Engrenages hypoïdes

Les engrenages hypoïdes sont une catégorie unique d'engrenages coniques en spirale qui sont utilisés pour transmettre la puissance de rotation entre deux arbres à angle droit. Inventés par Ernest Wildhaber au début des années 1920, les engrenages hypoïdes étaient principalement utilisés dans les trains roulants des camions lourds.

À l'époque, le génie de l'invention était le décalage entre les arbres de transmission, qui permettait d'abaisser le châssis du camion. Ce développement a eu un impact profond sur la conception des véhicules, entraînant des améliorations significatives de l'espace disponible dans le véhicule, de la stabilité au roulis, de la maniabilité du véhicule, de la sécurité, de l'aérodynamique et de la consommation d'essence. Bien que les engrenages hypoïdes soient toujours utilisés à ce titre, ils sont également de plus en plus présents dans les industries de la transmission de puissance industrielle et du contrôle de mouvement.

Les engrenages hypoïdes peuvent être classés comme un type d'engrenage conique utilisé pour transmettre la puissance de rotation, ou le couple, entre deux arbres à angle droit. Il existe deux catégories principales d'engrenages coniques : les dents droites et les dents en spirale. Les engrenages coniques à dents en spirale se sont avérés plus fluides et plus silencieux que les engrenages coniques à dents droites et ce sont ces engrenages coniques en spirale qui ressemblent le plus aux hypoïdes.

Contrairement aux engrenages coniques standard, les arbres d'engrenages correspondants pour les ensembles d'engrenages hypoïdes ne se croisent pas car le plus petit arbre d'engrenage (appelé pignon) est décalé par rapport à l'arbre d'engrenage plus grand (appelé couronne). Ce sont ces axes non sécants que M. Wildhaber a conçus en pensant à l'essieu arrière, ce qui a permis d'améliorer les performances du véhicule décrites ci-dessus.

Le décalage d'axe permet au diamètre du pignon d'être plus grand et d'avoir un angle de spirale plus grand que ce qui serait autrement possible, ce qui augmente la surface de contact et la résistance des dents. L'angle de spirale entre le pignon et la couronne fait que les engrenages s'engrènent très doucement. L'augmentation de la surface de contact et de la force des dents permet une plus large gamme de rapports de démultiplication et la capacité de transmettre des quantités de couple plus élevées.

Les avantages supplémentaires résultant de l'augmentation de l'angle de spirale et de la zone de contact entre les ensembles d'engrenages hypoïdes incluent une usure réduite, une friction plus faible, une perte d'énergie plus faible et une efficacité accrue, qui contribuent tous à prolonger la durée de vie des engrenages et des boîtes de vitesses hypoïdes.

En raison de leur angle de spirale et de la résistance des dents accrus, les engrenages hypoïdes peuvent supporter une charge sur plusieurs dents simultanément. Le nombre moyen de dents d'engrenage hypoïde en contact à un moment donné est de 2,2:1 à 2,9:1. Les engrenages coniques, en revanche, sont chargés une dent d'engrenage à la fois. Plus de contact dent à dent permet aux engrenages hypoïdes de transmettre un couple plus élevé par rapport aux engrenages coniques de taille similaire. En plus de transmettre plus de couple, les engrenages hypoïdes et les boîtes de vitesses ont tendance à être plus petits et plus compacts que les boîtes de vitesses coniques avec des couples nominaux équivalents, ce qui en fait un meilleur choix pour les applications impliquant des espaces restreints.

Les engrenages coniques et les boîtes de vitesses coniques sont les plus courants dans des rapports de 1: 1 et 2: 1, certains fabricants proposant des rapports allant jusqu'à 5: 1. En revanche, les engrenages hypoïdes ne fournissent pas de solutions pour les applications 1:1 et 2:1. Cependant, ils atteignent efficacement des rapports de 3: 1 à 10: 1, offrant plus d'options de rapport avec un seul étage de vitesse. Les rapports de réduction sont pertinents pour la vitesse, où les boîtes de vitesses hypoïdes bénéficient d'un autre avantage significatif par rapport aux boîtes de vitesses coniques. La plupart des réducteurs coniques ne peuvent pas gérer des vitesses supérieures à 1 500 tr/min sans surchauffe, tandis que les réducteurs hypoïdes peuvent atteindre des vitesses d'entrée continues jusqu'à 3 000 tr/min.

Le maillage entre les engrenages hypoïdes implique une action de glissement, ce qui se traduit par une transmission très douce et silencieuse. Par la suite, des charges plus élevées peuvent être transmises avec des niveaux de bruit inférieurs par rapport aux engrenages coniques, qui deviennent bruyants à des vitesses plus élevées.

Les engrenages hypoïdes offrent plus de rapports, des capacités de couple plus élevées, des vitesses de fonctionnement plus élevées et moins de bruit que leurs homologues coniques. Cependant, les engrenages hypoïdes sont généralement moins efficaces (90 à 95%) qu'un ensemble similaire d'engrenages coniques en spirale, qui peuvent avoir des taux d'efficacité allant jusqu'à 99%. L'efficacité des engrenages hypoïdes diminue à mesure que le décalage de l'axe augmente et une attention particulière doit être accordée à la lubrification pour éviter l'usure des engrenages en raison de l'action de glissement des dents de l'engrenage hypoïde. Les hypooïdes nécessitent une lubrification avec des additifs extrême pression, tandis que les engrenages coniques peuvent fonctionner avec de la graisse ou de l'huile pour engrenages standard.

Les boîtes de vitesses coniques emballées ont un autre avantage par rapport aux hypoïdes. Les boîtes biseautées offrent plusieurs options d'arbre ; de nombreux réducteurs coniques sont disponibles en configurations à 2, 3 et 4 arbres. Si une application nécessite une transmission 1:1 ou 2:1, une transmission à 3 ou 4 sorties ou des taux d'efficacité supérieurs à 95 %, les engrenages coniques peuvent être la meilleure option. En dehors de ces critères, les engrenages hypoïdes remplacent les engrenages coniques dans un certain nombre d'applications.

L'autre type populaire d'engrenage à angle droit sur lequel les hypoïdes empiètent est la technologie des engrenages à vis sans fin. Pendant des décennies, les engrenages à vis sans fin ont été le choix populaire pour la réduction de vitesse à angle droit car ils sont robustes et relativement peu coûteux. Avec un rapport coût/couple favorable et la possibilité d'offrir une large gamme de rapports en une seule étape - généralement de 3: 1 à 100: 1 - l'engrenage à vis sans fin est largement utilisé dans un certain nombre d'industries manufacturières. Aujourd'hui, cependant, les engrenages hypoïdes peuvent être une meilleure alternative pour de nombreuses raisons.

Alors que les hypoïdes bénéficient d'un grand avantage de vitesse par rapport aux engrenages à vis sans fin, la différence la plus importante entre ces deux types d'engrenages est l'efficacité. Par rapport aux engrenages à vis sans fin, les hypoïdes sont beaucoup plus efficaces pour transmettre la puissance, en particulier à des rapports de réduction élevés et à basse vitesse. La plupart des hypoïdes sont efficaces entre 90 % et 95 % par rapport aux engrenages à vis sans fin de taille similaire, qui varient entre 40 % et 85 %. De plus, l'efficacité hypoïde reste constante sur une large gamme de rapports et de vitesses, tandis que l'efficacité de l'engrenage à vis sans fin varie à la fois avec le rapport et la vitesse.

Une plus grande efficacité présente de nombreux avantages, à commencer par les économies d'énergie. Plus d'efficacité signifie que des moteurs plus petits peuvent être utilisés pour entraîner des machines, ce qui réduit les coûts d'achat initiaux ainsi que les coûts d'énergie et de maintenance à long terme. L'efficacité affecte également la génération de chaleur. Les engrenages hypoïdes fonctionnent beaucoup plus froid que les engrenages à vis sans fin, ce qui peut conduire à un avantage dans la durée de vie prévue des engrenages.

La tendance actuelle est de rendre tout plus petit et plus efficace et les hypoïdes aident à atteindre ces objectifs. L'avantage d'efficacité que les hypoïdes ont par rapport à l'engrenage à vis sans fin est significatif et les hypoïdes sont beaucoup plus compacts et peuvent s'intégrer dans des espaces physiques plus étroits qu'un arrangement d'engrenage à vis sans fin avec une capacité de couple similaire. Comme mentionné ci-dessus, les machines peuvent utiliser des moteurs plus petits et moins chers grâce à des rendements plus élevés, ce qui réduit encore l'encombrement de la machine. Le temps coûte de l'argent, tout comme l'espace, ce qui donne aux hypoïdes un autre avantage par rapport aux engrenages à vis sans fin.

Les engrenages à vis sans fin et à vis sans fin présentent quelques avantages par rapport aux engrenages hypoïdes. Les engrenages à vis sans fin peuvent fournir des rapports allant jusqu'à 100: 1 ou plus avec un engrenage à un étage, alors qu'en un seul étage, la plupart des fabricants proposent des boîtes de vitesses hypoïdes jusqu'à 10: 1. De plus, en raison de l'inefficacité et des rapports élevés des engrenages à vis sans fin, de nombreuses applications d'entraînement à vis sans fin sont autobloquantes, éliminant ainsi le besoin d'un couple de maintien ou d'un frein externe. Avec des rendements allant jusqu'à 95 %, les engrenages hypoïdes ne sont pas autobloquants ; il est possible que la transmission rétrograde en l'absence de couple de maintien ou de frein.

Le prix d'achat initial des engrenages hypoïdes peut également être plus élevé que celui des engrenages à vis sans fin et des boîtes de vitesses comparables. Cependant, les nombreux avantages de performance des engrenages hypoïdes - tels qu'une efficacité plus élevée, une précision plus élevée, une vitesse plus élevée, une capacité de couple plus élevée et un encombrement réduit - peuvent s'avérer que la technologie hypoïde est plus rentable au fil du temps. Pour des performances optimales et des économies de coûts à long terme, les engrenages hypoïdes sont devenus une alternative attrayante aux engrenages à vis sans fin et la croissance des hypoïdes dans l'industrie de la transmission de puissance en témoigne.

Un autre énorme avantage que l'engrenage hypoïde a sur les engrenages coniques et les engrenages à vis sans fin est la précision ou l'exactitude mesurée dans le jeu des dents d'engrenage. Les engrenages coniques, en particulier les engrenages coniques en spirale, peuvent être fabriqués en ensembles pour être très précis, jusqu'à environ 6 minutes d'arc. Cependant, la plupart des engrenages à vis sans fin et à vis sans fin ont beaucoup plus de jeu dans le maillage des dents de l'engrenage, ce qui les rend inadaptés à de nombreuses applications au-delà de la transmission de puissance.

Les engrenages hypoïdes peuvent atteindre des spécifications de jeu aussi faibles que 3 minutes d'arc, ce qui les rend beaucoup plus précis que les engrenages coniques ou à vis sans fin. Ce niveau de précision, combiné aux nombreux autres avantages établis, a permis aux engrenages hypoïdes d'aller au-delà de la transmission de puissance et de pénétrer le marché du contrôle de mouvement.

Les engrenages hypoïdes sont désormais couramment utilisés dans un large éventail d'applications d'automatisation et de contrôle de mouvement. Leurs caractéristiques de performance les rendent idéales pour les applications à basse et haute vitesse ainsi que pour les applications à cadence élevée qui nécessitent une précision extrême. Disponibles en agencements à un ou deux étages, équipés d'un étage d'engrenage planétaire, les réducteurs hypoïdes offrent une large gamme de rapports allant de 3:1 à 100:1.

Les réducteurs planétaires de précision sont présents dans l'industrie du contrôle de mouvement depuis de nombreuses années. Afin de convertir un agencement planétaire en ligne en un réducteur à angle droit, les fabricants de boîtes de vitesses ont incorporé un ensemble d'engrenages coniques en spirale pour effectuer le virage à 90 degrés. Au cours des dernières années, ces ensembles d'engrenages coniques à l'intérieur de boîtes de vitesses planétaires à angle droit à plusieurs étages ont été remplacés par des engrenages hypoïdes, ce qui donne des boîtes de vitesses plus compactes, efficaces et précises.

La plupart des fabricants ont conçu des brides de moteur à l'entrée de ces boîtes de vitesses hypoïdes pour permettre à une variété de moteurs, y compris des servomoteurs métriques et NEMA, de se monter directement sur le boîtier de la boîte de vitesses. Qu'ils soient utilisés dans une boîte de vitesses à angle droit à un étage ou en conjonction avec des étages planétaires, les engrenages hypoïdes ont une présence croissante dans l'industrie du contrôle de mouvement.

Il est peu probable qu'Ernest Wildhaber aurait pu prévoir que son invention irait bien au-delà des transmissions de véhicules et dans le monde de la transmission de puissance industrielle et du contrôle de mouvement. En examinant les caractéristiques de conception des engrenages hypoïdes, il est facile de comprendre pourquoi cette technologie a connu une croissance aussi importante.

Compact, haute vitesse, couple élevé, rendement élevé, précision extrême, faible bruit, faible chaleur et longue durée de vie - ces caractéristiques de performance sont synonymes d'engrenages et de boîtes de vitesses hypoïdes. La combinaison de ces caractéristiques a fait de l'engrenage hypoïde une solution de réduction de vitesse de plus en plus populaire pour les demandes croissantes des industries de transmission de puissance et de contrôle de mouvement d'aujourd'hui.

Cet article a été rédigé par Candy Controls, Niles, IL. Pour plus d'informations, rendez-vous ici.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de décembre 2021 de Motion Design Magazine.

Lisez plus d'articles de ce numéro ici.

Lire plus d'articles des archives ici.

S'ABONNER