La transmission par engrenages est largement utilisée dans divers équipements mécaniques en raison de ses avantages en termes de rapport de transmission précis et de rendement élevé. La Chine est désormais devenue un important pays producteur d'engrenages, la valeur de production de l'industrie des engrenages dépassant les 236 milliards de yuans en 2017, se classant au premier rang mondial, et un système industriel relativement complet a été formé. En tant que composant essentiel pour la transmission de puissance et la sortie d'énergie, les performances des engrenages affectent directement l'efficacité opérationnelle et la fiabilité des équipements. Pendant la transmission, les engrenages supportent des charges extrêmement complexes, ce qui les rend sujets à des phénomènes de défaillance tels que le piqûrage, l'écaillage, l'usure, le grippage et la rupture par fatigue en flexion. Dans le passé, la conception de la résistance des engrenages considérait principalement la résistance au contact de la surface des dents ; cependant, avec le développement de la technologie d'ingénierie, les systèmes de transmission par engrenages ont tendance à être légers, et la résistance à la fatigue en flexion au pied des dents est progressivement devenue un facteur clé.

 

 

 

Pendant la transmission par engrenages, la contrainte de traction maximale sur la dent d'engrenage agit sur le côté chargé, tandis que la contrainte de compression maximale agit sur le côté opposé. Le point de contrainte nulle est situé en dessous de l'intersection du cercle de pied et de l'axe de la dent, ce qui entraîne une forte concentration de contraintes au pied de la dent du côté chargé. Avec le fonctionnement continu de l'engrenage, la section dangereuse devient une zone sujette à l'amorçage des fissures de fatigue, la première étape de la rupture des dents d'engrenage.

 

Les fissures amorcées se propagent ensuite vers le point de contrainte nulle, qui se déplace vers le bas le long du pied de la dent à mesure que les fissures s'étendent. C'est la deuxième étape : la propagation stable des fissures (voir Figure 1). L'étape de propagation stable peut généralement être divisée en deux sous-étapes : dans l'étape I, la fissure se propage le long de la direction de la contrainte de cisaillement maximale à 45°, avec une faible profondeur ; dans l'étape II, en raison des différentes orientations et de l'obstruction des joints de grains, la direction de propagation est progressivement affectée par la contrainte normale et change en une direction perpendiculaire à la contrainte normale.

 

Lorsque la partie restante du pied de la dent ne peut plus supporter la charge externe, une rupture instantanée se produit, la troisième étape : la propagation instable des fissures (rupture). La zone correspondante sur la surface de rupture de fatigue est relativement rugueuse, souvent accompagnée de plis formés par l'arrachement du matériau.

 

 

On pense généralement que l'existence d'une contrainte résiduelle de traction augmentera le niveau de contrainte moyen dans la contrainte cyclique, accélérant ainsi le taux de croissance des fissures de fatigue et réduisant la fiabilité des engrenages. En revanche, la contrainte résiduelle de compression est bénéfique pour prolonger la durée de vie des engrenages. Pendant le traitement des engrenages, l'amplitude de la contrainte résiduelle générée dans les dents d'engrenage peut atteindre des milliers de mégapascals, ce qui a un impact significatif sur les performances de fatigue des engrenages. Par conséquent, la contrainte résiduelle est un facteur indispensable dans la fabrication anti-fatigue des engrenages, et la surveillance précise de l'état de contrainte résiduelle au pied des dents revêt une importance technique importante.

 

Les courbes de distribution typiques des contraintes résiduelles de la surface du pied des dents après cémentation et trempe sont généralement présentées à la Figure 2. Dans la production réelle d'engrenages, la contrainte résiduelle sur la surface du pied des dents ne présente pas toujours la distribution idéale comme le montre la Figure 2(a). Dans des conditions de travail pratiques, en raison de l'effet de couplage de la contrainte thermique et de la contrainte structurelle pendant la trempe et le refroidissement, la déformation plastique de surface fait que la couche de contrainte résiduelle de compression maximale se déplace vers la subsurface, présentant éventuellement la caractéristique de distribution montrée à la Figure 2(b). Actuellement, dans la production nationale d'engrenages, la décarburation et l'oxydation interne sont inévitables à la surface des dents d'engrenage après cémentation et trempe. En particulier, l'oxydation interne forme des structures non martensitiques. À ce stade, la distribution typique des contraintes résiduelles de la couche durcie est présentée à la Figure 2(c), c'est-à-dire qu'une contrainte résiduelle de traction se forme sur la surface la plus externe de la dent d'engrenage, et en raison de facteurs de structure géométrique, cette contrainte de traction est souvent plus sévère au pied de la dent.

 

Les caractéristiques de distribution des contraintes résiduelles déterminent directement les performances de fatigue des engrenages. Cependant, il convient de noter en particulier que le processus de traitement thermique des engrenages est un processus non linéaire complexe impliquant l'interaction de la température, de la transformation structurelle et de la contrainte, accompagné d'une déformation plastique. Par conséquent, il est presque impossible d'obtenir la contrainte résiduelle en utilisant des méthodes analytiques. Ainsi, en ingénierie pratique, la détermination de la contrainte résiduelle est d'une grande importance pour l'évaluation de la durée de vie et des performances des engrenages.

 

 

Actuellement, il existe de nombreuses méthodes pour mesurer la contrainte résiduelle, mais la méthode la plus couramment utilisée et de haute précision en ingénierie est la technologie de diffraction des rayons X (DRX). La technologie DRX permet des tests non destructifs, et un équipement portable peut rapidement effectuer des tests sur site en production. À l'heure actuelle, cette technologie est reconnue internationalement, avec des normes nationales et étrangères pour garantir la précision des mesures, et l'équipement de mesure et les instruments de support sont relativement sophistiqués. L'équipement présenté à la Figure 3 a été utilisé dans l'industrie des engrenages, tant au niveau national qu'international, pour mesurer la contrainte résiduelle au pied des engrenages. Parmi eux, la section dangereuse du pied de la dent est généralement définie par la méthode de la tangente à 30°, et la contrainte résiduelle à cette position est sélectionnée pour représenter la contrainte résiduelle au pied. Pour la méthode spécifique de mesure de la contrainte résiduelle par DRX, reportez-vous à l'article précédent "Comment déterminer la contrainte résiduelle par la méthode de diffraction des rayons X ?"