Les engrenages sont utilisés dans des tonnes d'appareils mécaniques. Ils font plusieurs travaux importants, mais le plus important, ils assurent un démultiplication des équipements motorisés. C'est la clé parce que, souvent, un petit moteur tournant très vite peut fournir assez de puissance pour un appareil, mais pas assez de couple. Par exemple, un tournevis électrique a une très grande démultiplication car il a besoin de beaucoup de couple pour tourner les vis, mais le moteur ne produit qu'une petite quantité de couple à grande vitesse. Avec une réduction de vitesse, la vitesse de sortie peut être réduite tandis que le couple est augmenté.
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Une autre chose que les engrenages font est d'ajuster le sens de rotation. Par exemple, dans le différentiel entre les roues arrière de votre voiture, la puissance est transmise par un arbre qui descend au centre de la voiture, et le différentiel doit faire tourner cette puissance de 90 degrés pour l'appliquer aux roues.
Il y a beaucoup de complexités dans les différents types d'engrenages. Dans cet article, nous apprendrons exactement comment fonctionnent les dents des engrenages, et nous parlerons des différents types d'engrenages que vous trouverez dans toutes sortes de gadgets mécaniques.
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Sur n'importe quel équipement, le rapport est déterminé par les distances entre le centre de l'engrenage et le point de contact. Par exemple, dans un appareil à deux vitesses, si un engrenage fait deux fois le diamètre de l'autre, le rapport serait de 2:1.
L'un des types d'engrenages les plus primitifs que nous pourrions examiner serait une roue avec des chevilles en bois qui en sortent.
Le problème avec ce type d'engrenage est que la distance entre le centre de chaque engrenage et le point de contact change lorsque les engrenages tournent. Cela signifie que le rapport de démultiplication change au fur et à mesure que la vitesse tourne, ce qui signifie que la vitesse de sortie change également. Si vous avez utilisé un équipement comme celui-ci dans votre voiture, il serait impossible de maintenir une vitesse constante -- vous seriez en train d'accélérer et de décélérer constamment.
De nombreux engrenages modernes utilisent un profil de dent spécial appelé un involuté . Ce profil a la propriété très importante de maintenir un rapport de vitesse constant entre les deux engrenages. Comme la roue à chevilles ci-dessus, le point de contact se déplace; mais la forme de la dent de la développante compense ce mouvement. Voir cette section pour plus de détails.
Voyons maintenant quelques-uns des différents types d'engrenages.
Engrenages cylindriques sont les types d'engrenages les plus courants. Ils ont des dents droites, et sont montés sur des arbres parallèles. Parfois, de nombreux engrenages droits sont utilisés à la fois pour créer des démultiplications très importantes.
Les engrenages droits sont utilisés dans de nombreux appareils que vous pouvez voir partout sur HowStuffWorks, comme le tournevis électrique, monstre dansant, arroseur oscillant, réveil de liquidation, lave-linge et sèche-linge. Mais vous n'en trouverez pas beaucoup dans votre voiture.
C'est parce que l'engrenage droit peut être très bruyant. Chaque fois qu'une dent d'engrenage engage une dent de l'autre engrenage, les dents se heurtent, et cet impact fait du bruit. Il augmente également la contrainte sur les dents de l'engrenage.
Pour réduire le bruit et le stress dans les engrenages, la plupart des engrenages de votre voiture sont hélicoïdal .
Les dents sur engrenages hélicoïdaux sont coupés en biais par rapport à la face de l'engrenage. Lorsque deux dents sur un système d'engrenage hélicoïdal s'engagent, le contact commence à une extrémité de la dent et s'étend progressivement au fur et à mesure que les engrenages tournent, jusqu'à ce que les deux dents soient complètement engagées.
Cet engagement progressif permet aux engrenages hélicoïdaux de fonctionner de manière beaucoup plus fluide et silencieuse que les engrenages droits. Pour cette raison, les engrenages hélicoïdaux sont utilisés dans presque toutes les transmissions automobiles.
En raison de l'angle des dents sur les engrenages hélicoïdaux, ils créent une charge de poussée sur l'engrenage lorsqu'ils s'engrènent. Les appareils qui utilisent des engrenages hélicoïdaux ont des roulements qui peuvent supporter cette charge de poussée.
Une chose intéressante à propos des engrenages hélicoïdaux est que si les angles des dents de l'engrenage sont corrects, ils peuvent être montés sur des arbres perpendiculaires, réglage de l'angle de rotation de 90 degrés.
Photo avec l'aimable autorisation d'Emerson Power Transmission Corp.
Figure 4. Engrenages hélicoïdaux croisés
Engrenages coniques sont utiles lorsque le sens de rotation d'un arbre doit être modifié. Ils sont généralement montés sur des arbres distants de 90 degrés, mais peut également être conçu pour fonctionner sous d'autres angles.
Les dents des engrenages coniques peuvent être droit , spirale ou hypoïde . Les dents d'engrenage conique droites ont en fait le même problème que les dents d'engrenage droit droit - chaque dent s'engage, il impacte d'un seul coup la dent correspondante.
Photo avec l'aimable autorisation d'Emerson Power Transmission Corp.
Figure 5. Engrenages coniques
Tout comme avec les engrenages droits, la solution à ce problème est de courber les dents de l'engrenage. Ces dents hélicoïdales s'engagent comme des dents hélicoïdales :le contact commence à une extrémité de l'engrenage et s'étend progressivement sur toute la dent.
Figure 6. Engrenages coniques en spirale
Sur les engrenages coniques droits et hélicoïdaux, les arbres doivent être perpendiculaires entre eux, mais ils doivent aussi être dans le même plan. Si vous deviez prolonger les deux arbres au-delà des engrenages, ils se croiseraient. Les engrenage hypoïde , d'autre part, peut s'engager avec les axes dans différents plans.
Figure 7. Engrenages coniques hypoïdes dans un différentiel de voiture
Cette fonctionnalité est utilisée dans de nombreux différentiels de voiture. La couronne du différentiel et le pignon d'entrée sont tous deux hypoïdes. Cela permet au pignon d'entrée d'être monté plus bas que l'axe de la couronne dentée. Figure 7 montre le pignon d'entrée engageant la couronne du différentiel. Puisque l'arbre de transmission de la voiture est relié au pignon d'entrée, cela abaisse également l'arbre de transmission. Cela signifie que l'arbre de transmission s'immisce moins dans l'habitacle de la voiture, faire plus de place pour les personnes et le fret.
Engrenages à vis sans fin sont utilisés lorsque de grandes réductions de vitesse sont nécessaires. Il est courant que les engrenages à vis sans fin aient des réductions de 20:1, et même jusqu'à 300:1 ou plus.
De nombreux engrenages à vis sans fin ont une propriété intéressante qu'aucun autre jeu d'engrenages n'a :la vis sans fin peut facilement faire tourner l'engrenage, mais l'engrenage ne peut pas faire tourner la vis sans fin. C'est parce que l'angle sur la vis sans fin est si faible que lorsque l'engrenage essaie de le faire tourner, la friction entre l'engrenage et la vis sans fin maintient la vis sans fin en place.
Cette fonction est utile pour les machines telles que les systèmes de convoyeurs, dans lequel le dispositif de verrouillage peut agir comme un frein pour le convoyeur lorsque le moteur ne tourne pas. Une autre utilisation très intéressante des engrenages à vis sans fin est le différentiel Torsen, qui est utilisé sur certaines voitures et camions haute performance.
Engrenages à crémaillère sont utilisés pour convertir la rotation en mouvement linéaire. Un parfait exemple de ceci est le système de direction sur de nombreuses voitures. Le volant fait tourner un engrenage qui engage la crémaillère. Au fur et à mesure que l'engrenage tourne, il fait coulisser le rack soit vers la droite soit vers la gauche, selon la façon dont vous tournez la roue.
Les engrenages à crémaillère sont également utilisés dans certaines balances pour tourner le cadran qui affiche votre poids.
Tout train épicycloïdal a trois composants principaux :
Chacun de ces trois composants peut être l'entrée, la sortie ou peut être maintenu à l'arrêt. Choisir quelle pièce joue quel rôle détermine le rapport de démultiplication du train d'engrenages. Jetons un coup d'œil à un seul engrenage planétaire.
L'un des engrenages planétaires de notre transmission a une couronne de 72 dents et une roue solaire de 30 dents. Nous pouvons obtenir de nombreux rapports de démultiplication différents avec cet ensemble d'engrenages.
Aussi, Verrouiller deux des trois composants ensemble verrouillera l'ensemble de l'appareil à une réduction de vitesse de 1:1. Notez que le premier rapport de démultiplication indiqué ci-dessus est un réduction -- la vitesse de sortie est plus lente que la vitesse d'entrée. La seconde est un surmultipliée -- la vitesse de sortie est plus rapide que la vitesse d'entrée. Le dernier est encore une réduction, mais le sens de sortie est inversé. Il existe plusieurs autres rapports qui peuvent être obtenus à partir de cet ensemble d'engrenages planétaires, mais ce sont ceux qui sont pertinents pour notre transmission automatique. Vous pouvez les essayer dans l'animation ci-dessous :
Ainsi, cet ensemble d'engrenages peut produire tous ces différents rapports d'engrenage sans avoir à engager ou désengager d'autres engrenages. Avec deux de ces engrenages d'affilée, nous pouvons obtenir les quatre vitesses avant et une marche arrière dont notre transmission a besoin. Nous allons mettre les deux ensembles d'engrenages ensemble dans la section suivante.
Sur un profil développante dent d'engrenage, le point de contact commence plus près d'une vitesse, et comme l'engrenage tourne, le point de contact s'éloigne de cet engrenage et se rapproche de l'autre. Si vous deviez suivre le point de contact, il décrirait une ligne droite qui commence près d'un engrenage et se termine près de l'autre. Cela signifie que le rayon du point de contact s'agrandit au fur et à mesure que les dents s'engagent.
Les diamètre du pas est le diamètre de contact effectif. Comme le diamètre de contact n'est pas constant, le diamètre primitif est vraiment la distance de contact moyenne. Lorsque les dents commencent à s'engager, la dent d'engrenage supérieure entre en contact avec la dent d'engrenage inférieure à l'intérieur du diamètre primitif. Mais notez que la partie de la dent du pignon supérieur qui entre en contact avec la dent du pignon inférieur est très fine à ce stade. Au fur et à mesure que les engrenages tournent, le point de contact glisse sur la partie la plus épaisse de la dent du pignon supérieur. Cela pousse la vitesse supérieure en avant, il compense donc le diamètre de contact légèrement plus petit. Alors que les dents continuent de tourner, le point de contact s'éloigne encore plus, dépassant le diamètre primitif - mais le profil de la dent inférieure compense ce mouvement. Le point de contact commence à glisser sur la partie maigre de la dent du bas, soustrayant un peu de vitesse de la vitesse supérieure pour compenser l'augmentation du diamètre de contact. Le résultat final est que même si le diamètre du point de contact change continuellement, la vitesse reste la même. Ainsi, une dent d'engrenage à profil développante produit un rapport constant de la vitesse de rotation .
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