Les engrenages à vis sans fin sont des composants de transmission de puissance principalement utilisés pour réduire le rapport de réduction et inverser le sens de rotation d'un arbre, diminuant ainsi la vitesse et augmentant le couple entre des arbres non parallèles. Ils sont utilisés sur des arbres dont les axes sont perpendiculaires et non sécants. Du fait du glissement des dents les unes sur les autres, les engrenages à vis sans fin présentent un rendement inférieur à celui d'autres types de transmissions par engrenages. Cependant, ils permettent d'obtenir des réductions de vitesse importantes dans des espaces très réduits, ce qui explique leurs nombreuses applications industrielles. On distingue principalement les engrenages à vis sans fin à simple enveloppe et à double enveloppe, selon la géométrie de leurs dents en prise. Cet article décrit les engrenages à vis sans fin, leur fonctionnement et leurs applications courantes.

Engrenages à vis sans fin cylindriques

La forme de base de la vis sans fin est la crémaillère à développante qui permet de générer les engrenages cylindriques à denture droite. Les dents de la crémaillère ont des parois droites, mais lorsqu'elles sont utilisées pour générer les dents d'ébauches d'engrenages, elles produisent la forme incurvée caractéristique de l'engrenage cylindrique à denture droite. Cette forme de dent de crémaillère s'enroule autour du corps de la vis sans fin. L'accouplement roue à vis sans fin est composé deengrenage hélicoïdalLes dents sont taillées selon un angle correspondant à celui de la dent de la vis sans fin. La forme cylindrique caractéristique n'apparaît que dans la partie centrale de la roue, les dents s'incurvant pour épouser la forme de la vis sans fin. L'engrènement est similaire à celui d'une crémaillère entraînant un pignon, à ceci près 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 qualifiée de « gorge ».

Les vis sans fin possèdent au moins un et jusqu'à quatre filets (ou plus). Chaque filet s'engrène avec une dent de la roue dentée, qui compte beaucoup plus de dents et un diamètre bien supérieur à celui de la vis sans fin. Les vis sans fin peuvent tourner dans les deux sens. Les roues dentées comportent généralement au moins 24 dents, et la somme des filets de la vis sans fin et des dents de la roue est généralement supérieure à 40. Les vis sans fin peuvent être fabriquées directement sur l'arbre ou séparément et emboîtées ultérieurement sur celui-ci.
De nombreux réducteurs à vis sans fin sont théoriquement autobloquants, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas être entraînés en sens inverse par la roue dentée, un avantage dans de nombreuses applications telles que le levage. Lorsque l'entraînement en sens inverse est une caractéristique souhaitée, la géométrie de la vis sans fin et de la roue peut être adaptée pour le permettre (nécessitant souvent plusieurs amorces).
Le rapport de vitesse entre la vis sans fin et la roue est déterminé par le rapport entre le nombre de dents de la roue et le nombre de filets de la vis sans fin (et non par leurs diamètres).
Comme la vis sans fin subit une usure comparativement plus importante que la roue, on utilise souvent des matériaux différents pour chacune, par exemple une vis sans fin en acier trempé entraînant une roue en bronze. Il existe également des roues à vis sans fin en plastique.

Engrenages à vis sans fin à simple et double enveloppe

L'enveloppement désigne la manière dont les dents de la roue à vis sans fin s'enroulent partiellement autour de la vis sans fin, ou inversement. Ceci permet d'augmenter la surface de contact. Une roue à vis sans fin à simple enveloppe utilise une vis sans fin cylindrique qui s'engrène avec les dents à gorge de la roue.
Pour augmenter encore la surface de contact entre les dents, la vis sans fin est parfois chanfreinée (en forme de sablier) pour épouser la courbure de la roue dentée. Ce montage exige un positionnement axial précis de la vis sans fin. Les engrenages à double enveloppe sont complexes à usiner et moins répandus que les engrenages à simple enveloppe. Les progrès réalisés en usinage ont rendu les conceptions à double enveloppe plus pratiques qu'auparavant.
Les engrenages hélicoïdaux à axes croisés sont parfois appelés engrenages à vis sans fin non enveloppants. Une bride de serrage aéronautique est généralement de conception non enveloppante.

Applications

Les réducteurs à vis sans fin sont fréquemment utilisés pour l'entraînement des convoyeurs à bande, car la bande se déplace relativement lentement par rapport au moteur, justifiant ainsi un rapport de réduction élevé. La résistance au retour de force de la roue à vis sans fin empêche l'inversion du sens de rotation de la bande à l'arrêt du convoyeur. On les retrouve également dans les actionneurs de vannes, les vérins et les scies circulaires. Ils servent parfois à l'indexage ou comme entraînements de précision pour les télescopes et autres instruments.
La chaleur est un facteur important à prendre en compte pour les engrenages à vis sans fin, car leur mouvement repose essentiellement sur le glissement, à l'instar d'un écrou sur une vis. Pour un actionneur de vanne, le cycle de service est généralement intermittent et la chaleur se dissipe probablement rapidement entre les opérations peu fréquentes. En revanche, pour un entraînement de convoyeur, potentiellement en fonctionnement continu, la chaleur joue un rôle prépondérant dans les calculs de conception. De plus, des lubrifiants spéciaux sont recommandés pour les engrenages à vis sans fin en raison des pressions élevées entre les dents et du risque de grippage entre la vis et la roue, qui sont de matériaux différents. Les carters des engrenages à vis sans fin sont souvent équipés d'ailettes de refroidissement pour dissiper la chaleur de l'huile. Le refroidissement pouvant être optimisé, les facteurs thermiques des engrenages à vis sans fin sont à considérer, mais ne constituent pas une limitation. Il est généralement recommandé que la température des huiles reste inférieure à 93 °C (200 °F) pour un fonctionnement efficace de tout engrenage à vis sans fin.
Le phénomène de rétroaction peut se produire ou non, car il dépend non seulement des angles d'hélice, mais aussi d'autres facteurs moins quantifiables tels que le frottement et les vibrations. Pour s'assurer de son occurrence systématique ou de son absence totale, le concepteur du réducteur à vis sans fin doit choisir des angles d'hélice suffisamment aigus ou faibles pour compenser ces autres variables. Une conception prudente recommande souvent d'intégrer un freinage redondant avec des réducteurs autobloquants lorsque la sécurité est en jeu.
Les réducteurs à vis sans fin sont disponibles sous forme d'unités intégrées ou de trains d'engrenages. Certains modèles peuvent être équipés de servomoteurs intégrés ou proposés à plusieurs vitesses.
Des vis sans fin de précision spéciales et des versions sans jeu sont disponibles pour les applications exigeant une grande précision de réduction. Des versions à grande vitesse sont proposées par certains fabricants.