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Un client spécifie un réducteur à vis sans fin pour une application de levage, car les entraînements à vis sans fin sont auto-bloquants, ce qui empêche la charge de redescendre d’elle-même. Aucun frein n’est nécessaire, ce qui permet d’économiser des coûts.
Ce raisonnement apparaît dans de nombreux projets mécaniques et comporte un risque suffisamment élevé pour être mentionné explicitement comme avertissement dans un document technique de l’AGMA :
Remarque : Les paires d’engrenages à vis sans fin ne doivent pas être considérées comme auto-bloquantes. Dans certaines conditions de charge, un mouvement inverse de la roue menée est possible.
Une référence technique reconnue l’exprime plus crûment, en nommant directement l’application concernée :
En pratique, une vis sans fin ne doit pas être utilisée comme dispositif de freinage dans des systèmes liés à la sécurité, par exemple des palans. Certains matériaux et conditions de fonctionnement peuvent provoquer un dérapage inverse d’un engrenage à vis sans fin.
Si vous concevez un palan, une plateforme élévatrice, une porte ou tout autre dispositif où une chute de charge pourrait blesser une personne, vous devez intégrer un frein. La géométrie de la vis sans fin ne constitue pas un substitut acceptable.
Voici les fondements techniques de cette affirmation.
L’auto-blocage dépend de la relation entre l’angle d’hélice de la vis sans fin et l’angle de frottement. Trois sources indépendantes formulent cette règle ainsi :
· L’auto-blocage se produit lorsque l’angle d’hélice de la vis sans fin est égal à arctan(coefficient de frottement), typiquement dans la plage de 2 à 8 degrés autonomie
· Lorsque l’angle d’hélice est inférieur à l’angle de frottement, la roue menée ne peut pas entraîner la vis sans fin en sens inverse
· La condition s’exprime ainsi : angle d’hélice < arctan(coefficient de frottement)
Les trois formulations expriment la même chose, mais avec des notations différentes. En dessous d’un certain angle d’hélice, l’entraînement résiste au fonctionnement inverse.
Le critère fait intervenir un coefficient de frottement. Lequel ?
À vitesse de glissement nulle, la valeur publiée est 0.15. Il s’agit de la valeur statique, qui est aussi la plus élevée. Dès que le glissement commence, le coefficient de frottement diminue.
Une référence précise que le coefficient statique est le seul pertinent pour la limite d’auto-blocage, précisément parce que l’engrenage ne peut pas être mis en mouvement.
Ceci est le mécanisme à l’origine des défaillances. Au repos, le frottement est élevé et l’entraînement maintient la charge. L’introduction de vibrations provoque un micro-mouvement de l’entraînement. Ce micro-mouvement déplace le contact depuis l’état statique vers l’état dynamique, où le frottement est plus faible. L’angle de frottement disponible pour retenir la charge se réduit, et la charge commence à glisser progressivement.
Les vibrations ne constituent pas une condition exotique. Une machine en marche à proximité, un moteur qui démarre sur le même bâti, un véhicule qui passe à l’extérieur du bâtiment : tout cela peut annuler l’auto-blocage statique.
Aucun facteur de déclassement quantifié lié aux vibrations n’existe dans la littérature publiée que nous avons pu consulter. Cette absence est en soi révélatrice : la réponse technique ne consiste pas à déclasser l’auto-blocage, mais à ne pas compter sur lui.
L’auto-blocage et le rendement sont deux aspects d’une même géométrie. Un entraînement qui résiste à l’entraînement inverse est un entraînement qui gaspille beaucoup d’énergie dans le sens direct.
Rendement de l’engrenage à vis sans fin selon le nombre de départs. Le comportement d’auto-blocage n’existe que dans la zone de faible rendement.
Formule fondamentale :
η = tan(λ) / tan(λ + φ)
où λ est l’angle d’hélice de la vis et φ est l’angle de frottement équivalent.
Exemple numérique publié : pour une vis à un départ avec λ = 5 degrés et φ = 6 degrés, le rendement est de 45,01 %.
Rendement selon le nombre de départs de la vis :
| Type de vis | Rendement publié |
| À un départ | 40 à 50 % |
| Démarrage simple, bonnes conditions et haute précision d’usinage | 50 à 70 % |
| Démarrage double | 70 à 78 % |
| Démarrage multiple | 78 à 92 % |
Pour les conceptions à haut rendement, l’angle de filet recommandé est 10 à 20 degrés . Notez que cet angle est nettement supérieur à la plage d’autoblocage de 2 à 8 degrés. Il est impossible d’obtenir les deux simultanément.
Une référence indique un rendement global allant jusqu’à 98 % aux rapports les plus faibles, tombant à 20 % aux rapports les plus élevés. Une autre source cite une fourchette de 50 à 90 %, selon l’angle de filet, le nombre de départs et le frottement.
Le compromis est inévitable : le blocage automatique vous coûte plus de la moitié de votre puissance d’entrée.
Si vous avez besoin d’un comportement de blocage automatique :
· Acceptez une file unique, un angle d’hélice faible et un rendement de 40 à 50 %
· Dimensionnez le moteur en fonction des pertes, pas seulement de la charge
· Dimensionnez le réducteur en fonction de la dissipation thermique, car la puissance perdue se transforme en chaleur
·Installez tout de même un frein si la rotation inverse peut entraîner des blessures ou des dommages
Si vous privilégiez le rendement :
· Files multiples, angle d’hélice de 10 à 20 degrés, rendement de 78 à 92 %
· Accepter que l’entraînement puisse entraîner le moteur en sens inverse
· Installer un frein, une masse contre-poids ou utiliser un autre type d’engrenage
Si vous avez besoin des deux fonctions, les engrenages à vis sans fin ne conviennent pas. Envisagez plutôt un réducteur hélicoïdal ou un réducteur conique-hélicoïdal équipé d’un frein de retenue adéquat.
Les boîtes à vis sans fin sont généralement limitées thermiquement plutôt que mécaniquement . Les dents de l’engrenage pourraient transmettre un couple supérieur à celui que la boîte est capable de dissiper sous forme de chaleur.
Cela découle directement des rendements indiqués ci-dessus. Un entraînement à vis sans fin à simple filet, dont le rendement est de 45 %, transforme plus de la moitié de la puissance d’entrée en chaleur dans un boîtier de petite taille. C’est pourquoi les catalogues de boîtes à vis sans fin indiquent séparément une puissance thermique admissible et une puissance mécanique admissible, et pourquoi la puissance thermique admissible constitue souvent la contrainte déterminante.
Conséquences pratiques :
· Les puissances admissibles en service continu sont nettement inférieures à celles en service intermittent
· La température ambiante a une incidence ; une boîte homologuée dans un atelier à 20 degrés se comporte différemment dans une salle des machines à 40 degrés
· Le refroidissement forcé ou une boîte plus grande est souvent moins coûteux que de faire face à une défaillance prématurée
Couvercles d’engrenages à vis sans fin à réduction simple 5:1 à 75:1 selon une référence, tandis qu’une autre cite 5:1 à 300:1 pour les engrenages à vis sans fin utilisés spécifiquement pour de grandes réductions.
La capacité d’obtenir un rapport élevé en une seule étape constitue réellement l’avantage des engrenages à vis sans fin, ainsi que leur disposition à angle droit et leur fonctionnement silencieux, découlant du contact glissant. Ce sont là les raisons de leur choix. L’auto-blocage ne devrait pas figurer sur cette liste.
Pour un angle de pression normal standard de 20 degrés, l’angle d’hélice doit rester inférieur à 25 degrés .
Les roues dentées à vis sans fin fonctionnent en bronze contre une vis sans fin en acier trempé. La raison en est le contact glissant : les engrenages à vis sans fin glissent plutôt que de rouler ; la paire nécessite donc des matériaux dissemblables présentant de bonnes caractéristiques de glissement et d’enfouissement. Le bronze associé à l’acier constitue la combinaison qui fonctionne.
La vis est durcie et rectifiée ; la roue est la pièce sacrificielle. C’est intentionnel. Lorsque l’entraînement s’use, vous remplacez la pièce moins chère et plus facile à remplacer.
La vitesse circonférentielle peut atteindre 30 m/s dans des conditions idéales, mais la plupart des entraînements à vis sans fin industriels fonctionnent bien en dessous de cette valeur.
Puis-je utiliser un réducteur à vis sans fin pour retenir une charge sans frein ?
Non, là où une chute de charge pourrait causer des dommages. Les recommandations publiées par l’AGMA et les références techniques établies indiquent explicitement que les paires vis-roue ne doivent pas être considérées comme auto-bloquantes, et mettent spécifiquement en garde contre leur utilisation comme dispositifs de freinage dans les palans.
Mon réducteur à vis sans fin retient une charge depuis des années sans glissement. N’est-il pas auto-bloquant ?
Il est statiquement auto-bloquant dans ses conditions actuelles. Changez l’huile, laissez le pignon s’user, ajoutez des vibrations provenant de nouveaux équipements ou augmentez la charge, et cela peut changer. L’auto-blocage est une condition, non une propriété.
Pourquoi mon réducteur à vis sans fin chauffe-t-il autant ?
Parce que les engrenages à vis sans fin sont inefficaces et que la puissance perdue se transforme en chaleur. Vérifiez si vous restez dans la plage de puissance thermique plutôt que dans celle de la puissance mécanique ; il s’agit de valeurs différentes, et la limite thermique est généralement atteinte en premier.
Un filetage double de la vis sans fin résoudrait-il mon problème d’efficacité ?
Cela élèverait l’efficacité de la fourchette 40 à 50 % à la fourchette 70 à 78 %. Cela supprimerait également tout comportement d’auto-blocage. Assurez-vous qu’aucun composant de la machine ne dépend de ce phénomène.
Quelle efficacité dois-je utiliser pour le dimensionnement du moteur ?
Utilisez la valeur correspondant précisément à votre rapport de réduction et à votre nombre de filets, telle qu’indiquée dans les données du fabricant de la boîte de vitesses, et non une valeur générique. L’écart entre les rendements des différents modèles d’engrenages à vis sans fin est suffisamment large pour que toute hypothèse générique entraîne un mauvais dimensionnement du moteur.
Le bronze est-il la seule option pour la roue menée ?
Il constitue la norme pour de bonnes raisons, mais la nuance précise de bronze varie selon le type de service. Précisez la nuance auprès de votre fournisseur de boîte de vitesses, en fonction de la charge, de la vitesse et du cycle de service.
Tianjin HaoRongShengYe Electrical Equipment Co., Ltd. fabrique des jeux d’engrenages vis sans fin et roue, avec roue en bronze et vis en acier trempé rectifié, en versions simple et à plusieurs débuts. Indiquez-nous le rapport de réduction, le cycle de service et si l’entraînement doit résister au contre-entraînement, et nous vous dirons honnêtement si les engrenages vis sans fin constituent le bon choix pour votre charge.