L'ondulation unidirectionnelle autour des vis sans fin

L'article d'aujourd'hui examine les engrenages à vis sans fin. Ces petits partenariats astucieux vis-roue animent discrètement le monde depuis plus de deux millle ans. Oui, avec trois zéros.

Les engrenages à vis sans fin, également appelés réducteurs à vis sans fin, sont les héros méconnus de nombreux levages lourds, d'ajustements délicats et d'ingénieuses astuces d'ingénierie. Nous allons donc nous frayer un chemin dans un trou de ver et découvrir comment ils fonctionnent, qui les a inventés, les différents types qui existent, où vous les trouverez probablement, et toutes sortes d'autres bonnes choses qui font bouger la Terre. Casques sur la tête. Allons creuser.

Qu'est-ce qu'un engrenage à vis sans fin ?

Nous aimons tous la vitesse. Vous. Moi. Tout le monde. C'est ancré en nous. Mais de temps en temps, il est bon de se rappeler que ralentir a aussi ses avantages... comme attraper le couple tôt... ou... euh... quelque chose comme ça...

Bref.

Un engrenage à vis sans fin est composé de deux parties :

-       La vis sans fin – un arbre en forme de vis avec des filets en spirale

-       La roue – un engrenage denté qui s'engrène avec la vis sans fin

Lorsque la vis sans fin tourne, ses filets s'appuient contre les dents de la roue, la faisant tourner. Le point astucieux, cependant, est que pour chaque tour complet (d'une vis sans fin à un seul filet, du moins), la roue n'avance que d'une dent. Cela permet d'obtenir d'énormes réductions d'engrenage et de massives multiplications de couple.

Ce qui est encore plus intéressant, c'est que la configuration est presque toujours agencée de manière à ce que l'axe de la vis sans fin soit à 90° par rapport à l'axe de la roue. Ce changement de direction à angle droit combiné à une forte augmentation de couple rend les engrenages à vis sans fin très populaires pour les applications à espace réduit.

Qui l'a inventé en premier ?

Le crédit est généralement attribué à Archimède, vers 250 av. J.-C. Les Grecs de l'Antiquité maîtrisaient déjà les engrenages pour des tâches comme le levage de charges. Mais Archimède est considéré comme celui qui a formalisé le concept d'une vis entraînant une roue dentée (espérons-le après de nombreux vers d'encouragement...).

À partir de là, ils sont apparus dans toutes sortes de mécanismes anciens – des gouvernails sur les voiliers aux premières conceptions de treuils. En avançant rapidement vers la Révolution Industrielle, les engrenages à vis sans fin sont devenus des éléments essentiels (pas littéralement) dans les machines, les équipements de fabrication et les dispositifs de levage.

Et les raisons de les choisir n'ont pas beaucoup changé : ils sont compacts, robustes et peuvent se bloquer sans freins supplémentaires.

« Comment ? », demandez-vous. Laissez-moi vous le dire.

Comment fonctionne l'engrenage à vis sans fin ?

C'est assez simple. Il y a quelques étapes :

1. La vis sans fin tourne (alimentée par un moteur, une manivelle ou une autre entrée). Elle est généralement maintenue en place pour qu'elle puisse tourner mais pas se déplacer axialement. Évidemment.
2. Ses filets s'engrènent avec les dents de la roue à vis sans fin, les poussant et faisant tourner la roue. Les dents et la vis sans fin sont conçues pour correspondre parfaitement au profil hélicoïdal de la vis sans fin.
3. La roue à vis sans fin tourne, généralement à une vitesse beaucoup plus lente mais avec beaucoup plus de couple que la vis sans fin.

Pensez : grande force, petit mouvement.

Maintenant, il y a aussi d'autres caractéristiques des engrenages à vis sans fin que vous aimeriez peut-être mieux comprendre. Remuez-vous et apprenez.

Réductions du rapport d'engrenage

Le nombre de filets continus qui s'enroulent autour de la vis sans fin est appelé le « nombre de départs ». Ainsi, un tour complet de la vis sans fin ne déplace qu'une seule dent sur la roue. Une vis sans fin à deux départs signifierait que pour chaque rotation de la vis sans fin, la roue déplace deux dents. Et ainsi de suite.

Le bon sens nous dit que si la roue a 60 dents et que nous utilisons une vis sans fin à un seul départ, nous aurions besoin de 60 tours complets de la vis sans fin pour faire tourner la roue une fois. C'est une réduction de 60:1. Le bon sens a raison.

Plus de « départs » entraîneraient une réduction plus faible et une vitesse plus rapide. Ou, si vous aviez plus de dents sur votre roue, vous augmenteriez la réduction (100:1 est faisable !)

Autobloquant

De nombreux engrenages à vis sans fin ne peuvent pas être entraînés en sens inverse. En d'autres termes, la puissance ne peut être transmise que dans un seul sens – la roue ne peut pas faire tourner la vis sans fin. Cela est dû à la géométrie du pas et au frottement important entre leurs surfaces de glissement.

Comme les filets de la vis sans fin ont un pas très faible, l'action de glissement crée trop de résistance pour que la roue puisse repousser la vis sans fin. Les vis sans fin à un seul filet – avec leurs angles d'inclinaison plus petits – sont les plus susceptibles de s'autobloquer. Les vis sans fin à plusieurs filets, cependant, ont des angles d'inclinaison plus grands et peuvent être réversibles si nécessaire.

Leur effet non réversible est utilisé de deux manières différentes. Il y a l'autoblocage statique, où l'engrenage ne bouge tout simplement pas lorsque le moteur s'arrête (idéal pour éviter les orteils cassés), et l'autoblocage dynamique, où la boîte de vitesses ralentit et s'arrête naturellement lorsque le mouvement est coupé.

Bien sûr, ce n'est pas complètement infaillible. Les matériaux, la lubrification et la vitesse affecteront le degré d'autoblocage de l'engrenage. Par exemple, le fer associé au bronze phosphoreux a moins de friction, donc l'autoblocage est moins bloquant. Ou si votre engrenage est autobloquant dynamiquement, votre friction sera plus faible (parce que sa friction est dynamique), de sorte que les vibrations ou les charges de choc peuvent briser le blocage.

Types d'engrenages à vis sans fin

Il existe plusieurs types, et ils fonctionnent tous de manière similaire.

Engrenages à vis sans fin cylindriques

C'est le type le plus courant. La vis sans fin de départ. Ils comportent une vis sans fin droite et cylindrique qui s'engrène avec une roue à vis sans fin correspondante. Ils sont relativement simples à fabriquer, ce qui contribue à réduire les coûts. C'est pourquoi ils sont largement utilisés, en particulier pour les applications nécessitant un couple élevé et un faible encombrement.

Engrenages à vis sans fin globiques

Dans une conception globoïde, la vis sans fin est en forme d'arc qui s'enroule partiellement autour de la roue à vis sans fin. Cela augmente la zone de contact entre la vis sans fin et la roue, permettant à l'engrenage de transmettre un couple plus élevé et de supporter des charges plus lourdes. L'inconvénient, cependant, est qu'ils sont plus complexes et plus coûteux à produire.

Engrenages à vis sans fin à double pas (duplex)

Ceux-ci ont des pas différents sur leurs surfaces de dents gauche et droite, ce qui fait varier l'épaisseur des dents le long de la vis sans fin. En déplaçant la vis sans fin axialement, vous pouvez affiner le jeu – le petit dégagement entre les dents en prise. Cela rend les conceptions duplex idéales pour les applications de haute précision. Mais encore une fois, un peu cher.

De quoi sont-ils faits ?

Le choix du matériau est crucial. Ces vis sans fin et leurs complices dentés mènent des vies difficiles. Des vies pleines de frottement de glissement sans fin. D'une part, le frottement est nécessaire – ils ne fonctionneraient pas sans lui. D'autre part, c'est un peu triste. Pauvre petite vis. Bien que ce soit probablement pire pour la roue...

Vous voyez, les roues sont généralement conçues pour être le composant sacrificiel des deux. Ainsi, dans la combinaison classique de vis sans fin en acier (dure, résistante à l'usure et coûteuse à usiner) et de roue en laiton, la roue s'usera, protégeant la vis sans fin plus coûteuse. Quelle amitié !

Bien sûr, ce ne sont pas les seules combinaisons ; vous verrez toujours des actions acier sur acier. C'est un engrenage super solide, et si un composant tombe en panne, il ruine généralement l'autre. Comme vous vous en doutez, son remplacement est plutôt coûteux si les choses tournent mal.

Vous verrez également du plastique sur métal (dans la robotique légère) et du plastique sur plastique dans certaines utilisations à faible charge.

L'addiction au frottement

Avec des vies aussi axées sur le frottement, la lubrification est importante. Parce que la vis sans fin glisse sur la dent de la roue, elle frotte lentement le lubrifiant. Si vous le faites correctement, la vis sans fin devrait absorber plus de lubrifiant avant son prochain tour – et protéger les deux pièces. Mais ce n'est pas facile.

Des huiles à très haute viscosité (ISO 320-1000) ou des synthétiques spécialisés sont des options idéales pour empêcher la vis sans fin et la roue de se toucher (elles peuvent devenir un peu agressives si elles se rapprochent trop) et gérer le contact de glissement constant.

Sans cela, elles chaufferont plutôt et s'useront plus vite que vous ne pourrez réagir à leurs cris. Marchez doucement.

Il y a un excellent article sur la lubrification des engrenages à vis sans fin ici.

Avantages des engrenages à vis sans fin

Il est temps de rentabiliser votre vis sans fin.

Grandes réductions de vitesse

L'un de leurs avantages remarquables est leur capacité à atteindre une réduction de vitesse massive en un seul étage. Alors que la plupart des systèmes d'engrenages nécessiteraient plusieurs étages d'engrenages pour atteindre des rapports de 100:1 ou plus, un engrenage à vis sans fin peut y parvenir en une seule fois. Pas de trains d'engrenages nécessaires pour M. Ver.

Un couple de sortie encore PLUS GRAND

Cette réduction signifie qu'ils fournissent également des couples de sortie énormes. Parce que chaque tour de la vis sans fin ne déplace la roue que d'une infime quantité, l'avantage mécanique est énorme. Cela les rend idéaux pour le levage lourd, le serrage et le maintien de charges en place.

Ils sont autobloquants

Dans de nombreuses conceptions, la vis sans fin peut faire tourner la roue, mais la roue ne peut pas faire tourner la vis sans fin. Cela signifie que lorsque l'alimentation est coupée, l'engrenage maintient sa position, agissant comme un frein intégré. Dans les applications où vous ne voulez pas de mouvement lorsque le système est éteint (par exemple, ascenseurs et treuils), c'est une caractéristique de sécurité particulièrement précieuse.

Conception compacte

Leur petite taille est également un énorme avantage. Parce que les engrenages à vis sans fin combinent une réduction élevée avec un changement de direction de 90 degrés, ils offrent une grande puissance dans un petit encombrement par rapport à leurs cousins à denture droite ou hélicoïdale. Engrenage à vis sans fin, rencontrez des applications à espace restreint.

Fonctionnement silencieux

Nos petits engrenages à vis sans fin sont également connus pour leur fonctionnement doux et silencieux. Contrairement aux engrenages droits, qui cliquettent comme les vieilles dents de ma grand-mère, le contact glissant entre la vis sans fin et la roue produit beaucoup moins de vibrations et de bruit.

Inconvénients des engrenages à vis sans fin

Ils sont mignons. Mais ils ne sont pas parfaits. Leurs caractéristiques moins bonnes sont les suivantes...

Faible efficacité

Le principal inconvénient des engrenages à vis sans fin est leur faible rendement par rapport aux autres types d'engrenages. Comme la puissance est transmise par glissement (par opposition au contact roulant), les pertes par frottement sont élevées, en particulier dans les conceptions autobloquantes.

Accumulation de chaleur

Cette énergie perdue se transforme en chaleur (et en dents cassées), qui doit être gérée pour que l'engrenage fonctionne de manière fiable. Sans lubrification ou refroidissement adéquats, la génération de chaleur accélère l'usure – et la défaillance. Un autre vermis.

Lubrification délicate

Nous en avons parlé plus tôt. Mais la lubrification est vitale avec les engrenages à vis sans fin. C'est juste plutôt difficile. Pour éviter une forme étrange de ver-maggeddon, les gens utilisent des lubrifiants à haute viscosité (généralement ISO 460 ou 680) pour maintenir les composants séparés... mais ceux-ci peuvent être plus difficiles à filtrer et à pomper.

Usure de la roue sacrificielle

C'est généralement une nécessité, mais il faut quand même y faire face. Dans la combinaison courante vis sans fin en acier/roue en laiton, la roue en laiton est délibérément utilisée parce qu'elle est plus molle – pour protéger la vis sans fin en acier. La roue devra donc être remplacée. C'est un coût d'entretien accepté mais inévitable, malheureusement.

Coût de fabrication

Enfin, le coût. Non seulement vous avez besoin de lubrifiants spéciaux et d'une pompe, mais les engrenages à vis sans fin peuvent être coûteux à fabriquer. Vous avez besoin d'un usinage de précision pour éviter de perdre des dents comme des cheveux – et assurer un engrènement correct. Bien sûr, pour des formes plus complexes, comme les vis sans fin globiques, vous aurez besoin d'un usinage plus précis.

Comment se comparent-ils aux engrenages droits et hélicoïdaux ?

Maintenant, je sais que certains d'entre vous pourraient penser aux comparaisons. Les voici donc sous forme de tableau. Simple et facile. Les chiffres sont bien sûr indicatifs. (Oh, et apprenez-en plus sur les engrenages hélicoïdaux ici)

Caractéristique	Engrenage à vis sans fin	Engrenage droit	Engrenage hélicoïdal	Engrenage à chevrons
Dents	Filetage en forme de vis	Droites (parallèles à l'axe)	Diagonale simple	Double diagonale opposée
Rapport de réduction	Très élevé (jusqu'à 100:1 en un étage)	Modéré (1-10:1 par étage)	Modéré à élevé (jusqu'à ~20:1 par étage)	Modéré (similaire à l'hélicoïdal)
Couple de sortie	Très élevé	Bon mais limité par étage	Plus élevé que le droit (plus de contact des dents)	Élevé
Efficacité	Faible	Très élevée	Élevée	Élevée
Bruit	Faible	Élevé	Moyen	Faible
Auto-blocage	Oui	Non	Non	Non
Gestion de la charge	Excellent pour les charges élevées	Bon pour les charges modérées	Excellent pour les charges élevées	Excellent pour les charges très élevées
Complexité/coût	Usinage de précision requis	Facile et bon marché à fabriquer	Légèrement plus complexe, coût plus élevé	Le plus complexe et le plus coûteux

 

Hors de la boîte et dans le monde

Un couple élevé, la compacité et l'auto-blocage sont les objectifs. Les engrenages à vis sans fin sont la solution. Voici quelques applications typiques des réducteurs à vis sans fin :

Ascenseurs et monte-charges : C'est probablement leur utilisation la plus célèbre. Les réducteurs à vis sans fin empêchent les cabines de tomber lorsque le moteur s'arrête, grâce à leur fonction d'auto-blocage. Sans eux, la seule direction serait vers le bas...

Chevilles d'accordage : Elles maintiennent les cordes accordées sur des instruments comme les guitares, les violons et les violoncelles. Leur plus grand avantage est leur précision. Les petits mouvements de la cheville se traduisent par des ajustements fins de la tension des cordes – et encore une fois, leur auto-blocage les empêche de se désaccorder.

Direction automobile : Oui, les voitures utilisent aussi des engrenages à vis sans fin. Les plus anciennes, du moins. Ils sont utilisés pour convertir le mouvement de rotation (de vous sur le volant) en mouvements contrôlés de la tringlerie de direction. La multiplication du couple vous aide à tourner des roues avant lourdes sans avoir besoin d'une force surhumaine.

Convoyeurs industriels : Les convoyeurs dépendent souvent des entraînements à vis sans fin pour fournir un mouvement contrôlé et puissant. Parce qu'ils peuvent supporter des charges élevées et offrent une réduction de vitesse précise, ils sont parfaits pour déplacer les produits le long d'un flux ordonné.

Gouvernails de navires : Pendant des siècles, nos engrenages à vis sans fin ont aidé à diriger les navires  – les gros courants sous-marins n'ont aucune chance contre la toute-puissante vis sans fin. Ils maintiennent la position du gouvernail face à de fortes forces, de sorte que vous n'êtes pas traîné par la mer.

Palans et treuils : Comme pour les ascenseurs, les engrenages à vis sans fin maintiennent les charges lourdes en toute sécurité sans avoir besoin d'un frein supplémentaire. Ils abritent un couple énorme dans des espaces compacts. Ils pourraient être le seul ver à ne pas se tortiller sous la pression.

Outils électriques : Les scies circulaires, les perceuses et les meuleuses utilisent des entraînements à vis sans fin car ils permettent aux moteurs à grande vitesse d'être transformés en couple utilisable – et de ne pas prendre beaucoup de place.

Équipement médical et robotique : Les engrenages à vis sans fin excellent ici grâce à leur précision, leur compacité et leur puissance de maintien. Ils doivent parfois effectuer des mouvements précis au millimètre près et ne pas glisser en cours de travail. Pas de problème, mon vieux ver.

S’insinuer dans le futur

L'engrenage à vis sans fin est la preuve qu'il n'est pas nécessaire d'être rapide pour avoir un grand impact. En échangeant la vitesse contre le couple et en ajoutant un frein de sécurité intégré grâce à l'autoblocage, les entraînements à vis sans fin sont devenus un élément mécanique essentiel – de la mer aux centres commerciaux en passant par les guitares.

Ils peuvent parfois chauffer (qui ne le fait pas, hein ?), et user leurs roues s'ils ne sont pas entretenus… mais lorsque vous avez besoin d'une puissance compacte, silencieuse et fiable, l'engrenage à vis sans fin mérite pleinement sa place.

Alors, la prochaine fois que vous prendrez un ascenseur (sans l'une de nos créations entre vos mains), rappelez-vous que quelque part là-dedans, une petite vis et une roue font le gros du travail.

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