Comprendre les réducteurs de vitesse : sélection, installation et maintenance

La sélection et l'intégration des réducteurs de vitesse impliquent bien plus que de simplement en choisir un dans un catalogue. Dans la plupart des cas, le couple maximal, les vitesses et les charges radiales publiés ne peuvent pas être utilisés simultanément. Il faut appliquer des facteurs de service appropriés pour s'adapter à une large gamme d'applications dynamiques. Et une fois le bon réducteur sélectionné, une installation et une maintenance correctes sont les clés pour maximiser sa durée de vie.

Catégories de réducteurs de vitesse

Une large gamme de dispositifs mécaniques de réduction de vitesse comprend poulies, engrenages, pignons et entraînements par friction. Il existe aussi des produits électriques qui modifient la vitesse du moteur. Cette discussion se concentre sur les réducteurs à entraînement fermé, aussi appelés réducteurs à engrenages droits et boîtes de vitesses, qui ont deux configurations principales : en ligne et perpendiculaires. Chacune peut être réalisée avec différents types d'engrenages. Les modèles en ligne comprennent généralement des engrenages hélicoïdaux ou droits, des engrenages planétaires, des mécanismes cycloïdaux ou des générateurs d'ondes harmoniques. Les conceptions planétaires offrent généralement le couple le plus élevé dans le plus petit encombrement. Les entraînements cycloïdaux et harmoniques offrent des conceptions compactes avec des rapports plus élevés, tandis que les réducteurs à engrenages hélicoïdaux sont généralement les plus économiques. Tous sont assez efficaces.

Les vis sans fin sont peut-être la solution de réduction la plus rentable, mais elles ont généralement un rapport minimal de 5:1 et perdent considérablement en rendement quand le rapport augmente. Les réducteurs coniques sont très efficaces mais ont une limite effective de réduction de vitesse de 6:1. Le type d'application détermine quelle conception de réducteur répond le mieux aux exigences.

Avant de sélectionner un réducteur, des données techniques doivent être rassemblées pour le sélectionner et l'installer correctement : couple, vitesse, puissance, rendement du réducteur, facteur de service, position de montage, variables de connexion et durée de vie requise. Dans certaines applications, le jeu, l'erreur de transmission, la rigidité torsionnelle et le moment d'inertie sont également importants.

Relation entre couple, vitesse et puissance

Le couple requis est peut-être le critère le plus important car il se traduit par la quantité de travail que le réducteur doit accomplir. Dans les applications simples, déterminer le couple peut être relativement direct, mais c'est difficile dans les machines complexes. L'inertie, le frottement et la gravité — les phénomènes physiques qui tendent à résister au mouvement — doivent être identifiés pour générer assez de couple pour les surmonter. Prendre en compte les coefficients de frottement et l'accélération et le freinage des masses d'inertie est important pour calculer le couple requis. Le raccourci pour trouver le couple requis d'une machine existante est de lire le courant du moteur en déterminant l'absorption de courant. On peut alors calculer la puissance requise. Enfin, en utilisant la formule standard du couple et en tenant compte des différents rapports, on obtient la valeur finale du couple.

Après avoir déterminé la puissance requise, le facteur de service doit être pris en compte pour dimensionner correctement le dispositif. Le facteur de service tient compte d'autres paramètres d'exploitation : durée des journées de travail, nombre de démarrages et arrêts, caractéristiques de charge et sources d'énergie. La plupart des réducteurs sont classés pour un couple maximal à un nombre d'heures de vie donné. Le facteur limitant n'est pas la résistance de l'engrenage ou de l'arbre, mais la durée de vie des roulements. Comme les roulements doivent supporter les forces de séparation des engrenages sous charge, un chargement inférieur au maximum augmente la durée de vie du réducteur. Inversement, l'augmentation des variables de charge entraîne une diminution de la durée de vie. Par conséquent, pour arriver au couple effectif requis, les facteurs de service appropriés doivent être appliqués.

Le réducteur et le moteur peuvent être sélectionnés à ce stade. Typiquement, une source d'énergie primaire est choisie, comme un moteur tournant à une certaine vitesse. Obtenir le bon rapport de réduction et la multiplication de couple qui en résulte revient à diviser la vitesse du moteur par la vitesse de l'élément entraîné. On trouve ensuite la bonne taille de moteur en appliquant différents facteurs et valeurs à la formule standard de puissance moteur.

Une fois la sélection faite, la question suivante est l'intégration du réducteur dans la machine. Les principales préoccupations sont le montage du réducteur et sa connexion au contrôleur et à la charge entraînée.

L'orientation de l'arbre est l'une des premières considérations. Dans de nombreuses applications, il est souhaitable de positionner l'arbre d'entrée ou de sortie verticalement. Dans ce cas, une grande attention doit être portée à la lubrification. L'huile ou la graisse du réducteur protège non seulement contre l'usure des engrenages, mais réduit aussi l'usure des roulements. Ainsi, quand un arbre est monté verticalement, le roulement de support supérieur peut ne pas recevoir la lubrification requise. Dans certains designs, les projections et la brume d'huile des engrenages tournant dans le réservoir suffisent à assurer une lubrification correcte, mais pour les types à basse vitesse, des roulements étanches pré-lubrifiés doivent être installés. Dans d'autres applications à haute vitesse, il peut être nécessaire d'utiliser des pompes internes ou externes pour amener le lubrifiant au bon endroit. Chaque fois qu'un montage vertical est nécessaire, il est important de déterminer si une méthode de lubrification alternative est requise.

La question suivante est la connexion du réducteur à la source d'énergie et à la charge entraînée. Les options incluent l'entraînement par poulie, crémaillère ou pignon, liaison à un embrayage, arbre de transmission ou joint universel, et montage direct sur l'arbre entraîné.

Lors de la connexion à une poulie, un pignon ou un engrenage, le problème principal est la charge radiale, communément appelée charge de surplomb. Les roulements d'arbre sont conçus non seulement pour supporter les forces de séparation des engrenages, mais aussi pour transmettre une certaine charge radiale et axiale aux arbres eux-mêmes. Avec des poulies et engrenages, il y a une force radiale car la courroie ou la chaîne tente de faire tourner l'arbre. L'amplitude de cette force se calcule comme le couple transmis divisé par le rayon de la poulie ou du pignon. Cependant, ce n'est généralement pas la seule force latérale. La courroie ou la chaîne est tendue côté entraînement mais a du jeu côté retour. Un dispositif de tension est généralement installé pour réduire le bruit et empêcher le glissement ou le saut de dents. Quand la courroie ou la chaîne est tendue, une charge radiale supplémentaire apparaît. Lors de la sélection d'un réducteur, la combinaison de charge radiale due au couple et à la tension doit être prise en compte.

Lors de la connexion du réducteur à l'embrayage et dans une moindre mesure aux arbres de transmission et joints universels, l'alignement est le problème principal. Des accouplements flexibles sont recommandés en raison des tolérances d'usinage des carters de réducteurs et des plaques de montage. Sans alignement exact, un accouplement rigide peut imposer des charges latérales excessives aux roulements d'arbre. Même avec des accouplements flexibles, un bon alignement est nécessaire car la plupart ne permettent qu'un décalage parallèle de 0,005 à 0,010 pouce et un décalage angulaire de 1 à 3°. De nombreux designs d'embrayage conviennent à diverses applications, mais pour une durée de vie maximale du réducteur, l'embrayage doit correspondre à la tâche.

Une troisième option est de monter le réducteur directement sur un arbre entraîné avec un arbre de sortie à alésage creux. Cela réduit les préoccupations d'alignement et de charge radiale et économise de l'espace. Un bras de support du réducteur au châssis de la machine empêche le réducteur de tourner autour de l'arbre.

Plusieurs conceptions d'engrenages permettent de monter le moteur directement sur l'unité de réducteur. Ces conceptions comportent soit des brides extrêmement précises pour permettre la connexion directe du moteur au réducteur, soit d'autres adaptateurs avec accouplements intégrés. Cela élimine le besoin de monter le moteur séparément, mais cela n'est généralement pratique qu'avec des moteurs plus petits.