Types d'engrenages : un guide sur les différents engrenages mécaniques

Les engrenages sont utilisés pour la transmission de la rotation autour d'un axe dans les machines. Ils contrôlent la vitesse du moteur à l’aide de rotations. Ils peuvent donc être utilisés pour accélérer ou ralentir le moteur. Les engrenages peuvent être trouvés dans les horloges, les vélos, les fauteuils roulants et les machines à laver, pour ne citer que quelques objets du quotidien. 

Les engrenages sont conçus avec des roues en métal ou en plastique haute densité avec des dents sur toute la circonférence. Ces dents bougent ou tournent sur un maillage de hache pour créer un mouvement. En conséquence, les deux axes connectés se déplacent dans la direction prévue. Les engrenages sont de différents types, notamment droits, coniques et engrenages à vis sans fin. Nous discuterons en détail des différents types d’équipement. 

Importance des engrenages et comment ils fonctionnent

Les engrenages fonctionnent pour la transmission mécanique lorsqu'une force est appliquée pour créer une sortie. Cela se produit avec le changement de couple et de vitesse des machines. Des engrenages sont ajoutés dans les machines à charge élevée pour garantir un mouvement facile et réduire la vitesse si nécessaire.

De plus, des engrenages peuvent être utilisés pour réduire/contrôler la vitesse du moteur. Il fonctionne donc mieux qu’un système de poulies pour arrêter la machine. Le contrôle fin fourni grâce aux dents d'engrenage peut également transférer le mouvement vers des axes non parallèles. 

En utilisant les vitesses, vous pouvez augmenter votre vitesse en appliquant plus de vitesse. En revanche, vous pouvez diminuer votre vitesse en appliquant moins de force ou en forçant dans la direction opposée. 

Une boîte de vitesses est également indispensable pour augmenter le couple de la machinerie. Cela change la direction du mouvement selon les besoins. L'augmentation/diminution du couple est transmise du moteur d'entraînement à l'équipement entraîné via un arbre de rotation.

Un système d’engrenages peut être utilisé pour produire de grandes quantités de force, entraînant une vitesse élevée. Le mouvement dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des dents de l’engrenage décidera si la vitesse augmente ou diminue. Les dents se déplacent en douceur sur l'arbre pour transmettre la force d'un axe à l'autre. En outre, le type et la taille de l’engrenage auront également un impact sur la force. 

Comprendre les différentes parties des engrenages

Les termes suivants aideront à comprendre les différentes parties de l’équipement et comment elles fonctionnent ensemble.

Axe: L'arbre de l'engrenage passe par le centre de l'axe. De plus, l'axe de l'engrenage peut être sécant, non parallèle ou parallèle. Les engrenages dont les axes se croisent passent par un point commun. Les engrenages non parallèles ou non sécants ont des axes dans des plans différents. Les axes parallèles tournent dans des directions différentes et ne se coupent en aucun point. 

Direction de torsion : Les vitesses sont soit à droite, soit à gauche, selon la position. Cette direction dépend de la forme du ressort. Dans le cas de deux engrenages hélicoïdaux, les dents se déplacent dans le même sens d'un côté. D’un autre côté, les engrenages coniques ont des directions de torsion différentes qui sont opposées les unes aux autres. 

Dents: Les dents de l'engrenage sont des saillies dentelées qui se trouvent sur la circonférence de forme circulaire ou semi-circulaire. Ils dépassent et se déplacent sur le maillage dentaire pour transmettre le mouvement de rotation. Idéalement, le nombre de dents doit être un nombre entier. 

De plus, le profil des dents et de l'engrenage des dents doit être le même pour qu'ils se déplacent et fonctionnent en douceur. La vitesse de l'engrenage est calculée en divisant le nombre de dents du pignon d'entrée par le nombre de dents du pignon de sortie. Ce rapport est également appelé rapport de démultiplication. 

Cercle primitif: Le cercle primitif est calculé avec la tangente qui passe du maillage des deux engrenages. En outre, le périmètre de deux engrenages qui se chevauchent détermine la taille de l’engrenage car ils fonctionnent comme une unité singulière. 

Diamètre de lancement : Il s'agit du diamètre de travail de l'engrenage et est également appelé cercle primitif. Il dicte la distance entre les deux engrenages d'une machine. La distance entre les deux axes sera la somme des diamètres primitifs des deux engrenages divisée par 2. 

Pas diamétral : C'est le rapport entre le nombre total de dents et le diamètre primitif. 

Pas circulaire : Le pas circulaire est calculé en utilisant la distance entre la pointe d'une dent et la pointe de la dent adjacente. Puisque la longueur est sous forme d’arc au lieu d’une longueur droite, elle donne la longueur du cercle primitif. 

Module: Le module est la taille de la dent en millimètres. Il est calculé en divisant le diamètre primitif par le nombre total de dents. Ce sera toujours un nombre rationnel pour garantir une application industrielle fiable.  

Angle de pression: L'angle entre le rayon de la ligne du cercle primitif et la ligne tangente à la dent est l'angle de pression. Certains angles standard de 14,5, 15, 20 et 25 degrés sont utilisés pour les engrenages. La température la plus utilisée est celle de 20 degrés. 

Le grand angle de pression présente un large dédendum, garantissant une grande résistance dentaire. A noter que l'angle de pression est calculé via la répartition de la force et le contact des dents. Par conséquent, les deux engrenages doivent être conçus de manière à garantir le même angle de pression sur le maillage.

Forme d'engrenage : Différentes formes d'engrenages peuvent inclure circulaire, semi-circulaire, triangulaire, carré et elliptique. Ces formes ont un impact sur la vitesse et le couple de la machine. Une forme uniforme de l'engrenage, telle que circulaire ou elliptique, se traduira par la même vitesse et le même couple. D'un autre côté, les engrenages non uniformes peuvent produire des vitesses et des couples différents selon la position des dents, même lorsque l'entrée est la même.

Angle de torsion : Il s'agit de l'inclinaison de la dent par rapport à l'axe cylindrique de la machine. La direction de poussée augmente à mesure que l'angle de torsion de l'engrenage augmente. De ce fait, l'efficacité de la machine peut diminuer. L'angle de torsion habituel est de 25 degrés pour gérer l'efficacité et la poussée de la machine. 

Différents types d'engrenages

Nous avons compilé une liste de différents types d’équipements.

Engrenages cylindriques

Ce sont les types d’équipements les plus simples et les plus populaires. Ils transfèrent le mouvement entre des arbres parallèles. Leurs dents droites les rendent faciles à fabriquer avec Machines 3 axes comme les découpeuses laser ou moulage par injection.

Lorsque deux engrenages droits sont utilisés, ils sont placés l'un à côté de l'autre sur le treillis, permettant un mouvement de rotation dans la direction opposée. La transmission de puissance via un groupe d'engrenages droits fonctionne dans un arbre parallèle. Ils sont couramment utilisés dans les pompes à engrenages, les moteurs, les systèmes de convoyeurs et les réducteurs de vitesse.

Engrenages coniques

Les engrenages coniques transmettent la puissance entre des axes non parallèles. Lorsque les dents inclinées se rencontrent au même sommet, elles forment des engrenages à onglet à des angles de 90 degrés. Les dents inclinées donnent des diamètres primitifs en forme de cône. 

Ainsi, les engrenages sont différenciés en fonction de la distance entre l'arrière de l'engrenage et la pointe du cône de l'engrenage. Pour engrener deux engrenages coniques, le cône imaginaire doit s'étendre jusqu'au même sommet. Ces engrenages sont coûteux à former en raison de leur conception complexe. De plus, ils transmettent un couple important et ne constituent donc pas toujours le premier choix pour les machines. 

Types d'engrenages coniques

Les engrenages coniques sont disponibles dans différentes conceptions, telles que droites, en spirale, à onglet et à couronne. Les biseaux droits sont faciles à fabriquer en raison de leur conception simple. Les dents en biseau droit travaillent simultanément. Ainsi, les dents sont progressivement effilées pour garantir que la surface du pas ait une forme conique. 

Dans les engrenages en spirale, les dents ont des lignes courbes pour maintenir un bon rapport de contact. Ils sont plus efficaces que les engrenages coniques droits. De plus, ils ne génèrent pas de vibrations ni de bruit élevés. 

Les engrenages coniques Zerol sont connus pour avoir des caractéristiques de conception droites et en spirale. Ils sont une marque déposée de Gleason Co. Ces engrenages sont conçus de telle manière que les dents peuvent tourner librement dans n'importe quelle direction. L'angle de torsion nul leur permet de se déplacer plus facilement ainsi. 

Un autre engrenage conique est un onglet avec un arbre à 90 degrés, qui peut transmettre le changement de puissance même sans impact sur la vitesse. Enfin, les couronnes dentées/engrenages frontaux sont conçus à angle droit. Ils sont utilisés dans les presses à imprimer, les chemins de fer, les automobiles, les centrales électriques et les applications marines.

Engrenages hélicoïdaux 

Avec des dents positionnées angulairement, les engrenages hélicoïdaux ont une trace de dent inclinée non parallèle. En raison des multiples dents de la transmission, les engrenages hélicoïdaux conviennent parfaitement au transport de lourdes charges. De plus, ils font moins de bruit car il y a un minimum de vibrations et de frictions pendant la transmission. 

Vous pouvez choisir parmi différents types d'engrenages hélicoïdaux : simples, doubles ou à chevrons. Les engrenages simples ont une hélice à gauche ou à droite. Les engrenages doubles ont deux faces hélicoïdales identiques dans des directions opposées. L’utilisation d’un double engrenage contribue à une meilleure transmission grâce à une efficacité plus élevée et à une friction moindre. 

Un autre type est l'engrenage à chevrons, où deux engrenages sont joints sans aucun espace entre les deux. Ils sont parfaits pour absorber les chocs dans les machines. 

Crémaillère

Ce mécanisme d'engrenage convertit le mouvement linéaire en mouvement de rotation ou vice versa. Il est donc idéal pour des applications telles que les systèmes de direction. Ils sont présents par paires avec deux engrenages circulaires. Classiquement, les engrenages droits ou hélicoïdaux constituent les engrenages à crémaillère. 

L'engrenage à crémaillère et pignon fonctionne avec un pignon/engrenage droit et un rail denté pour provoquer le mouvement. Il y a un mouvement de glissement continu conduisant à la rotation de l'engrenage. Ils sont utilisés dans les systèmes de direction des automobiles.

Réducteurs planétaires

Comme leur nom l’indique, les réducteurs planétaires ont des engrenages internes appelés soleil et planètes. Le soleil est au milieu de la boîte de vitesses et fait tourner les autres planètes. Ce mouvement provoque le déplacement du grand engrenage interne et provoque un mouvement dans la machine. 

Une lubrification appropriée est nécessaire pour garantir le bon fonctionnement de tous les engrenages. Les réducteurs planétaires sont suffisamment efficaces pour répondre à des besoins de force importants. Ils peuvent également aider à réduire les gros engrenages lorsque l'espace est limité. 

Engrenages à vis sans fin

Les engrenages à vis sans fin sont entraînés par une vis sur l'arbre, appelée vis sans fin, et par l'engrenage d'accouplement, appelé roue à vis sans fin. L'engrenage tourne sur un plan différent perpendiculaire à la vis sans fin. Chaque rotation de la vis sans fin fait tourner l’engrenage d’une dent. 

Cela implique que le rapport de démultiplication est ici N:1, N étant le nombre de dents de l'engrenage. Les engrenages à vis sans fin ont tendance à être moins efficaces en termes de vitesse, mais ils peuvent augmenter progressivement le couple du système. 

Il existe une transmission non sécante avec un contact glissant. Le mouvement est fluide grâce à moins de friction. Ces engrenages ne sont donc pas bruyants. Un autre élément de conception à noter est que les engrenages à vis sans fin sont linéaires au lieu des conceptions circulaires courantes. 

Engrenages à cage

Les engrenages à cage sont généralement fabriqués avec des matériaux et des chevilles en bois. Ils sont plus faciles et moins chers à fabriquer que leurs homologues métalliques. Ces engrenages transmettent la force dans l’axe perpendiculaire et n’offrent donc pas beaucoup de vitesse. Une cage peut agir comme différents engrenages, comme un engrenage à vis sans fin avec des chevilles et des dents. 

Les chevilles de ces engrenages fonctionnent comme des dents reliées à un petit disque. Ces piquets se connectent à d’autres piquets de différents équipements pour fonctionner comme une unité. L’un des avantages de l’engrenage à cage et à chevilles est qu’il peut fonctionner des deux côtés lorsque les chevilles se déplacent dans les deux sens. 

Engrenages mutilés 

Certaines conceptions de machines peuvent nécessiter des engrenages mutilés où la dent ne s'étend pas complètement autour du cercle primitif. Si la rotation complète à 360 degrés ne se produit pas, des engrenages mutilés avec un nombre moindre de dents peuvent être ajoutés. 

Ceci est idéal lorsque les machines ne doivent pas se déplacer en continu. La présence de dents d'un côté de l'engrenage et du côté vide de l'autre entraînera des impulsions de mouvement, faisant fonctionner l'arbre à des pauses constantes.

Engrenages non circulaires

Ce qui est fascinant avec les engrenages non circulaires, c’est leur forme intéressante. Leur diamètre n'est pas le même dans tous les domaines. Ainsi, lorsqu’ils tournent, la forme de l’engrenage change, conduisant à des vitesses de rotation différentes à tout moment. Ceux-ci sont rarement utilisés mais peuvent s'ajouter à des fonctions uniques de la machine lorsque deux axes nécessitent un engrenage non circulaire. 

Considérations sur la conception des engrenages

Voici quelques éléments essentiels à prendre en compte lors de la conception d’engrenages : 

Dimensions

La dimension de la machinerie est un facteur déterminant quant à l'espace disponible pour les engrenages. Gardez à l’esprit l’espace nécessaire pour accueillir plusieurs engrenages, dents et arbres. De plus, les engrenages doivent pouvoir se déplacer autour du cercle primitif. 

S'il existe une limitation de taille, des engrenages plus petits ou des engrenages non circulaires peuvent être utilisés. Une autre option consiste à utiliser des engrenages mutilés. Faites attention à l'angle de pression, au pas et à la résistance à la traction du matériau de fabrication.

Les exigences de conception incluent également le respect des normes de conception internationales et nationales de fabrication. Par exemple, vous pouvez suivre les normes américaines de fabrication d'engrenages pour garantir une conception et une fabrication sûres. Ces protocoles peuvent également dépendre de la situation géographique et être différents aux États-Unis, en Allemagne et au Japon.  

Conditions opérationnelles

Les conditions environnementales telles que la température, les conditions météorologiques et l'humidité peuvent avoir un impact sur les engrenages. La lubrification et la friction entre les dents et l'engrenage peuvent être réduites en raison de conditions météorologiques difficiles. Tenez-en donc compte lorsque vous ajoutez des touches de finition et des traitements de surface au matériau final. 

Coût de fabrication

Considérez le coût de fabrication des engrenages. Cela peut dépendre du processus, comme Conception CAO, Usinage de tours CNCg, ou moulage par injection. Assurez-vous que le processus de fabrication répond aux exigences réglementaires. Incluez le coût des matières premières et des finitions pour obtenir la bonne estimation. 

Notez que le prix des modèles d’équipement personnalisés sera plus élevé. Si vous travaillez en partenariat avec une entreprise manufacturière, demandez des devis de commande groupée, même pour des conceptions sur mesure. 

Transmission du mouvement

Le mouvement des dents de l'engrenage doit être pris en compte dans les composants de conception. La transmission par engrenages comprend le couple, la friction et la force appliquées sur différents axes. Les différentes formes d'engrenages, telles que les engrenages hélicoïdaux et non circulaires, ont un impact sur la direction et l'impact de la vitesse du système. 

Emballer

Vous savez maintenant tout sur les types d’engrenages courants. Les types les plus couramment utilisés sont les engrenages droits et coniques. Ils sont utilisés dans les automobiles, les tapis roulants et les horloges. Certains engrenages comme les boîtes de vitesses à crémaillère et pignon et planétaires sont efficaces ; ainsi, ils sont utilisés pour les machines lourdes. 

Le meilleur équipement pour un système peut être déterminé en tenant compte des fonctions et des matériaux. Une fois la conception CAO finalisée, le processus de fabrication CNC garantira la précision. Partenaire avec  Conception industrielle HiTop et Professionnels du CNC pour produire des équipements de haute qualité.

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