Les engrenages à vis sans fin sont des composants de transmission de puissance principalement utilisés comme réducteurs à rapport élevé pour modifier le sens de rotation des arbres, diminuer la vitesse et augmenter le couple entre des arbres rotatifs non parallèles. Ils sont utilisés sur des arbres dont les axes perpendiculaires ne se croisent pas. Comme les dents des engrenages engrenés glissent les unes sur les autres, les engrenages à vis sans fin sont inefficaces par rapport aux autres transmissions par engrenages. Cependant, ils peuvent produire des réductions de vitesse importantes dans des espaces très réduits et ont donc de nombreuses applications industrielles. Les engrenages à vis sans fin peuvent être classés en engrenages à simple et double enveloppe, ce qui décrit la géométrie des dents engrenées. Les engrenages à vis sans fin sont décrits ici, ainsi que leur fonctionnement et leurs applications courantes.

Engrenages à vis sans fin cylindriques

La forme de base de la vis sans fin est la crémaillère développante, qui permet de générer des engrenages droits. Les dents de la crémaillère ont des parois droites, mais lorsqu'elles sont utilisées pour générer des dents sur des ébauches d'engrenages, elles produisent la forme incurvée familière de l'engrenage droit développante. Cette forme de dent de la 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 à un angle correspondant à celui de la dent de la vis sans fin. La véritable forme d'éperon n'apparaît que dans la partie centrale de la roue, car les dents s'incurvent pour envelopper la vis sans fin. L'engrènement est similaire à celui 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 qualifiée de « gorge ».

Les vis sans fin comportent au moins un et jusqu'à quatre filets (ou plus). Chaque filet engage une dent de la roue à vis sans fin, dont le diamètre est bien plus grand que celui de la vis sans fin. Les vis sans fin peuvent tourner dans les deux sens. Les roues à vis sans fin comptent généralement au moins 24 dents, et la somme des filets de la vis sans fin et des dents de la roue doit généralement être supérieure à 40. Les vis sans fin peuvent être fabriquées directement sur l'arbre ou séparément et assemblées ultérieurement sur l'arbre.
De nombreux réducteurs à vis sans fin sont théoriquement autobloquants, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent pas être entraînés en arrière par la roue, ce qui constitue un avantage dans de nombreux cas, comme le levage. Lorsque l'entraînement en arrière est souhaité, 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 les filets de la vis sans fin (et non par leur diamètre).
La vis sans fin étant plus sujette à l'usure que la roue, des matériaux différents sont souvent utilisés pour chacune d'elles, 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 désigne la manière dont les dents de la roue s'enroulent partiellement autour de la vis sans fin, ou inversement. Cela permet d'obtenir une plus grande surface de contact. Un engrenage à vis sans fin à simple enveloppe utilise une vis sans fin cylindrique pour s'engrèner avec les dents à gorge de la roue.
Pour accroître la surface de contact des dents, la vis sans fin est parfois dotée d'une gorge en forme de sablier, épousant ainsi la courbure de la roue. Ce montage nécessite un positionnement axial précis de la vis sans fin. Les engrenages à double enveloppe sont complexes à usiner et leur utilisation est moins fréquente que celle à simple enveloppe. Les progrès de l'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 pince d'avion est généralement de conception non enveloppante.

Applications

Les réducteurs à vis sans fin sont fréquemment utilisés dans les entraînements de convoyeurs à bande, car la bande se déplace relativement lentement par rapport au moteur, ce qui justifie un rapport de réduction élevé. La résistance à l'entraînement inverse de la roue à vis sans fin peut être utilisée pour empêcher l'inversion de la bande à l'arrêt du convoyeur. Ils sont également fréquemment utilisés dans 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 est essentiellement un glissement, un peu comme un écrou sur une vis. Pour un actionneur de vanne, le cycle de service est généralement intermittent et la chaleur se dissipe probablement facilement entre les opérations peu fréquentes. Pour un entraînement de convoyeur, potentiellement en fonctionnement continu, la chaleur joue un rôle important 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 les matériaux différents de la vis sans fin et de la roue. Les carters des engrenages à vis sans fin sont souvent équipés d'ailettes de refroidissement pour dissiper la chaleur de l'huile. Le refroidissement est pratiquement illimité ; les facteurs thermiques des engrenages à vis sans fin sont donc à prendre en compte, mais ne constituent pas une limitation. Il est généralement recommandé de maintenir les huiles à une température inférieure à 93 °C pour un fonctionnement efficace de tout engrenage à vis sans fin.
Le recul 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 garantir qu'il se produise systématiquement, voire jamais, le concepteur de la vis sans fin doit choisir des angles d'hélice suffisamment raides ou peu prononcés pour neutraliser ces autres variables. Une conception prudente suggère souvent d'intégrer un freinage redondant aux entraînements autobloquants lorsque la sécurité est en jeu.
Les engrenages à vis sans fin sont disponibles sous forme de boîtiers et de trains d'engrenages. Certains modèles peuvent être équipés de servomoteurs intégrés ou de modèles à plusieurs vitesses.
Des vis sans fin de précision spéciales et des versions sans jeu sont disponibles pour les applications nécessitant des réductions de haute précision. Des versions haute vitesse sont également disponibles chez certains fabricants.