Les engrenages à vis sans fin sont des composants de transmission de puissance principalement utilisés comme réductions à rapport élevé pour changer le sens de rotation de l'arbre et pour diminuer la vitesse et augmenter le couple entre des arbres rotatifs non parallèles. Ils sont utilisés sur des arbres avec des axes perpendiculaires non sécants. Étant donné que les dents des engrenages en prise glissent les unes sur les autres, les engrenages à vis sans fin sont inefficaces par rapport aux autres entraînements par engrenages, mais ils peuvent produire des réductions de vitesse massives dans des espaces très compacts et ont donc de nombreuses applications industrielles. Essentiellement, les engrenages à vis sans fin peuvent être classés comme à simple ou double enveloppe, ce qui décrit la géométrie des dents engrenées. Les engrenages à vis sans fin sont décrits ici ainsi qu'une discussion de leur fonctionnement et de leurs applications courantes.

Engrenages à vis sans fin cylindriques

La forme de base de la vis sans fin est la crémaillère en développante par laquelle les engrenages droits sont générés. Les dents de crémaillère ont des parois droites, mais lorsqu'elles sont utilisées pour générer des dents sur des ébauches d'engrenage, elles produisent la forme de dent incurvée familière de l'engrenage droit à développante. Cette forme de dent de crémaillère s’enroule essentiellement autour du corps du ver. L'accouplement roue à vis sans fin est composé deengrenage hélicoïdaldents coupées à un angle qui correspond à l’angle de la dent du ver. La véritable forme de l'éperon ne se produit que dans la section centrale de la roue, lorsque les dents se courbent pour envelopper la vis sans fin. L'action d'engrènement est similaire à celle d'une crémaillère entraînant un pignon, sauf que le mouvement de translation de la crémaillère est remplacé par le mouvement de rotation de la vis sans fin. La courbure des dents de la roue est parfois décrite comme « à gorge ».

Les vers auront au moins un et jusqu'à quatre (ou plus) threads, ou démarrages. Chaque filetage engage une dent sur la roue à vis sans fin, qui a beaucoup plus de dents et un diamètre beaucoup plus grand que la vis sans fin. Les vers peuvent tourner dans les deux sens. Les roues à vis sans fin ont généralement au moins 24 dents et la somme des filetages de vis sans fin et des dents de roue doit généralement être supérieure à 40. Les vis sans fin peuvent être fabriquées directement sur l'arbre ou séparément et glissées sur un arbre plus tard.
De nombreux réducteurs à vis sans fin sont théoriquement autobloquants, c'est-à-dire incapables d'être entraînés en arrière par la roue à vis sans fin, un avantage dans de nombreux cas, comme le levage. Lorsque la marche arrière est une caractéristique souhaitée, la géométrie de la vis sans fin et de la roue peut être adaptée pour le permettre (nécessitant souvent plusieurs démarrages).
Le rapport de vitesse de la vis sans fin et de la roue est déterminé par le rapport entre le nombre de dents de la roue et le filetage de la vis sans fin (et non par leurs diamètres).
Étant donné que la vis sans fin subit comparativement plus d'usure que la roue, des matériaux souvent différents sont utilisés pour chacun, comme une vis sans fin en acier trempé entraînant une roue en bronze. Des roues à vis sans fin en plastique sont également disponibles.

Engrenages à vis sans fin à simple et double enveloppe

L'enveloppement fait référence à la manière dont les dents de la roue à vis sans fin s'enroulent partiellement autour de la vis sans fin ou les dents de la vis sans fin s'enroulent partiellement autour de la roue. Cela offre une plus grande zone de contact. Un engrenage à vis sans fin à enveloppe unique utilise une vis sans fin cylindrique pour engrener avec les dents à gorge de la roue.
Pour donner une surface de contact encore plus grande avec les dents, la vis sans fin elle-même est parfois rainurée, en forme de sablier, pour correspondre à la courbure de la roue à vis sans fin. Cette configuration nécessite un positionnement axial minutieux de la vis sans fin. Les engrenages à vis sans fin à double enveloppe sont complexes à usiner et voient moins d'applications que les engrenages à vis sans fin à simple enveloppe. Les progrès de l'usinage ont rendu les conceptions à double enveloppe plus pratiques que par le passé.
Les engrenages hélicoïdaux à axes croisés sont parfois appelés engrenages à vis sans fin non enveloppants. Une pince pour avion est probablement de conception non enveloppante.

Applications

Une application courante des réducteurs à vis sans fin est celle des entraînements de convoyeurs à courroie, car la courroie se déplace relativement lentement par rapport au moteur, ce qui justifie une réduction à rapport élevé. La résistance à la marche arrière à travers la roue à vis sans fin peut être utilisée pour empêcher l'inversion de la courroie lorsque le convoyeur s'arrête. D'autres applications courantes concernent les actionneurs de vannes, les vérins et les scies circulaires. Ils sont parfois utilisés pour l'indexation ou comme entraînements de précision pour les télescopes et autres instruments.
La chaleur est un problème avec les engrenages à vis sans fin, car le mouvement glisse essentiellement comme un écrou sur une vis. Pour un actionneur de vanne, le cycle de service est probablement intermittent et la chaleur se dissipe probablement facilement entre des opérations peu fréquentes. Pour un entraînement de convoyeur pouvant fonctionner en continu, la chaleur joue un rôle important dans les calculs de conception. En outre, des lubrifiants spéciaux sont recommandés pour les entraînements à vis sans fin en raison des pressions élevées entre les dents ainsi que de la possibilité de grippage entre les matériaux différents de la vis sans fin et de la roue. Les boîtiers des entraînements à vis sans fin sont souvent équipés d'ailettes de refroidissement pour dissiper la chaleur de l'huile. Presque n'importe quel niveau de refroidissement peut être obtenu, les facteurs thermiques pour les engrenages à vis sans fin sont donc un facteur à prendre en compte mais pas une limitation. Il est généralement recommandé que les huiles restent en dessous de 200°F pour que tout entraînement à vis sans fin fonctionne efficacement.
Un retour en arrière peut se produire ou non, car il dépend non seulement des angles d'hélice, mais également d'autres facteurs moins quantifiables tels que la friction et les vibrations. Pour garantir que cela se produira toujours ou ne se produira jamais, le concepteur de la vis sans fin doit sélectionner des angles d'hélice suffisamment raides ou suffisamment faibles pour remplacer ces autres variables. Une conception prudente suggère souvent d'incorporer un freinage redondant avec des entraînements autobloquants lorsque la sécurité est en jeu.
Les engrenages à vis sans fin sont disponibles à la fois sous forme d'unités logées et sous forme d'engrenages. Certaines unités peuvent être achetées avec des servomoteurs intégrés ou sous forme de conceptions à plusieurs vitesses.
Des vis sans fin de précision spéciales et des versions sans jeu sont disponibles pour les applications impliquant des réductions de haute précision. Des versions haute vitesse sont disponibles auprès de certains fabricants.