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Modèle de contact et bruit du maillage d'engrenages : connaissances de base de l'industrie
Modèle de contact et bruit du maillage d'engrenages : connaissances de base de l'industrie
Le motif de contact, un indicateur visuel essentiel dans les systèmes de transmission à engrenages, est le reflet direct de l'état d'engrènement entre les dents de l'engrenage. Sa morphologie est étroitement liée aux performances sonores et vibratoires des boîtes de vitesses et constitue un point technique essentiel dans la conception, la fabrication, l'assemblage et le diagnostic des défauts des systèmes de transmission à engrenages à faible bruit. Cet article passe en revue les connaissances clés de l'industrie sur le modèle de contact de l'engrènement des engrenages et sa corrélation avec le bruit, ainsi que les méthodes pratiques d'application et d'optimisation.
1. Définition et caractéristiques d’un modèle de contact d’engrenage idéal
Également appelé marque de contact ou impression de maillage, lemodèle de contact des engrenagesfait référence à la marque d'usure brillante formée sur la surface de la dent après que la paire d'engrenages fonctionne sous une légère charge. Il montre intuitivement la zone de contact réelle d'une paire de dents d'engrenage, de l'engagement au désengagement dans des conditions de test, et est considéré comme « l'empreinte digitale » de l'état d'engrènement de l'engrenage.
Unmodèle de contact idéaldoit répondre aux caractéristiques techniques suivantes, qui constituent la garantie de base d'un fonctionnement silencieux et stable des engrenages :
- Position: Centré sur la surface de la dent, légèrement décalé vers l'extrémité d'engagement.
- Forme: elliptique ou rhombique régulier pour engrenages droits ; en forme de bande répartie le long de la diagonale pour les engrenages hélicoïdaux.
- Taille: Couvre 30 à 50 % de la hauteur des dents et 60 à 80 % de la longueur des dents (les valeurs spécifiques sont soumises aux normes d'application de l'industrie).
- Contour: Impression uniforme avec des bords nets et sans points de rupture ni discontinuités.
2. Le lien physique intrinsèque entre le modèle de contact et le bruit des engrenages
L’essence du bruit des engrenages estvibration excitée par des forces d'engrènement dynamiques, et la morphologie du motif de contact détermine directement l'amplitude et les caractéristiques de ces forces d'excitation dynamiques, dominant ainsi le niveau de bruit et les caractéristiques spectrales du système d'engrenages. Les principaux mécanismes de transmission se reflètent sous trois aspects :
2.1 Erreur de répartition de charge et de transmission
L'erreur de transmission (l'écart entre la position réelle et idéale de l'arbre de sortie) est la principale source d'excitation interne du bruit des engrenages. Dans l'état idéal, la charge est uniformément répartie sur la ligne de contact théorique et l'erreur de transmission est faible et fluide. Des modèles de contact anormaux, tels qu'une position asymétrique, une taille insuffisante ou une forme irrégulière, entraîneront une concentration locale de charge sur la surface de la dent, ce qui provoquera en outre une déformation élastique inégale du profil de la dent et du corps de l'engrenage, augmentant considérablement l'erreur de transmission. Le changement périodique de l'erreur de transmission excite directement les vibrations des engrenages et émet du bruit vers l'extérieur.
2.2 Impact du maillage et excitation de rigidité
D'une part, un impact de maillage se produira si le motif de contact est manquant ou extrêmement faible au niveau de la pointe ou de la racine de la dent. Lorsque les dents de l'engrenage changent d'engrènement, le manque de guidage et de tampon efficace entraînera un impact d'engagement sévère, qui génère un « clic » ou un bruit de cognement à haute fréquence. D'un autre côté, la rigidité d'engrènement des engrenages change périodiquement avec le nombre de paires de dents en prise, et des modèles de contact malsains aggraveront la fluctuation de la rigidité d'engrènement, produiront une excitation de rigidité plus forte et déclencheront en outre un bruit de « gémissement » de moyenne et basse fréquence.
2.3 Contact sur les bords et concentration des contraintes
Le contact des bords est un problème typique qui se produit lorsque le motif de contact touche ou dépasse les bords de la surface de la dent, y compris la pointe de la dent, la racine ou la face d'extrémité, et c'est un signe direct d'une concentration élevée de contraintes sur la surface de la dent. Ce phénomène augmente non seulement la contrainte de contact de la surface de la dent et conduit à des défaillances précoces telles que des piqûres et des cassures de dents, mais génère également une excitation dynamique extrêmement forte lors de l'engrènement des engrenages, qui se manifeste généralement par un bruit de « grincement » ou de « craquement » sévère.
3. Modèles de contact anormaux typiques, causes et caractéristiques de bruit correspondantes
Les modèles de contact anormaux sont des « signaux d'alerte précoces » importants en cas de défaillance du système d'engrenages et de problèmes de bruit. En analysant la morphologie des modèles de contact anormaux, les ingénieurs peuvent directement diagnostiquer les causes profondes des problèmes potentiels de bruit et formuler des solutions ciblées. Divers modèles de contact anormaux typiques et leurs caractéristiques correspondantes sont les suivants :
- Zone de contact décalée vers le haut (près de la pointe de la dent) : Cette anomalie est généralement causée par un entraxe excessif, un couronnement de dent surdimensionné ou des axes d'engrenage non parallèles (inclinés), qui sont sujets au contact du bord de la pointe de la dent et à un impact d'engagement élevé pendant le maillage, et les performances sonores typiques sont des cognements et des grincements à haute fréquence.
- Zone de contact décalée vers le bas (près de la racine de la dent) : Les principales causes incluent un entraxe insuffisant et une modification incorrecte du profil de la dent. Cette situation conduit facilement à un contact avec le bord de la racine de la dent et à un impact de désengagement élevé, et s'accompagne de cognements à haute fréquence et d'un bruit d'impact sourd.
- Zone de contact décalée à une extrémité (excentricité de charge dans le sens des dents) : elle est principalement causée par des axes d'engrenage non parallèles, des trous de boîte d'engrenages asymétriques ou une déformation par flexion de l'arbre, ce qui entraînera une concentration de charge, des contraintes locales sévères et une erreur de transmission importante de la paire d'engrenages, et le système d'engrenages produira un bruit de « grondement » périodique avec de fortes vibrations.
- Modèle de contact étroit ou interrompu : une telle morphologie anormale est due à un couronnement dentaire surdimensionné, à une ondulation élevée de la surface dentaire ou à une erreur de pas importante. Cela entraînera une réduction de la surface d'appui efficace et du rapport de contact de la surface de la dent, ainsi que de graves fluctuations de charge pendant l'engrènement, et le système d'engrenage émettra un « bruissement » à large bande ou un bruit blanc avec des cognements irréguliers.
- Contact diagonal des engrenages hélicoïdaux : ce problème est principalement causé par des axes d'engrenages croisés (non coplanaires dans la direction verticale) ou une erreur d'angle d'hélice, qui formera un contact linéaire dangereux sur la surface de la dent, conduisant à des contraintes ultra élevées et à un glissement sévère, et la performance typique est un grincement aigu avec une augmentation rapide de la température de la paire d'engrenages.
- Modèle de contact en forme d'aile de mouette : les principales causes sont la déformation du traitement thermique (telle que le milieu concave de la surface de la dent) et le processus de meulage inapproprié. Cette situation entraîne l'absence de contact au milieu du profil de la dent et un contact aux deux extrémités, et la courbe d'erreur de transmission présente une forme en « M », le système d'engrenage produisant un bruit unique « à double tonalité » ou flottant.
4. Application technique de l’analyse et de l’optimisation des modèles de contact
Le modèle de contact n'est pas seulement un outil post-inspection pour les performances des engrenages, mais également un moyen d'optimisation actif tout au long du processus de conception, de fabrication et d'assemblage des engrenages. Ses principales applications d’ingénierie se reflètent dans trois aspects clés :
4.1 Guide d'assemblage et d'alignement
Lors de l'assemblage sur site de grandes boîtes de vitesses telles que les boîtes de vitesses d'énergie éolienne, la vérification du modèle de contact à vide ou sous charge légère permet de juger rapidement de l'état d'engrènement des engrenages, du parallélisme des axes des engrenages et de la précision de l'entraxe. Les techniciens peuvent ajuster avec précision les sièges de roulement ou les joints en fonction de la direction décalée du motif de contact, éliminant ainsi le bruit et les vibrations provoqués par un mauvais alignement par rapport à la source.
4.2 Base de vérification et d'optimisation pour la modification du profil dentaire
La conception moderne des engrenages à faible bruit est largement adoptéemodification du profil des dentsetmodification de la direction des dents (dents couronnées)pour compenser le désalignement du maillage causé par la déformation sous charge, la déformation thermique et les erreurs de fabrication. Au stade de la conception, un logiciel de simulation est utilisé pour prédire le modèle de contact sous différentes charges afin d'optimiser la courbe de modification ; après le test de rodage des engrenages, le modèle de contact réel est vérifié pour vérifier s'il est conforme aux attentes de conception. Si le modèle de contact réel n'est pas idéal, les paramètres de modification sont ajustés de manière itérative jusqu'à ce que le modèle de contact optimal et stable dans les conditions de travail cibles soit obtenu.
4.3 Critère de diagnostic des défauts et de contrôle qualité
L'inspection des modèles de contact est un processus de contrôle qualité clé dans la production de masse d'engrenages et la maintenance régulière des équipements. Un modèle de contact stable et standard est la garantie fondamentale du fonctionnement silencieux et durable des engrenages. Tout modèle de contact s'écartant de la norme industrielle indique des risques potentiels de défaillance précoce et des niveaux de bruit élevés du système d'engrenages, nécessitant un dépannage et une rectification en temps opportun.
5. Mesures clés pour obtenir un modèle de contact idéal pour la réduction du bruit
Pour former un modèle de contact idéal et réaliser une transmission silencieuse et stable des systèmes d'engrenages, il est nécessaire d'effectuer un contrôle systématique et complet du processus depuis la fabrication, la conception, l'assemblage jusqu'aux tests, et les mesures de base sont les suivantes :
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