De nombreuses parties deles nouveaux engrenages réducteurs d'énergieetengrenages automobilesLe projet exige un grenaillage après la rectification des engrenages, ce qui détériore la qualité de la surface des dents et affecte les performances NVH du système. Cet article étudie la rugosité de surface des dents sous différentes conditions de grenaillage et sur différentes pièces avant et après grenaillage. Les résultats montrent que le grenaillage augmente la rugosité de surface des dents, laquelle est influencée par les caractéristiques des pièces, les paramètres du procédé de grenaillage et d'autres facteurs. Dans les conditions de production par lots actuelles, la rugosité de surface maximale des dents après grenaillage est 3,1 fois supérieure à celle avant grenaillage. L'influence de la rugosité de surface des dents sur les performances NVH est analysée, et des mesures pour améliorer la rugosité après grenaillage sont proposées.

Dans ce contexte, cet article aborde les trois aspects suivants :

Influence des paramètres du procédé de grenaillage sur la rugosité de la surface des dents ;

Le degré d'amplification du grenaillage sur la rugosité de la surface des dents dans les conditions du processus de production par lots existant ;

Impact de l'augmentation de la rugosité de la surface des dents sur les performances NVH et mesures pour améliorer la rugosité après grenaillage.

Le grenaillage consiste à projeter de nombreux projectiles de petite taille, très durs et se déplaçant à grande vitesse, sur la surface de pièces. Sous l'effet de l'impact, des piqûres se forment à la surface, induisant une déformation plastique. Les structures environnantes résistent à cette déformation et génèrent des contraintes résiduelles de compression. Le chevauchement de ces piqûres crée une couche uniforme de contraintes résiduelles de compression à la surface de la pièce, améliorant ainsi sa résistance à la fatigue. Selon le mode de projection des projectiles, on distingue généralement le grenaillage par air comprimé et le grenaillage par centrifugation, comme illustré sur la figure 1.

Le grenaillage à air comprimé utilise l'air comprimé comme force motrice pour projeter les billes à l'aide d'un pistolet. Le grenaillage centrifuge, quant à lui, utilise un moteur pour entraîner la rotation à grande vitesse d'une turbine et ainsi projeter les billes. Les principaux paramètres du grenaillage sont la résistance à la saturation, le taux de couverture et les propriétés du milieu de grenaillage (matériau, taille, forme, dureté). La résistance à la saturation caractérise la résistance du grenaillage et est exprimée par la hauteur de l'arc (c'est-à-dire le degré de flexion de l'éprouvette Almen après grenaillage). Le taux de couverture correspond au rapport entre la surface recouverte par le creux après grenaillage et la surface totale grenaillée. Les milieux de grenaillage couramment utilisés comprennent les billes d'acier découpées au fil, les billes d'acier moulé, les billes de céramique, les billes de verre, etc. La taille, la forme et la dureté des milieux de grenaillage varient. Les exigences générales du procédé pour les pièces d'arbres de transmission sont présentées dans le tableau 1.

La pièce testée est la roue dentée intermédiaire 1/6 d'un projet hybride. La structure de la roue dentée est illustrée à la figure 2. Après rectification, la microstructure de la surface de la dent est de classe 2, la dureté superficielle est de 710 HV30 et la profondeur de la couche durcie effective est de 0,65 mm, valeurs conformes aux exigences techniques. La rugosité de la surface de la dent avant grenaillage est présentée dans le tableau 3 et la précision du profil de la dent dans le tableau 4. On constate que la rugosité de la surface de la dent avant grenaillage est satisfaisante et que le profil de la dent est régulier.

Plan de test et paramètres de test

Une machine de grenaillage à air comprimé est utilisée lors de l'essai. Compte tenu des conditions expérimentales, il est impossible de vérifier l'influence des propriétés du milieu de grenaillage (matériau, granulométrie, dureté). Par conséquent, les propriétés de ce milieu sont maintenues constantes. Seul l'impact de la saturation et du taux de recouvrement sur la rugosité de la surface de la dent après grenaillage est étudié. Le schéma de l'essai est présenté dans le Tableau 2. La détermination des paramètres d'essai se déroule comme suit : la courbe de saturation (Figure 3) est tracée à l'aide d'un essai sur éprouvette Almen afin de déterminer le point de saturation, et ainsi fixer la pression de l'air comprimé, le débit de grenaille d'acier, la vitesse de déplacement de la buse, la distance buse-pièce et les autres paramètres de l'équipement.

résultat du test

Les données relatives à la rugosité de surface des dents après grenaillage sont présentées dans le tableau 3, et la précision du profil des dents dans le tableau 4. On constate que, pour les quatre conditions de grenaillage, la rugosité de surface des dents augmente et le profil des dents devient concave et convexe après le traitement. Le rapport entre la rugosité après grenaillage et la rugosité avant grenaillage permet de caractériser l'amplification de la rugosité (tableau 3). On observe que cette amplification varie selon les quatre conditions de traitement.

Suivi par lots de l'augmentation de la rugosité de surface des dents par grenaillage

Les résultats des tests présentés dans la section 3 montrent que la rugosité de surface des dents augmente à des degrés divers après grenaillage, selon différents procédés. Afin de mieux comprendre l'effet du grenaillage sur la rugosité de surface des dents et d'accroître le nombre d'échantillons, 5 articles, 5 types différents et un total de 44 pièces ont été sélectionnés pour suivre l'évolution de leur rugosité avant et après grenaillage, dans les conditions d'un procédé de grenaillage en production par lots. Le tableau 5 présente les informations physico-chimiques et les détails du procédé de grenaillage des pièces analysées après rectification des engrenages. Les données de rugosité et d'agrandissement des surfaces avant et arrière des dents avant grenaillage sont illustrées sur la figure 4. Cette figure montre que la rugosité de surface des dents avant grenaillage se situe entre 1,6 µm et 4,3 µm (Rz). Après grenaillage, la rugosité augmente et se situe entre 2,3 µm et 6,7 µm (Rz). La rugosité maximale peut être multipliée par 3,1 par rapport à celle avant grenaillage.

Facteurs influençant la rugosité de la surface des dents après grenaillage

Le principe du grenaillage montre que la dureté élevée et la vitesse importante des billes créent d'innombrables piqûres à la surface de la pièce, générant des contraintes de compression résiduelles. Ces piqûres augmentent inévitablement la rugosité de surface. Les caractéristiques des pièces avant grenaillage et les paramètres du procédé influencent la rugosité après grenaillage, comme indiqué dans le tableau 6. Dans la section 3 de cet article, nous avons montré que, pour quatre conditions de procédé, la rugosité de surface des dents augmente à des degrés divers après grenaillage. Ce test, basé sur deux variables (la rugosité avant grenaillage et les paramètres du procédé, tels que la force de saturation ou le taux de recouvrement), ne permet pas de déterminer précisément la relation entre la rugosité après grenaillage et chaque facteur pris individuellement. De nombreux chercheurs se sont penchés sur cette question et ont proposé un modèle théorique de prédiction de la rugosité de surface après grenaillage, basé sur la simulation par éléments finis. Ce modèle permet de prédire les valeurs de rugosité correspondantes pour différents procédés de grenaillage.

En s'appuyant sur l'expérience acquise et les travaux d'autres chercheurs, il est possible de dégager les modes d'influence de divers facteurs, comme illustré dans le tableau 6. On constate que la rugosité après grenaillage est fortement influencée par de nombreux facteurs, qui sont également des facteurs clés affectant les contraintes de compression résiduelles. Afin de réduire la rugosité après grenaillage tout en garantissant un niveau de contraintes de compression résiduelles adéquat, de nombreux essais de procédé sont nécessaires pour optimiser en continu la combinaison des paramètres.

Influence de la rugosité de la surface des dents sur les performances NVH du système

Les engrenages font partie du système de transmission dynamique, et la rugosité de surface des dents influe sur leurs performances NVH (bruit, vibrations et dureté). Les résultats expérimentaux montrent qu'à charge et vitesse égales, plus la rugosité de surface est importante, plus les vibrations et le bruit du système sont élevés ; et lorsque la charge et la vitesse augmentent, ces vibrations et ce bruit augmentent de façon encore plus marquée.

Ces dernières années, les projets de réducteurs de nouvelle génération ont connu une croissance rapide, témoignant d'une tendance au développement de vitesses élevées et de couples importants. Actuellement, notre réducteur de nouvelle génération développe un couple maximal de 354 N·m et une vitesse maximale de 16 000 tr/min, valeurs qui seront portées à plus de 20 000 tr/min dans le futur. Dans ces conditions de fonctionnement, l'influence de l'augmentation de la rugosité de surface des dents sur les performances NVH (bruit, vibrations et dureté) du système doit être prise en compte.

Mesures d'amélioration de la rugosité de la surface des dents après grenaillage

Le grenaillage après rectification des engrenages permet d'améliorer la résistance à la fatigue de contact de la surface des dents et la résistance à la fatigue en flexion du pied de dent. Si ce procédé est indispensable lors de la conception des engrenages pour des raisons de résistance, et afin d'optimiser les performances NVH (bruit, vibrations et dureté) du système, la rugosité de la surface des dents après grenaillage peut être améliorée selon les aspects suivants :

a. Optimiser les paramètres du grenaillage et contrôler l'amplification de la rugosité de surface des dents après grenaillage, tout en garantissant les contraintes de compression résiduelles. Ceci nécessite de nombreux essais et la flexibilité du procédé est limitée.

b. Le procédé de grenaillage composite est utilisé : après un grenaillage de résistance normale, une seconde étape de grenaillage est effectuée. L’augmentation de résistance obtenue par ce second grenaillage est généralement faible. Le type et la granulométrie des billes peuvent être ajustés ; on peut par exemple utiliser des billes de céramique, de verre ou des billes d’acier coupées de petite taille.

c. Après le grenaillage, des procédés tels que le polissage de la surface des dents et le rodage libre sont ajoutés.

Dans cet article, la rugosité de la surface des dents est étudiée dans différentes conditions de grenaillage et sur différentes parties avant et après grenaillage, et les conclusions suivantes sont tirées de la littérature :

◆ Le grenaillage augmentera la rugosité de la surface de la dent, qui est affectée par les caractéristiques des pièces avant le grenaillage, les paramètres du processus de grenaillage et d'autres facteurs, et ces facteurs sont également les facteurs clés affectant la contrainte de compression résiduelle ;

◆ Dans les conditions du processus de production par lots existant, la rugosité maximale de la surface de la dent après grenaillage est 3,1 fois supérieure à celle avant grenaillage ;

◆ L'augmentation de la rugosité de la surface des dents accroît les vibrations et le bruit du système. Plus le couple et la vitesse sont élevés, plus l'augmentation des vibrations et du bruit est marquée ;

◆ La rugosité de la surface de la dent après grenaillage peut être améliorée en optimisant les paramètres du processus de grenaillage, en effectuant un grenaillage composite, en ajoutant un polissage ou un rodage libre après le grenaillage, etc. L'optimisation des paramètres du processus de grenaillage devrait permettre de limiter l'amplification de la rugosité à environ 1,5 fois.