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Documents techniques G.M. 1 ENGRENAGES - GENERALITES Ci-dessous des courbes présentes dans la théorie et la pratique des roues dentées, ou encore dans les mécanismes à came. Cycloïde (normale, à points de rebroussement) C'est la courbe décrite par un point M d'un cercle de rayon R qui roule sans glisser sur une droite. La courbe est périodique de période R 2 . Un point M est défini par : cos 1 R y sin R x étant l'angle IOM. C'est Galilée qui a donné son nom à cette courbe que Roberval voulait appeler "trocoïde" et Pascal "roulette". Cycloïde raccourcie points d'inflexion) En posant R OM avec 1 un point M de cette courbe est défini par : cos 1 R y sin R x Cycloïde allongée ou trochoïde En posant R OM avec 1 un point M de cette courbe est défini par cos 1 R y sin R x Néphroïde (épicycloïde à 2 rebroussements) Si l'on fait rouler sur un cercle un autre cercle de rayon moitié, un point de ce dernier cercle décrit une courbe du sixième ordre unicursale. Les équations paramétriques sont par exemple : 3 cos cos 3 a y 3 sin sin 3 a x L'équation cartésienne est : 2 4 3 2 2 2 x a 108 a 4 y x Cette courbe appelée parfois épicycloïde de Huygens a été considérée en effet par ce savant en 1670. Il l'a rencontrée dans des études de caustiques par réflexion. Le nom de néphroïde lui a été donné par l’anglais Proctor en 1878.

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Page 1: Documents techniques G.M. ENGRENAGES - GENERALITES

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ENGRENAGES - GENERALITES

Ci-dessous des courbes présentes dans la théorie et la pratique des roues dentées,

ou encore dans les mécanismes à came.

Cycloïde (normale, à points de rebroussement)

C'est la courbe décrite par un point M d'un cercle de rayon R qui roule sans glisser sur une

droite. La courbe est périodique de

période R2 . Un point M est défini par :

cos1Ry

sinRx étant l'angle IOM.

C'est Galilée qui a donné son nom à

cette courbe que Roberval voulait

appeler "trocoïde" et Pascal "roulette".

Cycloïde raccourcie (à points

d'inflexion)

En posant ROM avec 1 un

point M de cette courbe est défini par :

cos1Ry

sinRx

Cycloïde allongée ou trochoïde

En posant ROM avec 1 un point M

de cette courbe est défini par

cos1Ry

sinRx

Néphroïde (épicycloïde à 2 rebroussements)

Si l'on fait rouler sur un cercle un autre cercle de rayon

moitié, un point de ce dernier cercle décrit une courbe du

sixième ordre unicursale.

Les équations paramétriques sont par exemple :

3coscos3ay

3sinsin3ax

L'équation cartésienne est : 243222 xa108a4yx

Cette courbe appelée parfois épicycloïde de Huygens a

été considérée en effet par ce savant en 1670. Il l'a

rencontrée dans des études de caustiques par réflexion.

Le nom de néphroïde lui a été donné par l’anglais Proctor

en 1878.

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Epicycloïde Hypocycloïde

Le cercle roulant est à l'extérieur du cercle de base Le cercle roulant est à l'intérieur du cercle de base

L'épicycloïde, ou l'hypocycloïde, est transcendante si r est incommensurable avec R. Ici 37rR

Astroïde (Hypocycloïde à 4 rebroussements) Hypocycloïde à 3 rebroussements

C'est une unicursale du sixième ordre, enveloppe des positions Le cercle roulant est à l'intérieur, et trois fois plus petit

d'un segment de longueur fixe dont les extrémités décrivent que le cercle de base. C'est une quartique unicursale.

les deux axes de coordonnées. Forme paramétrique : Sous forme paramétrique on a :

3

3

sinay

cosax forme cartésienne :

2sinsin2ay3

2coscos2ax3 et en cartésien :

32

32

32

ayx ou bien 0yxa27ayx2223222 0ayxa6xyax8yx3

422222222

Cette courbe a été étudiée par de nombreux géomètres et En 1745, Euler, en étudiant un problème de réflexion

en particulier par Jean Bernoulli. de rayons lumineux, a rencontré cette courbe, retrou-

vée plus tard par Steiner (1745).

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Spirale d'Archimède : courbe obtenue par un

point extérieur à une droite qui roule sans

glisser sur un cercle.

Equation générale : a

Développantes

Développante d'un contour polygonal Deux développantes d'une courbe C

Développante de cercle

Un point d'une droite qui roule sans glisser sur un cercle décrit une développante de ce cercle.

La définition paramétrique est :

cossinRy

sincosRx

Cette courbe a été envisagée par Huygens en 1693.

Cette courbe a été choisie comme forme du profil des dents d'une roue dentée car elle

découle directement du principe de transmission issu lui-même des roues de friction. Elle

présente des avantages nets par rapport à d'autres courbes (comme des arcs de cycloïde)

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Illustration de l'obtention du profil en développante (taillage par crémaillère)

La crémaillère (dotée d’arêtes coupantes car c’est l’outil de coupe) possède un mouvement

rectiligne alternatif, de direction perpendiculaire à cette feuille.

pignon

crémaillère

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SYSTEMES EPICYCLOIDAUX

ou TRAINS PLANETAIRES

Des groupes de roues dentées sont appelés ainsi, lorsqu'une roue, au moins, possède deux

mouvements de rotation simultanés :

- l’un autour de son propre axe de rotation,

- l’autre autour d'un axe parallèle ou perpendiculaire au précédent.

Ceci suppose la présence d'une pièce appelée porte-satellite, animée elle-même d'un

mouvement de rotation.

La roue ayant les deux rotations s'appelle le satellite. Les roues qui sont en prise avec lui sont

les planétaires. Un point du satellite décrit une épicycloïde par rapport au planétaire central et

une hypocycloïde par rapport au planétaire couronne.

Si les roues sont cylindriques, le train est dit plan.

Si les roues sont coniques, le train est dit sphérique.

1- Détermination de la relation dite "de Willis"

Par rapport à (2) le porte-satellites, on peut écrire :

21

24

2

2

/

/

B

A

/A

/B

Z

Z

et

24

23

2

2

/

/

D

C

/C

/D

Z

Z

En multipliant membre à membre on obtient :

DB

CA

/

/

/

/

/

/

ZZ

ZZ

21

23

24

23

21

24

mais 0203200323 ///// et 0201200121 /////

donc DB

CA

//

//

ZZ

ZZ

0201

0203 ou bien b

PSP

PSD r

avec :

D vitesse angulaire de la dernière roue du train

P vitesse angulaire de la première roue du train

PS vitesse angulaire du porte-satellites

rb raison algébrique interne ou de base du train (obtenue en immobilisant par la

pensée le porte-satellites et en libérant toutes les roues).

Caractéristiques par rapport aux trains classiques :

- possibilités de très grands rapports de vitesses,

- moins de roues dentées à rapport égal, donc encombrement réduit, compacité,

- possibilité de sommes ou différences de vitesses angulaires (différentiels),

- rendement plus élevé,

- plus coûteux.

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2- Trains sphériques

Ce sont des trains d'engrenages comportant des pignons coniques à axes généralement

orthogonaux. Ils sont, entre autres, utilisés pour l'automobile dans ce que l'on nomme les

différentiels.

La règle des contacts extérieurs ne s'applique pas ici, et il faut chercher directement sur le

schéma ou le dessin les sens de rotation.

L'engrenage 1-2 est un couple hypoïde car les axes de 1 et 3 (ou 5) ne sont pas concourants.

Les planétaires sont 3 et 5. Les satellites 4 et 6. La première roue menante du train est 3. La

dernière roue menée est 5. Le calcul donne :

5

3

5

4

4

3

Z

Z

Z

Z

Z

Zrb Les nombres de dents étant nécessairement égaux pour 3

et 5, ainsi que pour 4 et 6, on obtient alors r = -1. La relation de Willis donne :

123

25

soit 2325 enfin 020305 2 ///

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Discussion de cette relation

En ligne droite sur sol sec les deux roues ont la même vitesse, donc 235 . Les

satellites ne tournent pas autour de leur propre axe, ils se comportent comme des obstacles

vis-à-vis des deux planétaires.

En ligne courbe, la roue intérieure tourne moins vite que la roue extérieure donc 35

mais on a encore 020305 2 ///

Si une roue se trouve sur une surface à facteur de frottement voisin de zéro ( 0), alors

05 et 23 2 , donc la roue qui "patine" tourne deux fois plus vite que si les deux

roues étaient motrices.

Applications :

En automobile, permet de transmettre une puissance à deux roues qui n'ont pas la

même fréquence de rotation.

En mécanique, utilisé par exemple dans les machines à tailler les engrenages par

fraise-mère. Voir ci-dessous le montage du différentiel d'une telle machine.

Remarques :

Pour l'automobile, le couple moteur va toujours vers la roue la moins chargée, donc

celle qui a l'adhérence la plus faible.

Avec un véhicule équipé d'un différentiel classique, il est donc difficile voire impossible :

- de démarrer si l’une des deux roues motrices est sur du verglas ou du sable.

- de contrôler la trajectoire du véhicule en virage serré où la roue intérieure est

"délestée" à cause des actions d'inertie centrifuges.

- d'éliminer le danger de dérapage à grande vitesse par suite d'adhérence inégale des

roues.

Pour pallier ces inconvénients, on utilise divers mécanismes qui vont bloquer partiellement ou

totalement le train épicycloïdal. Ce sont les différentiels à glissement limité et les différentiels

autobloquants.