Les engrenages sont des composants de transmission courants dans les machines, et leurs performances ont un impact direct sur l'efficacité et la longévité de l'équipement. Cependant, lors de l'utilisation réelle, les engrenages peuvent subir de l'usure et une rupture des dents, entraînant des temps d'arrêt de l'équipement, voire des incidents de sécurité. La rupture des dents résulte principalement de charges alternatives à long terme, qui provoquent une fatigue par flexion dans l'engrenage, entraînant des fissures à la racine en raison des contraintes cycliques et, finalement, une fracture. Selon les statistiques, la fatigue par flexion représente 30 % à 40 % des défaillances des engrenages. Cet article analysera les causes de la rupture des dents d'engrenage et proposera des mesures préventives pour améliorer la fiabilité et la durée de vie des engrenages.

1. Causes de la rupture des dents d'engrenage

La fracture d'engrenage fait référence à la fracture partielle ou totale des dents de l'engrenage, généralement causée par divers facteurs, notamment les aspects suivants :

1. Défauts de conception

A) Résistance insuffisante des dents d'engrenage : la demande de charge n'est pas entièrement prise en compte dans la conception des engrenages, ce qui entraîne des contraintes de flexion excessives à la racine des dents.

B) Le paramètre de forme de l'engrenage est déraisonnable : par exemple, le module est trop petit, le nombre de dents est trop faible, la largeur des dents est insuffisante, etc., ce qui réduit la capacité de charge de l'engrenage.

C) Sélection de matériaux inappropriée : la dureté et la ténacité du matériau de l'engrenage ne correspondent pas, ce qui le rend facile à casser sous une charge d'impact.

2. Problèmes de processus de fabrication

A) Erreur de traitement : par exemple, faible précision des dents, rugosité excessive de la surface des dents, entraînant une concentration de contraintes locales.

Le défaut d'usinage des dents d'engrenage entraîne une concentration de contraintes

B) Traitement thermique inapproprié : le processus tel que la trempe et la cémentation n'est pas strictement contrôlé, ce qui entraîne une structure interne inégale ou des fissures des engrenages.

Comparaison du traitement thermique de différents engrenages et matériaux

C) Défauts de forgeage ou de moulage : tels que la porosité, l'inclusion de scories et autres défauts internes, réduisent les propriétés mécaniques des engrenages.

3. Facteurs d'utilisation et de maintenance

A) Fonctionnement en surcharge : l'engrenage est soumis à un impact ou à une charge élevée continue dépassant la charge de conception, entraînant une rupture par fatigue.

b) Mauvaise lubrification : huile de lubrification insuffisante, sélection inappropriée de l'huile ou pollution de l'huile, aggravent l'usure et la fatigue des engrenages.

C) Installation incorrecte : par exemple, mauvais alignement des engrenages, jeu axial excessif, etc., entraînant une force locale inégale.

D) Corrosion et usure : un fonctionnement à long terme dans un environnement difficile, la corrosion ou l'usure de la surface des dents est grave, ce qui réduit la résistance des engrenages.

4. Fracture par fatigue - focus sur l'élaboration

La fatigue par flexion des engrenages peut être consultée dans l'article « Résumé des connaissances sur la résistance au contact et la résistance à la flexion des engrenages ». Sous des contraintes alternatives à long terme, les engrenages peuvent produire des microfissures, qui s'étendront progressivement jusqu'à la fracture. La fracture par fatigue se manifeste généralement par une fracture en forme de coquille, ce qui est une cause fréquente de rupture des dents d'engrenage.

a. facteur matériel

Résistance du matériau insuffisante : la résistance à la flexion du matériau de l'engrenage est faible ou la ténacité est médiocre, incapable de supporter des contraintes alternatives à long terme.

Les défauts internes, tels que les inclusions, les pores, les microfissures, etc., deviendront le point de départ des fissures de fatigue.

Traitement thermique inapproprié : trempe inégale, profondeur insuffisante de la couche de cémentation ou revenu insuffisant, entraînant une réduction de la résistance de la racine.

b. Facteurs de conception

Le rayon du coin de la racine est trop petit : le coefficient de concentration des contraintes augmente et les sources de fatigue sont faciles à former.

Sélection de module inappropriée : un module trop petit entraînera une surface de section de racine insuffisante et des contraintes de flexion élevées.

Répartition inégale de la charge : l'engrenage est surchargé, mal aligné ou mal engagé, ce qui entraîne une augmentation des contraintes locales.

C. Facteurs de fabrication

Faible précision de traitement : grande erreur de dents, rugosité élevée de la surface des dents, aggravant la concentration des contraintes.

Défauts de traitement de surface : tels que les brûlures de meulage, les marques de fraise, etc., réduiront la résistance à la fatigue de la racine de la dent.

D. Utilisation des facteurs de conditions de fonctionnement

Effet de la charge alternative : la durée de vie en fatigue des engrenages est considérablement réduite en cas de démarrages et d'arrêts fréquents, de vitesse variable ou de charge d'impact.

La lubrification n'est pas bonne : le film d'huile se décompose et le métal entre en contact direct, augmentant les contraintes locales.

Corrosion environnementale : l'humidité, les milieux acides, etc. accéléreront la propagation des fissures.

Deuxièmement, les mesures préventives de la rupture des dents d'engrenage

Les mesures préventives suivantes peuvent être prises pour prévenir les causes de la rupture des dents :

1. Optimiser la conception

A) Sélection raisonnable du module, de la largeur des dents et d'autres paramètres pour garantir que la résistance des engrenages répond aux exigences des conditions de travail.

Tableau de calcul des paramètres d'engrenage

B) Adopter un engrenage de déplacement, un engrenage de mise en forme et d'autres conceptions optimisées pour réduire la concentration des contraintes.

C) Sélectionner des matériaux à haute résistance et ténacité (tels que l'acier allié, l'acier cémenté) et effectuer un traitement de renforcement de surface approprié.

Processus de conception des engrenages Tableau de calcul de la résistance à la flexion des engrenages

2. Contrôler strictement le processus de fabrication

A) Améliorer la précision d'usinage des engrenages pour garantir la douceur et la précision de la forme des dents.

B) Adopter un processus de traitement thermique raisonnable (tel que le revenu, la cémentation et la trempe) pour améliorer la dureté de la surface des dents et la ténacité du cœur.

Effectuer des essais non destructifs (tels que les ultrasons et le contrôle par particules magnétiques) pour garantir l'absence de défauts internes.

3. Renforcer la gestion de l'utilisation et de la maintenance

A) Éviter le fonctionnement en surcharge des engrenages et utiliser un dispositif de protection contre les surcharges si nécessaire.

B) Vérifier régulièrement la qualité de l'huile de lubrification pour garantir une lubrification adéquate et des produits pétroliers appropriés.

C) Assurer la précision d'installation des engrenages et éviter les problèmes de charge excentrique et de vibrations.

D) Vérifier régulièrement l'usure et le piquage de la surface des dents et remplacer l'engrenage endommagé à temps.

4. Améliorer la durée de vie en fatigue

A. Optimiser la conception des engrenages

Augmenter le rayon de la racine : réduire la concentration des contraintes et augmenter la limite de fatigue (par exemple, utiliser la courbe de transition de la racine recommandée par l'ISO 6336).

Sélection raisonnable du module et du nombre de dents : s'assurer que la racine de la dent a une section de flexion suffisante.

Conception de modification de forme : telle que la modification de la forme du profil de la dent, la modification de la forme de la direction des dents, améliorer la répartition de la charge.

b. Sélectionner les matériaux et le processus de traitement thermique appropriés

L'acier allié à haute résistance (tel que 20CrMnTi, 20CrMo, 20CrMnMo) est durci par cémentation ou nitruration pour améliorer la dureté de la surface des dents et la ténacité du cœur.

Contrôler la qualité du traitement thermique : éviter les défauts tels que les fissures de trempe et la fragilité de revenu.

Traitement de renforcement de surface : tel que le grenaillage, le renforcement par impact laser (LSP), améliorer la résistance à la fatigue de la racine de la dent, la résistance peut être augmentée de plus de 1 fois.

C. Améliorer la précision de fabrication

Usinage de précision : utiliser le meulage, le rasage et d'autres procédés pour réduire la rugosité de surface (Ra<0,8 µm).

Contrôle qualité : les défauts de matériaux sont éliminés par contrôle par particules magnétiques (MT) ou par ultrasons (UT).

d. Améliorer les conditions d'utilisation

Éviter le fonctionnement en surcharge : utiliser un limiteur de couple ou un dispositif de protection contre les surcharges.

Optimiser le mode de lubrification : sélectionner une huile pour engrenages à haute viscosité et la remplacer régulièrement (par exemple, ISO VG 220 ou 320).

Maintenance et inspection régulières : surveiller les vibrations, le bruit et l'état de la surface des dents des engrenages, et détecter à temps les premières fissures de fatigue.

conclusion

La rupture des dents d'engrenage est le résultat d'une combinaison de facteurs, notamment la conception, la fabrication, l'utilisation et la maintenance. Pour réduire le risque de rupture des dents, les efforts doivent se concentrer sur quatre domaines clés : l'optimisation de la conception, le contrôle des processus, une utilisation appropriée et une maintenance scientifique, le tout visant à améliorer la fiabilité et la longévité des engrenages. Une prévention et une gestion efficaces peuvent réduire considérablement le risque de rupture des dents d'engrenage, garantissant ainsi le fonctionnement stable à long terme de l'équipement.