Comment fonctionne l'équipement
Les engrenages sont utilisés dans une large gamme d'appareils mécaniques. Ils effectuent un certain nombre de tâches importantes, mais surtout, ils fournissent une réduction de vitesse pour les équipements motorisés. Ceci est essentiel car généralement, les petits moteurs qui tournent très rapidement peuvent fournir suffisamment de puissance pour l'appareil, mais pas assez de couple. Par exemple, la démultiplication d'une visseuse électrique est très importante car elle demande beaucoup de couple pour faire tourner la vis, mais le moteur produit très peu de couple à haute vitesse. En réduisant la vitesse, la vitesse de sortie peut être réduite tout en augmentant le couple.
Une autre chose que fait un engrenage est d'ajuster le sens de rotation. Dans un différentiel entre les roues arrière d'une voiture, par exemple, la puissance est transmise par un arbre qui longe le centre de la voiture, et le différentiel doit faire pivoter la puissance de 90 degrés pour l'appliquer aux roues.
Il existe de nombreuses subtilités avec différents types d'engrenages. Dans cet article, nous apprendrons exactement comment fonctionnent les dents des engrenages et nous discuterons des différents types d'engrenages que vous trouverez dans divers gadgets mécaniques.
Sur n'importe quel engrenage, le rapport est déterminé par la distance entre le centre de l'engrenage et le point de contact. Par exemple, dans un appareil à deux engrenages, si l'un a deux fois le diamètre de l'autre, le rapport est de 2:1.
L'un des types d'engrenages les plus primitifs que nous pouvons voir est une roue avec une pointe en bois qui dépasse.
Le problème avec ces engrenages est que lorsqu'ils tournent, la distance entre le centre de chaque engrenage et le point de contact change. Cela signifie que le rapport de démultiplication change lorsque les engrenages tournent, ce qui signifie que la vitesse de sortie changera également. Si vous utilisez des vitesses comme celle-ci dans une voiture, il est impossible de maintenir une vitesse constante -- vous accélérez et ralentissez constamment.
De nombreux engrenages modernes utilisent des formes de dents spéciales appelées développantes. Le profil a la propriété très importante de maintenir un rapport de vitesse constant entre les deux engrenages. Tout comme la roue à clous ci-dessus, le point de contact se déplace ; Mais la forme des dents en développante compense ce mouvement. Voir cette section pour plus d'informations.
Examinons maintenant différents types d'engrenages.
Les engrenages droits sont le type d'engrenage le plus courant. Ils ont des dents droites et sont montés sur des axes parallèles. Parfois, de nombreux engrenages droits sont utilisés en même temps pour produire une très grande réduction de vitesse.
Les engrenages droits sont utilisés dans de nombreux appareils que l'on trouve partout chez HowStuffWorks, tels que les tournevis électriques, les monstres dansants, les arroseurs oscillants, les réveils à remontage automatique, les machines à laver et les sèche-linge. Mais vous n'en trouverez pas beaucoup dans votre voiture.
C'est parce que les engrenages droits peuvent être très bruyants. Chaque fois qu'une dent d'engrenage s'engage avec une dent d'un autre engrenage, ces dents entreront en collision et cette collision produira du bruit. Cela augmente également la contrainte sur les dents de l'engrenage.
La plupart des engrenages des voitures sont hélicoïdaux afin de réduire le bruit et la pression.
Les dents d'un engrenage hélicoïdal forment un angle avec la surface de l'engrenage. Lorsque deux dents d'un système d'engrenage hélicoïdal s'engagent, le contact commence à une extrémité de la dent et s'étend progressivement à mesure que l'engrenage tourne jusqu'à ce que les deux dents soient complètement engagées.
Cet engagement progressif permet aux engrenages hélicoïdaux de fonctionner plus facilement et plus silencieusement que les engrenages droits. Par conséquent, presque toutes les transmissions automobiles utilisent des engrenages hélicoïdaux.
En raison des angles des dents sur les engrenages hélicoïdaux, ils génèrent des charges de poussée sur les engrenages lorsqu'ils sont engagés. L'équipement qui utilise des engrenages hélicoïdaux a des roulements qui peuvent supporter cette charge de poussée.
L'une des choses intéressantes à propos des engrenages hélicoïdaux est que si les dents de l'engrenage sont correctement inclinées, elles peuvent être montées sur l'axe vertical pour régler l'angle de rotation à 90 degrés.
Les engrenages coniques sont utiles lorsqu'il est nécessaire de changer le sens de rotation de l'arbre. Ils sont généralement montés sur des arbres à 90 degrés l'un de l'autre, mais peuvent également être conçus pour fonctionner à d'autres angles.
Les dents des engrenages coniques peuvent être droites, hélicoïdales ou hypoïdes. Les dents d'engrenage conique droit ont en fait le même problème que les dents d'engrenage droit -- lorsque chaque dent s'engrène, elle frappe la dent correspondante en même temps.
Tout comme les engrenages droits, la solution à ce problème consiste à plier les dents de l'engrenage. Ces dents hélicoïdales s'engagent comme des dents hélicoïdales : le contact commence à une extrémité de l'engrenage et s'étend progressivement à toute la dent.
Dans les engrenages coniques droits et hélicoïdaux, les arbres doivent être perpendiculaires les uns aux autres, mais ils doivent également être dans le même plan. Si vous prolongez les deux arbres hors de l'engrenage, ils se croiseront. Les engrenages hypoïdes, en revanche, peuvent engager des arbres dans différents plans.
Cette fonctionnalité est utilisée dans de nombreux différentiels automobiles. La couronne dentée et le pignon d'entrée du différentiel sont hypoïdes. Cela permet au pignon d'entrée d'être monté sous l'axe de la couronne. Étant donné que l'arbre de transmission de la voiture est relié au pignon d'entrée, cela abaisse également l'arbre de transmission. Cela signifie que l'arbre de transmission n'empiète pas trop sur l'habitacle de la voiture, libérant ainsi plus d'espace pour les personnes et le chargement.
Engrenages à crémaillère et pignon
La crémaillère et le pignon sont utilisés pour convertir la rotation en mouvement linéaire. Le système de direction de nombreuses voitures en est un bon exemple. Le volant fait tourner les engrenages qui engagent la crémaillère. Lorsque l'engrenage tourne, il fait glisser la crémaillère vers la droite ou vers la gauche, selon la façon dont vous tournez la roue.
Certaines balances utilisent également une crémaillère et un pignon pour faire tourner un cadran qui indique votre poids.
Engrenages planétaires et rapports d'engrenage
Tout train planétaire comporte trois composants principaux :
L'engrenage solaire
Engrenages planétaires et crémaillères planétaires
Couronne dentée
Chacun de ces trois composants peut être une entrée, une sortie ou peut rester immobile. Quelle partie est choisie pour jouer quel rôle détermine le rapport d'engrenage du train d'engrenages. Regardons les ensembles d'engrenages planétaires individuels.
L'un des ensembles d'engrenages planétaires de notre transmission a une couronne de 72 dents et une roue solaire de 30 dents. Nous pouvons obtenir de nombreux rapports de démultiplication différents à partir de cet ensemble d'engrenages.
De plus, le verrouillage de deux des trois composants ensemble verrouille l'ensemble de l'appareil à une réduction de vitesse de 1:1. Notez que le premier rapport de vitesse indiqué ci-dessus est une décélération -- la vitesse de sortie est plus lente que la vitesse d'entrée. La seconde est overdrive -- la sortie est plus rapide que l'entrée. Et puis finalement ça redescend, mais la sortie va dans le sens opposé. Il existe plusieurs autres rapports pour ce train planétaire, mais ce sont les rapports associés à nos transmissions automatiques. Vous pouvez les essayer dans l'animation ci-dessous :
Ainsi, cet ensemble d'engrenages peut produire tous ces rapports d'engrenage différents sans engager ou désengager d'autres engrenages. En utilisant successivement deux de ces ensembles d'engrenages, nous pouvons obtenir les quatre vitesses avant et une marche arrière nécessaires à la transmission. Nous allons assembler les deux ensembles d'engrenages dans la section suivante.
