Relation entre le choix du pas de la chaîne à rouleaux et la vitesse

Relation entre le choix du pas de la chaîne à rouleaux et la vitesse

Dans les systèmes de transmission industrielle, le pas et la vitesse de la chaîne à rouleaux sont des variables clés qui déterminent l'efficacité de la transmission, la durée de vie des équipements et la stabilité de fonctionnement. Nombre d'ingénieurs et de responsables des achats, trop concentrés sur la capacité de charge lors de la sélection, négligent souvent l'adéquation de ces deux facteurs. Ceci entraîne une usure prématurée et la rupture de la chaîne, voire l'arrêt complet d'une ligne de production. Cet article détaille les principes fondamentaux et la relation intrinsèque entre le pas et la vitesse, et propose des méthodes de sélection pratiques pour vous aider à choisir la chaîne à rouleaux optimale pour différentes conditions d'utilisation.

I. Comprendre deux concepts fondamentaux : la définition et l’importance industrielle du pas et de la vitesse

Avant d'analyser la relation entre ces deux éléments, il est important de clarifier les définitions de base ; ceci est essentiel pour éviter les erreurs de sélection. Qu'il s'agisse de chaînes à rouleaux conformes aux normes ANSI (norme américaine), ISO (norme internationale) ou GB (norme nationale), l'impact principal du pas et de la vitesse reste le même.

1. Pas de la chaîne à rouleaux : détermine la « capacité de charge » et la « régularité de fonctionnement ».

Le pas est la dimension fondamentale d'une chaîne à rouleaux ; il correspond à la distance entre les centres de deux rouleaux adjacents (notée « p » et généralement mesurée en mm ou en pouces). Il détermine directement deux caractéristiques essentielles de la chaîne :

Capacité de charge : Un pas plus grand se traduit généralement par des composants de chaîne plus grands, comme les plaques et les axes, et une charge nominale plus élevée (statique et dynamique) pouvant être supportée, ce qui la rend adaptée aux applications intensives (telles que les machines minières et les équipements de convoyage lourds).

Fluidité de fonctionnement : Un pas plus petit réduit la fréquence d’impact lors de l’engrènement de la chaîne avec le pignon, ce qui diminue les vibrations et le bruit pendant la transmission. Cela la rend plus adaptée aux applications exigeant une grande stabilité (comme les machines-outils de précision et les équipements d’emballage alimentaire).

2. Vitesse de rotation : Détermine la « contrainte dynamique » et le « taux d’usure »

La vitesse de rotation mentionnée ici fait spécifiquement référence à la vitesse du pignon menant auquel la chaîne est reliée (notée « n » et généralement exprimée en tr/min), et non à la vitesse du pignon mené. Son impact sur la chaîne se manifeste principalement de deux manières :
Contraintes dynamiques : plus la vitesse est élevée, plus la force centrifuge générée par la chaîne en fonctionnement est importante. Cela augmente également considérablement la « charge d’impact » lors de l’engrènement des maillons de la chaîne avec les dents du pignon (un phénomène comparable à l’impact d’une voiture passant sur un dos d’âne à grande vitesse).
Taux d'usure : Plus la vitesse est élevée, plus la chaîne s'engrène avec le pignon et plus la rotation relative des rouleaux et des axes augmente. L'usure totale sur une même période augmente proportionnellement, réduisant ainsi la durée de vie de la chaîne.

II. Logique de base : Le principe de « correspondance inverse » de la hauteur et de la vitesse

Une vaste expérience industrielle a confirmé l'existence d'une relation inversement proportionnelle entre le pas et la vitesse d'une chaîne à rouleaux : plus la vitesse est élevée, plus le pas doit être petit, et inversement. Ce principe vise à équilibrer les contraintes de charge et les risques de contraintes dynamiques. On peut le décomposer en trois dimensions :

1. Fonctionnement à grande vitesse (généralement n > 1500 tr/min) : Un petit pas est essentiel.
Lorsque la vitesse de rotation du pignon d'entraînement dépasse 1 500 tr/min (comme dans le cas des ventilateurs et des petits moteurs), les contraintes dynamiques et la force centrifuge exercées sur la chaîne augmentent considérablement. L'utilisation d'une chaîne à grand pas dans ce cas peut engendrer deux problèmes critiques :

Surcharge due aux chocs : Les chaînes à grand pas possèdent des maillons plus larges, ce qui augmente la surface de contact et la force d’impact avec les dents du pignon lors de l’engrènement. Cela peut facilement provoquer un « saut de maillon » ou une « rupture de dent de pignon » à haute vitesse.

Jeu dû à la force centrifuge : les chaînes à grand pas ont un poids mort plus important, et la force centrifuge générée à haute vitesse peut entraîner le déraillement de la chaîne par rapport aux dents du pignon, provoquant un « déraillage » ou un « glissement de la transmission ». Dans les cas les plus graves, cela peut engendrer des collisions entre les machines. C’est pourquoi, pour les applications à grande vitesse, on choisit généralement des chaînes dont le pas est inférieur ou égal à 12,7 mm (1/2 pouce), comme les séries ANSI n° 40 et n° 50, ou les séries ISO 08B et 10B.

2. Applications à vitesse moyenne (généralement 500 tr/min < n ≤ 1500 tr/min) : Choisissez un pas moyen.
Les applications à vitesse moyenne sont très courantes dans le secteur industriel (convoyeurs, broches de machines-outils, machines agricoles, etc.). Il est important de trouver un équilibre entre les exigences de charge et de régularité.
Pour les charges modérées (comme les convoyeurs légers d'une puissance nominale de 10 kW ou moins), il est recommandé d'utiliser des chaînes avec un pas de 12,7 mm à 19,05 mm (1/2 pouce à 3/4 pouce), telles que les séries ANSI n° 60 et n° 80. Pour les charges plus élevées (comme les machines-outils de taille moyenne d'une puissance nominale de 10 kW à 20 kW), on peut opter pour une chaîne avec un pas de 19,05 mm à 25,4 mm (3/4 pouce à 1 pouce), comme les séries ANSI n° 100 et n° 120. Toutefois, il est indispensable de vérifier la largeur des dents du pignon afin d'éviter toute instabilité d'engrènement.

3. Fonctionnement à basse vitesse (généralement n ≤ 500 tr/min) : Une chaîne à grand pas peut être sélectionnée.

Dans des conditions de faible vitesse (comme pour les concasseurs miniers et les treuils de forte capacité), les contraintes dynamiques et la force centrifuge de la chaîne sont relativement faibles. La capacité de charge devient alors primordiale, et les avantages d'une chaîne à grand pas peuvent être pleinement exploités.
Les chaînes à grand pas offrent une plus grande résistance des composants et peuvent supporter des charges d'impact de plusieurs centaines de kN, empêchant ainsi la rupture des plaques de la chaîne et la flexion des axes sous de fortes charges.
Le faible taux d'usure à basse vitesse permet aux chaînes à grand pas de conserver une durée de vie équivalente à celle de l'équipement, évitant ainsi des remplacements fréquents (généralement tous les 2 à 3 ans). Dans ce cas, on utilise couramment des chaînes avec un pas ≥ 25,4 mm (1 pouce), telles que les séries ANSI n° 140 et n° 160, ou des chaînes renforcées à grand pas sur mesure.

III. Guide pratique : Adapter précisément la hauteur et la vitesse en 4 étapes

Une fois la théorie assimilée, il est temps de la mettre en œuvre selon des procédures standardisées. Les 4 étapes suivantes vous aideront à sélectionner rapidement une chaîne de production adaptée et à éviter les erreurs dues à une approche basée sur l'expérience :

Étape 1 : Identifier les paramètres principaux – Collecter d’abord 3 données clés

Avant de choisir une chaîne, vous devez obtenir ces trois paramètres essentiels de l'équipement ; aucun d'entre eux ne peut être omis :

Vitesse de la roue menante (n) : consultez directement le manuel du moteur ou de la partie menante. Si seule la vitesse de la roue menée est disponible, calculez-la à l’aide de la formule : « Rapport de transmission = nombre de dents de la roue menante / nombre de dents de la roue menée ».

Puissance de transfert nominale (P) : Il s’agit de la puissance (en kW) que l’équipement doit transférer en fonctionnement normal. Elle inclut les pics de charge (tels que les surtensions au démarrage, généralement calculées à 1,2 à 1,5 fois la puissance nominale).
Environnement de travail : vérifier l’absence de poussière, d’huile, de températures élevées (supérieures à 80 °C) et de gaz corrosifs. Pour les environnements difficiles, choisir des chaînes à rainures de lubrification et revêtement anticorrosion. Le pas doit être augmenté de 10 à 20 % pour compenser l’usure.

Étape 2 : Sélection préliminaire de la plage de hauteur de lancer en fonction de la vitesse
Reportez-vous au tableau ci-dessous pour déterminer la plage de pas préliminaire en fonction de la vitesse du pignon d'entraînement (en utilisant une chaîne standard ANSI comme exemple ; d'autres normes peuvent être converties en conséquence) :
Vitesse du pignon d'entraînement (tr/min) Plage de pas recommandée (mm) Série de chaînes ANSI correspondante Applications typiques
>1500 6,35-12,7 #25, #35, #40 Ventilateurs, Petits moteurs
500-1500 12,7-25,4 Convoyeurs n° 50, n° 60, n° 80, n° 100, Machines-outils
<500 25,4-50,8 #120, #140, #160 Concasseur, Élévateur

Étape 3 : Vérifier que le pas correspond à la capacité de charge en utilisant la puissance
Après la sélection préliminaire du pas, vérifiez que la chaîne peut supporter la puissance nominale à l'aide de la « Formule de calcul de puissance » afin d'éviter toute défaillance due à une surcharge. Prenons l'exemple d'une chaîne à rouleaux conforme à la norme ISO : la formule simplifiée est la suivante :
Puissance admissible transmissible par la chaîne (P₀) = K₁ × K₂ × Pₙ
Où : K₁ est le facteur de correction de vitesse (les vitesses plus élevées entraînent une diminution de K₁, qui peut être trouvé dans le catalogue de chaînes) ; K₂ est le facteur de correction des conditions de fonctionnement (0,7-0,9 pour les environnements difficiles, 1,0-1,2 pour les environnements propres) ; et Pₙ est la puissance nominale de la chaîne (qui peut être trouvée par pas dans le catalogue du fabricant).
Condition de vérification : P₀ doit respecter ≥ 1,2 × P (1,2 est le facteur de sécurité, qui peut être augmenté à 1,5 pour les scénarios à usage intensif).

Étape 4 : Ajuster le plan final en fonction de l'espace d'installation.
Si le pas initialement sélectionné est limité par l'espace d'installation (par exemple, si l'espace interne de l'équipement est trop étroit pour accueillir une chaîne à grand pas), deux ajustements peuvent être effectués :
Réduisez le pas + augmentez le nombre de rangs de chaîne : Par exemple, si vous avez initialement sélectionné un rang de pas de 25,4 mm (#100), vous pouvez passer à deux rangs de pas de 19,05 mm (#80-2), ce qui offre une capacité de charge similaire mais une taille plus petite.
Optimisez le nombre de dents du pignon : tout en conservant le même pas, l'augmentation du nombre de dents du pignon moteur (généralement à au moins 17 dents) peut réduire les à-coups lors de l'engagement de la chaîne et améliorer indirectement l'adaptabilité à haute vitesse.

IV. Erreurs courantes à éviter : Évitez ces 3 erreurs

Même après avoir maîtrisé le processus de sélection, nombreuses sont les personnes qui échouent par négligence de détails. Voici trois des idées reçues les plus courantes et leurs solutions :

Idée fausse n° 1 : Se concentrer uniquement sur la capacité de charge en ignorant l’adaptation de la vitesse

Idée fausse : Croire qu’« un pas plus grand signifie une capacité de charge supérieure » ​​conduit à choisir une chaîne à pas plus grand pour un fonctionnement à haute vitesse (par exemple, une chaîne n° 120 pour un moteur de 1 500 tr/min). Conséquences : Le niveau sonore de la chaîne dépasse 90 dB et des fissures apparaissent sur les maillons en deux à trois mois. Solution : Choisir le pas de la chaîne en fonction de la vitesse. Si la capacité de charge est insuffisante, privilégier l’augmentation du nombre de rangs plutôt que celle du pas.

Idée fausse n° 2 : Confondre la « vitesse de la poulie motrice » avec la « vitesse de la poulie menée »

Erreur fréquente : Utiliser la vitesse de la poulie menée comme critère de sélection (par exemple, si la vitesse de la poulie menée est de 500 tr/min et la vitesse réelle de la poulie motrice de 1 500 tr/min, un pas plus grand est sélectionné en se basant sur les 500 tr/min). Conséquences : Contraintes dynamiques excessives dans la chaîne, entraînant une usure prématurée des axes (usure supérieure à 0,5 mm en un mois). Solution : La vitesse de la poulie motrice doit être utilisée comme référence. En cas de doute, calculer la vitesse de la poulie motrice à partir de la vitesse du moteur et du rapport de réduction (vitesse de la poulie motrice = vitesse du moteur / rapport de réduction).

Idée fausse n° 3 : Négliger l’impact de la lubrification sur l’adaptation vitesse-hauteur

Erreur : croire qu’« un bon choix de pas suffit », négliger la lubrification ou utiliser un lubrifiant de qualité inférieure à haute vitesse. Conséquence : même avec un pas faible, la durée de vie de la chaîne peut être réduite de plus de 50 %, et un grippage par frottement à sec peut même se produire. Solution : à haute vitesse (n > 1 000 tr/min), une lubrification par goutte-à-goutte ou par bain d’huile est indispensable. La viscosité du lubrifiant doit être adaptée à la vitesse (plus la vitesse est élevée, plus la viscosité est faible).

V. Étude de cas industrielle : Optimisation de la défaillance à la stabilité

Dans une usine de pièces automobiles, une chaîne de convoyage subissait une rupture par mois. En optimisant l'adaptation du pas à la vitesse, nous avons prolongé sa durée de vie à deux ans. Voici les détails :
Plan initial : vitesse de la poulie d'entraînement 1200 tr/min, chaîne à une rangée avec un pas de 25,4 mm (#100), transmission de puissance de 8 kW, pas de lubrification forcée.
Cause de la panne : 1 200 tr/min correspond à la limite supérieure de la vitesse moyenne, et la chaîne au pas de 25,4 mm subit des contraintes dynamiques excessives à cette vitesse. De plus, le manque de lubrification entraîne une usure accélérée.
Plan d'optimisation : Réduire le pas à 19,05 mm (#80), passer à une chaîne à deux rangs (#80-2) et ajouter un système de lubrification par goutte à goutte.
Résultats de l'optimisation : le bruit de fonctionnement de la chaîne a été réduit de 85 dB à 72 dB, l'usure mensuelle a été réduite de 0,3 mm à 0,05 mm et la durée de vie de la chaîne a été prolongée de 1 à 24 mois, ce qui permet d'économiser plus de 30 000 yuans en coûts de remplacement par an.

Conclusion : L'essence de la sélection réside dans l'équilibre.
Choisir le pas et la vitesse d'une chaîne à rouleaux ne se résume pas à une simple question de « grand ou petit ». Il s'agit plutôt de trouver le juste équilibre entre capacité de charge, vitesse de fonctionnement, encombrement et coût. En maîtrisant le principe de « correspondance inversée », en l'associant à une procédure de sélection standardisée en quatre étapes et en évitant les erreurs courantes, vous pouvez garantir un système de transmission stable et durable.