Les engrenages hélicoïdaux sont la meilleure invention depuis l'eau chaude

Je ne suis pas sûr que « filetage tranché » ait même un sens. Mais les engrenages hélicoïdaux sont formidables, tant à regarder qu'à utiliser. Et vous les trouverez dans de nombreux endroits. Alors, mettons-nous en marche et explorons ces discrets criminels du monde de l'ingénierie. Mais d'abord, l'évidence :

Qu'est-ce qu'un engrenage hélicoïdal ?

Un engrenage hélicoïdal est l'un des quatre principaux types d'engrenages cylindriques. Alors avant de définir un engrenage hélicoïdal, définissons d'abord un engrenage cylindrique. Et c'est facile : C'est un engrenage avec une surface de pas cylindrique. En d'autres termes, c'est un engrenage qui est rond. *Regarde autour de lui avec étonnement*

Alors, selon vous, qu'est-ce qui donne leur nom aux engrenages cylindriques ? Voici un indice : Dites « Fromage ».

C'est exact. Les noms des engrenages cylindriques se réfèrent principalement à la forme de leurs dents. Par exemple :

Un engrenage hélicoïdal a des dents inclinées en diagonale par rapport à l'axe de l'engrenage.

Un engrenage à double hélice (et à chevrons) a deux jeux de dents hélicoïdales opposées. Un engrenage à double hélice, cependant, a généralement un espace entre elles (c'est-à-dire « \ / »), tandis qu'un engrenage à chevrons n'en a pas (c'est-à-dire « V »).

Un engrenage droit a des dents droites et parallèles à l'axe de l'engrenage. Il en existe deux types : interne (dents à l'intérieur) et externe (dents à l'extérieur).

Un engrenage à vis sans fin est un peu différent. Il a un arbre avec un filetage en spirale (la vis sans fin) qui déplace une roue dentée. Les dents de la vis sans fin ressemblent donc à une vis. Imaginez ça.

Maintenant, parce que vous, mon ami, êtes un ingénieur – ou du moins trouvez l'ingénierie intéressante – vous avez une question en vous. Et au fil des ans, cela signifie que vous avez probablement démonté beaucoup de choses. Certaines n'ont pas retrouvé leur chemin pour être remontées...

En fait, je suis sûr que vous la posez en ce moment même. Alors permettez-moi d'y répondre pour vous :

Comment fonctionnent-ils ?

Sans surprise, chaque type d'engrenage cylindrique fonctionne un peu différemment. Alors, allez-y. Croquez-y. Un par un.

Comment fonctionne un engrenage hélicoïdal

Les dents d'un engrenage hélicoïdal étant inclinées, elles s'engagent progressivement. Toute leur ingéniosité en découle. Par exemple, elles sont plus souples. Elles sont plus silencieuses. Et elles sont capables de supporter une charge importante. Mais en raison de leur angle, elles génèrent également une « force latérale » (poussée axiale), ce qui signifie qu'elles nécessitent l'aide de l'ancien et fiable : les paliers de butée.

L'angle d'hélice peut être compris entre 5° et 45°, mais il est généralement entre 15° et 30° pour les engrenages hélicoïdaux.

Un angle plus faible – c'est-à-dire en le rendant plus « droit » – réduira les forces axiales et donc le besoin de paliers de butée. Cela réduit le contact/frottement entre les dents, ce qui diminue également la génération de chaleur et l'usure. Il n'est donc pas surprenant que cela améliore le transfert de charge et les rende plus efficaces.

En revanche, si vous augmentez l'angle d'hélice, vous augmentez la douceur de l'engrenage et diminuez son bruit et ses vibrations. L'un des principaux avantages des engrenages hélicoïdaux est leur capacité de charge. Et plus l'angle est élevé, plus ils peuvent supporter de charge – grâce à un contact dent-sur-dent accru.

Les engrenages hélicoïdaux sont généralement fabriqués par un processus appelé « taillage par fraise-mère ». Voici une vidéo qui vous montre comment. Et si vous voulez vous lancer dans la mécanique de manière mathématique, lisez ceci.

Comment fonctionnent les engrenages à double hélice (à chevrons)

Ainsi, contrairement aux engrenages hélicoïdaux simples, qui produisent une poussée axiale, les engrenages à double hélice l'éliminent. Leurs dents opposées sont taillées de manière à ce que ces forces s'annulent mutuellement. Fini les gros et lourds paliers de butée.

Fait amusant : Les engrenages à double hélice ont été créés par André Citroën, le fondateur de Citroën et de la très appréciée Citroën 2CV... L'engrenage a même inspiré le logo.

Les engrenages à double hélice, comme leurs cousins à une seule dent, s'engagent également progressivement pour un minimum de bruit et de vibrations. Le contact des dents est presque continu, ce qui les rend très stables, très souples, très agréables. Et comme la surface de contact est plus grande, ils sont également capables de supporter une charge plus importante.

Et si ces avantages sont importants, le plus grand saute aux yeux. Regardez comme ils sont magnifiques ici !

Le seul inconvénient, cependant, est leur difficulté de fabrication. Ils sont beaucoup plus difficiles à fabriquer. On ne les trouve donc que dans des endroits très exigeants – pas de pensée spontanée ici…

Si vous faites partie des imprimantes 3D parmi nous, voici comment vous pourriez en fabriquer un vous-même.

Comment fonctionnent les engrenages droits

Il n'y a pas d'angle d'hélice. Juste une transmission de puissance directe entre des dents à coupe droite.

Les engrenages droits sont le modèle le plus simple et ressemblent à votre engrenage stéréotypé. (Recherchez « icône d'engrenage » sur Google, et vous en verrez des centaines !).

Mais simplicité et bruit ne vont pas de pair. Contrairement à la connexion douce et délicate des engrenages hélicoïdaux, les engrenages droits s'engrènent brusquement. Leur engrènement abrupt et leur profil involute signifient que les dents de l'engrenage subissent beaucoup de contraintes via un seul point de contact. Et vous l'entendrez – surtout à grande vitesse.

Un point de contact les rend néanmoins efficaces. Il y a très peu de glissement entre les dents ou de forces latérales appliquées aux pièces de support. Les engrenages droits sont donc, en fait, les plus efficaces de tous les engrenages cylindriques.

Comment fonctionnent les engrenages à vis sans fin

Les derniers de nos engrenages cylindriques sont les engrenages à vis sans fin. Ils sont composés de deux éléments : la vis sans fin (un peu comme une vis) et la roue à vis sans fin (son homologue à engrenage hélicoïdal). Ce qui les rend spéciaux, ce sont deux choses :

1) Ils transposent le mouvement jusqu'à 90 degrés. En d'autres termes, vous pouvez connecter des arbres perpendiculaires (par rapport aux arbres parallèles comme les autres engrenages cylindriques). Lorsque la vis sans fin tourne, les filets poussent contre la roue à vis sans fin, la faisant tourner dans une direction perpendiculaire. C'est excellent si vous voulez qu'une petite vis sans fin se faufile dans des petits espaces - un espace trop petit pour des arbres parallèles.

2) Les engrenages à vis sans fin ont également d'excellents rapports de réduction (surtout dans les petits espaces). Par exemple, une rotation complète de la vis sans fin peut n'entraîner qu'un 1/30ème de tour de la roue à vis sans fin.

Comme il est coulissant et, en substance, progressif, il est silencieux et doux comme les autres engrenages hélicoïdaux. Cependant, le contact glissant entre la vis sans fin et la roue génère beaucoup de friction, ce qui le rend très chaud et inadapté aux charges lourdes. Comme on peut s'y attendre, la lubrification et le refroidissement sont donc très importants.

Pour en voir un en action, regardez ceci.

Comparaison des engrenages cylindriques

La question suivante que vous pourriez vous poser est : quel est le meilleur ? Et comme toujours, la réponse dépend de la situation. Alors, pour éviter que vous ne vous cassiez les dents, voici un tableau comparatif des différents types d'engrenages cylindriques :

Type d'engrenage	Dents	Avantages clés	Inconvénients clés
Hélicoïdal	Simple, diagonales	- Douceur - Silence - Capacité de charge élevée	- Produit une charge axiale (nécessite des paliers de butée pour le support)
À double hélice (à chevrons)	Double, diagonales opposées	-       Pas de poussée axiale -       Plus doux -       Plus silencieux -       Capacité de charge encore plus élevée	-       Conception complexe -       Coût de fabrication élevé
À denture droite	Dents droites, parallèles à l'axe de l'engrenage	-       Très efficace -       Conception simple -       Rentable à fabriquer -       Pas de forces axiales	-       Bruyant, surtout à grande vitesse -       Capacité de charge limitée
À vis sans fin	Vis/diagonale	-       Lisse -       Encombrement réduit -       Grande capacité de réduction	-       Rendement le plus faible -       Forte friction (et chaleur !)

 

Où sont-ils utilisés ?

Ainsi, le « meilleur » engrenage cylindrique dépend de l'application et des contraintes auxquelles vous êtes confronté. Évidemment. Pour donner une image plus claire de l'endroit où chacun prévaut, voici quelques utilisations typiques :

Utilisations des engrenages hélicoïdaux

Leurs utilisations découlent de leurs avantages. Les engrenages hélicoïdaux sont donc utilisés dans des applications qui nécessitent des engrenages à mouvement doux et silencieux et qui n'ont pas peur de faire face à des charges et des vitesses élevées. On les trouve couramment dans...

Les transmissions. Les boîtes de vitesses des véhicules exigent un fonctionnement doux, silencieux et à haute vitesse. Car la seule fois où vous voudriez entendre votre boîte de vitesses, c'est quand vous l'utilisez pour vous assoupir.

La fabrication. Les compresseurs, les convoyeurs et les laminoirs exigent de la robustesse. Ces charges lourdes nécessitent de la stabilité. Et la stabilité réside dans les dents inclinées... 

Les centrales électriques. Les turbines et les générateurs utilisent souvent des engrenages hélicoïdaux pour leur transfert de puissance efficace (et à haute capacité de charge). Généralement, produire une puissance énorme signifie également un transfert de chaleur énorme. Mais l'engagement doux des dents hélicoïdales le minimise.

Utilisations des engrenages à double hélice

Double problème. Ou... euh... double plaisir ? La difficulté de fabrication des engrenages à double hélice est souvent compensée par l'élimination de la charge axiale et une capacité de charge supérieure. On peut donc les trouver dans : 

Les centrales électriques. Comme leur cousin à une seule dent, les turbines et les générateurs utilisent également souvent des engrenages à double hélice. Avec la quantité de puissance que certains génèrent, vous ne voulez pas de dents cassées dans votre sandwich de puissance.

Les moteurs de navires. Si vous avez lu notre article sur les pistons de moteur, vous vous souvenez peut-être du Wärtsilä RT-flex96C – le plus grand moteur à pistons au monde. Comme vous pouvez l'imaginer, il génère beaucoup de puissance (sa variante à 14 cylindres produit une modeste puissance de 108 920 ch !). Il faut donc une transmission capable de supporter cela sans provoquer un mini-tremblement de terre.

Les plateformes offshore. Le forage marin lourd nécessite beaucoup de puissance et utilise des machines lourdes. Les engrenages à double hélice sont impatients de se lancer dans le travail.

Utilisations des engrenages droits

Les engrenages droits offrent de grands rapports de réduction (ou de multiplication) lorsqu'ils sont utilisés en série. Leur fabrication est également rentable. Mais comparés aux engrenages hélicoïdaux, ils n'offrent pas la même capacité de charge, ils se retrouvent donc dans des applications où ils ne devraient peut-être pas être.

Pour protéger leur environnement – et vos oreilles, voici quelques endroits où vous pourriez trouver des engrenages droits :

Les machines à laver. La mienne est vieille et assez bruyante. Elle ne supporte pas les charges d'une centrale électrique. Donc, un engrenage droit s'y intègre parfaitement.

Les horloges et les montres. L'horlogerie est une affaire délicate et à faible charge. Un composant de conception simple est donc chaleureusement accueilli.

Les vélos. La prochaine fois que vous irez au travail à vélo, regardez en bas. « Oh, regardez, un engrenage droit... »

Les APU d'avions. Le bruit limite généralement leur utilisation dans les voitures. Mais pas dans les avions. Leur grande fiabilité et leur charge relativement faible font des engrenages droits d'excellents choix pour les APU.

Utilisations des engrenages à vis sans fin

Wiggle wiggle. Leur réduction de vitesse, leur multiplication de couple et leur capacité à transposer le mouvement jusqu'à 90 degrés dans de petits espaces rendent les engrenages à vis sans fin utiles dans des applications spécifiques. Alors, ce petit ver est allé au mar... désolé, mauvaise chanson.

Les guitares. Leur capacité à effectuer des réglages fins les rend excellents pour l'accordage. Ils sont également utilisés dans d'autres instruments à cordes. 

Les ascenseurs. Les engrenages à vis sans fin sont très efficaces pour arrêter et maintenir les charges. Il n'y a rien de pire que de sortir d'un ascenseur en mouvement.

Les portails de sécurité. Comme moi, certains engrenages à vis sans fin ne tournent pas en sens inverse (en fait, je ne tourne pas du tout). Ainsi, selon leur angle d'hélice, la roue ne peut pas entraîner la vis sans fin. Les portails de sécurité utilisent généralement deux engrenages à vis sans fin distincts – un pour chaque mouvement. Une fois que vous êtes passé, il n'y a pas de retour en arrière possible.

Encore mieux qu'un filetage en tranches

Il n'est peut-être pas porteur, mais il a été conçu pour faire tourner vos "engrenages de doigts". L'équipe MetMo a créé Helico : le premier jouet fidget à engrenage hélicoïdal au monde. Et il en a sous le capot. Du couple. Et du plaisir.