Crémaillère hélicoïdale pour systèmes de mouvement linéaire précis

Il existe de nombreux types de pignons en stock. Si l'application nécessite une grande longueur nécessitant de nombreuses crémaillères connectées en série, nous avons des crémaillères avec des bords de dents correctement configurés. Celles-ci sont appelées « crémaillères d'engrenages à bouts usinés ».

Il y a des applications où la crémaillère hélicoïdale est stationnaire tandis que le pignon se déplace et d'autres où le pignon tourne autour d'un axe fixe tandis que la crémaillère se déplace. La première est largement utilisée dans les systèmes de transport, tandis que la seconde peut être utilisée dans les systèmes d'extrusion et les applications de levage/abaissement.

En tant qu'élément mécanique pour transformer le mouvement rotatif en mouvement linéaire, les crémaillères sont souvent comparées aux vis à billes. Il y a des avantages et des inconvénients. Les avantages d'une crémaillère sont sa simplicité mécanique, sa grande capacité de charge, pas de limite de longueur, etc. Un inconvénient cependant est le jeu. L'avantage d'une vis à billes est la haute précision et un jeu plus faible tandis que les inconvénients incluent la limite de longueur due à la déflexion.

Types de crémaillères

Les engrenages crémaillère et pignon sont disponibles en deux variantes :

Dents droites ont l'axe de dent parallèle à l'axe de rotation. Dents droites qui courent parallèlement à l'axe de l'engrenage. Dents hélicoïdales offrent un engagement continu le long de la longueur de la dent et sont souvent plus silencieuses et plus efficaces que les engrenages à dents droites et offrent aussi une charge plus élevée pour la même largeur de crémaillère. Les engrenages à dents hélicoïdales ressemblent aux engrenages droits dans le plan de rotation, mais incluent des dents qui sont tordues le long d'un chemin hélicoïdal dans la direction axiale.

Applications

Les entraînements par crémaillère hélicoïdale sont idéaux pour une large gamme d'applications, y compris les entraînements d'axe nécessitant un positionnement précis et une répétabilité, portails coulombs et colonnes, robots pick & place, routeurs CNC, et systèmes de manutention. Ces entraînements peuvent aussi facilement gérer des charges lourdes et des cycles de service. Industries desservies : manutention, automatisation, automobile, aérospatiale, machines-outils, et robotique.

Le mouvement linéaire est nécessaire pour le mouvement des machines ; transporte outils et produits de manière efficace et contrôlée. Les générateurs de mouvement linéaire sont généralement classés selon leur vitesse et accélération axiales, forces axiales contre volume de structure, durabilité, rigidité, et précision de positionnement.

Deux systèmes linéaires populaires sont les moteurs linéaires et les entraînements par vis. Les entraînements par crémaillère et pignon sont souvent négligés comme technologie de génération précédente avec une précision de positionnement limitée. Cependant, cette hypothèse est invalide.

Des surfaces de montage rectifiées avec précision et des tolérances serrées, un traitement de surface résistant à l'usure, des dents d'engrenage individuellement ébavurées et des designs compacts légers augmentent la productivité. En fait, les entraînements par crémaillère et pignon se comparent favorablement aux moteurs linéaires ainsi qu'aux vis à billes avec filetage d'arbre ou de terre.

Les nouveaux systèmes de crémaillère et pignon de nouvelle génération offrent une haute dynamique et des distances de course illimitées. Certains de ceux-ci incluent des engrenages servo de qualité supérieure et des actionneurs avec moins de 1 arcmin de jeu, jusqu'à 98,5 % d'efficacité, et des dimensions beaucoup plus compactes que les combinaisons servo et engrenages standard. Certains engrenages pré-assemblés peuvent fonctionner avec une précision jusqu'à 10 µm, ce qui assure la sécurité et un mouvement fluide.

Les applications typiques de crémaillère et pignon incluent les portiques, le transport, et les machines d'emballage allant de quelques livres à plusieurs tonnes. Les nouveaux jeux de crémaillères de nouvelle génération sont aussi utilisés dans les machines à bois, les machines de coupe de métal à grande vitesse et les machines d'assemblage.

Géométrie et détails de surface

La performance de la crémaillère s'est améliorée avec le progrès technologique global. Par exemple, l'usinage et le rectifiage de pointe ont grandement augmenté la précision du mécanisme crémaillère-pignon.

Plus spécifiquement, certains composants de crémaillère de haute qualité sont gravés au laser pour une erreur de pas cumulée de ± 12 µm sur une longueur de 500 mm, permettant la sélection manuelle de la précision cible. Cela est utile pour l'alignement parallèle de composants de crémaillère dans les applications de portique à double entraînement. En fait, ce niveau de précision permet à plusieurs types de machines de fonctionner sans dispositifs de rétroaction externes ; et d'autres systèmes linéaires nécessitent des dispositifs de rétroaction externes coûteux pour la commutation et le positionnement.

La crémaillère hélicoïdale avec angle d'hélice optimisé est préférée pour un fonctionnement plus silencieux à des vitesses plus élevées et des capacités de charge plus élevées en raison du ratio de contact de dent plus élevé. L'erreur d'un pas entre les dents hélicoïdales peut atteindre 3 µm. Un décalage de profil de pignon ou une modification d'addendum empêche le sous-coupe ; cela équilibre aussi les contraintes de flexion, pour une capacité de charge plus élevée. L'engrenage hélicoïdal s'engage en douceur et silencieusement — ce qui aide à améliorer la finition de surface, par exemple, lors de l'usinage de pièces à tolérances serrées.

Intégration crémaillère-pignon

Il y a de nombreuses options pour le montage de kits de crémaillères. Certaines crémaillères utilisent des surfaces de montage spéciales pour assurer la précision, tandis que d'autres fournissent une performance adéquate même avec une installation de base. La flexibilité naturelle du design peut être utilisée pour un meilleur contrôle : contrairement aux moteurs linéaires à entraînement direct, les ensembles de crémaillères permettent d'ajuster la taille du pignon, les engrenages et l'amortissement — pour stabiliser le contrôle en boucle fermée.

Il y a des pièges : un espacement excessif du pignon et de la crémaillère cause du jeu qui réduit la précision. Un montage endommagé ou mal aligné peut aussi endommager les roulements du réducteur — causant plus de consommation de courant moteur, du bruit et même une défaillance. Pour une meilleure performance, le pignon doit être suffisamment espacé de la crémaillère, monté à plat, et perpendiculaire à l'engrenage avec une précision d'environ 25 µm pour de nombreuses applications.

Les avancées dans les engrenages crémaillère-pignon et la baisse des prix des servomoteurs signifient que les servomoteurs sont généralement couplés aux systèmes de crémaillères. Les moteurs pas-à-pas sont une option viable, mais les servomoteurs sont préférés pour leur précision.

Préchargement

Parfois, les ensembles de pignons sont préchargés pour éliminer le jeu et augmenter la rigidité. Ici, les deux engrenages se déplacent sur la même crémaillère. Le pignon principal entraîne le mécanisme comme dans la configuration normale ; pendant ce temps, le pignon auxiliaire peut générer un couple pour appliquer une force opposée aux dents avec lesquelles il est en contact. Ainsi, l'inertie et la résistance empêchent le jeu, même pendant les changements de charge ; la rigidité du système augmente aussi et améliore la dynamique de direction.

Si les composants sont correctement sélectionnés, il n'y a pas de défauts significatifs dans le préchargement du système de crémaillère. D'un autre côté, le préchargement mécanique peut en fait réduire la rigidité globale de la machine. Par exemple, un pignon à ressort divisé réduirait la rigidité du système :

Notez que, contrairement aux systèmes de préchargement électronique plus sophistiqués, ces pignons de préchargement traditionnels ne peuvent pas travailler ensemble ; l'un va toujours contre l'autre, ce qui réduit légèrement l'efficacité.

Dans des ensembles de crémaillères plus sophistiqués, le préchargement électronique est maintenu au maximum pendant que le système est stationnaire. Pignons principal et auxiliaire — tous deux activement alimentés — pressent dans les dents des crémaillères faisant face dans des directions opposées. Ensuite, alors que la machine accélère, le pignon principal entraîne la machine vers l'avant tandis que le pignon secondaire réduit le préchargement de la force opposée. Quand le système décélère à une vitesse constante, l'engrenage auxiliaire entre en contact avec le côté de la dent qui correspond à celui qui est couplé au pignon principal ; puis les deux engrenages se déplacent dans la même direction tout en empêchant le jeu.

Finalement, quand le système ralentit, le pignon auxiliaire revient à appliquer une force du côté opposé de la dent pour aider à ralentir la charge.