En raison du frottement, certains concepteurs utilisent un engrenage à vis sans fin pour réaliser une action, tandis qu'un frein empêche le mouvement inverse dans leur mécanisme. Ce principe repose sur l'idée qu'un engrenage à vis sans fin s'auto-bloque lorsque l'angle d'hélice est faible et le coefficient de frottement entre les matériaux est élevé. Bien que ce ne soit pas une règle absolue, un engrenage à vis sans fin s'auto-bloque généralement lorsque l'angle d'hélice est inférieur à 4 degrés et le coefficient de frottement supérieur à 0,07.
Les engrenages à vis sans fin, ayant un angle d'hélice, génèrent des forces axiales. Ces forces varient selon le sens de rotation de la vis sans fin et le sens du filetage. Une vis sans fin à denture droite tire la roue dentée vers elle si elle tourne dans le sens horaire et la repousse si elle tourne dans le sens antihoraire. Une vis sans fin à denture gauche agit exactement à l'inverse. Les engrenages à vis sans fin constituent un excellent choix pour réduire les vitesses et inverser le sens d'action. Ils offrent une infinité de rapports en modifiant le nombre de dents de la roue dentée et, en ajustant l'angle d'hélice, on peut obtenir presque n'importe quel entraxe.
Tout d'abord, les principes de base. Les réducteurs à vis sans fin servent à transmettre de l'énergie entre des arbres non parallèles et non sécants, généralement positionnés à 90 degrés. Ils comprennent une vis sans fin et un élément en prise, appelé roue dentée ou engrenage à vis sans fin. La vis sans fin possède des dents disposées autour d'un cylindre, lequel est relié à un filetage. Les engrenages à vis sans fin sont généralement utilisés lorsque le rapport de réduction est compris entre 3:1 et 100:1, et lorsqu'un indexage rotatif précis est nécessaire. Le rapport de réduction est déterminé en divisant le nombre de dents de la roue dentée par le nombre de filets de la vis sans fin.
Le sens de rotation de la roue à vis sans fin dépend du sens de rotation de la vis sans fin et du sens de la denture (à gauche ou à droite). Le sens d'hélice est identique pour les deux dents de la roue. Les engrenages à vis sans fin sont conçus pour que l'une ou les deux dents s'enroulent partiellement autour de l'autre.
Les engrenages à vis sans fin à simple enveloppe possèdent une vis sans fin cylindrique, entourée partiellement d'une gorge. Les engrenages à double enveloppe sont composés de deux vis sans fin à double enveloppe. Les engrenages hélicoïdaux à axes croisés ne comportent pas de gorge et sont donc parfois appelés engrenages à vis sans fin non enveloppants.
Les dents de la vis sans fin peuvent présenter de nombreuses formes différentes et ne sont donc pas standardisées comme celles des engrenages à axes parallèles. Cependant, la roue dentée doit comporter des dents pour créer un effet conjugué. Parmi les caractéristiques d'une roue dentée à simple engrenage, on note son gorge (voir figure 1) qui augmente le taux de contact entre la vis sans fin et les dents de la roue. Cela signifie que plusieurs dents sont en prise, supportant la charge, en permanence. Il en résulte une capacité de charge accrue et un fonctionnement plus fluide.
Les roues à vis sans fin à enrobage unique présentent un contact linéaire. Lorsqu'une dent de la roue à vis sans fin passe dans l'engrènement, la ligne de contact balaie toute la largeur et la hauteur de la zone d'action. L'une des caractéristiques des engrenages à vis sans fin est généralement que leurs dents ont une vitesse de glissement supérieure à celle des engrenages cylindriques ou hélicoïdaux. Dans un engrenage à vis sans fin à rapport minimal, la vitesse de glissement dépasse la vitesse angulaire de la vis sans fin. Bien que la capacité statique des engrenages à vis sans fin soit élevée, notamment grâce à leur rapport de contact important, leur capacité de fonctionnement est limitée par la chaleur produite par le glissement des dents. En raison de l'usure induite par ce glissement, il convient, si possible, d'éviter toute concordance entre le nombre de dents de la roue à vis sans fin et le nombre de filets de la vis sans fin.
En raison des vitesses de glissement relativement élevées, il est d'usage de fabriquer la vis sans fin dans un matériau plus dur que celui de la roue dentée. Les matériaux de dureté différente sont moins susceptibles de se gripper. Le plus souvent, un engrenage à vis sans fin comprend une vis sans fin en métal trempé engrenant avec une roue dentée en bronze. Le choix du type de bronze repose sur une analyse approfondie du système de lubrification et des autres conditions de fonctionnement. Une roue dentée en bronze est plus ductile et présente un coefficient de frottement plus faible. Pour les engrenages à vis sans fin fonctionnant à basse vitesse ou à haute température, on peut utiliser de la fonte pour la roue dentée. La vis sans fin subit beaucoup plus de cycles de contact que la roue dentée ; il est donc préférable d'utiliser des matériaux plus durs et plus résistants pour elle. Une analyse détaillée de l'application peut révéler d'autres combinaisons de matériaux. 
performer de manière satisfaisante.
Les engrenages à vis sans fin sont parfois choisis lorsque l'application exige une rotation irréversible. Cela signifie que la vis sans fin ne peut pas être entraînée par une force électrique appliquée à la roue dentée. L'irréversibilité se produit lorsque l'angle d'hélice est inférieur ou égal à la position statique de frottement. Pour éviter le retour d'engrenage, il est généralement nécessaire d'utiliser un angle d'hélice inférieur ou égal à 5 degrés. Cette caractéristique explique en partie pourquoi les engrenages à vis sans fin sont couramment utilisés dans les outils de levage. L'irréversibilité offre une protection en cas de panne de courant.
Il est essentiel que les carters des réducteurs à vis sans fin soient toujours fabriqués avec précision. L'angle de 90 degrés entre la vis sans fin et la roue dentée, ainsi que l'entraxe, sont critiques pour que la dent de la roue dentée s'enroule correctement autour de la vis sans fin et assure un contact optimal. Un montage incorrect peut entraîner un contact ponctuel, au lieu d'un contact linéaire. Les pressions élevées qui en résultent peuvent provoquer une défaillance prématurée du réducteur.
La taille des dents de la vis sans fin est généralement spécifiée en fonction du pas axial. Il s'agit de la distance entre deux filets consécutifs, mesurée dans le plan axial. Lorsque l'angle de l'arbre est généralement de 90 degrés, le pas axial de la vis sans fin et le pas circulaire de la roue dentée sont égaux. Il n'est pas rare que, pour les vis sans fin à grand pas, la taille des dents soit spécifiée en fonction du pas diamétral. Les angles de pression appliqués dépendent des angles d'hélice et doivent être suffisamment importants pour éviter le sous-dépouillement des dents de la roue dentée. Pour introduire du jeu, on a l'habitude d'amincir les dents de la vis sans fin, mais pas celles de la roue dentée.
Le pas circulaire standard et l'angle de pression normal de la vis sans fin et de la roue dentée doivent être identiques. En raison du choix des dentures pour les engrenages à vis sans fin, la pratique courante consiste à déterminer le type de dent de la vis sans fin et à développer un outillage pour créer une denture de roue dentée conjuguée. C'est pourquoi des vis sans fin ou des roues dentées présentant le même pas, le même angle de pression et le même nombre de dents ne sont pas nécessairement interchangeables.
Un engrenage à vis sans fin ressemble à une vis sans fin à filetage unique qui entraîne une roue dentée cylindrique modifiée, dont les dents sont légèrement inclinées et incurvées. Les engrenages à vis sans fin peuvent être équipés d'un arbre de sortie (à maneton droit ou gauche) ou d'un arbre creux. Ce type d'engrenage à maneton droit est utilisé lorsqu'une forte réduction de vitesse ou une augmentation importante du couple est requise dans un espace restreint. La figure 1 illustre une vis sans fin à un seul filet et une roue dentée à quarante dents, ce qui donne un rapport de 40:1. Ce rapport est égal au nombre de dents de la roue dentée divisé par le nombre de filets de la vis sans fin. Un engrenage cylindrique similaire, avec un rapport de 40:1, nécessiterait au moins deux étages d'engrenage. Les engrenages à vis sans fin peuvent atteindre des rapports supérieurs à 300:1.
Les vers peuvent être constitués de plusieurs brins, comme illustré dans la partie 2. Le pas du fil reste constant malgré l'augmentation de son allongement. Dans ces illustrations, les rapports sont respectivement de 40:1, 20:1 et 13,333:1.
Bodine-Gearmotor-Physique 2- Engrenages à vis sans fin. Les réducteurs à vis sans fin peuvent être autobloquants : la vis sans fin entraîne facilement la roue dentée, mais en raison du frottement inhérent, le système ne peut pas faire tourner la vis sans fin (retournement). Ce phénomène est généralement observé pour des rapports supérieurs à 30:1. Cette action autobloquante diminue avec la vitesse de rotation et ne doit jamais être utilisée comme principal dispositif de freinage.
Les éléments de la vis sans fin sont généralement en bronze, tandis que la vis elle-même est en métal, ou en métal trempé. La pièce en bronze est conçue pour s'user avant la vis sans fin, car il est préférable de la remplacer.
Lubrification
Une lubrification adéquate est essentielle, notamment pour les engrenages à vis sans fin. En rotation, la vis sans fin exerce une force contre la contrainte sur la roue dentée. Ceci engendre un frottement de glissement, contrairement aux engrenages droits qui produisent principalement un frottement de roulement. La meilleure façon de minimiser le frottement et l'usure métal sur métal entre la vis sans fin et la roue dentée est d'utiliser un lubrifiant pour engrenages composé, visqueux et haute température (ISO 400 à 1000), avec additifs. Bien que ces derniers prolongent la durée de vie et améliorent l'efficacité, aucun additif ne peut empêcher ou éliminer définitivement le frottement de glissement.
Engrenages à vis sans fin enveloppants
Un engrenage à vis sans fin à denture enveloppante est fortement recommandé pour les applications exigeant un positionnement très précis, un rendement élevé et un jeu minimal. Dans ce type d'engrenage, le profil des dents, du filet de la vis sans fin, ou des deux, est modifié afin d'optimiser la surface de contact. Les engrenages à vis sans fin à denture enveloppante sont moins courants et plus coûteux à fabriquer.
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