Causes du bruit de la boîte de vitesses et solutions suggérées

Traditionnellement, les trois principaux facteurs d'évaluation des performances des réducteurs sont la capacité de charge, la durée de vie en fatigue et la précision de fonctionnement, négligeant souvent le bruit de transmission. Avec la publication successive des normes ISO 14000 et ISO 18000, l'importance du contrôle du bruit de transmission des réducteurs est devenue de plus en plus évidente. Le développement industriel et les exigences imposent des contraintes plus strictes sur les erreurs de transmission des réducteurs et des exigences accrues en matière de maîtrise du bruit.

Actuellement, les facteurs contribuant au bruit des boîtes de vitesses des réducteurs peuvent être analysés selon plusieurs aspects, notamment la conception, la fabrication, l'installation, l'utilisation et la maintenance des engrenages à dentures internes et externes.

Raisons liées à la conception et mesures correctives

1. Classe de précision des engrenages à l'intérieur du réducteur

Lors de la conception des réducteurs, les concepteurs tiennent souvent compte de facteurs économiques et déterminent le degré de précision des engrenages de la manière la plus économique possible, négligeant ainsi que le degré de précision est un indicateur du bruit et du jeu des engrenages. L'Association des fabricants d'engrenages américains (GMA) a établi, à la suite de nombreuses recherches sur les engrenages, que les engrenages de haute précision produisent significativement moins de bruit que ceux de faible précision. Par conséquent, lorsque les conditions le permettent, il convient d'élever autant que possible le degré de précision des engrenages afin de réduire à la fois les erreurs de transmission et le bruit.

2. Largeur de l'engrenage à l'intérieur du réducteur

Lorsque l'espace de transmission du réducteur le permet, augmenter la largeur de denture peut réduire la charge unitaire pour un couple constant. Cela diminue la déformation des dents, réduit l'excitation du bruit et, par conséquent, atténue le bruit de transmission. Des recherches menées par H. Opaz en Allemagne montrent que, à couple constant, une plus petite largeur de dent entraîne un gradient de courbe de bruit plus élevé qu'une largeur de dent plus grande. L'augmentation de la largeur de dent augmente également la capacité de charge de l'engrenage et améliore la capacité de couple du réducteur.

3. Pas de denture et angle de pression à l'intérieur du réducteur

Un pas de denture plus petit assure un plus grand nombre de dents en contact simultanément, ce qui augmente le recouvrement des engrenages, réduit la déflexion individuelle des dents, diminue le bruit de transmission et améliore la précision de la transmission. Un angle de pression plus faible, grâce à un angle de contact d'engrenage plus grand et à un rapport de recouvrement latéral plus élevé, se traduit par un bruit de fonctionnement plus faible et une précision accrue.

4. Sélection du coefficient de modification de denture à l'intérieur du réducteur

Un choix correct et raisonnable du coefficient de déport permet non seulement d'ajuster la distance entre centres, d'éviter l'undercut des engrenages, de garantir la concentricité, d'améliorer les performances de transmission, d'augmenter la capacité de charge et de prolonger la durée de vie des engrenages, mais aussi de contrôler efficacement le jeu, l'élévation de température et le bruit. Dans les transmissions fermées par engrenages, pour les engrenages à denture trempée (dureté : 350 HBS), le mode principal de rupture est la rupture par fatigue à la base de la dent. La conception de ce type de transmission s'appuie généralement sur la résistance à la fatigue en flexion ; lors du choix du coefficient de déport, il convient de veiller à ce que les dents en prise aient une résistance en flexion égale. Pour les engrenages à denture tendre (dureté <350 HBS), le mode principal de défaillance est le piqûrement par fatigue. La conception de ce type de transmission repose généralement sur la résistance à la fatigue de contact ; lors du choix du coefficient de déport, il faut assurer une résistance maximale à la fatigue de contact ainsi qu'une durée de vie en fatigue aussi élevée que possible.

Les contraintes pour choisir raisonnablement le coefficient de déport sont :

(1) S'assurer que l'engrenage usiné ne présente pas d'interférence de denture ;

(2) Assurer la régularité de la transmission par engrenages ; le rapport de conduite doit être supérieur à 1, généralement supérieur à 1,2 ;

(3) S'assurer que la tête de dent ait une certaine épaisseur ;

(4) Lorsqu'une paire d'engrenages s'engrène, si l'involute du sommet d'une dent entre en contact avec la courbe de raccordement à la racine de l'autre engrenage, comme cette courbe de raccordement n'est pas une involute, la normale commune aux deux profils au point de contact ne peut pas passer par un nœud fixe, ce qui provoque une variation du rapport de transmission et peut entraîner un blocage des deux engrenages. Cette « interférence par courbe de transition » doit être évitée lors du choix du coefficient de déport.

5. Réglage du profil de dent (dépouille d'arête et dépouille de pied) et chanfreinage du sommet de dent à l'intérieur du réducteur

Le profil de la denture à l'extrémité de la dent est usiné selon une forme légèrement convexe par rapport à la courbe involute correcte. Lorsque la surface de la dent subit une déformation due à une force externe, cela permet d'éviter les interférences avec la denture engrenée, de réduire le bruit et d'allonger la durée de vie de la denture. Il est important de noter qu'il faut éviter un ébarbage excessif, car un tel ébarbage augmente l'erreur de profil de la denture et aurait un effet négatif sur l'engrènement.

6. Analyse des caractéristiques de rayonnement acoustique des engrenages

Lors du choix d'engrenages ayant différentes formes structurelles, un modèle de rayonnement acoustique est établi pour la structure spécifique, et une analyse dynamique est effectuée afin d'évaluer préalablement le bruit du système de transmission par engrenages. Cela permet une sélection en fonction des différents besoins des utilisateurs (lieu d'utilisation, exploitation sans surveillance, zone urbaine ou non, exigences spécifiques liées aux bâtiments en surface ou souterrains, exigences en matière de protection contre le bruit, ou absence d'autres exigences particulières).

7. Vitesse de fonctionnement de la source de puissance du réducteur d'engrenages

Les tests sur le réducteur d'engrenages dans différentes conditions de vitesse montrent que le bruit augmente avec la vitesse d'entrée du réducteur.

8. Structure du boîtier de la boîte de vitesses

Des études expérimentales montrent qu'un boîtier cylindrique est bénéfique pour la réduction des vibrations. Dans les mêmes conditions, un boîtier cylindrique présente un niveau de bruit moyen inférieur de 5 dB par rapport aux autres types de boîtiers. Un essai de résonance du boîtier du réducteur d'engrenages est effectué afin d'identifier les emplacements de résonance. L'ajout de nervures (plaques) appropriées peut améliorer la rigidité du boîtier, réduire les vibrations et permettre une atténuation du bruit. Pour les transmissions à plusieurs étages, la variation du rapport de transmission instantané doit être minimisée afin d'assurer une transmission fluide, avec peu d'impact et de vibrations, ainsi qu'un faible niveau de bruit.

Causes liées à la fabrication et mesures correctives

1. Influence des erreurs internes des engrenages dans le réducteur

Les erreurs de fabrication des engrenages, notamment l'erreur de profil de dent, l'écart du pas de base, l'erreur de direction de denture et le faux-rond radial de la couronne, sont les principales sources de bruit dans les transmissions des réducteurs planétaires. Ce sont également des facteurs clés pour contrôler le rendement des réducteurs planétaires. Nous allons maintenant expliquer brièvement l'erreur de profil de dent et l'erreur de direction de dent.

Des engrenages présentant de faibles erreurs de profil de dent et une faible rugosité de surface ont un niveau sonore inférieur de 10 dB à celui des engrenages ordinaires dans les mêmes conditions d'essai. Des engrenages avec de faibles erreurs d'entr'axe ont un niveau sonore inférieur de 6 à 12 dB à celui des engrenages ordinaires dans les mêmes conditions d'essai. Toutefois, si une erreur d'entr'axe existe, l'impact de la charge sur le bruit de l'engrenage sera réduit.

Une erreur de direction des dents entraînera une transmission de la puissance qui ne s'effectue pas sur toute la largeur de la dent. La zone de contact sera déportée vers une extrémité ou l'autre de la dent. En raison d'une contrainte locale accrue, la dent se déformera, ce qui entraîne une augmentation du niveau de bruit. Toutefois, sous de fortes charges, la déformation de la dent peut partiellement compenser l'erreur de direction des dents.

2. Concentricité de montage et équilibre dynamique

Un mauvais alignement pendant le montage entraîne un déséquilibre du système d'arbre, et un engrènement inégal des engrenages (un côté lâche, un côté tendu) aggrave davantage le bruit. Un déséquilibre lors du montage de transmissions à engrenages de haute précision affecte gravement l'exactitude du système de transmission.

3. Dureté de surface des engrenages à l'intérieur du réducteur

Avec le développement de la technologie de trempe des engrenages, la haute capacité de charge, les petites dimensions, le poids léger et la grande précision de transmission ont conduit à une application de plus en plus étendue des engrenages. Toutefois, le procédé de cémentation et de trempe utilisé pour obtenir des surfaces dentées durcies provoque une déformation des engrenages, entraînant un bruit accru de transmission et une durée de vie réduite. Pour réduire le bruit, la surface des dents doit être usinée avec précision. Actuellement, outre les méthodes traditionnelles de rectification des engrenages, une méthode d'ébauchage de surface dentée trempée a été développée. Cette méthode réduit les chocs d'engagement et de désengagement en modifiant la tête et le pied de dent, ou en réduisant le profil de dent des engrenages menants et menés, réduisant ainsi le bruit de transmission des engrenages.

4. Vérification des performances du système de boîte de vitesses

La précision d'usinage des composants et la méthode de sélection des composants avant l'assemblage (interchangeabilité complète, sélection par groupe, sélection unitaire, etc.) influencent le niveau de précision du système assemblé, et leur niveau de bruit entre également dans ce champ d'influence. Par conséquent, la vérification (ou l'étalonnage) des différents indicateurs du système après l'assemblage est cruciale pour maîtriser le bruit du système.

Causes liées à l'installation et mesures correctives

1. Mesures de réduction et d'interception des vibrations

Lors de l'installation de la boîte de vitesses, il convient d'éviter autant que possible la résonance entre le carter de la boîte et les supports de fondation ainsi que les pièces de liaison, afin de prévenir la génération de bruit. La résonance se produit souvent sur un ou plusieurs engrenages à l'intérieur de la boîte dans certaines plages de vitesse. Outre des raisons liées à la conception, cela est directement lié au fait de ne pas avoir identifié l'emplacement de résonance lors des essais à vide, ni pris les mesures appropriées de réduction ou d'isolation des vibrations. Pour certaines boîtes de vitesses exigeant un faible niveau de bruit et de vibration en transmission, il convient de choisir des matériaux de fondation à haute ténacité et à fort amortissement afin de réduire le bruit et les vibrations.

2. Réglage de la précision géométrique des composants

Si la précision géométrique ne répond pas aux exigences normatives pendant l'installation, une résonance des composants de la boîte de vitesses peut survenir, entraînant du bruit. Cela est directement lié à l'amélioration du procédé d'installation, à l'augmentation des équipements d'assemblage et à la garantie de la qualité globale du personnel d'assemblage.

3. Composants desserrés

Lors de l'installation, le desserrage de composants individuels (tels que les mécanismes de précharge des roulements, les mécanismes de positionnement des arbres, etc.) peut entraîner un positionnement inexact du système, un engrenage anormal, un déplacement de l'arbre, ainsi que des vibrations et du bruit. Cela nécessite une approche de conception structurelle afin d'assurer des connexions stables entre les mécanismes et d'utiliser plusieurs méthodes de fixation.

4. Composants de transmission endommagés

Une manipulation incorrecte pendant l'installation peut endommager les composants de transmission, entraînant un mouvement du système inexact ou instable ; les dommages aux pièces mobiles à grande vitesse peuvent provoquer des vibrations du film d'huile ; les erreurs humaines peuvent causer un déséquilibre dynamique des pièces en mouvement ; tous ces facteurs génèrent des vibrations et du bruit. Ces causes doivent être soigneusement prises en compte et évitées lors de l'installation. Les composants endommagés qui ne peuvent pas être réparés doivent être remplacés afin de garantir un niveau de bruit stable pour le système.

Causes et mesures correctives liées à l'utilisation et à la maintenance
Une utilisation et une maintenance appropriées du réducteur ne peuvent pas réduire le niveau de bruit du système ni garantir la précision de la transmission, mais elles peuvent prévenir la dégradation des performances et prolonger la durée de service.

1. Nettoyage interne

La propreté des pièces internes du réducteur est fondamentale pour son fonctionnement normal. L'entrée de toute impureté ou contaminant affecte et endommage le système de transmission, ce qui entraîne la génération de bruit.

2. Température de fonctionnement

Assurez-vous que le réducteur fonctionne à une température normale afin d'éviter la déformation des composants due à une élévation excessive de température, de garantir un engrènement correct des engrenages et, par conséquent, de prévenir une augmentation du bruit.

3. Lubrification en temps voulu et utilisation correcte de l'huile

Une lubrification incorrecte et une utilisation inadéquate de la graisse lubrifiante causent des dommages considérables au réducteur. À haute vitesse, le frottement entre les surfaces des dents d'engrenage génère une grande quantité de chaleur. Une lubrification inappropriée entraîne une détérioration des dents d'engrenage, affecte la précision et augmente le bruit. La conception exige un jeu approprié dans l'engrenage (le jeu entre les surfaces non fonctionnelles des dents en prise afin de compenser la déformation thermique et de stocker la graisse lubrifiante). Une utilisation et un choix corrects de la graisse lubrifiante permettent d'assurer un fonctionnement sûr et efficace du système, de ralentir la dégradation et de stabiliser les niveaux de bruit.

4. Utilisation correcte du réducteur

Une utilisation correcte du réducteur permet de minimiser les dommages aux composants et de garantir un niveau de bruit stable. Le bruit du réducteur augmente avec la charge, il doit donc être utilisé dans la plage de charge normale.

5. Entretien régulier

Un entretien régulier (changement d'huile, remplacement des pièces usées, fixation des éléments desserrés, élimination des débris internes, réglage des jeux des composants aux valeurs standard et vérification de la précision géométrique, etc.) peut améliorer la résistance du réducteur à la dégradation du niveau sonore et maintenir des conditions de fonctionnement stables.

La maîtrise du bruit de transmission des réducteurs est un projet systématique qui concerne l'ensemble du processus de conception, fabrication, installation, utilisation, maintenance et même remplacement du système de transmission (engrenages, boîtier, pièces de liaison, roulements, etc.). Elle impose de nombreuses exigences non seulement aux concepteurs et fabricants, mais aussi aux installateurs, utilisateurs et techniciens de maintenance. Si l'un de ces aspects n'est pas correctement maîtrisé, la maîtrise du bruit de transmission par engrenages échouera.