Industriële tandwielkasten
Nieuwe concepten en technieken
Gedurende geruime tijd werden relatief hoge geluidsniveaus voor industriële tandwielkasten met een vermogen van 10 tot 1000 kW algemeen aanvaard. Nochtans, door het groeiende bewustzijn in verband met het milieu - zowel in als rond industriële locaties - verplaatsten zich de verwachtingen van de klant
drastisch naar een laag geluidsniveau als fundamentele onderscheidende factor.
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Tandwielkasten zoals deze gebruikt in koeltorens, waterzuiveringsinstallaties en windturbines, worden vaak dicht bij bewoonde zones geplaatst en worden sinds lang aanzien als kritiek op het vlak van geluidsarm gedrag. Meer recent werd geluid echter ook een bekommernis in toepassingen zoals grote transportbandaandrijvingen gebruikt in de ontginning en de mijnbouw. Niet enkel wordt er tegemoet gekomen aan de verwachtingen op het gebied van laag geluidsniveau in een toenemende verscheidenheid aan toepassingen, maar de aanvaarde niveaus zelf nemen constant af. In het verleden werd er aan de strenge eisen op het vlak van geluidsniveau voldaan door gebruik van geluiddempende kappen, die een extra investering eisten en de installatie en de toegankelijkheid voor onderhoud en inspectie beperkten. De eisen van de klanten hebben nu vaak de aanvaardbare geluidsniveaus teruggebracht tot een peil waarbij er geen beschermkappen nodig zijn, zelfs in extreme omstandigheden. De beschikbare technologieën om aan deze eisen te voldoen zijn gewijzigd, en aldus ook de geluidsniveaus van de meest geavanceerde industriële tandwielkasten. In vergelijking met het midden van de jaren tachtig (VDI 2159, ref. 5), daalden de gemiddelde geluidsniveaus van de voornaamste industriële tandwielproducten met 10 of meer dBA, en dit voor standaardaandrijvingen zonder speciale bestellingspecifieke wijzigingen.
Ontwerp voor stilte
Om deze lage waarden te verkrijgen moet echter aan een aantal voorwaarden voldaan worden en veel literatuur beschrijft het uitvoerig onderzoek uitgevoerd op dit vlak. In alle gevallen blijkt de ‘nauwkeurigheid onder belasting’ de sleutel te zijn voor tandwielkasten met laag geluidsniveau.
Al is het gemakkelijk omschreven, een groot aantal invloeden kunnen elkaar tegenwerken en de ontwerper van de tandwielkasten moet aan talrijke eisen tegemoet komen om tot de ‘totale kwaliteit’ van zijn ontwerp te komen.
Dankzij moderne ontwerp- en productietechnieken, kan een grote verscheidenheid aan metingen uitgevoerd worden. De werkelijke uitdaging bestaat er daarom in om de juiste keuzes op het juiste moment te maken bij het ontwerpproces en deze keuzes toe te passen in het productieproces.
“Ontwerp voor stilte” betekent dat, om te beantwoorden aan de huidige verwachtingen in verband met laag geluidsniveau, de ontwerper een reeks consequente beslissingen dient te treffen, te beginnen met het concept zelf, zoals hierna toegelicht.
Nauwkeurigheid onder belasting
Nauwkeurigheid bij de productie
Tandwieltrilling, basisoorzaak voor het geproduceerde geluid, begint bij het onvolmaakte overnemen van het contact tussen opeenvolgende tanden bijvoorbeeld veroorzaakt door een eenvoudige geometrische steekfout. De combinatie van steek-, flanklijn- en profielvormfouten leiden tot de zogenaamde ontrollingsfout, zoals kan gemeten worden op een enkelvoudige-flanktestmachine (ref. 1, 2, 3). De ontrollingsfout wordt omschreven als het verschil tussen de werkelijke en de theoretische rotatie van het tandwiel, wanneer aangedreven door een uniforme rotatie van het rondsel.
Het streven naar de laagste ontrollingsfout leidt tot een voortreffelijke nauwkeurigheid bij de productie van de tandwielen, wat een primaire voorwaarde is voor een gedrag met laag geluidsniveau. Als voorbeeld, nog steeds regelmatig uitgevoerd op de markt voor conische tandwielen, kan het beperkte behandelingseffect van lappen op geometrische steekfouten het geluidsgedrag niet voldoende verbeteren voor de huidige eisen in verband met industriële tandwielkasten (ref. 1).
Om de vereiste niveaus van nauwkeurigheid te bereiken in combinatie met de typische flexibiliteiteisen op het vlak van de productie en de logistiek van industriële tandwielkasten, wordt er vooreerst beslist om alle tandwielen, zowel de cilindrische als de conische, te slijpen.
De productietoleranties van de huizen moeten overeenstemmen met de hoge kwaliteit van de tandwielen. Daar de gevoeligheid voor bepaalde productietoleranties verschilt tegenover andere, moet een compleet systeem van toleranties bestudeerd en uitgewerkt worden in de ontwerpfase van het nieuwe product.
Hoe dan ook, het verbeteren van de productiekwaliteit kan maar in bepaalde mate een invloed hebben op het geluidsniveau. Zoals beschreven in de literatuur, toont figuur 1 dat, eens de productienauwkeurigheid een bepaald niveau bereikt, er bijna geen verdere geluidsverbetering verkregen kan worden. Dit is te wijten aan het effect van belasting op de geometrische nauwkeurigheid van de tandwielen. Alle componenten binnen de krachtstroom vervormen onder belasting: de tandwieltanden buigen, de as buigt door, evenals de lagers en het tandwielkasthuis. Het is duidelijk dat ze zich allen gedragen op een gelijkaardige wijze als de hierboven beschreven geometrische fouten. Om de laagst mogelijke ontrollingsfout, trillingen en geluid te krijgen, is de nauwkeurigheid onder belasting de volgende stap.
Stijfheid is de sleutel
In een ideale wereld, zou er geen doorbuiging bestaan. De hoogste stijfheid van alle componenten in de krachtketen is daarom het dichtste wat de reële wereld kan nastreven.
De typische constructie gebruikt voor standaard industriële tandwielkasten, vloeit voort uit de nood aan een gemakkelijk machinaal afwerken van het huis, dat in vroegere dagen leidde tot het gebruik van rechte huiszijden die de assen dragen. Daar de dimensionering van de langzaamdraaiende tandwielstellen de totale breedte van de tandwielkast bepaalt, is één van de nadelen van het conventioneel ontwerp dat de smallere sneldraaiende tandwielen zich bevinden op relatief lange en flexibele integrale rondselassen (A, figuur 2). De doorbuiging onder belasting maakt elke optimalisering van het laag geluidsniveau van deze tandwielstellen moeilijker.
Daar het bewerken eenvoudiger werd door de moderne flexibele bewerkingscentra, kunnen de huiszijden zo ontworpen worden dat de sneldraaiende tandwielen eveneens gedragen worden door kortere lagerafstanden. Dit trapvormige huis wordt getoond in figuur 3, en heeft als bijkomende voordelen:
- Zowel de sneldraaiende stellen als tussenliggende stellen kunnen gestandaardiseerd worden over alle grootten waar dezelfde
hartafstanden toegepast worden, ongeacht het aantal trappen in de respectievelijke kasten. Hierbij dient opgemerkt te worden dat integrale rondselassen, de sleutelcomponenten van moderne tandwielkasten, niet echt gestandaardiseerd kunnen worden in een conventionele tandwielkast (in figuur 2, hebben de twee tussenrondselassen B verschillende lengtes in verschillende huisgrootten, in figuur 3 zijn ze identiek).
- De gestandaardiseerde rondselassen zijn deze met de hoogste stijfheid in plaats van de meer flexibele, die niet langer toegepast moeten worden.
- De standaardisatie zorgt voor een kostenbesparende serieproductie van rondselassen volgens de vereiste productienauwkeurigheden.
- De standaardisatie zorgt voor de beste optimalisering van correcties op het niveau van de microgeometrie om de meest uniforme lastverdeling en het minste geluid te krijgen.
- Het trapsgewijze huis heeft een inherente stijfheid die voordelig is voor het belastingscontactpatroon van de tandwielen en voor het gedrag van het huis op het vlak van de geluidsemissie.
- De standaardisatie geldt zowel voor evenwijdige als voor haakse ontwerpen, die zelfs nog meer kritiek zijn op het gebied van geluidsproductie (ref. 5).
Ontwerp van het huis
Materiaal
Het gebruik van gietijzer als materiaal voor het huis biedt grote voordelen door de dempingkwaliteiten van gietijzer ten overstaan van staal. De flexibiliteit bij ontwerp van gietijzeren delen laat verder de integratie toe van de expertise verworven bij uitvoerige studies zoals uitgevoerd bij modale analyse van huisvervormingen en intensiteitanalyse voor minimale geluidsemissie (ref. 4).
Aanpakken van uitwendige krachten
Uitwendige krachten kunnen het huis buigen en overdreven geluid en trillingen veroorzaken. De ontwerper moet ermee rekening houden en de doorbuiging, die de contactpatronen van de tandwielen vervormt, tot een minimum beperken. Als voorbeeld toont figuur 4 een eindige-elementen-berekeningsdetail van een tandwielkasthuis (zoals getoond in figuur 3) gebruikt als bv. mengeraandrijving, waarbij de langzaamdraaiende as vaak grote en wisse- lende uitwendige krachten ondergaat. Het ontwerp is bedoeld om vervormingen te beperken aan de buitenkant (bevestigingsoppervlak) van de tandwielkast, in plaats van de inwendige delen van het huis te vervormen.
Tandwielgeometrie
Geoptimaliseerde macrogeometrie
Verwijzend naar de figuren 2 of 3, is het duidelijk dat de aanwezigheid van het asuiteinde de sneldraaiende integrale rondselassen onderscheidt van de integrale tussenrondselassen. Omdat de standaardisatie tussen sneldraaiende rondselassen en tussenrondselassen onmogelijk is, heeft de ontwerper aldus een unieke mogelijkheid om de tandwielparameters, zoals modules, tandbreedte, schroefhoek of overlappingsverhouding op een verschillende wijze te optimaliseren naargelang de verschillende marktbehoeften.
Inderdaad, de marktbehoeften voor respectievelijk snel- en langzaamdraaiende tandwielstellen verschillen als volgt:
- Aangezien het langzaamdraaiende tandwielstel het grootste tandwielstel is en aldus de grootste kostenfactor in de tandwielkast, moet deze ontworpen worden voor een maximaal koppel om de laagste kost te krijgen voor een gegeven koppelniveau.
- Aangezien de sneldraaiende tandwielstellen de grootste bron van trilling en geluid zijn, moeten deze geoptimaliseerd worden voor de laagstmogelijke geluidsproductie, daar:
=> voor een gegeven ontrollingsfout, hoe hoger de draaisnelheid is hoe hoger de geproduceerde trillingen zijn
=> het menselijk oor minder gevoelig is voor zeer lage frequenties, zoals getoond in het ‘A’ belaste spectrum. De meest storende frequenties vloeien typisch voort uit de tandingrijp-frequenties en de harmonische frequenties van de ingrijpfrequentie.
Hetzelfde geldt a fortiori voor de conische tandwielstellen die, aangezien ze steeds de sneldraaiende tandwielstellen in verticale tandwielkasten zijn, buiten de positieve invloed van geslepen te zijn (ref. 1), ook moeten geoptimaliseerd worden op het vlak van lage geluidsproductie.
Microgeometrie: het vierde niveau
Geavanceerde tandwielen worden gecorrigeerd op doorbuigingen door het toepassen van profiel- en flanklijncorrecties. Geperfectioneerde slijptechnieken maken het mogelijk om correcties uit te voeren zoals berekend door middel van de Tooth Contact Analysis (TCA) software, zoals bv. ontwikkeld door Gleason of het Onderzoeksinstituut WZL - TH Aken voor conische tandwielen. Hoe dan ook, aangezien doorbuigingen evenredig zijn met de belasting, zijn de toegepaste wijzigingen enkel optimaal voor een gegeven belastingstoestand. We kunnen de rechte tandkopprofielcorrectie als voorbeeld nemen (figuur 5). Deze correctie is de hoeveelheid die weg dient genomen te worden van de passende tandwielpunt om, door de vervorming bij belasting, de interferentie met het aandrijvingrondsel te vermijden. De toegepaste tandkopprofielcorrectie is echter slechts optimaal voor één enkele belastingssituatie. Voor andere belastingen, zal het tandkopprofielcorrectie sub-optimaal zijn, wat resulteert hetzij in een reductie van het actieve profiel hetzij in puntinterferentie. Talrijke tandwielkasten zijn echter onderworpen aan een verscheidenheid aan belastingen. Figuur 6 toont de hoeveelheid tandkopprofielcorrectie nodig voor een grote verscheidenheid aan belastingsvoorwaarden voor een ontwerp met lage respectievelijk hoge stijfheid. Hoge stijfheid van de tandwieltrein zoals hierboven besproken, heeft een dubbel voordeel, waardoor eens te meer bewezen wordt dat stijfheid de sleutel voor het ontwerp is:
- Het niveau van nodige correcties ligt lager; bijgevolg is er minder reductie van het actieve profiel bij lage belastingsvoorwaarden;
- Voor een gegeven belastingsspectrum, is de gemiddelde afwijking van de optimale correctie veel lager.
Een andere bijkomende benadering om de invloed van een belastingsspectrum op de geluidsemissie te minimaliseren wordt getoond in figuur 7. Door toepassing van een gemodificeerde tandkopprofielcorrectie-geometrie, die mogelijk is door het gebruik van de meest moderne productie-uitrusting, stijgt het actieve profiel progressief als de belasting stijgt. Bijgevolg kunnen de geluidsspecificaties behouden worden over een breder gamma van afgenomen vermogens dan enkel voor het ontwerpvermogen van de tandwielkast.
Dezelfde principes worden eveneens toegepast op conische tandwielstellen, zoals uiteengezet in referentie 1, waarbij het gemeten geluidsgedrag van een bepaalde tandwielkast over een verscheidenheid aan belastingen besproken wordt.
Resultaten
Figuur 8 toont de geluidsniveaus geproduceerd door een gamma van standaard industriële tandwielkasten, ontworpen overeenkomstig bovenvermelde principes. De geluidsniveaus, die eerder maximum- dan gemiddelde waarden aangeven, zijn afgeleid van een aantal experimenten op een verscheidenheid aan standaard tandwielkasten, zowel evenwijdige als haakse, in een belastingsbereik tussen 10 en 750 kW, zonder speciale wijzigingen. De tests werden uitgevoerd op eigen testbanken, door middel van de intensiteitanalyse.
De horizontale as toont het afgenomen vermogen, de verticale het overeenkomstige geluidsdrukniveau.
Besluit
Een geluidsarm gedrag van standaard industriële tandwielkasten is een belangrijk selectiecriterium voor de klant aan het worden, zelfs in bedrijfstakken die vroeger aanzien werden als ‘zware industrie’. De aanvaarde geluidsniveaus zelf dalen ook constant. Geavanceerde machines voor de productie van zowel huizen als tandwielen, zorgen ervoor dat de verwachtingen van de klant beantwoord worden, zelfs overschreden. Dit veronderstelt echter dat er een aantal zorgvuldige en consequente beslissingen genomen moeten worden op het gebied van het ontwerp en dit vanaf de initiële conceptfase. De “Ontwerp voor stilte”- strategie werd uiteengezet door deze reeks beslissingen te beschrijven zoals ze geïntegreerd zijn in een gamma van standaard industriële tandwielkasten. De resultaten tonen aan dat deze benadering succesvol is.
Referenties:
1. Eric Neyrinck - Roland Boudry: “Ground bevel gears: distinctive benefits for the user of industrial gear drives”: 3rd world congress on gearing and power transmissions - 12 to 14 Feb. 1992
2. Roland Boudry: Kegeldtandflankslijpmachine WIENER type W800 CNC-SKN: De Technische Weergalm - 1989
3. Roland Boudry: Mesure électronique de l’erreur cinématique: Technique & Management - Janvier 1990
4. Louis De Wachter - Leo Janssen: Acoustic intensity measurements in aid of the design of gear casings for minimal noise radiation: 2nd world congress on gearing, March 3-4-5 1986
5. VDI 2159: Emissionskennwerte technischer Schallquellen - Getriebegeräusche - Sept. 1983
Engrenages industriels
Nouveaux concepts et nouvelles techniques
Pendant de longues années, des niveaux de bruit relativement élevés ont été généralement acceptés pour les réducteurs à engrenages industriels dans la plage de puissance de 10 à 1000 kW. Toutefois, du fait de la prise de conscience
environnementale - aussi bien à l’intérieur qu’autour des sites industriels - les
attentes des clients se sont déplacées de manière radicale vers le niveau sonore réduit comme
facteur fondamental de différenciation.
Les commandes à engrenages telles qu’utilisées dans les tours de refroidissement, les installations de traitement des eaux et les turbines à vent sont souvent installées à proximité de zones résidentielles et sont condisérées depuis longtemps comme critiques en ce qui concerne la réduction du bruit. Plus récemment, toutefois, le bruit est même devenu un sujet de préoccupation dans des applications aussi imposantes que des commandes de transport utilisées dans l’extraction et l’exploitation minière. Les exigences en matière de réduction du bruit ne sont pas seulement satisfaites dans une diversité croissante d’applications, les niveaux acceptés eux-mêmes ne cessent de diminuer. Par le passé, on répondait aux exigences strictes en matière de faible niveau sonore en faisant usage de capots acoustiques recouvrant l’installation, ce qui nécessitait un investissement supplémentaire et entravait la facilité d’installation et l’accessibilité dans le cadre des travaux d’entretien et d’inspection. Les attentes des clients ont maintenant souvent ramenés les niveaux sonores acceptables à un niveau où des capots de protection ne sont plus nécessaires, même en cas d’exigences extrêmes. Les technologies disponibles pour répondre à ces exigences ont changé, de même que les niveaux sonores des réducteurs à engrenages industriels avancés. En comparaison avec le milieu des années 80 (VDI 2159, ref. 5), les niveaux sonores moyens des produits à engrenages industriels traditionnels ont maintenant baissé de 10 dBA ou plus, ceci pour des engrenages standard sans modifications spéciales à la commande.
Conception silencieuse
Pour obtenir ces valeurs réduites, un certain nombre de conditions doivent toutefois être remplies, tandis qu’une littérature abondante décrit les vastes recherches effectuées dans ce domaine. Dans tous les cas, ‘la précision sous charge’ semble être fondamentale en vue d’obtenir un comportement silencieux des réducteurs. Bien qu’aisément définies, quantité d’influences peuvent se neutraliser et le concepteur de réducteurs doit répondre à quantité d’exigences imposées pour atteindre la ‘qualité totale’ de son concept. Grâce à des techniques modernes de conception et de fabrication, une grande variété de mesures peuvent être prises. Dès lors, le véritable défi est maintenant de faire les bons choix au bon moment dans le processus de conception et de concrétiser ces choix dans le processus de fabrication. “Conception silencieuse” signifie que, pour réaliser les attentes actuelles en matière de faible niveau sonore, le concepteur doit prendre une série de décisions conséquentes, en commençant par le concept lui-même, ainsi qu’illustré ci-après.
Précision sous charge
Précision dans la fabrication
La vibration des engrenages, cause fondamentale du bruit généré, peut découler entre autres d’une reprise imparfaite du contact entre des dents consécutives par exemple à cause d’une simple erreur de pas géométrique. La combinaison d’erreurs de pas, d’inclinaison et de développante entraîne ce qu’on appelle l’erreur de transmission, que l’on peut mesurer sur une machine d’essai à flanc unique (ref. 1, 2, 3). L’erreur de transmission est définie comme la différence entre la rotation réelle et la rotation théorique de l’engrenage lorsqu’il est commandé par une rotation uniforme du pignon. Rechercher l’erreur de transmission la plus faible entraîne une excellente précision de fabrication des engrenages, étant une condition première pour une réduction du bruit. A titre d’exemple, encore fréquemment réalisé sur le marché pour des engrenages coniques, l’effet compensatoire limité du rodage sur p. ex. des erreurs de pas ne peut pas améliorer suffisamment le comportement sonore au niveau des exigences actuelles pour les réducteurs industriels (ref. 1). Pour atteindre les niveaux de précision requis, en combinaison avec les exigences typiques de flexibilité dans la fabrication et la logistique des réducteurs industriels, une décision de premier niveau est de rectifier tous les engrenages, aussi bien hélicoïdaux que coniques. Les tolérances de fabrication des carters doivent s’aligner sur la qualité élevée des engrenages. La sensibilité à certaines tolérances de fabrication étant différente à d’autres, un système complet de tolérances doit être étudié et mis en application lors de la phase de conception du nouveau produit. Néanmoins, l’amélioration de la qualité de fabrication ne peut influencer le niveau sonore que jusqu’à un certain point. Ainsi que décrit dans la littérature, le schéma 1 montre que dès que la précision de fabrication atteint un certain niveau, pratiquement aucune amélioration au niveau du bruit ne peut plus être obtenue. Ceci est dû à l’effet de la charge sur la précision géométrique des engrenages. Tous les composants au sein du flux de force se déforment sous la charge. Les dents d’engrenage se courbent, l’arbre fléchit, de même que les roulements et le carter des réducteurs. Il est clair que tous ces éléments agissent d’une manière similaire à celle des erreurs géométriques décrites ci-dessus. En vue d’arriver à l’erreur de transmission, aux vibrations et au bruit les plus faibles possible, la précision sous charge est le niveau suivant.
La rigidité est la clé
Dans un monde idéal, il n’y aurait pas de flexion. Une rigidité maximale de tous les composants dans la chaîne de puissance est dès lors ce que le monde réel peut atteindre dans le meilleur des cas. La construction typique utilisée pour des réducteurs industriels standard résulte du besoin de facilité d’usinage du carter, qui par le passé menait à l’utilisation de parois de carter droites supportant les arbres. Comme le dimensionnement des jeux d’engrenages faible vitesse dicte la largeur totale de l’unité, un des inconvénients du concept conventionnel est que les engrenages haute vitesse plus étroits se trouvent sur des pignons arbrés intégraux relativement longs et flexibles (A, schéma 2). La flexion sous charge rend toute optimisation du niveau de bruit de ces jeux d’engrenages plus difficile.
L’usinage étant facilité par les possibilités de centres d’usinages flexibles, modernes, les parois du carter peuvent être conçues de telle manière que les engrenages haute vitesse soient également supportés par des paliers plus courts. Ce carter à étages est représenté au schéma 3 et offre les avantages additionnels suivants:
- Tant les pignons arbrés et les engrenages à vitesse élevée que ceux à vitesse intermédiaire peuvent être standardisés sur toutes les dimensions où les mêmes entraxes sont appliqués, indépendamment du nombre d’étages dans les unités respectives. Il convient de noter que les pignons arbrés intégraux, composants essentiels des réducteurs modernes, ne peuvent pas être véritablement standardisés dans un réducteur conventionnel (au schéma 2, les deux pignons arbrés intermédiaires B ont des longueurs différentes dans différentes tailles de carter, au schéma 3 ils sont identiques).
- Les pignons arbrés standardisés sont ceux ayant la rigidité la plus élevée, plutôt que les plus flexibles, qui ne doivent plus être utilisés.
- La standardisation permet une production plus économique des pignons arbrés par lots suivant les précisions de fabrication requises.
- La standardisation permet la meilleure optimisation des corrections au niveau microgéométrique en vue d’obtenir la distribution de charge la plus uniforme et le niveau de bruit le plus faible.
- Le carter à étages a une rigidité inhérente ce qui est avantageux pour le profil de contact de charge des engrenages et le niveau d’émission sonore du carter.
- La standardisation vaut tant pour les modèles parallèles que perpendicualires, qui sont encore plus critiques au niveau de la production de bruit (ref. 5).
Conception du carter
Matériau
L’utilisation de fonte comme matériau pour le carter offre des avantages considérables à cause des qualités amortissantes de la fonte en comparaison à l’acier. La flexibilité de conception des parties en fonte permet en outre d’intégrer l’expérience acquise des études détaillées telles qu’effectuées par l’analyse modale des déformations des carters et l’analyse d’intensité pour une émission sonore minimale (ref. 4).
Résistance aux forces externes
Les forces externes peuvent faire fléchir le carter et causer un bruit et des vibrations excessifs. Le concepteur doit en tenir compte et minimiser la flexion qui déforme les profils de contact des engrenages. A titre d’exemple, le schéma 4 montre une analyse détaillée par élément fini d’un carter de réducteur (comme montré au schéma 3) utilisé par exemple comme commande de mélangeuse, où l’arbre basse vitesse supporte souvent des forces externes importantes et variables. Le concept est destiné à limiter les déformations au côté externe (coussinet de montage) du réducteur, plutôt que de déformer les parties internes du carter.
Geometrie de l’engrenage
Macrogéométrie optimisée
Pour en revenir aux schémas 2 ou 3, il est clair que la présence de l’extension d’arbre différencie les pignons arbrés intégraux haute vitesse des pignons arbrés intégraux à vitesse intermédiaire. La standardisation entre les pignons arbrés haute vitesse et vitesse intermédiaire étant donc possible, le concepteur a une opportunité unique d’optimiser les paramètres des engrenages comme module, largeur de face, angle d’inclinaison de l’hélice ou niveau de recouvrement d’une manière différente suivant les divers besoins du marché. En effet, les besoins du marché pour les jeux d’engrenages haute vitesse et basse vitesse diffèrent comme suit:
- Le jeu d’engrenages basse vitesse, étant le plus grand jeu d’engrenages et de ce fait le plus grand facteur de coût au niveau du réducteur, doit être conçu pour une couple maximum en vue d’obtenir le coût le moins élevé pour un niveau de couple donné.
- Les jeux d’engrenages haute vitesse, comme principale source de vibration et de bruit, doivent être optimisés pour une production sonore minimale, puisque:
- pour une erreur de transmission donnée, plus la vitesse de rotation est élevée, plus les vibrations générées sont élevées
- l’oreille humaine est moins sensible aux très basses fréquences, ainsi qu’il ressort du spectre pondéré ‘A’. Les fréquences les plus perturbantes résultent typiquement des fréquences et harmonies d’engrenage des jeux d’engrenages à vitesse plus élevée.
Il en va a fortiori de même pour les jeux d’engrenages coniques qui, étant toujours les jeux d’engrenages haute vitesse dans les réducteurs perpendiculaires, hormis l’effet bénéfique d’être rectifié (ref. 1), doivent aussi être optimisé au niveau de la réduction de production sonore.
Microgéométrie: le quatrième niveau
Les engrenages de pointe sont corrigés au niveau de la flexion par l’application de modifications de profil et d’inclinaison. Des techniques de rectification avancées permettent de réaliser des corrections telles que calculées au moyen de logiciel d’analyse de contact des dents (Tooth Contact Analysis - TCA) , comme développé entre autres par Gleason ou l’Institut de Recherche WZL - TH d’Aix-la-Chapelle pour engrenages coniques. Toutefois, comme les fléchissements sont proportionnels à la charge, les modifications appliquées ne sont optimales que pour une situation de charge donnée. Prenons la correction du dégagement de l’extrémité comme un exemple (schéma 5). Cette correction est la quantité qu’il convient d’enlever de l’extrémité de l’engrenage accouplé en vue d’éviter, du fait de la déformation sous charge, des intérférences avec le pignon d’entraînement. Le dégagement de l’extrémité appliqué n’est toutefois optimal que pour une seule situation de charge. Pour d’autres charges, le dégagement sera moins qu’optimal, résultant soit en une réduction du profil actif soit en une interférence au niveau de l’extrémité. Quantité de réducteurs sont toutefois soumis à une variété de charges. Le schéma 6 représente la quantité de dégagement de l’extrémité nécessaire par rapport à une variation donnée des conditions de charge pour un concept à faible et à haute rigidité. La rigidité élevée du système d’engrenages telle que discutée ci-dessus, a un double inconvénient, démontrant à nouveau à quel point la rigidité est la clé au niveau de la conception:
- Le niveau des corrections nécessaires est inférieur; par conséquent, il y aura moins de réduction du profil actif sous des conditions faibles de charge.
- Pour un spectre de charge donné, la dévitation principale de la correction optimale est bien inférieure.
Une autre approche additionnelle pour minimiser l’effet d’un spectre de charge sur le son produit est illustré au schéma 7. En appliquant une géométrie de dégagement de l’extrémité modifiée, possible grâce à l’utilisation des équipements de fabrication les plus modernes, le profil actif augmente graduellement lorsque la charge augmente. Par conséquent, les spécifications sonores peuvent être maintenues pour une plus grande plage de puissances absorbées plutôt que seulement pour la puissance de conception du réducteur. Les mêmes principes sont aussi appliqués pour les jeux d’engrenages coniques, ainsi qu’illustré dans la référence 1, traitant du niveau de bruit mesuré d’un réducteur donné pour une diversité de charges.
Resultats
Le schéma 8 montre les niveaux de puissance sonore générés par une gamme de réducteurs à engrenages industriels standard, conçu selon les principes énoncés ci-dessus. Les niveaux sonores, indiquant des valeurs maximales plutôt que moyennes, sont dérivés d’expériences portant sur une variété de réducteurs standard, parallèles et perpendiculaires dans une plage de charge située entre 10 et 750 kW, sans modifications spéciales. Les essais ont été effectués sur des bancs d’essais internes (schéma 9), au moyen de l’analyse d’intensité.
L’axe horizontal montre la puissance absorbée, l’axe vertical montre le niveau de pression sonore correspondant.
Conclusion
Le comportement sonore silencieux des réducteurs industriels standard devient un critère de sélection important pour le client, même dans des secteurs d’activités qui étaient généralement considérés comme ‘industrie lourde’. De même les niveaux sonores acceptés diminuent constamment. Les outils de pointe pour la fabrication de carters et d’engrenages permettent de répondre et même de surpasser les attentes des clients. Ceci implique toutefois qu’un certain nombre de décisions conceptuelles bien réfléchies soient prises dès la phase de conception. La stratégie de la “Conception silencieuse” a été illustrée en décrivant cette série de décisions comme fixées dans une gamme de réducteurs à engrenages industriels standard. Les résultats démontrent que l’approche est fructueuse.
Références:
1. Eric Neyrinck - Roland Boudry: “Ground bevel gears: distinctive benefits for the user of industrial gear drives”: 3rd world congress on gearing and power transmissions - 12 to 14 Feb. 1992
2. Roland Boudry: Kegeldtandflankslijpmachine WIENER type W800 CNC-SKN: De Technische Weergalm - 1989
3. Roland Boudry: Mesure électronique de l’erreur cinématique: Technique & Management - Janvier 1990
4. Louis De Wachter - Leo Janssen: Acoustic intensity measurements in aid of the design of gear casings for minimal noise radiation: 2nd world congress on gearing, March 3-4-5 1986
5. VDI 2159: Emissionskennwerte technischer Schallquellen - Getriebegeräusche - Sept. 1983
