L'effet polygonal des chaînes à rouleaux et ses manifestations

L'effet polygonal des chaînes à rouleaux et ses manifestations

Dans le domaine de la transmission mécanique,chaînes à rouleauxLes chaînes à rouleaux sont largement utilisées dans les chaînes de production industrielle, les machines agricoles, l'industrie automobile, la logistique et d'autres applications grâce à leur structure simple, leur capacité de charge élevée et leur excellent rapport coût-efficacité. Cependant, lors de leur fonctionnement, un phénomène appelé « effet polygonal » affecte directement la fluidité, la précision et la durée de vie de la transmission. Il s'agit donc d'une caractéristique essentielle que les ingénieurs, les responsables des achats et les techniciens de maintenance doivent parfaitement maîtriser.

Tout d'abord, dévoiler l'effet polygonal : qu'est-ce que l'effet polygonal des chaînes à rouleaux ?

Pour comprendre l'effet polygonal, il est nécessaire de rappeler la structure de base d'une transmission par chaîne à rouleaux. Une transmission par chaîne à rouleaux se compose principalement d'un pignon menant, d'un pignon mené et de la chaîne elle-même. Lorsque le pignon menant tourne, l'engrènement de ses dents avec les maillons de la chaîne transmet la puissance au pignon mené, qui actionne les mécanismes suivants. L'« effet polygonal », également appelé « erreur d'effet polygonal », désigne le phénomène, dans une transmission par chaîne à rouleaux, où l'enroulement de la chaîne autour du pignon prend une forme polygonale. Ceci engendre des fluctuations périodiques de la vitesse instantanée de la chaîne et de la vitesse angulaire instantanée du pignon mené. Autrement dit, lorsque le pignon tourne, la chaîne n'avance pas à vitesse linéaire constante, mais plutôt, comme si elle se déplaçait le long du contour d'un polygone, sa vitesse fluctue continuellement. De même, le pignon mené tourne également à vitesse angulaire constante, mais subit des fluctuations périodiques de sa vitesse. Cette fluctuation n'est pas un dysfonctionnement mais une caractéristique inhérente à la structure de transmission par chaîne à rouleaux, mais son impact ne peut être ignoré.

Deuxièmement, remonter à l'origine : le principe de l'effet polygonal

L'effet polygonal provient des caractéristiques structurelles des chaînes à rouleaux et des pignons. Son processus de génération se comprend aisément grâce aux étapes clés suivantes :

(I) Configuration d'engrènement de la chaîne et du pignon

Lorsqu'une chaîne à rouleaux s'enroule autour d'un pignon, ce dernier étant un élément circulaire composé de plusieurs dents, l'axe de la chaîne forme, à chaque engrènement d'un maillon, une courbe fermée composée de plusieurs segments. Cette courbe ressemble à un polygone régulier (d'où le nom d'« effet polygonal »). Le nombre de côtés de ce polygone correspond au nombre de dents du pignon, et la longueur de ses côtés correspond au pas de la chaîne (la distance entre les centres de deux rouleaux adjacents).

(II) Transmission du mouvement du pignon d'entraînement

Lorsque le pignon d'entraînement tourne à une vitesse angulaire constante ω₁, la vitesse circonférentielle de chaque dent est constante (v₁ = ω₁ × r₁, où r₁ est le rayon primitif du pignon). Cependant, comme le point d'engrènement entre la chaîne et le pignon se déplace constamment le long du profil de la dent, la distance entre ce point et le centre du pignon (c'est-à-dire le rayon de braquage instantané) varie périodiquement lors de la rotation. Plus précisément, lorsque les galets de la chaîne s'insèrent parfaitement dans le fond de la gorge entre les dents du pignon, cette distance est minimale (approximativement égale au rayon de la base de la dent) ; lorsqu'ils sont en contact avec l'extrémité des dents, elle est maximale (approximativement égale au rayon de l'extrémité de la dent). Cette variation périodique du rayon de braquage instantané provoque directement des fluctuations de la vitesse linéaire instantanée de la chaîne.

(III) Fluctuation de la vitesse angulaire du pignon mené

La chaîne étant un élément de transmission rigide (considérée comme inextensible pendant la transmission), sa vitesse linéaire instantanée est directement transmise au pignon mené. La vitesse angulaire instantanée ω₂ du pignon mené, la vitesse linéaire instantanée v₂ de la chaîne et le rayon de rotation instantané r₂' du pignon mené satisfont la relation ω₂ = v₂ / r₂'.

Du fait des fluctuations de la vitesse linéaire instantanée v₂ de la chaîne, le rayon de rotation instantané r₂' au point d'engrènement sur la roue menée varie également périodiquement avec la rotation de cette dernière (selon le même principe que pour la roue menante). Ces deux facteurs contribuent à complexifier les fluctuations périodiques de la vitesse angulaire instantanée ω₂ de la roue menée, ce qui affecte la stabilité de la transmission dans son ensemble.

Troisièmement, présentation visuelle : manifestations spécifiques de l’effet polygonal

L'effet polygonal se manifeste de multiples façons dans les systèmes de transmission par chaîne à rouleaux. Il affecte non seulement la précision de la transmission, mais provoque également des vibrations, du bruit et d'autres problèmes. À long terme, il peut aussi accélérer l'usure des composants et réduire la durée de vie de l'équipement. Voici quelques manifestations spécifiques :

(1) Fluctuation périodique de la vitesse de transmission

Il s'agit de la manifestation la plus directe et fondamentale de l'effet polygonal. La vitesse linéaire instantanée de la chaîne et la vitesse angulaire instantanée du pignon mené présentent toutes deux des fluctuations périodiques lors de la rotation de ce dernier. La fréquence de ces fluctuations est étroitement liée à la vitesse de rotation du pignon et au nombre de dents : plus la vitesse du pignon est élevée et moins il y a de dents, plus la fréquence des fluctuations de vitesse est importante. De plus, l'amplitude des fluctuations de vitesse est également liée au pas de la chaîne et au nombre de dents du pignon : plus le pas de la chaîne est grand et moins il y a de dents du pignon, plus l'amplitude des fluctuations de vitesse est importante.

Par exemple, dans un système d'entraînement par chaîne à rouleaux comportant un petit nombre de dents (par exemple, z = 10) et un grand pas (par exemple, p = 25,4 mm), lorsque le pignon d'entraînement tourne à grande vitesse (par exemple, n = 1 500 tr/min), la vitesse linéaire instantanée de la chaîne peut fluctuer considérablement, provoquant des à-coups perceptibles dans le mécanisme entraîné (par exemple, bande transporteuse, broche de machine-outil, etc.), ce qui affecte sérieusement la précision de la transmission et la qualité du travail. (2) Impacts et vibrations

En raison du changement brutal de vitesse de la chaîne (d'un sens de zigzag à l'autre), des chocs périodiques se produisent lors de l'engrènement entre la chaîne et le pignon. Ces chocs sont transmis par la chaîne à des composants tels que le pignon, l'arbre et les roulements, provoquant des vibrations dans l'ensemble du système de transmission.

La fréquence de vibration est également liée à la vitesse de rotation du pignon et au nombre de dents. Lorsque cette fréquence approche ou coïncide avec la fréquence propre de l'équipement, une résonance peut se produire, amplifiant ainsi l'amplitude des vibrations. Ceci affecte non seulement le fonctionnement normal de l'équipement, mais peut également entraîner le desserrage et l'endommagement de composants, voire des accidents.

(3) Pollution sonore

Les chocs et les vibrations sont les principales causes de bruit. Lors d'une transmission par chaîne à rouleaux, le bruit est généré par l'impact de l'engrènement entre la chaîne et le pignon, le frottement entre les maillons et les vibrations transmises au châssis de l'équipement.

Plus l'effet polygonal est prononcé (par exemple, un pas plus grand, moins de dents, une vitesse de rotation plus élevée), plus l'impact et les vibrations sont importants, et plus le bruit généré est élevé. Une exposition prolongée à des niveaux sonores élevés affecte non seulement l'ouïe des opérateurs, mais perturbe également le contrôle de la production et la communication sur le site, réduisant ainsi la productivité.

(IV) Augmentation de l'usure des composants

Les charges d'impact cycliques et les vibrations accélèrent l'usure de composants tels que les chaînes à rouleaux, les pignons, les arbres et les roulements. Plus précisément :

Usure de la chaîne : L’impact augmente la contrainte de contact entre les rouleaux, les bagues et les axes de la chaîne, accélérant l’usure et allongeant progressivement le pas de la chaîne (communément appelé « allongement de la chaîne »), exacerbant encore l’effet polygonal.

Usure du pignon : Les chocs et frottements fréquents entre les dents du pignon et les rouleaux de la chaîne peuvent provoquer une usure de la surface des dents, un affûtage de la pointe des dents et des fissures à la base des dents, ce qui entraîne une réduction des performances d’engrènement du pignon.

Usure des arbres et des roulements : les vibrations et les chocs soumettent les arbres et les roulements à des charges radiales et axiales supplémentaires, accélérant l’usure des éléments roulants, des bagues intérieure et extérieure et des tourillons, réduisant ainsi la durée de vie des roulements et pouvant même provoquer la flexion de l’arbre.

(V) Efficacité de transmission réduite

Les chocs, les vibrations et les pertes par frottement supplémentaires dues à l'effet polygonal réduisent le rendement des transmissions par chaîne à rouleaux. D'une part, les fluctuations de vitesse peuvent engendrer un fonctionnement instable du mécanisme, nécessitant davantage d'énergie pour compenser les charges additionnelles induites par ces fluctuations. D'autre part, l'usure accrue augmente la résistance au frottement entre les composants, accentuant ainsi les pertes d'énergie. À long terme, cette baisse de rendement peut considérablement augmenter la consommation énergétique de l'équipement et faire grimper les coûts de production.

Quatrièmement, réponse scientifique : stratégies efficaces pour atténuer l’effet polygonal

Bien que l'effet polygonal soit une caractéristique inhérente aux transmissions par chaîne à rouleaux et ne puisse être totalement éliminé, il peut être efficacement atténué par une conception, une sélection et un entretien appropriés, améliorant ainsi la fluidité, la précision et la durée de vie du système de transmission. Les stratégies spécifiques sont les suivantes :

(I) Optimisation de la conception et de la sélection des pignons

Augmentation du nombre de dents du pignon : Tout en respectant le rapport de transmission et les contraintes d’encombrement, l’augmentation appropriée du nombre de dents du pignon permet de réduire le rapport entre le nombre de côtés et la longueur du polygone, diminuant ainsi les fluctuations du rayon de braquage instantané et minimisant de fait l’amplitude des variations de vitesse. De manière générale, le nombre de dents du pignon menant ne doit pas être trop faible (17 dents minimum sont généralement recommandés). Pour les transmissions à grande vitesse ou les applications exigeant une grande régularité, il convient de choisir un pignon avec un nombre de dents plus élevé (par exemple, 25 ou plus). Réduction des erreurs de diamètre primitif du pignon : L’amélioration de la précision d’usinage du pignon et la réduction des erreurs de fabrication et des défauts de faux-rond du diamètre primitif garantissent des variations plus régulières du rayon de rotation instantané du point d’engrènement lors de la rotation du pignon, réduisant ainsi les chocs et les vibrations.

Utilisation de pignons à profil de denture spécial : Pour les applications exigeant une transmission extrêmement fluide, on peut utiliser des pignons à profil de denture spécial (comme les pignons à denture arquée). La forme arquée des dents assure un engrènement plus régulier entre la chaîne et le pignon, réduisant ainsi les à-coups et atténuant l’effet polygonal.

(II) Sélection appropriée des paramètres de la chaîne

Réduction du pas de la chaîne : Le pas de la chaîne est un paramètre clé influençant l’effet polygonal. Plus le pas est petit, plus les côtés du « polygone » sont courts et plus les fluctuations de la vitesse linéaire instantanée de la chaîne sont faibles. Par conséquent, tout en respectant les exigences de capacité de charge, il convient de choisir des chaînes à pas réduit. Pour les applications de transmission de précision à haute vitesse, les chaînes à rouleaux à pas réduit (telles que les normes ISO 06B et 08A) sont recommandées. Choix de chaînes de haute précision : Améliorer la précision de fabrication des chaînes, notamment en réduisant l’écart de pas, le faux-rond radial des rouleaux et le jeu entre la bague et l’axe, garantit un fonctionnement plus fluide et atténue l’effet polygonal accentué par une précision insuffisante.

Utilisation de dispositifs de tension : Une configuration correcte des dispositifs de tension de chaîne (tels que les tendeurs à ressort et les tendeurs à poids) garantit que la chaîne maintient une tension appropriée, réduisant ainsi le jeu et les vibrations de la chaîne pendant le fonctionnement, atténuant ainsi l’impact et les fluctuations de vitesse causés par l’effet polygonal.

(III) Contrôle des paramètres de fonctionnement du système de transmission
Limitation de la vitesse de transmission : Plus la vitesse du pignon est élevée, plus les fluctuations de vitesse, les chocs et les vibrations dus à l’effet polygonal sont importants. Par conséquent, lors de la conception du système de transmission, la vitesse de transmission doit être limitée en fonction des spécifications de la chaîne et du pignon. Pour les chaînes à rouleaux standard, la vitesse maximale admissible est généralement indiquée dans le manuel d’utilisation et doit être strictement respectée.

Optimisation du rapport de transmission : Choisir un rapport de transmission adapté et éviter les rapports trop élevés (surtout pour les réducteurs) permet de réduire les fluctuations de la vitesse angulaire du pignon mené. Dans un système de transmission à plusieurs étages, le rapport le plus élevé doit être attribué à l’étage le plus rapide afin de minimiser l’influence de l’effet polygonal sur l’étage le plus rapide.

(IV) Renforcer l'installation et la maintenance des équipements

Vérifiez la précision de l'installation : lors de l'installation d'un système de transmission par chaîne à rouleaux, assurez-vous que l'erreur de parallélisme entre les axes des pignons menant et mené, l'erreur d'entraxe entre les deux pignons et le faux-rond de la face d'extrémité du pignon sont conformes aux tolérances. Une précision d'installation insuffisante peut aggraver le déséquilibre de charge et le mauvais engrènement entre la chaîne et le pignon, amplifiant ainsi l'effet polygonal.

Lubrification et entretien réguliers : La lubrification régulière de la chaîne et des pignons permet de réduire le frottement entre les composants, de ralentir l’usure, de prolonger leur durée de vie et d’atténuer les chocs et les vibrations. Choisissez un lubrifiant adapté (huile ou graisse) en fonction de l’environnement et des conditions d’utilisation de l’équipement, puis lubrifiez et inspectez-le aux intervalles prescrits. Remplacez rapidement les pièces usées : Si la chaîne présente un allongement important du pas (généralement supérieur à 3 % du pas initial), une usure importante des rouleaux ou une usure des dents du pignon dépassant la limite spécifiée, remplacez rapidement la chaîne ou le pignon concerné afin d’éviter que l’usure excessive des composants n’aggrave l’effet polygonal et n’entraîne une panne de l’équipement.

Cinquièmement, résumé
L'effet polygonal des chaînes à rouleaux est une caractéristique inhérente à leur structure de transmission. Il influe considérablement sur les performances et la durée de vie du système de transmission en affectant la stabilité de la vitesse de transmission, en générant des chocs, des vibrations et du bruit, et en accélérant l'usure des composants. Cependant, en comprenant parfaitement les principes et les manifestations spécifiques de l'effet polygonal et en mettant en œuvre des stratégies d'atténuation scientifiques et appropriées (telles que l'optimisation du choix des pignons et de la chaîne, le contrôle des paramètres de fonctionnement et le renforcement de l'installation et de la maintenance), nous pouvons atténuer efficacement les effets négatifs de l'effet polygonal et exploiter pleinement les avantages de la transmission par chaîne à rouleaux.