Roulement à billes à engrenage interne dans les machines lourdes

Auteur :Iker Heras

Né à Barakaldo en 1986, il a obtenu le titre d'ingénieur industriel à l'école d'ingénieurs de Bilbao. Après avoir travaillé comme chercheur dans l'entreprise privée pendant quatre ans (ITP et IK4-Ikerlan), il est retourné à son alma mater pour faire des études doctorales.

Depuis lors, il fait partie du groupe ADM, où il travaille à la modélisation du comportement structurel des composants de machines, en tant qu'expert en roulements d'orientation. Il est également chargé de cours sur des sujets liés au calcul et à la conception des machines et à l'étude de leurs composants.

Qu'est-ce qu'une couronne d'orientation ?

Comme nous le savons tous, la couronne d'orientation est un élément de transmission essentiel pour réaliser la rotation entre deux pièces mobiles relatives et pour supporter diverses charges (force axiale, force radiale, moment de renversement). La "couronne d'orientation à engrenage intérieur", comme son nom l'indique, est une couronne qui se trouve à l'intérieur de la bague intérieure.

D'un point de vue structurel, il se compose principalement de bagues intérieures et extérieures, d'éléments roulants (qui peuvent être des billes d'acier ou des rouleaux), de supports d'espacement, de joints et de la couronne intérieure du noyau. Vous vous demandez peut-être ce qu'il y a de si spécial ? La différence réside dans cette couronne intérieure. Lorsqu'elle s'engrène avec le pignon extérieur, la puissance est transmise par la couronne intérieure, ce qui entraîne la rotation de la structure ou de la machine extérieure.

Par rapport à la couronne d'orientation à denture extérieure, le plus grand avantage de la conception à denture intérieure est que sa structure est plus compacte. Imaginez que la couronne soit externe, les dimensions extérieures de l'ensemble de la machine augmenteront d'un tour, ce qui est un désastre pour les conceptions où l'espace est limité. Bien que la structure de la couronne d'orientation sans dent soit plus concise, elle nécessite des méthodes d'entraînement supplémentaires, telles que l'entraînement par friction, qui est insuffisant lorsqu'une synchronisation précise et une transmission de couple important sont nécessaires.

Par conséquent, l'avantage unique de la couronne d'orientation à engrenage interne est qu'elle tient parfaitement compte de la capacité de charge et de la fonction de transmission, et qu'elle dissimule le mécanisme d'entraînement à l'intérieur du support, ce qui permet d'économiser considérablement l'espace d'installation. Cette caractéristique est particulièrement importante pour les machines portuaires, les machines d'ingénierie, l'énergie éolienne et d'autres domaines.

Principe de conception et avantages structurels de la couronne d'orientation à denture intérieure

Structure de base et mécanisme de fonctionnement

Dans les nombreux projets sur lesquels j'ai travaillé, j'ai toujours été impressionné par la structure centrale de la couronne d'orientation à denture intérieure. En termes simples, c'est comme un gros roulement, mais pas tout à fait.

Tout d'abord, parlons du type de corps roulant. Les corps roulants sont généralement des billes ou des rouleaux. La couronne d'orientation à billes donne de bons résultats dans les cas où la charge est légère ou moyenne et où il existe certaines exigences en matière de vitesse. Ses caractéristiques de contact ponctuel font que le frottement est relativement faible, mais la capacité de charge est limitée. Le type de rouleau, qu'il s'agisse d'un rouleau cylindrique ou d'un rouleau croisé, en raison du contact linéaire, sa capacité de charge est beaucoup plus élevée que celle du type de bille, ce qui convient particulièrement aux applications qui doivent supporter d'énormes charges radiales et axiales.

Personnellement, je préfère choisir des rouleaux croisés pour les machines de construction lourdes, car ils peuvent supporter des charges multidirectionnelles en même temps et offrir une plus grande rigidité.

Le choix des matériaux est un autre aspect qui me fait délibérer. Pour les bagues intérieures et extérieures, nous choisissons généralement de l'acier allié à haute résistance 42CrMo ou 50Mn. En raison de ses excellentes propriétés mécaniques globales et de sa bonne trempabilité, le 42CrMo donne de bons résultats dans des conditions de charge lourde et d'impact. Quant au 50Mn, il est unique en termes de dureté et de résistance à l'usure. Une fois le matériau sélectionné, le processus de traitement thermique suivant est très important. La trempe et le revenu peuvent améliorer de manière significative la dureté et la résistance à l'usure de la surface, tout en garantissant une ténacité suffisante du noyau pour éviter les ruptures fragiles.

J'ai rencontré un cas, c'est parce que les paramètres du traitement thermique ne sont pas correctement contrôlés, ce qui entraîne une défaillance précoce, de sorte que cette pièce ne peut tolérer le moindre laisser-aller.

Enfin, la conception du joint. C'est en quelque sorte la "peau" du roulement d'orientation, en particulier dans les environnements de travail difficiles auxquels les machines d'ingénierie sont souvent confrontées, tels que les milieux poussiéreux, humides et même corrosifs. Les joints à labyrinthe s'appuient sur des interstices multicouches pour empêcher l'entrée de contaminants par des méthodes sans contact, et conviennent aux applications à grande vitesse ou sensibles au frottement.

Le joint de contact, tel que le joint à lèvre, a un effet d'étanchéité plus fiable, peut empêcher efficacement les fuites de graisse et l'intrusion de polluants externes, bien que le frottement soit légèrement accru, mais à mon avis, pour la protection de la durée de vie du roulement, ce sacrifice en vaut vraiment la peine.

Avantages uniques de la couronne intérieure

La raison pour laquelle je pense que la couronne d'orientation à denture intérieure est une conception ingénieuse tient en grande partie aux multiples avantages qui découlent de sa couronne intérieure.

L'utilisation de l'espace : c'est ma principale préoccupation. La couronne est conçue à l'intérieur de la couronne d'orientation, ce qui rend l'ensemble du mécanisme de transmission plus compact. Imaginez que la couronne soit placée à l'extérieur, les dimensions globales de l'ensemble du dispositif augmenteraient d'un tour, ce qui ne manquerait pas d'aggraver la situation dans le cas d'une conception mécanique où l'espace est limité. La couronne interne résout parfaitement ce problème et permet d'obtenir une transmission compacte dans un espace limité.

Protection de l'engrenage : L'engrenage externe est susceptible d'être endommagé par le sable, la poussière, les pierres ou même un impact accidentel, tandis que l'engrenage interne est astucieusement "caché" à l'intérieur de la structure et moins susceptible d'être contaminé et endommagé physiquement par l'environnement extérieur. Cela prolonge considérablement la durée de vie de l'engrenage et réduit la fréquence de l'entretien, ce qui constitue un avantage évident du point de vue des coûts d'entretien.

Précision de la transmission : à mon avis, la précision de la transmission est un indicateur essentiel pour l'évaluation de tout train d'engrenages. La précision d'usinage de l'engrenage interne affecte directement la fluidité de la rotation et la précision du positionnement final. Les engrenages internes de haute précision peuvent réduire efficacement le jeu de la transmission ainsi que les vibrations et le bruit, ce qui est crucial pour certains équipements nécessitant un contrôle précis, tels que les nacelles élévatrices ou les grues de précision.

Capacité de charge : La conception intégrée des engrenages et des roulements n'est pas un simple empilement, mais une optimisation de la structure. Cette intégration permet de répartir plus uniformément la charge sur l'ensemble de la structure, ce qui augmente la résistance structurelle globale et la capacité de charge.

Paramètres courants des engrenages et considérations relatives à la conception géométrique

Lors de la conception de la couronne dentée interne, je considère toujours attentivement le principe de sélection des paramètres de base tels que le module, le nombre de dents, l'angle de pression, etc. Le module détermine la taille et la capacité de charge de l'engrenage, le nombre de dents est étroitement lié au rapport de transmission, et l'angle de pression affecte les performances d'engrènement et la résistance du pied de dent de l'engrenage. Ces paramètres ne sont pas isolés, ils sont interdépendants et doivent être optimisés de manière globale en tenant compte des contraintes de résistance, de rigidité et d'espace.

En outre, la modification de la forme de la dent et la conception du déplacement sont des "compétences avancées" qui permettent d'améliorer les performances de l'engrenage. Une correction raisonnable de la forme de la denture permet d'améliorer l'impact de l'engrènement, de réduire le bruit et de prolonger la durée de vie de l'engrenage.

La conception du déplacement permet d'ajuster la solidité et la résistance à l'usure de l'engrenage sans modifier l'entraxe, ou d'éviter le sous-coupage, et d'optimiser les performances d'engrènement et la stabilité de la transmission de l'engrenage. J'utilise généralement un logiciel professionnel de conception d'engrenages pour l'analyse de simulation afin de m'assurer que ces corrections et changements peuvent produire l'effet désiré.

Analyse de cas de l'application de la couronne d'orientation à denture interne dans l'ingénierie pratique

Machines de construction

Dans le domaine des machines de construction, les roulements d'orientation à denture interne sont des "articulations" presque indispensables pour les équipements lourds tels que les excavateurs et les grues. Je me souviens qu'une fois, lorsque notre équipe concevait une grande excavatrice, le plus grand défi consistait à assurer la fiabilité du mécanisme d'orientation en cas de démarrages et d'arrêts fréquents et de charges d'impact élevées. Après tout, le godet de l'excavatrice creuse et décharge, l'impact du moment est énorme.

Les avantages de la conception de la couronne d'orientation à engrenage interne se reflètent à ce moment-là : la couronne est située à l'intérieur, ce qui peut être mieux protégé, réduisant l'usure et les dommages de l'environnement externe, et l'engrenage interne peut atteindre un rapport de transmission plus important, ce qui permet de transmettre le couple d'entraînement de manière plus efficace. Pour faire face à des charges d'impact élevées, nous utilisons généralement des couronnes et des chemins de roulement qui ont subi un traitement thermique spécial et des processus de renforcement de la surface, et nous calculons soigneusement la durée de vie en fatigue et la charge ultime des roulements lors de la conception.

Les démarrages et arrêts fréquents posent des exigences plus élevées au système de lubrification. Nous nous concentrerons donc également sur la sélection de la graisse et la conception de la structure d'étanchéité afin de garantir que la lubrification peut être assurée même en cas de travail intermittent.

Machines portuaires et équipements éoliens

Les machines portuaires, telles que les énormes grues à conteneurs installées sur les quais et les équipements de production d'énergie éolienne installés en bord de mer, sont indubitablement soumises à un environnement de travail difficile. J'ai participé à un projet de grue portuaire, et le plus gros problème est la corrosion causée par l'environnement marin. L'air salé et humide, l'érosion par la brise de mer, ces tests sur les pièces métalliques sont continus et sévères.

C'est pourquoi, dans ces applications, la conception anticorrosion de la couronne d'orientation à denture intérieure est la plus importante. Nous choisirons des matériaux plus résistants à la corrosion, tels que l'acier inoxydable ou l'acier allié avec un revêtement de surface spécial, et la structure d'étanchéité doit également être extrême pour empêcher l'eau de mer et le brouillard salin d'envahir le palier.

En outre, le palier d'orientation de l'équipement de production d'énergie éolienne doit également supporter les contraintes alternées complexes causées par la charge du vent, ce qui exige que le support ait une excellente résistance à la fatigue. Au cours de la phase de conception, des analyses approfondies par éléments finis et des essais de fatigue sont réalisés pour s'assurer que le support reste stable sur une période de plusieurs dizaines d'années.

Système de suivi solaire et robot industriel

Lorsqu'il s'agit de précision de positionnement et d'absence de maintenance à long terme, les systèmes de poursuite solaire et les robots industriels sont deux scénarios d'application typiques. Je pense personnellement que ces deux domaines de la couronne d'orientation ont besoin d'être affinés. Les panneaux solaires doivent suivre le soleil avec précision 24 heures sur 24, et le moindre écart angulaire peut affecter l'efficacité de la production d'énergie.

Cela signifie que la précision de rotation de la couronne d'orientation doit être très élevée et que cette précision doit être maintenue pendant une longue période. Nous utilisons généralement une conception de pré-serrage pour réduire l'écart, et choisissons des éléments roulants de haute précision et une technologie de traitement des chemins de roulement.

De même, les robots industriels ont des exigences extrêmement élevées en matière de précision de positionnement répétitif, et ils doivent exécuter chaque action avec précision. Dans ces cas, la stabilité du couple de frottement, la rigidité et le fonctionnement à long terme de la couronne d'orientation sans entretien sont les principaux critères à prendre en compte. La réduction de la maintenance permet de réduire considérablement les coûts d'exploitation, ce qui est particulièrement important dans les lignes de production automatisées. Par conséquent, nous donnerons la priorité à la couronne d'orientation étanche dotée d'une fonction autolubrifiante ou d'une graisse longue durée, et nous prolongerons sa durée de vie en optimisant la conception structurelle.