Maîtriser les types d'engrenages :applications, conception et informations sur la fabrication

Les engrenages sont l’épine dorsale du mouvement dans les systèmes mécaniques. Ces composants dentés transfèrent la vitesse et le couple dans une grande variété d'applications, des horloges aux voitures. Malgré leur simplicité, les engrenages sont capables de résoudre un certain nombre de problèmes mécaniques, permettant le transfert de puissance, la conversion de couple et de vitesse et les changements de direction, mais uniquement lorsque le bon type d'engrenage est sélectionné et conçu de manière appropriée.

Cet article examine les principaux types d'engrenages en ingénierie, couvrant les engrenages droits, les engrenages hélicoïdaux, les engrenages à vis sans fin et au-delà, en discutant de leurs principaux avantages et applications. L'article explique également comment fabriquer des engrenages, y compris les principaux processus d'usinage des engrenages et les meilleurs matériaux.

Que sont les engrenages ?

Les engrenages sont des pièces mécaniques qui transmettent le mouvement et la force en tournant les unes contre les autres. Ce qui les rend spéciaux, ce sont leurs dents :de petits bords uniformément espacés qui se verrouillent dans un autre engrenage et permettent à tout de se déplacer en douceur. Lorsque plusieurs engrenages fonctionnent ensemble, ils forment ce qu'on appelle un train d'engrenages, permettant au mouvement d'être transféré et ajusté dans un système.

Les engrenages fonctionnent en transmettant le mouvement de rotation et le couple d’un arbre à l’autre. Cela se produit lorsque les dents d’un engrenage s’emboîtent avec les dents d’un autre, provoquant la rotation du deuxième engrenage dans la direction opposée. La transmission par engrenages fonctionne en utilisant des engrenages de différentes tailles dans un train d'engrenages :un engrenage plus petit entraînant un engrenage plus grand augmente le couple, tandis qu'un engrenage plus grand entraînant un engrenage plus petit augmente la vitesse. Le plus petit engrenage d'un train d'engrenages s'appelle un pignon.

Dans la construction mécanique et les systèmes industriels, les engrenages sont extrêmement importants. Ils permettent aux ingénieurs de contrôler la vitesse, le couple et la direction dans une grande variété de systèmes, des montres-bracelets aux machines lourdes. Des engrenages bien conçus offrent un haut niveau de précision et peuvent faciliter les changements d'axe dans des configurations spécifiques.

Types d'équipement Disposition de l'arbre

Avant de plonger dans les différents types d'engrenages (en les classant principalement en fonction de leur forme et de leurs caractéristiques), il est utile d'examiner les différentes dispositions d'arbre possibles pour les engrenages.

Les dispositions des arbres d'engrenage définissent la manière dont les engrenages sont positionnés sur leurs axes de rotation pour transférer la puissance. Autrement dit, leur orientation :parallèle, sécante ou ni l’une ni l’autre. Ces différentes configurations affectent des facteurs tels que la vitesse d'entrée/sortie, le couple et la direction.

Vous trouverez ci-dessous les trois configurations d’arbres de transmission principaux et leurs principales caractéristiques. Notez que la colonne Exemples décrit les engrenages par leur forme ainsi que leur disposition.

Disposition de l'arbre Description Applications Avantages Exemples Engrenages à arbres parallèles Engrenages fonctionnant avec des axes parallèles les uns aux autres• Convoyeurs industriels
• Levage et machinerie lourde
• Mélange et traitementHaute efficacité, transfert de puissance et capacité de charge, ainsi que conception compacte• Engrenages droits
• Engrenages hélicoïdaux
• Engrenages à arbres croisés à crémaillère et pignon Engrenages qui relient des arbres se croisant selon un angle (par exemple 90 °) • Entraînements différentiels
• Perceuses à main
• Équipements industrielsHaute efficacité, flexibilité directionnelle, gain de place pour les configurations complexes• Engrenages coniques droits
• Engrenages coniques en spirale
• Engrenages à ongletsEngrenages à arbres non parallèles et sans intersection Engrenages fonctionnant sur des axes asymétriques ou croisés dans l'espace• Convoyeurs et élévateurs (vis sans fin)
• Différentiels automobiles (hypoïdes)
• RobotiqueFlexibilité de conception, rapports de réduction élevés et fonctionnement silencieux et fluide pour les utilisations à charge élevée• Engrenages à vis sans fin
• Engrenages hypoïdes
• Engrenages hélicoïdaux croisés (engrenages à vis)

La section précédente a examiné la manière dont les engrenages peuvent être positionnés les uns par rapport aux autres pour affecter leur utilisation. Cette section examine les engrenages en termes de forme, de caractéristiques et de fonctions inhérentes.

Engrenages droits

Les engrenages droits cylindriques, également appelés engrenages droits ou engrenages à coupe droite, sont un style d'engrenage courant comprenant des dents droites parallèles à l'axe de l'arbre. Ces dents peuvent être internes ou externes, et la puissance est transmise dans un arbre parallèle lorsqu'un engrenage droit est en prise avec un autre.

Les engrenages droits fonctionnent bien à des vitesses modérées mais peuvent être bruyants à des vitesses élevées. On les trouve dans les systèmes de convoyeurs, les machines de découpe, les treuils et les biens de consommation.

Engrenages hélicoïdaux

Les engrenages hélicoïdaux sont un autre type d’engrenage que l’on trouve dans une configuration à arbres parallèles ou croisés. Ils diffèrent des engrenages droits en ce que leurs parois dentées sont inclinées plutôt que parallèles à l'axe de rotation.

Étant donné que les dents inclinées s'engagent plus progressivement que les dents droites, les engrenages hélicoïdaux ont l'avantage de fonctionner de manière fluide et silencieuse, produisant un minimum de vibrations. Ils sont donc populaires dans les applications à grande vitesse ou à faible bruit, notamment les transmissions automobiles, les turbines et les pompes.

Engrenages coniques

Les engrenages coniques ont une forme conique (ou tronconique), avec des dents courant le long de la surface conique du cône. Ils sont conçus pour des configurations d'arbres sécants, généralement à un angle de 90°.

Les sous-types d'engrenages coniques comprennent :

• Engrenages coniques droits  :dents droites courant sur la surface conique
• Engrenages coniques en spirale  :dents incurvées et obliques courant le long de la surface effilée
• Engrenages à onglet  :jeux d'engrenages coniques avec axes d'arbre à 90° et nombre de dents égal

Le principal avantage des engrenages coniques est leur capacité à changer le sens de rotation tout en offrant une transmission de puissance à haut rendement. Ils sont largement utilisés dans les différentiels automobiles (permettant aux roues de tourner à différentes vitesses dans les virages), les transmissions de puissance, les outils manuels et autres systèmes mécaniques.

Engrenages hypoïdes

Un engrenage hypoïde est une variante de l'engrenage conique en spirale, comprenant des dents hélicoïdales incurvées mais sur des axes non parallèles et non sécants (obliques). Dans un engrenage hypoïde, l'arbre du pignon est positionné au-dessus ou en dessous du centre de la couronne dentée.

Les avantages des engrenages hypoïdes incluent un fonctionnement fluide et silencieux, une résistance élevée et la possibilité de placer l'arbre de transmission plus bas. On les trouve le plus souvent dans les différentiels automobiles et les boîtes de vitesses à plusieurs étages.

Engrenages à vis sans fin

Un engrenage à vis sans fin est un mécanisme en deux parties composé d'une « vis sans fin » en forme de vis et d'une « roue à vis sans fin » dentée qui transmet le mouvement à un angle de 90°. De tels engrenages excellent pour augmenter considérablement le couple tout en réduisant la vitesse.

Les avantages des engrenages à vis sans fin incluent des capacités d'autoverrouillage qui empêchent le retour en arrière (rotation en sens inverse) et augmentent la sécurité, ainsi que la compacité et le fonctionnement silencieux. Pour cette raison, les engrenages à vis sans fin sont souvent utilisés dans des applications critiques telles que les équipements de levage lourds (ascenseurs, palans) et les convoyeurs.

Crémaillère et pignon

Une crémaillère et un pignon sont une configuration d'engrenage mécanique qui convertit le mouvement de rotation en mouvement linéaire. La crémaillère est une barre dentée droite et le pignon est un engrenage circulaire.

Les avantages des engrenages à crémaillère et pignon incluent la simplicité et la fiabilité. L’application la plus courante d’une crémaillère et d’un pignon concerne les systèmes de direction automobile. Ici, le pignon est relié à la colonne de direction, et sa rotation fait bouger la crémaillère vers la gauche ou la droite, permettant ainsi aux roues avant de tourner.

Ensembles d'engrenages planétaires

Plus une configuration qu'un type d'engrenage individuel, un système d'engrenages planétaires (ou engrenage épicycloïdal) est un ensemble d'engrenages compact composé d'un engrenage « solaire » central, de plusieurs engrenages « planétaires » tournant autour de lui et d'une couronne extérieure. La configuration crée une densité de couple élevée et différentes vitesses peuvent être obtenues en verrouillant différents éléments.

Les ensembles d'engrenages planétaires se trouvent dans les transmissions automatiques, les mécanismes de réduction industriels, les engrenages de vélo, les imprimantes 3D, les robots et d'autres systèmes.

Matériaux d'engrenage

Les matériaux courants pour les engrenages comprennent des métaux comme l'acier et le bronze, ainsi que certains plastiques à haute résistance. L'acier est le matériau d'engrenage le plus courant dans l'ensemble.

Engrenages métalliques

Le métal est la principale catégorie de matériaux pour les engrenages en raison de sa résistance et de sa durabilité supérieures, ainsi que de sa bonne résistance à la chaleur. Les engrenages à couple élevé et à grande vitesse sont généralement fabriqués en métal plutôt qu'en d'autres matériaux.

Les types courants d'engrenages métalliques incluent :

• Engrenages en acier au carbone  : L'acier au carbone est un métal de travail avec un bon rapport résistance/poids et durabilité.
• Engrenages en acier allié  :Les engrenages en acier allié sont idéaux pour les applications industrielles qui nécessitent une solidité et une résistance aux chocs accrues.
• Engrenages en acier inoxydable :Les engrenages en acier inoxydable sont préférés pour leur résistance accrue à la corrosion.
• Engrenages en fonte :Pour les applications lourdes à faible vitesse nécessitant une bonne résistance à l'usure, des engrenages en fonte peuvent être utilisés.
• Engrenages en bronze et laiton  : Le bronze et d'autres alliages de cuivre sont souvent le matériau de choix pour les engrenages à vis sans fin et les applications à faible friction.

Engrenages en plastique

Bien que les engrenages en métal dominent le paysage, un nombre étonnamment élevé d’engrenages sont fabriqués en plastique. Les engrenages en plastique ont l’avantage d’être très légers, de créer un minimum de bruit et de coûter moins cher que ceux en métal. Certains plastiques ont également des propriétés autolubrifiantes.

Les types courants d'engrenages en plastique comprennent :

• Engrenages en nylon  :Les engrenages en nylon léger offrent une bonne résistance à l'usure, des propriétés autolubrifiantes et un rapport résistance/poids élevé.
• Engrenages en acétal (Delrin)  :Les engrenages en acétal offrent une stabilité dimensionnelle, une faible absorption d'humidité, une haute résistance et un faible frottement.
• Engrenages en polycarbonate  :Les engrenages PC offrent une excellente ténacité et résistance aux chocs, une résistance à la chaleur et une stabilité dimensionnelle.

Méthodes de fabrication des engrenages

Les types de méthodes de fabrication d'engrenages varient en fonction du type d'engrenage, du type de matériau d'engrenage, du volume de fabrication et d'autres facteurs. La fabrication d'engrenages implique généralement à la fois un processus de découpe via une forme d'usinage CNC (pour établir la forme générale de la pièce) et une étape de post-traitement.

Processus de taille d'engrenages

Les techniques de taille d'engrenages sont des processus d'usinage d'engrenages spécialisés permettant de créer des engrenages à partir d'ébauches. Le tableau ci-dessous présente les types de tailles d'engrenages les plus courants.

Processus Description Avantages Limites Souvent utilisé pour Taillage d'engrenagesUtilise un outil de coupe hélicoïdal (fraise-mère) pour créer en continu des dents d'engrenageEfficace et peu coûteuxOutillage complexeEngrenages droits, engrenages hélicoïdauxFormage des engrenagesUtilise une fraise en forme de pignon qui se déplace de haut en bas tandis que la fraise et l'ébauche d'engrenage tournent ensemblePolyvalent, précisLentEngrenages internes, profils de dents spécialisésFraisage d'engrenagesUtilise une fraiseuse horizontale ou verticale pour couper le profil d'engrenageFaible investissement initial, flexibleLent, coût par unité plus élevéFaibles volumes d'engrenages droits, engrenages hélicoïdaux, vis sans finBrochage d'engrenagesUtilise un outil denté (une broche) pour enlever la matière efficacementTrès rapideInvestissement initial élevéEngrenages internes ou externes, engrenages droits, engrenages hélicoïdauxGear skivingCombine le taillage et le façonnage d'engrenages ; utilise un outil de coupe et une pièce inclinée pour gratter le métalTrès rapide, particulièrement adapté aux engrenages internes Investissement initial élevé, programmation complexe Engrenages internes comme les trains planétaires Gear InvoMillingProcédé breveté Sandvik Coromant qui utilise des fraises à plaquettes indexables sur CNC 5 axes Flexible, réduit les temps d'outillage Lent pour de très gros volumes Profils d'engrenages personnalisés

Moulage par injection d'engrenages en plastique

Le moulage par injection est un procédé populaire pour la production en grand volume de pièces mécaniques thermoplastiques telles que des engrenages. Les engrenages en plastique ne nécessitent généralement pas de lubrification, coûtent moins cher que ceux en métal, pèsent très peu et offrent d'autres avantages comme la résistance à la corrosion et l'absorption des vibrations.

Pour des quantités d'engrenages en plastique d'environ 5 000 unités ou plus, nous recommandons le moulage par injection de plastique comme alternative moins coûteuse à l'usinage. En quantités de dizaines ou centaines de milliers, c’est nettement moins cher. (D'un autre côté, en très petites quantités, le coût élevé de l'outillage de moulage par injection n'est pas justifié.) Cependant, les inconvénients des engrenages moulés par injection incluent une résistance moindre et un niveau d'instabilité dimensionnelle.

Post-traitement et finition

Une fois les processus de découpe ou de formage utilisés pour fabriquer les engrenages, les processus de post-traitement et de finition aident à terminer les pièces. Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des principales techniques de post-traitement des engrenages utilisées par des entreprises comme 3ERP :

Équipement G reconnaissance

Dans le processus de meulage d'engrenages, processus d'usinage abrasif qui utilise des meules pour enlever de petites quantités de matériau, améliorant ainsi la précision et la finition de surface des dents d'engrenage usinées.

Les deux principaux types de meulage d'engrenages sont :

• Meulage de forme  :Un processus de meulage dans lequel la meule correspond à l'espace dentaire
• Génération du broyage  :Un processus de meulage plus rapide qui utilise une roue à vis sans fin abrasive pour meuler l'engrenage au fur et à mesure qu'il s'engrène avec lui.

Affûtage des engrenages

Le processus d'affûtage des engrenages diffère du meulage en ce sens qu'il utilise un outil d'affûtage spécialisé pour effectuer des ajustements précis à la forme de l'engrenage. C'est plus lent que le broyage mais crée moins de stress thermique.

Ropage des engrenages

Le processus de rodage des engrenages implique l'utilisation d'une pâte abrasive et d'outils d'accouplement pour finir les dents des engrenages. Le processus est très précis et est utilisé pour améliorer le contact sexuel, bien qu'il soit assez coûteux.

Traitement thermique

Après l'usinage des engrenages, un traitement thermique des engrenages est déployé pour augmenter la résistance et la dureté, ce qui donne des engrenages avec une durée de vie plus longue.

Les types de traitement thermique pour les engrenages comprennent :

• Cémentation  :Ajoute du carbone à l'engrenage à haute température pour créer une surface résistante à l'usure
• Nitruration  :Utilise des températures plus basses et de l'azote pour augmenter la résistance à la fatigue sans provoquer de distorsion
• Durcissement par induction  : utilise un champ électromagnétique pour chauffer et durcir des zones spécifiques de l'engrenage

Autres traitements de surface

Diverses procédures de finition de surface pour les pièces d'usinage métalliques peuvent être appliquées aux engrenages. Ceux-ci incluent le placage au nickel, le revêtement d'oxyde noir et le traitement de lubrification.

Services de fabrication d'engrenages personnalisés par 3ERP

Lorsque les composants disponibles dans le commerce ne peuvent pas répondre aux besoins spécifiques des utilisateurs, des services de fabrication d'engrenages personnalisés doivent être recherchés auprès d'un fournisseur de confiance tel que 3ERP.

3ERP est spécialisé dans la production d'engrenages de haute qualité en volumes faibles à moyens, offrant une large gamme de matériaux, de processus de fabrication et d'options de post-traitement de haute qualité. En tant qu'expert en prototypage et en production de ponts, nous pouvons vous aider tout au long du processus de création d'engrenages personnalisés.

Nos services de fabrication d'engrenages sur mesure comprennent :

• Services de prototypage rapide, y compris assistance à la conception
• Services de fabrication à faible volume pour transformer des prototypes en produits
• Services experts d'usinage CNC, notamment l'usinage 5 axes, la rectification de précision et bien plus encore pour la production d'engrenages en métal et en plastique
• Services rapides d'outillage et de moulage par injection de plastique pour la production à faible coût d'engrenages en plastique

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Questions fréquemment posées

Quels sont les types d'engrenages les plus courants en génie mécanique ?

Certains des engrenages de génie mécanique les plus courants comprennent les engrenages droits, les engrenages hélicoïdaux et les engrenages coniques. Les mécanismes légèrement plus complexes incluent les engrenages à vis sans fin et les engrenages à crémaillère.

Quels sont les différents types de dents d'engrenage ?

Les dents d'engrenage peuvent avoir différents profils et différentes dispositions ou orientations. Les formes de dents d'engrenage incluent la développante, la cycloïde et la trochoïde, et celles-ci peuvent être droites, hélicoïdales, à double hélice (à chevrons) ou positionnées d'autres manières.

Quels sont les types d'engrènement d'engrenages ou de connexions d'engrenages ?

Le mode d'engrènement des engrenages dépend à la fois de la forme de l'engrenage et de l'orientation de l'arbre. Par exemple, les engrenages hélicoïdaux sur arbres parallèles établissent un contact d'engrènement tout au long d'une ligne, tandis que les engrenages hélicoïdaux sur arbres croisés n'entrent en contact qu'en un point.

Comment sont fabriqués les engrenages ?

La production d'engrenages commence par une ébauche (généralement réalisée par forgeage ou moulage si les engrenages sont en métal) avant que les dents ne soient coupées à l'aide d'un processus d'usinage spécialisé. Les processus d'usinage à usage général comme le fraisage CNC sont plus lents que les processus respectueux des engrenages comme le taillage et le parage.

Les engrenages en plastique peuvent être fabriqués avec des méthodes similaires ou par moulage par injection, en utilisant un moule métallique avec une cavité en forme d'engrenage.

Quels sont les meilleurs matériaux pour les engrenages ?

Les engrenages peuvent être fabriqués en métal pour une résistance et une durabilité maximales, ou en plastique pour une autolubrification maximale et un bruit et un poids réduits. Les métaux courants comprennent l'acier, la fonte et le bronze, tandis que les plastiques courants incluent le nylon, l'acétal et le polycarbonate.