États-Unis) et de l’ISO 41Cr4. Il s’applique à l’ingénierie mécanique. Ceci est dû à ses caractéristiques physiques après la trempe et le revenu. D’autre part, il possède une meilleure trempabilité que l’acier S45C. Il peut être utilisé pour les engrenages, les rotors de pompes à huile, etc. Ils fonctionnent à des charges élevées et à des vitesses moyennes.

Matières plastiques

POM (Polyoxyméthylène)

Il est connu sous le nom de « super acier » en raison de ses caractéristiques exceptionnelles. Il s’agit de polyacétals ou de résines acétales. Le POM fonctionne de -40°C à +100°C. Il présente une bonne résistance à l’usure et une bonne autolubrification. Le POM est meilleur que beaucoup d’autres plastiques techniques. Par exemple, sa résistance à la traction est d’environ 70 Mpa. Il a également une faible absorption d’eau, une bonne stabilité dimensionnelle et un aspect brillant.

Nylon

La propriété d’absence de lubrification rend les engrenages en nylon populaires. Ils conviennent aux applications qui exigent des niveaux de bruit plus faibles. Ils conviennent également aux engrenages légers. En outre, ses propriétés uniques font que ce polymère convient aux engrenages spécialisés. Il s’agit d’applications où le bruit pendant le fonctionnement doit être réduit au minimum.

Matériaux composites

Céramique

Le carbure de silicium et d’autres céramiques avancées sont durs et résistants à l’usure. Ils sont utilisés pour ces qualités. Ces matériaux sont principalement destinés à être utilisés dans des conditions difficiles. Bien qu’ils soient fragiles, ils se comportent bien dans des conditions extrêmes.

Composites à matrice métallique

Ces composites allient la solidité des métaux à la dureté et à la résistance à la corrosion des céramiques. Ils sont idéaux pour les applications qui nécessitent la ténacité du métal. Ils doivent également mieux connaître les propriétés des céramiques. Ces propriétés permettent aux matériaux de résister à des exigences opérationnelles élevées.

Considérations pour la conception et le choix des engrenages.

Budget économique

Le coût de la personnalisation a toujours été élevé dans la sélection des engrenages. Les producteurs ont souvent besoin d’engrenages conçus sur mesure. Ils doivent correspondre aux dessins techniques et aux recommandations. Il est nécessaire de faire correspondre ces besoins aux budgets disponibles.

Conception et normes

Les engrenages ont de nombreuses spécifications, normes et tolérances. Il n’existe pas d’approche unique adaptée à toutes les situations. Les entreprises doivent donc définir leurs propres normes. Cela peut impliquer de considérer d’autres pays, comme les États-Unis ou le Japon, si les réglementations locales sont inadéquates.

Configuration de l’espace

Bien que les engrenages occupent généralement le centre des arbres, les besoins de fabrication peuvent en décider autrement. Il peut s’agir de modifier la forme et l’épaisseur des dents ou d’opter pour des engrenages internes qui s’ajustent étroitement.

Besoins en matière de transmission

Les engrenages sont essentiels à la transmission du mouvement et du couple entre les pièces d’une machine. Chaque pièce ayant des exigences particulières, les fabricants optent pour des engrenages adaptés. Ils modifient le type et la conception des engrenages en fonction des exigences de mouvement et de couple.

Conditions de service

De nombreux facteurs influencent le choix des engrenages, tels que le poids, le frottement, le bruit, les vibrations et les contraintes. Il existe également des facteurs environnementaux tels que la température, la propreté et l’humidité. Ces facteurs sont pris en compte lors du choix des matériaux, des traitements ou de la lubrification des engrenages.

Sélection des matériaux

Le choix d’un équipement dépend de sa capacité à résister à différentes conditions. Il s’agit notamment des températures extrêmes, de la poussière, etc. Certains matériaux sont l’acier inoxydable (SUS304), l’acier au carbone (S45C), le nylon, etc. Ils garantissent la durabilité dans certaines conditions.

Détails de la configuration de l’engrenage

• Module et nombre de dents : choisir en fonction du rapport de transmission souhaité et de l’espace disponible,
• Taille de l’engrenage：Sélectionner en fonction de l’espace requis pour les emplacements d’installation,
• Exigences en matière de couple：La capacité de couple de charge du système doit être prise en compte avant de choisir un engrenage,
• Forme du trou interne : Choisissez une rainure de clavette pour le positionnement ou la fixation. Sinon, choisissez un trou rond en fonction des besoins d’installation ou de connectivité.

Applications des types d’engrenages

Avantages et inconvénients des engrenages

Avantages des engrenages

• Transmission efficace de la puissance : Ils permettent d’obtenir des rapports de vitesse élevés dans un espace réduit, avec un gaspillage d’énergie minimal.
• Contrôle précis de la vitesse et du couple : Il permet un contrôle précis, ce qui le rend applicable à différents besoins mécaniques.
• Applications diverses : Il existe de nombreux types et tailles disponibles en fonction de la demande pour chaque engrenage.
• Conception compacte : Il permet d’économiser de l’espace et de s’intégrer sans problème dans diverses configurations.
• Peu d’entretien : Grâce à leur durabilité et à leur longue durée de vie, seule une simple lubrification est nécessaire.
• Rapport de vitesse fixe : Les mouvements sur des arbres non parallèles se croisent parfaitement, ce qui garantit des performances uniformes.

Inconvénients des engrenages

• Systèmes complexes : L’installation précise de ces systèmes peut s’avérer difficile, tout comme leur entretien,
• Bruit et vibrations : Une vitesse élevée ou un mauvais alignement sont à l’origine de ce problème, qui entrave l’utilisation confortable d’un système,
• Capacité limitée sur de longues distances : Pas capable de transférer des mouvements sur de longues distances,
• Risque d’endommagement sous forte charge： Les dommages les plus graves peuvent survenir en cas d’erreur avec les engrenages dentés,
• Manque de flexibilité： Dans de nombreux cas, la rigidité opérationnelle limite son application dans des situations variées,
• Coûts de fabrication élevés： Les processus de production et d’assemblage sont économiquement lourds pour les acheteurs.

Quelle est la différence entre les engrenages et les pignons ?

Les engrenages et les pignons font fonctionner toutes sortes de choses, des bicyclettes aux machines. Ils constituent un élément important de notre vie quotidienne. Ils facilitent la transmission de l’énergie et permettent ainsi des mouvements précis. Les engrenages et les pignons entraînent tous deux des machines. Mais leur conception distincte leur permet de remplir des fonctions différentes, à l’instar d’un tournevis et d’une clé à molette.

Forme et design

Les engrenages ont des dents. Les dents ont la forme de pièces de puzzle irrégulières. Elles s’emboîtent les unes dans les autres. Cela leur permet de bien s’emboîter avec d’autres engrenages. À l’inverse, les dents des pignons sont espacées de manière à s’accrocher correctement à une chaîne ou à une courroie.

Mécanisme de transmission de l’énergie

En emboîtant leurs dents, les engrenages permettent la transmission de l’énergie, ce qui se traduit par un mouvement continu. Les pignons transfèrent l’énergie en saisissant les maillons de la chaîne. C’est un peu comme une chaîne de vélo qui tourne autour de pignons pour tourner.

Applications

Les engrenages sont utilisés pour obtenir une vitesse, un couple et un positionnement précis. On les trouve dans les voitures, les machines, les montres et les boîtes de vitesses. Les pignons apparaissent principalement dans les systèmes à chaînes ou à courroies. Il s’agit notamment des bicyclettes, des motos, des convoyeurs et d’autres machines.

Répartition de la charge

Ils répartissent la charge sur de nombreuses dents afin que la transmission de la puissance se fasse en douceur et de manière efficace. Cela signifie qu’il y a un minimum de contraintes sur les dents individuelles. Les pignons répartissent la charge sur des maillons distincts d’une chaîne ou d’une courroie, ce qui accroît la tension sur certains points de contact.

Taille et construction

Les engrenages existent en différentes tailles et constructions. Il s’agit notamment d’engrenages droits, hélicoïdaux, coniques, à vis sans fin, à crémaillère et planétaires. En revanche, les pignons sont plus standardisés. Leur construction est également plus simple, ce qui leur permet de mieux fonctionner avec des chaînes et des courroies.

Conclusion

Comprendre les engrenages est essentiel pour optimiser les systèmes mécaniques. Ce guide explore les types d’engrenages et leur conception. Il explique comment ils contribuent au bon fonctionnement de la transmission de puissance. Une meilleure connaissance permet de prendre de meilleures décisions en matière de sélection et d’entretien des engrenages.

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FAQ

Quelles sont les techniques de traitement utilisées par les machinistes sur les engrenages ?

Les engrenages peuvent être rectifiés pour un fonctionnement silencieux. Ils sont traités thermiquement pour améliorer leur résistance et leur durabilité. Le chauffage des engrenages après le taillage les rend beaucoup plus résistants. Ce procédé est surtout utilisé pour les roues ou les arbres dans les boîtes de vitesses parallèles à entraînement par le haut.

Qu’est-ce que les formules de calcul pour l’usinage des engrenages?

Les tailles d’engrenages sont calculées à l’aide de formules, en particulier celles qui s’appliquent aux pignons et aux grands engrenages. Ces formules s’appuient sur des éléments tels que l’angle de pression du module, le nombre de dents, le diamètre du cercle primitif, etc.