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Nov 18, 2023

Engrenages hypoïdes

Les engrenages hypoïdes sont une catégorie unique d'engrenages coniques en spirale qui sont utilisés pour

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 groupes motopropulseurs des poids lourds.

À l’époque, le génie de l’invention était le décalage entre les arbres d’engrenage, ce 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 en 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 ont également une présence croissante dans les industries industrielles de la transmission de puissance 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 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 lisses et plus silencieux que les engrenages coniques à dents droites et ce sont ces engrenages coniques en spirale auxquels les hypoids ressemblent le plus.

Contrairement aux engrenages coniques standard, les arbres d’accouplement des engrenages hypoïdes ne se croisent pas parce que l’arbre d’engrenages plus petit (appelé pignon) est décalé par rapport à l’arbre d’engrenages plus grand (appelé couronne). Ce sont ces axes qui ne se croisent pas 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 en spirale entre le pignon et la couronne permet aux engrenages de s’enchaîner très facilement. L’augmentation de la surface de contact et de l’endettement des dents permet une plus large gamme de rapports d’engrenage et la capacité de transmettre des quantités plus élevées de couple.

Les avantages supplémentaires résultant de l’augmentation de l’angle en spirale et de la surface de contact entre les engrenages hypoïdes comprennent une usure réduite, une friction réduite, une perte d’énergie réduite et une efficacité accrue, ce qui contribue 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 accrue des dents, les engrenages hypoïdes peuvent transporter une charge sur plusieurs dents simultanément. Le nombre moyen de dents d’engrenages hypoïdes en contact en même temps est de 2,2:1 à 2,9:1. Les engrenages coniques, d’autre part, sont chargés une dent à la fois. Un contact plus important entre dents 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 à couple nominal équivalent, ce qui en fait un meilleur choix pour les applications impliquant des espaces restreints.

Les engrenages coniques et les boîtes coniques sont les plus courants dans les rapports de 1: 1 et 2: 1, certains fabricants fournissant des rapports allant jusqu’à 5: 1. En revanche, les engrenages hypoïdes n’offrent 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 vitesses. 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 boîtes de vitesses coniques ne peuvent pas supporter des vitesses supérieures à 1 500 tr/min sans surchauffe, tandis que les boîtes de vitesses hypoïdes peuvent atteindre des vitesses d’entrée continues allant jusqu’à 3 000 tr/min.

Le maillage entre les engrenages hypoïdes implique une action de glissement, ce qui entraîne une transmission très douce et silencieuse. Par la suite, des charges plus élevées peuvent être transmises avec des niveaux sonores inférieurs à ceux des 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 cotes d’efficacité allant jusqu’à 99%. L’efficacité des engrenages hypoïdes diminue à mesure que le décalage d’axe augmente et une attention particulière doit être accordée à la lubrification pour éviter l’usure des engrenages résultant de l’action glissante des dents d’engrenage hypoïdes. Les hypoids nécessitent une lubrification avec des additifs à pression extrême, tandis que les engrenages coniques peuvent fonctionner avec de la graisse ou de l’huile pour engrenages standard.

Les boîtes de vitesses coniques emballées présentent un autre avantage par rapport aux hypoids. Les boîtes à biseau offrent plusieurs options d’arbre; De nombreuses boîtes de vitesses coniques sont disponibles en configurations à 2, 3 et 4 arbres. Si une application nécessite une transmission 1:1 ou 2:1, une transmission avec 3 ou 4 sorties ou des rendements 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 hypoids 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 un seul étage – 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 hypoids bénéficient d’un avantage de vitesse important par rapport aux engrenages à vis sans fin, la différence la plus percutante entre ces deux types d’engrenages est l’efficacité. Par rapport aux engrenages à vis sans fin, les hypoids sont beaucoup plus efficaces pour transmettre la puissance, en particulier à des rapports de réduction élevés et à des vitesses basses. La plupart des hypoids 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 des hypoïdes reste constante sur une large gamme de rapports et de vitesses, tandis que l’efficacité de l’engrenage à vis sans fin varie en fonction du rapport et de 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 production de chaleur. Les engrenages hypoïdes fonctionnent beaucoup plus froid que les engrenages à vis sans fin, ce qui peut entraîner un avantage dans la durée de vie prévue des engrenages.

La tendance aujourd’hui est de tout rendre plus petit et plus efficace et hypoids aide à atteindre ces objectifs. L’avantage d’efficacité des hypoids par rapport aux engrenages à vis sans fin est significatif et les hypoids sont beaucoup plus compacts et peuvent s’adapter à des espaces physiques plus restreints qu’un agencement d’engrenages à vis sans fin avec une capacité de couple similaire. Comme mentionné ci-dessus, les machines peuvent utiliser des moteurs plus petits et moins coûteux en raison d’une efficacité plus élevée, ce qui réduit encore l’encombrement de la machine. Le temps coûte de l’argent et l’espace aussi, ce qui donne à hypoids un autre avantage sur les engrenages à vis sans fin.

L’engrenage à vis sans fin présente 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 des engrenages à un étage, alors qu’en monoplace, la plupart des fabricants fournissent 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 de maintien du couple 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 fasse marche arrière en l’absence de couple de maintien ou de frein.

Le prix d’achat initial des engrenages hypoïdes peut également être plus cher que les engrenages à vis sans fin et les boîtes de vitesses comparables. Cependant, les nombreux avantages en termes de performances des engrenages hypoïdes - tels qu’une efficacité supérieure, une précision plus élevée, une vitesse plus élevée, une capacité de couple plus élevée et un encombrement réduit - peuvent s’avérer plus rentables au fil du temps. Pour des performances haut de gamme 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 hypoids dans l’industrie de la transmission de puissance en témoigne.

Un autre énorme avantage de l’engrenage hypoïde par rapport aux engrenages coniques et aux engrenages à vis sans fin est la précision ou la précision mesurée dans le jeu des dents. 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 d’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 arrangements d’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 maintenant 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 faible et haute vitesse ainsi que pour les applications à taux de cycle élevé qui nécessitent une précision extrême. Disponibles en configurations à un ou deux étages, emballées avec un étage d’engrenage planétaire, les boîtes de vitesses 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 arrangement 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 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 se traduit par des boîtes de vitesses plus compactes, efficaces et précises.

La plupart des fabricants ont conçu des brides de moteur sur l’entrée de ces boîtes de vitesses hypoïdes pour permettre à une variété de moteurs, y compris les servomoteurs métriques et NEMA, de 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 sont de plus en plus présents dans l’industrie du contrôle de mouvement.

Il est peu probable qu’Ernest Wildhaber ait pu prévoir que son invention voyagerait 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 hypoïdes et de boîtes de vitesses. 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 actuelles de la transmission de puissance et du contrôle de mouvement.

Cet article a été rédigé par Candy Controls, Niles, IL. Pour plus d’informations, visitez ici .

Cet article a été publié pour la première fois dans le numéro de décembre 2021 de Motion Design Magazine.

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