Choisir le système d'entraînement optimal : chaîne, courroie trapézoïdale ou courroie synchrone

Entraînements par chaîne à rouleaux

La popularité des entraînements par chaîne provient de leur capacité à transmettre des couples élevés dans un encombrement réduit, à coût relativement faible, en utilisant des composants standards facilement disponibles. Si les coûts initiaux des entraînements par chaîne à rouleaux standards peuvent être très bas, leur coût de maintenance peut être substantiel. Une maintenance adéquate est essentielle pour une performance optimale et incluse les facteurs de coût suivants :

• Lubrification
• Alignement
• Tension
• Remplacement des composants d'entraînement

Selon les estimations de l'industrie de la chaîne, les entraînements par chaîne à rouleaux fonctionnant sans lubrification s'usent environ 300 fois plus vite que des entraînements comparables correctement lubrifiés. Pourtant, les fabricants de chaînes estiment que 90 à 95 % de tous les entraînements installés sont soit mal lubrifiés, soit pas lubrifiés du tout. Déterminer le type de méthode de lubrification nécessaire est une considération majeure de conception avec ses propres implications de coût. Un carter de chaîne retenant l'huile, par exemple, peut représenter jusqu'à 75 % du coût total du système d'entraînement par chaîne. En plus de la lubrification, un alignement correct des pignons et un tendage de la chaîne sont critiques pour augmenter la durée de vie de la chaîne à rouleaux.

Un autre facteur de maintenance avec des implications de coût est le remplacement des composants d'entraînement. Une faiblesse majeure de l'entraînement par chaîne à rouleaux est l'usure de la chaîne, qui entraîne un allongement. Les fabricants recommandent le remplacement de la chaîne à rouleaux lorsque l'allongement d'environ 3 % se produit. La plupart des fabricants recommandent également de remplacer les pignons avec chaque nouvelle chaîne car le contact métal-métal génère une usure sévère des pignons.

Les tableaux de puissance publiés dans l'industrie de la chaîne à rouleaux sont basés sur une durée de vie théorique de 15 000 heures, supposant une conception, un alignement, une lubrification, une maintenance appropriés, etc. Mais dans un environnement d'exploitation typique, la durée de vie réelle approche rarement l'idéal. Des entraînements par chaîne à rouleaux non lubrifiés fonctionnant dans des conditions difficiles peuvent avoir une durée de vie aussi courte que 100 heures.

Le coût des exigences de maintenance susmentionnées, ajouté au coût initial, approxime le coût réel d'un entraînement par chaîne à rouleaux standard. Cependant, au-delà du coût du lubrifiant et du remplacement des composants d'entraînement, il y a la dépense de main-d'œuvre pour les retendages fréquents, qui nécessitent l'arrêt de l'entraînement, entraînant des temps d'arrêt de production. De plus, les entraînements par chaîne à rouleaux standards fonctionnent à un rendement de 91 à 94 %, selon l'application, donc les coûts énergétiques doivent être pris en compte.

Malgré les coûts de maintenance et d'énergie, les entraînements par chaîne à rouleaux offrent aux concepteurs et utilisateurs certains avantages par rapport aux systèmes d'entraînement par courroie trapézoïdale ou courroie synchrone :

1. Polyvalence (des accessoires fonctionnels peuvent être ajoutés pour convoyer des produits, actionner des interrupteurs, actionner des leviers, etc.)
2. La possibilité de créer n'importe quelle longueur de chaîne avec des maillons de raccordement
3. La disponibilité d'une large sélection de chaînes et pignons

Entraînements par courroie trapézoïdale

Les entraînements par courroie trapézoïdale transmettent la puissance par frottement entre la courroie et la poulie. Avec des rendements allant de 95 à 98 % à l'installation, ces entraînements utilisent l'énergie plus efficacement que les entraînements par chaîne à rouleaux, et un peu moins efficacement que les entraînements par courroie synchrone. Les entraînements par courroie trapézoïdale sont un standard de l'industrie, offrant une large gamme de tailles à coût relativement faible, avec une facilité d'installation et un fonctionnement silencieux.

Les pièces de rechange d'entraînement par courroie trapézoïdale peuvent être moins coûteuses que les composants de chaîne à rouleaux ou d'entraînement synchrone, mais le retendage régulier des courroies peut augmenter les frais de maintenance.

Les courroies trapézoïdales sont fabriquées dans une variété de matériaux, sections transversales et matériaux de renforcement, et sont souvent utilisées seules, en jeux assortis ou en configurations jointes. Elles conviennent bien aux applications de service sévère, telles que celles impliquant des chocs de charge et des charges de démarrage élevées. Les entraînements par courroie trapézoïdale standards fonctionnent mieux dans les applications de 500 tr/min ou plus, rapports de vitesse jusqu'à 6:1, et dans une plage de température de fonctionnement de -40 à 130 °F. Comme les courroies trapézoïdales glissent en cas de surcharge, elles aident à protéger les équipements plus coûteux des pics de charge. Elles permettent également une flexibilité dans le positionnement du moteur et de la charge.

Dans une application appropriée, la durée de vie d'un entraînement par courroie trapézoïdale correctement installé et entretenu varie de 20 000 à 25 000 heures. Les composants d'un entraînement par courroie trapézoïdale simple sont relativement peu coûteux à l'achat, l'installation, le remplacement et l'entretien. Après une installation correcte et une tension selon les valeurs recommandées par le fabricant, ces entraînements nécessitent très peu d'entretien, sauf le retendage pendant le planning de maintenance normal. En raison du glissement de la courroie, ils perdent jusqu'à 5 % de leur rendement après l'installation. Les courroies trapézoïdales s'étirent en s'usant, aggravant le glissement, ce qui peut réduire le rendement jusqu'à 10 % à moins d'être corrigé par un retendage périodique. Les courroies trapézoïdales crantées ou dentées peuvent augmenter le rendement de 2 % par rapport aux conceptions standards.

Entraînements par courroie synchrone

Les courroies synchrones fonctionnent sur le principe de l'engrenage par dents. Des dents arrondies, carrées ou courbes modifiées sur la courroie s'engrènent avec des gorges sur les pignons pour fournir une transmission de puissance positive sur des applications à couple élevé avec des vitesses hautes et basses.

Si l'encombrement est un problème, de nombreux systèmes d'entraînement par courroie synchrone ont maintenant une capacité équivalente aux entraînements par chaîne à rouleaux dans la même largeur.

Les composants d'un système d'entraînement par courroie synchrone coûtent généralement plus cher initialement que ceux d'un entraînement par chaîne à rouleaux ou courroie trapézoïdale comparable. En revanche, les entraînements par courroie synchrone n'ont pas les coûts de maintenance associés aux entraînements par chaîne à rouleaux. Ils ne nécessitent ni lubrification ni système de lubrification, seulement une protection de sécurité de base. Alors que la chaîne à rouleaux nécessite un retendage fréquent et les courroies trapézoïdales un retendage périodique, une courroie synchrone ne nécessite généralement aucun retendage pour toute sa durée de vie.

Pour illustrer l'allongement qui peut se produire dans une chaîne à rouleaux, les allowances de reprise de distance entre axes recommandées pour les entraînements par courroie peuvent être comparées à la reprise de distance entre axes nécessaire pour une chaîne à rouleaux de même longueur. En supposant une longueur de 100 pouces, une chaîne à rouleaux, une courroie trapézoïdale et une courroie synchrone peuvent être comparées comme suit :

Chaîne à rouleaux : Une chaîne à rouleaux s'allonge d'environ 3 pouces (soit 3 %) sur sa durée de vie, nécessitant environ 1,5 pouce de reprise de distance entre axes.

Courroie trapézoïdale : Une courroie trapézoïdale nécessite 1,5 à 2,5 pouces de reprise de distance entre axes sur sa durée de vie, selon la section transversale et le fabricant.

Courroie synchrone : Une courroie synchrone nécessite généralement seulement 0,04 pouce de reprise de distance entre axes sur sa durée de vie, selon le type de courroie et le fabricant.

L'usure de la chaîne et des pignons sont des facteurs de coût significatifs dans un entraînement par chaîne à rouleaux. Les courroies synchrones et les pignons subissent une usure dramatiquement moindre. Dans un système d'entraînement synchrone, par exemple, la courroie surpasse une chaîne à rouleaux comparable de l'ordre de 3 pour 1, et les pignons surpassent les pignons de chaîne à rouleaux de 10 pour 1.

Figure 1. Reprise de distance entre axes requise due à l'allongement à vie (en pouces).

Comme les entraînements par chaîne à rouleaux, les entraînements par courroie synchrone sont sensibles au désalignement et ne devraient pas être utilisés sur des systèmes où il est inhérent au fonctionnement de l'entraînement. Le désalignement entraîne une usure inégale de la courroie et une rupture prématurée par traction due à une charge inégale des éléments de traction. Et bien qu'une courroie synchrone soit résistante à l'abrasion, à la corrosion et aux solutions de lavage caustiques utilisées dans l'industrie agroalimentaire, elle peut ne pas convenir à certains environnements hautement corrosifs où une chaîne résistante à la corrosion serait un meilleur choix.

Une idée fausse sur les courroies synchrones est qu'elles ne conviennent pas aux entraînements serpentins. Les ingénieurs concepteurs peuvent penser que la chaîne à rouleaux est la seule option lorsqu'une charge doit être entraînée des deux côtés ; cependant, les courroies synchrones en caoutchouc double face offrent de nombreux avantages d'économie de coûts par rapport à la chaîne à rouleaux, tout comme leurs cousines simple face.

Grâce à leurs indices de rendement élevés (jusqu'à 99 % en continu pour certains systèmes d'entraînement), les entraînements par courroie synchrone peuvent également réduire les coûts énergétiques par rapport aux entraînements par chaîne à rouleaux ou courroie trapézoïdale.

Conclusion

Considéré sur une base de coût de possession, un système d'entraînement par courroie synchrone peut être plus rentable qu'un entraînement par chaîne à rouleaux ou courroie trapézoïdale comparable. Bien qu'un système d'entraînement synchrone puisse coûter initialement en moyenne 30 % de plus qu'un entraînement par chaîne à rouleaux standard comparable, il présente de nombreux avantages d'économie pour les responsables maintenance et les ingénieurs concepteurs.

Sur le marché MRO, les entraînements synchrones peuvent réduire considérablement les coûts opérationnels quotidiens et augmenter la production par rapport aux temps d'arrêt et à la productivité perdue résultant de la maintenance et du remplacement fréquents des entraînements par chaîne à rouleaux et courroie trapézoïdale. Les ingénieurs concepteurs de systèmes d'entraînement qui choisissent un entraînement synchrone peuvent donner à leurs produits un avantage concurrentiel en fournissant des produits plus performants, plus durables, plus propres, plus silencieux et sans maintenance qui fonctionnent à un coût global inférieur.

Cet article a été rédigé par le département d'application des produits de transmission de puissance de Gates Corporation. Pour en savoir plus sur ce sujet, visitez www.gates.com.