Engrenages hélicoïdaux pour transmissions à angle droit (rotation à droite)

Les engrenages hélicoïdaux sont utilisés dans les systèmes mécaniques pour transmettre le couple. L'engrenage conique est un type particulier d'engrenage hélicoïdal. Il est composé de deux dents qui s'engrènent. Ces deux dents sont reliées par un roulement. Elles doivent être parfaitement alignées pour que la poussée axiale les rapproche. En cas de jeu axial dans le roulement, l'engrènement ne présente aucun jeu. Par ailleurs, la conception de l'engrenage hélicoïdal repose sur la géométrie des dents.

Équations pour les engrenages hélicoïdaux

La théorie de la divergence exige que les rayons primitifs du pignon et de la roue dentée soient décalés. Ceci est réalisé en augmentant la pente de la surface convexe de la dent de la roue dentée et en diminuant la pente de la surface concave de la dent du pignon. Le pignon est une roue annulaire comportant un alésage central et plusieurs axes transversaux décalés par rapport à l'axe de la denture hélicoïdale.
Les engrenages coniques à denture spirale présentent un flanc de dent hélicoïdal. La spirale est cohérente avec la courbe de l'outil de coupe. L'angle de spirale b est égal à l'élément génératrice du cône primitif. L'angle de spirale moyen bm est l'angle entre l'élément génératrice et le flanc de la dent. Les équations du tableau 2 sont spécifiques aux engrenages à denture étalée et à denture simple de Gleason.
L'équation des flancs de dents d'un engrenage conique à denture hélicoïdale logarithmique est établie à partir du mécanisme de formation de ces flancs. La force de contact tangentielle et l'angle de pression normale de cet engrenage sont respectivement d'environ 20° et 35°. Ces deux équations du mouvement ont permis de résoudre les problèmes liés à la détermination de l'état stationnaire de la transmission. Bien que la théorie de l'engrènement des engrenages coniques à denture hélicoïdale logarithmique soit encore émergente, elle constitue un bon point de départ pour comprendre son fonctionnement.
Cette géométrie admet de nombreuses solutions. Les deux principales sont définies par l'angle d'engrènement de la roue dentée et du pignon, ainsi que par le diamètre de la roue hélicoïdale. Ce dernier paramètre est difficile à contraindre. Un schéma 3D d'une dent d'engrenage conique sert de référence. Les rayons du profil de l'espace entre les dents sont définis par des contraintes aux extrémités, placées aux coins inférieurs de cet espace. Les rayons des dents sont ensuite déterminés par l'angle.
La distance au cône Am d'une roue dentée spirale est également appelée géométrie de la dent. Cette distance doit être corrélée aux différentes sections de la trajectoire de l'outil de coupe. La plage de valeurs de la distance au cône Am doit être corrélée à l'angle de pression des flancs. Les rayons de base d'une roue dentée conique n'ont pas besoin d'être définis, mais cette géométrie doit être prise en compte si la roue dentée conique ne présente pas de décalage hypoïde. Lors de la définition de la géométrie de la dent d'une roue dentée conique spirale, la première étape consiste à utiliser le terme « pignon » plutôt que « roue dentée ».
Le système classique est plus pratique pour la fabrication d'engrenages hélicoïdaux. De plus, ces engrenages doivent présenter le même angle d'hélice. Les engrenages hélicoïdaux de sens opposé doivent s'engrèner. Par ailleurs, les engrenages à profil décalé nécessitent un engrènement plus complexe. Ce type d'engrenage peut être fabriqué de manière similaire à un engrenage droit. Enfin, les calculs relatifs à l'engrènement des engrenages hélicoïdaux sont présentés dans le tableau 7-1.

Conception des engrenages coniques à denture spirale

La conception proposée pour les engrenages coniques à denture spirale utilise une méthode de transformation fonction-forme pour déterminer la géométrie de la surface des dents. Ce modèle 3D est ensuite validé par une méthode d'analyse des écarts de surface afin d'en vérifier la précision. Comparés aux autres types d'engrenages à angle droit, les engrenages coniques à denture spirale sont plus performants et plus compacts. Les engrenages de CZPT Gear Company sont conformes aux normes AGMA. Un jeu d'engrenages coniques à denture spirale de haute qualité atteint un rendement de 99%.
Un système d'engrènement géométrique basé sur des éléments géométriques est proposé et analysé pour les engrenages coniques à denture spirale. Cette approche permet d'obtenir une résistance de contact élevée et est insensible aux défauts d'alignement angulaire des arbres. Les éléments géométriques des engrenages coniques à denture spirale sont modélisés et discutés. Les profils de contact sont étudiés, ainsi que l'influence du défaut d'alignement sur la capacité de charge. De plus, un prototype a été fabriqué et des essais de roulement ont été réalisés afin de vérifier sa précision.
Les trois éléments de base d'un engrenage conique à denture hélicoïdale sont le couple pignon-roue, les arbres d'entrée et de sortie, et le flanc auxiliaire. Les arbres d'entrée et de sortie sont soumis à la torsion, le couple pignon-roue présente une rigidité torsionnelle et l'élasticité du système est faible. Ces caractéristiques rendent les engrenages coniques à denture hélicoïdale particulièrement adaptés à l'engrènement par impact. Afin d'optimiser cet engrènement, un modèle mathématique est développé à partir des paramètres de l'outil et des réglages initiaux de la machine.
Ces dernières années, plusieurs avancées technologiques ont permis de fabriquer des engrenages coniques à denture spirale haute performance. Des chercheurs comme Ding et al. ont optimisé les réglages des machines et les profils des outils de coupe afin d'éliminer tout contact entre les arêtes des dents, ce qui a permis d'obtenir un engrenage conique à denture spirale de grande taille et de haute précision. Ce procédé est d'ailleurs toujours utilisé aujourd'hui pour la fabrication de ces engrenages. Si cette technologie vous intéresse, poursuivez votre lecture !
La conception des engrenages coniques à denture spirale est complexe et exigeante, nécessitant le savoir-faire d'usiniers experts. Ces engrenages représentent la technologie de pointe pour la transmission de puissance d'un système à un autre. Bien que leur fabrication ait été autrefois difficile, ils sont aujourd'hui courants et largement utilisés dans de nombreuses applications. De fait, les engrenages coniques à denture spirale constituent la référence en matière de transmission de puissance à angle droit. Si les machines conventionnelles pour engrenages coniques peuvent être utilisées pour fabriquer des engrenages coniques à denture spirale, la production d'engrenages à denture double est très complexe. L'usinage d'un engrenage conique à denture double spirale est impossible avec les machines traditionnelles. Par conséquent, de nouvelles méthodes de fabrication ont été développées. Un prototype d'engrenage conique à denture double spirale a été réalisé par fabrication additive ; la fabrication d'un centre d'usinage CNC multiaxes suivra.
Les engrenages coniques à denture spirale sont des composants essentiels des hélicoptères et des groupes motopropulseurs aérospatiaux. Leur durabilité, leur endurance et la qualité de leur engrènement sont cruciales pour la sécurité. De nombreux chercheurs se sont tournés vers les engrenages coniques à denture spirale pour répondre à ces exigences. L'un des défis consiste à réduire le bruit, à améliorer le rendement de la transmission et à accroître leur endurance. C'est pourquoi les engrenages coniques à denture spirale peuvent avoir un diamètre inférieur à celui des engrenages coniques droits. Si les engrenages coniques à denture spirale vous intéressent, consultez cet article.

Limites des formes dentaires obtenues géométriquement

Les formes géométriques des dents d'une roue dentée hélicoïdale peuvent être calculées à partir d'un problème de programmation non linéaire. L'approche de la dent Z correspond à l'erreur de déplacement linéaire le long de la normale de contact. Elle peut être calculée à l'aide de la formule donnée dans l'équation (23) avec quelques paramètres supplémentaires. Cependant, le résultat est imprécis pour les faibles charges, car le rapport signal/bruit du signal de déformation est faible.
Les formes de dents obtenues géométriquement peuvent conduire à des profils de contact linéaires et ponctuels. Cependant, elles présentent des limites lorsque les corps des dents empiètent sur la forme géométrique initiale. Ce phénomène est appelé interférence des profils de dents. Bien que cette limite puisse être surmontée par d'autres méthodes, les formes de dents obtenues géométriquement restent limitées par l'engrènement et la résistance des dents. Elles ne peuvent être utilisées que lorsque l'engrènement est adéquat et le mouvement relatif suffisant.
Lors de la mesure du profil de dent, la position relative entre la roue dentée et le capteur varie constamment. La surface de montage du capteur doit être parallèle à l'axe de rotation. L'orientation réelle du capteur peut différer de cette orientation idéale, notamment en raison des tolérances géométriques du support d'arbre et de la plateforme. Cependant, cet effet est minime et ne constitue pas un problème majeur. Il est donc possible d'obtenir les profils géométriques des dents d'une roue dentée hélicoïdale sans recourir à des procédures expérimentales coûteuses.
Le processus de mesure des formes géométriques des dents d'une roue dentée hélicoïdale repose sur un profil en développante idéal, généré par des mesures optiques d'une extrémité de la roue. Ce profil est considéré comme quasi parfait compte tenu de l'orientation générale du système de transmission et de l'axe de rotation. De légères variations sont observées au niveau des angles de tangage et de lacet. Les limites inférieure et supérieure sont respectivement fixées à -10° et -10°.
La forme des dents d'une roue dentée spirale est dérivée de la denture cylindrique à denture droite. Cependant, la forme des dents d'une roue dentée spirale reste soumise à diverses limitations. Outre la forme des dents, le diamètre primitif influe également sur le jeu angulaire. Les valeurs de ces deux paramètres varient pour chaque engrenage d'une roue dentée. Elles sont liées par le rapport de transmission. Une fois ce lien compris, il est possible de concevoir une roue dentée avec une forme adaptée.
Comme la longueur et le pas transversal d'une dent d'engrenage hélicoïdal sont identiques, l'angle d'hélice de chaque profil est le même. Ceci est essentiel pour un bon engrènement. Un pas imparfait entraîne une répartition inégale de la charge entre les dents, ce qui provoque des charges supérieures à la charge nominale sur certaines dents. Il en résulte des vibrations et du bruit d'amplitude variable. De plus, la zone de contact entre le congé de raccordement et la développante de cercle peut être réduite, voire éliminée, avant le diamètre de tête.

Édité par CX le 13 novembre 2023