En tant que composant essentiel du système de transmission, la performance d'étanchéité d'une boîte de vitesses affecte directement l'efficacité de la lubrification, l'intrusion de contaminants et la durée de vie de l'équipement. Si le joint est défaillant, cela peut entraîner des fuites d'huile de lubrification et l'entrée d'impuretés externes, ce qui peut à son tour provoquer l'usure des engrenages, la défaillance des roulements et même l'arrêt de l'équipement.

Cet article analyse systématiquement la technologie d'étanchéité des boîtes de vitesses en tenant compte d'aspects tels que les types de joints, les mécanismes de défaillance, la conception optimisée et les stratégies de maintenance afin d'améliorer sa fiabilité et sa durabilité, en fournissant une assistance aux ingénieurs en boîtes de vitesses.

Types et principes des joints de boîte de vitesses

Les méthodes d'étanchéité courantes pour les boîtes de vitesses peuvent être divisées en deux catégories :joints statiques et joints dynamiques:

1.1 Joints statiques

Utilisés pour l'étanchéité des surfaces de joint fixes (telles que les brides de boîtier, les capuchons d'extrémité) afin d'éviter les fuites.

• Joints toriques (caoutchouc, caoutchouc fluoré, etc.) : faible coût et forte adaptabilité.

• Produits d'étanchéité (silicone, adhésif anaérobie) : utilisés pour combler les surfaces irrégulières.

• Joints métalliques (cuivre, aluminium) : résistants aux températures et aux pressions élevées, utilisés dans les boîtes de vitesses robustes.

1.2 Joints dynamiques

Utilisés pour l'étanchéité entre l'arbre rotatif et le boîtier fixe afin d'empêcher l'huile de lubrification de fuir et les contaminants de pénétrer.

a) Joints de contact

Joints à lèvre (joints d'huile) (tels que les types TC, SC) :

• Matériaux : caoutchouc nitrile (NBR), caoutchouc fluoré (FKM).

• Principe : La lèvre chargée par ressort entre en contact avec l'arbre pour former une ligne d'étanchéité.

• Modèles : HMS5, HMSA10, HMS4, HMSA7, CRS1, CRSA1, CRSH1, CRSHA1, CRW1, CRWH1, CRWA1, CRWHA1, CRW5, CRWA5, HDW1, HM14, x15.

Joint mécanique — joint flottant : adapté aux boîtes de vitesses de déplacement des engins de chantier et aux boîtes de vitesses de levage. Il se compose d'un siège de joint flottant, d'un joint torique et d'une bague de joint flottant.

b) Joints sans contact

• Joint labyrinthe : augmente la résistance aux fuites grâce à des canaux sinueux, sans perte par frottement.

• Joint à jeu : repose sur un jeu ajusté avec précision (0,1 ~ 0,3 mm) pour bloquer l'huile. (0,02-0,05)

c) Joints combinés

• Joint à lèvre + joint labyrinthe : équilibre l'étanchéité et la durabilité (par exemple, dans les boîtes de vitesses des engins de chantier).

Principaux mécanismes et impacts de la défaillance des joints de boîte de vitesses

2.1 Joints à lèvre

Structure de base des joints d'huile : diamètre extérieur, caoutchouc, insert métallique, ressort, lèvre anti-poussière, assise.

L'espace d'étanchéité est une zone minuscule entre la surface de la lèvre d'étanchéité et la surface de l'arbre, également appelée zone de contact. Lorsque l'arbre tourne, la zone de contact doit équilibrer deux paramètres clés :

• Conditions mécaniques extrêmes : particules abrasives sur la surface de l'arbre, force de cisaillement dynamique, etc.

• Conditions thermiques extrêmes : génération de chaleur par frottement, viscosité de l'huile, température de démarrage, etc.

Lorsque le joint d'arbre fonctionne, il agit comme une pompe miniature, pompant constamment le fluide dans la zone de contact vers le côté huile du joint d'arbre.

2.2 Joints flottants

Les joints flottants, un nom commun pour un type de joint mécanique dans les joints dynamiques, ont des performances d'étanchéité super-fortes dans des environnements de travail difficiles avec beaucoup de charbon pulvérisé, de sédiments, de vapeur d'eau, etc. Ce sont des joints mécaniques compacts principalement utilisés dans les occasions à basse vitesse et à forte charge. Ils présentent les avantages de la résistance à l'usure, de la compensation automatique après l'usure de la face d'extrémité, d'un fonctionnement fiable et d'une structure simple, et sont largement utilisés dans les machines d'extraction de charbon.

Les joints flottants se composent généralement de bagues de joint flottantes et de bagues en caoutchouc. Il existe un petit espace entre les bandes brillantes des deux bagues de joint flottantes, qui est rempli d'une couche d'huile de lubrification. Lorsque l'équipement commence à fonctionner, la rotation de l'arbre génère une force centrifuge, ce qui amène l'huile de lubrification à se déplacer vers l'intérieur de la bague extérieure. À ce moment, la viscosité élevée, la tension superficielle et l'aspiration de l'huile de lubrification formeront un film d'huile stable entre les deux joints d'huile flottants. L'existence de ce film d'huile peut non seulement jouer un rôle d'étanchéité, mais aussi réduire le frottement, réduisant ainsi la perte d'énergie et prolongeant la durée de vie de l'équipement.

2.3 Modes de défaillance courants

2.4 Analyse des principaux facteurs d'influence

a) Compatibilité des matériaux : les additifs d'huile de lubrification peuvent provoquer un gonflement du caoutchouc (tel que l'impact des additifs EP sur le NBR). b) Conditions de travail : une température élevée (> 120 °C) accélère le vieillissement du caoutchouc fluoré, et des joints revêtus de PTFE doivent être sélectionnés. c) Qualité de la surface de l'arbre : rugosité Ra ≤ 0,4 µm, dureté ≥ HRC45 pour réduire l'usure de la lèvre.

Conception du système d'étanchéité de la boîte de vitesses

3.1 Principes de sélection

• Basse vitesse et forte charge : les joints mécaniques ou les joints labyrinthes métalliques sont préférés. Joints recommandés : joints d'huile à double lèvre (lèvre principale pour l'étanchéité à l'huile + lèvre secondaire pour la protection contre la poussière), joints labyrinthes combinés, joints flottants. Matériaux : caoutchouc nitrile, caoutchouc fluoré FKM (résistant à l'huile pour engrenages EP).

• Haute vitesse et faible charge : joints labyrinthes sans contact + éjecteurs d'huile centrifuges sont utilisés. Joints recommandés : joints labyrinthes sans contact + éjecteurs d'huile centrifuges. Conception clé : jeu axial 0,1 ~ 0,3 mm, canaux labyrinthes en zigzag.

• Environnement contaminé : joints combinés (tels que les joints d'huile + les bagues anti-poussière), joints mécaniques à face d'extrémité métallique (joints flottants).

3.2 Schémas d'amélioration structurelle

a) Optimisation des joints à lèvre :

• Adopter une structure à double lèvre (lèvre principale pour l'étanchéité à l'huile, lèvre secondaire pour la protection contre la poussière).

• Ajouter des rainures micro-hélicoïdales (l'effet de pompage réduit les fuites).

Le bord doit être arrondi et poli, la surface est rectifiée sans alimentation, la dureté est de 15° - 25°, RL = 1-5 µm.

Valeurs recommandées pour la rugosité de surface : (R_{z}=1,0 ... 5,0 µm), (R_{0}=0,2 ... 0,8 µm), (R_{max } ≤ 6,3 µm). Pour une charge de pression > 0,1 Mpa : (Rz =1,0 ..3,0 µm), (R_{0}=0,2 ... 0,4 µm).

Conception de l'arbre de correspondance du joint :

Valeurs recommandées pour les modèles BA et BASL : Rmax < 25 µm, Rg=1,6...6,3 µm, Rz=10 ... 25 µm. Valeurs recommandées pour les modèles B1, B1SL et B2SL : Rmax <16 µm, Rσ =0,8 ...3, 2 µm.

b) Conception des joints labyrinthes : structure 锯齿 à plusieurs étages, combinée à l'effet d'éjection d'huile centrifuge (fuite réduite de 30 %). c) Conception des rainures de joint flottant : les rainures des joints flottants doivent être conçues en fonction des données de taille fournies par le fabricant du joint d'huile, et la rugosité de la surface de la rainure est particulièrement importante. H±0,2, ψ r=0,5.

3.3 Sélection des matériaux

3.4 Comparaison des types de joints

3.5 Paramètres des pièces d'adaptation

• Dureté de la surface de l'arbre : ≥ HRC45 (pour éviter l'usure de la lèvre d'étanchéité).

• Rugosité : Ra 0,2 ~ 0,8 µm (trop lisse entraîne une lubrification insuffisante, trop rugueux accélère l'usure).

• Faux-rond radial : < 0,03 mm (pour éviter une usure inégale du joint).

3.6 Économie et maintenabilité

• Coût initial : joints à lèvre < joints labyrinthes < joints mécaniques.

• Cycle de maintenance : les joints d'huile NBR doivent généralement être remplacés tous les 2 ans, et les joints en PTFE peuvent durer jusqu'à 5 ans.

3.7 Fabricants de joints d'huile recommandés

• Conditions de travail générales : joints d'huile à squelette—Freudenberg (Allemagne), NOK (Japon), Trelleborg (Italie) ; joints flottants—Getz, Carter, Trelleborg.

• Applications haut de gamme : John Crane (joints mécaniques), EagleBurgmann (joints à fluide magnétique).

Résumé

Le système d'étanchéité de la boîte de vitesses doit tenir compte de manière globale des conditions de travail, des matériaux, des structures et des stratégies de maintenance. Grâce à une sélection scientifique, une fabrication de précision et une surveillance régulière, la durée de vie du joint peut être considérablement prolongée et le fonctionnement stable de l'équipement peut être garanti. À l'avenir, les joints de boîte de vitesses évolueront vers des performances élevées, une longue durée de vie et une maintenance prévisible.