Un angrenaj este un sistem mecanic format din două sau mai multe roți dințate care servesc:
În cazul transmiterii mișcării, cele două roți dințate sunt în contact una cu cealaltă și transmit puterea prin obstacole. Un angrenaj este format dintr-un pinion , aceasta este ceea ce numim roata simplă sau cea mai mică roată și o roată, cremalieră , coroană sau șurub. Când sunt prezente mai mult de două roți dințate, vorbim despre un tren de transmisie.
Cel mai frecvent profil este involutul unui profil de cerc , cel mai des utilizat în mecanica generală; profilul epicicloid a fost folosit cel mai des în mecanismele de veghe, deoarece pentru un număr mic de dinți, dintele este mai gros la bază.
Există diferite tipuri de dinți:
La fel, există mai multe tipuri de unelte:
Cel mai vechi mecanism de transmisie cunoscut este Mașina Antikythera .
În ceasornicare , nu trebuie confundat cu mobilul , asamblarea unei roți montate pe pinionul său .
Angrenajul este una dintre cele opt mașini simple . Angrenajele sunt utilizate în toate ramurile mecanicii pentru a transmite mișcări, de la ceasornicie până la cutii de viteze în industria grea. Transmisia se face cu un consum de combustibil foarte bun, deoarece este în general mai mare de 95% în condiții corecte de asamblare și lubrifiere în funcțiune.
Raportul de viteză unghiular obținut între intrare și ieșire, cunoscut și sub denumirea de „raport de transmisie” și „ raport de transmisie ”, depinde doar de numărul de dinți ai roților în contact. De asemenea, este egal cu raportul spițelor și, a fortiori , cu diametrul roților (până la cel mai apropiat semn).
Pentru transmisiile la distanță mare, în ceea ce privește dimensiunea pieselor, va fi preferat un lanț , o curea sau o cascadă de angrenaje.
Următorii termeni sunt utilizați în restul articolului:
Există mai multe tipuri de dinți, cu proprietăți specifice. Se spune că aproape toate formele sunt conjugate: în timpul rotației, dinții rămân în contact într-un plan sagital, iar atunci când locusul acestui punct de contact este o linie dreaptă, profilele dinților sunt involute ale unui cerc. O excepție notabilă este angrenajul „Novikov”, numit uneori și „Fisher”, în care contactul dintre doi dinți se face pentru un timp „punctual” de-a lungul profilului.
Acesta este profilul folosit aproape universal pentru transmiterea puterii. Evolventic cercului este traiectoria unui punct de pe o linie pe care role fără a aluneca pe un cerc . Acest cerc se numește „cerc de bază”, cu diametrul d b . (= D primitiv * cos (α)) Zona de existență a involutului este situată între cercul de bază și infinit . Nu există involut în interiorul cercului de bază. Prin urmare, nu este necesar să se caute o funcție a angrenajului în interiorul cercurilor de bază ale dinților care o constituie.
Dacă luăm în considerare două cercuri de bază asociate cu două roți ale aceluiași angrenaj, este posibil să se rostogolească fără a glisa simultan o linie pe cele două cercuri. Prin urmare, viteza circumferențială a punctelor cercurilor este aceeași cu cea a liniei. Un punct de pe linie (punct de împletire) va genera flancul dintelui pe ambele roți.
Echipament clasicDacă linia trece între centrele cercurilor, obținem uneltele clasice. Roțile se rotesc apoi în direcția opusă, iar raportul de transmisie depinde de diametre. Când este extern, se spune că angrenajul este paradoxal, iar roțile se întorc în aceeași direcție.
În cazul angrenajului convențional, și mai ales al angrenajelor standard, cercurile de bază sunt reunite astfel încât linia dreaptă interioară formează un unghi de presiune α cu perpendicular pe linia dreaptă care trece prin axe. În funcție de standard, α este de 20 ° sau 14,5 ° pentru uneltele vechi.
Dinții sunt limitați la o zonă din jurul punctului I, denumită „punctul de împletire”, unde viteza de alunecare a dinților este minimă, ceea ce contribuie la eficiența optimă a angrenajului. Cele două flancuri ale dinților sunt obținute luând în considerare cele două tangente interioare.
Forța exercitată de pe un dinte pe celălalt poate fi împărțită în două: o tangențială (utilă) care transmite cuplul și un radial (parazit) care tinde să îndepărteze roțile. Un mic unghi de presiune are avantajul de a limita această forță de repulsie parazitară, dar conferă o formă fragilă a dinților. Spre deosebire, un unghi de presiune ridicată conferă dinți plini și, prin urmare, mai rezistenți, dar generează o mulțime de forțe pe axe.
Unelte paradoxalePinionul paradoxal este o roată dințată cu două roți care se rotesc în aceeași direcție; este folosit în anumite diferențiale (cum ar fi diferențialul Mercier, inginer la Renault). Vitezele relative ridicate de alunecare pe dinți permit „blocarea” parțială a diferențialului atunci când roțile vehiculului nu au aceeași aderență la sol. Strict vorbind, nu este vorba de blocare, deoarece rezistența la mișcare nu se obține prin obstacol, ci prin frecare . Pentru a asigura releul de cuplare a dinților, este adesea necesar să aranjați dinții în diferite planuri radiale sau să recurgeți la un dinte elicoidal (soluție continuă).
Generatorul de formă a dinților este o linie paralelă cu axa de rotație. Acesta este cel mai comun tip de dantură. Este utilizat în toate aplicațiile mecanice generale. Într-adevăr, sistemul permite transmiterea efortului maxim. Cu toate acestea, principalul său defect este zgomotos.
Dinți elicoidaliGeneratorul de formă a dinților este o linie elicoidală cu aceeași axă ca axa de rotație. Acest tip de dantură are avantajul de a fi mai silențios decât dantura dreaptă, creând mai puține vibrații. Dintii elicoidali permit, de asemenea, creșterea comportamentului transmisiei, asigurându-se că numărul de dinți simultan în contact devine constant, ceea ce face posibilă transmiterea unor forțe mai mari și mai ales atenuarea vibrațiilor și a zgomotului.
În schimb, acest tip de dantură generează o forță axială , a cărei intensitate depinde de unghiul de înclinare a dinților. În lagărele sau carcasele trebuie să fie dimensionate pentru a prelua această forță. Pentru angrenajele cu axe paralele, elicele trebuie să fie în direcții opuse, astfel încât dinții să se poată angrena, cu excepția cazului foarte special al angrenajului paradoxal.
Angrenaje cu heringboneO dințare cu șold sau „ Citroën ”, inventată de Charles Renard, dar brevetată de André Citroën, este alcătuită din doi dinți elicoidali de dimensiuni identice, dar elici în direcții opuse, astfel încât să anuleze forța axială pe ansamblu. Deși atractiv din punct de vedere teoretic, acest tip de dinte este, în practică, complicat de produs atunci când profilul nu este clar la intersecția celor două spirale; de aceea este costisitor de realizat. Unii producători prelucrează o canelură centrală pentru a permite sculelor de tăiere să fie eliberate cu ușurință la intersecția celor două elice; canelura facilitează, de asemenea, evacuarea lubrifiantului, făcând astfel posibilă reducerea temperaturii de funcționare. Dintii cu hering sunt folosiți în principal în industria grea. În acest caz, este adesea două angrenaje ale elicei opuse asociate și mai rar roți monobloc. Poate fi găsit și în aeronautică, de exemplu în treapta de reducere a unui turbopropulsor de tip PW100 .
Angrenaje melcateUn angrenaj melc este un angrenaj stâng care constă dintr-un melc și o roată melc conjugată, numită „roată melc și melc”. Profilul șurubului este, în general, trapezoidal.
În multe cazuri, acest dispozitiv este „ireversibil”, ceea ce înseamnă că, dacă șurubul poate conduce roata, roata nu o poate conduce, din cauza fricțiunii și a unghiului elicei cu șurub. Acest aspect este interesant în special pentru controlul unui troliu care nu se poate derula singur. Rolul său ca un reductor de viteză este , de asemenea , foarte interesant, deoarece permite un raport foarte mare de rotație (10: 1 până la 500: 1) , cu doar două elemente, iar acest lucru într - un spațiu mic și cu 90 ° unghi de transmisie . La costul de o eficiență mult mai mică decât cea a unui angrenaj conic. În plus, această performanță slabă îi permite să asigure ireversibilitatea în anumite condiții.
Formulele de mai jos sunt valabile pentru dantura standard.
cu:
raportul de transmisie al unui angrenaj:
Atenție : raportul de reducere al unei trepte de viteză notat „r” este inversul raportului de transmisie notat „i” : i = 1 / rPentru piesele metalice, dinții sunt produși în principal prin îndepărtarea materialului (prelucrare). Cel mai adesea este o rețea simulată între unealtă (pinion, cremalieră sau freză) și roata de tăiat. Ca rezultat, modulul de dinte este impus de scule. Mișcarea de plasare contribuie în toate cazurile la mișcarea de alimentare în operația de prelucrare. Mișcarea de tăiere depinde de proces.
Pentru piesele din plastic, piesele individuale sunt de obicei tăiate, dar pentru producția în masă, acestea sunt de obicei turnate.
Modulele sunt standardizate. Există valorile principale, valorile secundare (între paranteze) și valorile permise în mod excepțional (între paranteze și italice ):
0,06 | (0,07) | 0,08 | (0,09) | 0,1 | (0,11) | 0,12 | (0,14) | 0,15 | (0,18) | 0,2 | (0,22) | 0,25 | (0,28) | 0,3 | (0,35) | 0,4 | (0,45) | 0,5 | (0,55) | 0,6 | (0,7) |
( 0,75 ) | 0,8 | (0,9) | 1 | (1.125) | 1,25 | (1,375) | 1.5 | (1,75) | 2 | (2,25) | 2.5 | (2,75) | 3 | ( 3,25 ) | (3,5) | ( 3,75 ) | 4 | (4,5) | 5 | (5,5) | 6 |
( 6,5 ) | (7) | 8 | (9) | 10 | (11) | 12 | (14) | 16 | (18) | 20 | (22) | 25 | (28) | 32 | (36) | 40 | (45) | 50 | (55) | 60 | (70) |
Nu este posibil să se fabrice orice echipament. Condițiile bune de plasare limitează alegerea numărului de dinți pentru fiecare roată. Criteriile care trebuie luate în considerare sunt:
Interferența dintre dinți13 | 14 | 15 | 16 | 17 | |
de la 13 la 16 | de la 13 la 26 | de la 13 la 45 | de la 13 la 101 | de la 14 la ∞ |
Sistemul cu cremalieră și pinion este utilizat în principal pentru a transforma o mișcare de rotație într-o mișcare de translație sau invers. Se compune dintr-o roată dințată ( pinion ) și o bară dințată ( cremalieră ). Roata dințată, în timp ce se rotește, antrenează dinții barei care apoi se deplasează în translație. Un astfel de mecanism este utilizat în automobile pentru a converti rotația volanului în mișcarea de la stânga la dreapta a barelor de acționare. Un sistem cu cremalieră și pinion este, de asemenea, utilizat într-un tren cu cremalieră în care un pinion acționat de motorul locomotivei se plasează cu un cremalieră montat paralel cu șinele.
Axele celor două roți dințate sunt paralele.
Aceste angrenaje sunt utilizate în general pentru a avea un unghi între intrarea și ieșirea angrenajului. Acest sistem este utilizat în diferențiale auto pentru a avea un unghi drept între intrarea și ieșirea transmisiei (pe lângă funcția diferențială).
Roata dințată a unui angrenaj conic are forma unui con, cu cea mai mare parte a vârfului tăiat ( con trunchiat ). Când două roți dințate conice sunt plasate, vârfurile lor imaginare trebuie să ocupe același punct. Axele lor se încrucișează și în acest punct, formând un unghi arbitrar non-rectiliniu între arbori. Unghiul dintre copaci poate fi orice altceva decât zero sau 180 de grade, este adesea de 90 de grade.
Axele celor două roți dințate nu se află în același plan. Acest lucru este în special cazul angrenajelor elicoidale stângi , angrenajelor hipoide (care nu trebuie confundate cu angrenajele conice ) sau chiar roții și melcul.
Unelte conice
Treapta din stânga
Unelte conice
Roată și vierme
Este un angrenaj cu axe concurente sau paralele. Este un vechi sistem de plasare. Acesta este compus la intrarea unui „ felinar ” (două discuri distanțate la perimetru de fusuri sau cilindri) și la ieșirea unei „ roți de rotație ” (echipate cu receptoare de cuplu sub formă de fusuri sau aluconi).
În sistemele de ceasornic, piesele sunt metalice; dar în mecanismele morilor de vânt , felinarele și aluconiile sunt cel mai adesea din lemn: înlocuirea în caz de uzură sau spargere este apoi mai ușoară și mai economică.
Lanternă și roată mare
Pinion de lanternă în inima unei mori de vânt
Moara de vânt Dosches
Ceas cu clopot
Un tren de transmisie este o combinație de angrenaje.
Raportul de reducere este produsul numărului de dinți ai roților motoare împărțit la cel al roților antrenate. Este :
Cu:
Acestea sunt sisteme formate din sateliți montați pe un purtător de planete care se rotește în jurul a două planete. Prin urmare, au trei elemente mobile față de altul fix. Acestea sunt utilizate ca în sistemele diferențiale .
Prin blocarea unui element, se obține, cu aceeași geometrie, rapoarte de reducere diferite între elementele încă mobile. Acesta este, de asemenea, principiul utilizat în cutiile de viteze „automate”.
Aceste trenuri sunt utilizate pe scară largă în mecanică, deoarece pot oferi rapoarte de reducere ridicate, cu părți de dimensiuni rezonabile și randamente acceptabile (98% pe etapă). În plus, geometria lor duce adesea la o configurație în care arborele de intrare este coaxial cu arborele de ieșire. Reductoare epiciclice sunt disponibile comercial, care sunt compatibile cu motoarele electrice (care devin, prin urmare , motoare cu angrenaje ).
În principiu, trenul sferic se apropie de trenul epiciclic. Angrenajele sunt conice și, prin urmare, par a fi dispuse pe o sferă. Este geometria diferențialului axelor motoare ale autovehiculelor. Acestea combină cu ușurință funcția de transmisie a unghiului, reducerea și funcția diferențială.
Dinții pot fi deteriorați în două moduri:
În desenul tehnic , reprezentarea angrenajelor este codificată pentru simplificare. Vom distinge desenul însuși de diagramă.
Exercițiu de desen realist al unui cuplu conic. Doar părțile transversale respectă convenția.
Desen de definiție al unui pinion cu arbore.
Desen general al unei cutii de viteze.
Diagramă standardizată, în vedere axială a unui tren cu angrenaje planetare .
În transmisiile de mare viteză, pierderile de putere din viteze sunt semnificative. Într-adevăr, acestea au un impact direct asupra funcționării corecte a mecanismului și, prin urmare, trebuie luate în considerare în timpul diferitelor faze, în special:
Luarea în considerare a pierderilor de putere în timpul fazelor de mai sus permite:
În general, principalele surse de pierdere de putere în transmisiile de viteze sunt legate de:
Angrenajul este un simbol comun în industrie .
Ca atare, este prezent, de exemplu, pe stema Laosului , pe stema Vietnamului și pe stema veche a Birmaniei (între 1974 și 1988, în perioada sa socialistă). Se află, de asemenea, pe stema orașului Mulhouse .
O roată dințată este, de asemenea, prezentă în sigla École Centrale de Lyon , precum și în cea a Școlii Superioare de Tehnici Aeronautice și Construcții Automobile (ESTACA până în 2015) și a École Polytechnique de Montréal .
Emblema rotativă este o roată dințată cu 24 de dinți, un simbol al transmiterii energiei.
13 septembrie 2013, doi cercetători englezi de la Universitatea din Cambridge descoperă că larva cicadei cocoșate este echipată cu un angrenaj care îi permite să-și sincronizeze cele două picioare în timpul unui salt.