Contrairement aux engrenages et arbres Lego présentés ci-dessous, la plupart des moteurs ont des arbres parfaitement ronds. Cela rend difficile la fixation des engrenages, des poulies et des pignons.
Les principales méthodes de fixation des engrenages aux arbres sont les adhésifs, le montage par pression, les trous percés en croix, la compression, les vis de réglage, les rainures de clavette, les cannelures à développante et les bagues de verrouillage coniques. La plupart des applications industrielles utiliseront des rainures de clavette et/ou des vis de réglage. Alors que les adhésifs et le montage à pression sont généralement réalisés sur des applications à faible couple ou de loisirs.
Examinons chaque méthode en pesant le pour et le contre. J'utiliserai également les termes ; engrenages, poulies, pignons et cames, de manière interchangeable, car cet article traite de la façon dont l'appareil est monté, et non de ce qu'il fait.
Adhésifs
Les adhésifs sont principalement utilisés dans les applications de loisirs avec des engrenages en plastique. Non seulement parce que les engrenages en plastique ne peuvent pas supporter un couple important, mais aussi parce que les arbres restent de petit diamètre.
À mesure que le diamètre de l'arbre augmente, la résistance relative du joint de colle et la résistance de l'arbre sont égales à environ 3/16″ (5 mm) lors de l'utilisation d'une résistance de colle conservatrice de 1 000 psi (7 N/mm) et d'un arbre en acier C1018 ( 54 ksi, 370 MPa).
Conclusion : l'utilisation de colles est un bon choix pour les petits arbres
Comme mentionné, la plupart des fabricants d'adhésifs annoncent une résistance au cisaillement d'au moins 1 000 psi et certains pouvant atteindre 3000+ psi. Un test de cisaillement par recouvrement est effectué en fixant deux longues barres minces ensemble avec de la colle sur une zone mesurable. Les extrémités des barres sont écartées jusqu'à rupture. La force est divisée par la surface et le résultat est la résistance au cisaillement par recouvrement.
Je conçois généralement ici en fonction du faible nombre de résistance au cisaillement annoncé, car de nombreux facteurs en jeu peuvent réduire la résistance réelle. Parmi ceux-ci figurent la préparation de la surface, l’application de la surface, la température et l’humidité.
Avant d'appliquer l'adhésif, vous devrez dépolir les surfaces de la poulie et de l'arbre avec du papier de verre (~ 200 – 300 grains) ou une lime fine. Cela donnera à la colle de petites entailles sur lesquelles s'accrocher. Vous souhaiterez ensuite nettoyer et dégraisser avec un nettoyant puis sécher complètement. J'aime généralement utiliser du nettoyant pour freins parce que j'en ai à portée de main.
Pour déterminer si votre application résistera au couple appliqué. Utilisez les formules suivantes.
Où Area est la surface entre l'arbre et la poulie, d est le diamètre de l'arbre, L est la longueur de chevauchement de l'arbre et de la poulie, F est la force de cisaillement interne entre l'arbre et la poulie, Ssest la résistance au cisaillement de l'adhésif et T est le couple appliqué (ou maximum).
En utilisant une résistance moyenne au cisaillement de l'adhésif de 1000 psi, un diamètre de 0,19 pouce et une longueur de chevauchement de 0,38 pouce, nous pouvons constater que notre couple maximal est de 43,1 pouces-livres.
Il y a trois inconvénients principaux à utiliser la méthode adhésive pour joindre une poulie à un arbre
Le couple est limité par le diamètre et la force d'adhérence comme déjà mentionné
Il est possible d'avoir l'arbre et la poulie décalés et/ou perpendiculaires. Cela peut être minimisé par la tolérance entre les deux, mais pas au point d'essuyer toute la colle.
Il n'y a aucun moyen d'ajuster ou de remplacer les composants sans risque d'endommager l'un ou les deux composants. L'ajustement est important et cette méthode ne le permet pas du tout.
Ajustage à pression
Le montage par pression est une méthode éprouvée pour fixer les engrenages aux arbres. Il a été utilisé dans l'industrie ferroviaire comme méthode pour économiser de l'argent lorsque les ensembles de roues s'usent ou se déforment.
La soudure de la roue principale a un diamètre usiné avec précision, puis une fine bande d'acier trempé est appliquée autour d'elle. La bande ou « pneu » est en réalité plus petite que la surface usinée. Cela permet de remplacer de temps en temps la bande peu coûteuse au lieu de l’ensemble de la roue.
La vidéo suivante montre comment le pneu est retiré de la roue en utilisant la chaleur. Le diamètre de la bande augmentera à mesure que la température augmente. La roue (diamètre intérieur) restera à peu près de la même taille car elle a beaucoup plus de masse et rayonnera la chaleur plus rapidement.
À ce stade, le bracelet peut être retiré et un nouveau installé par la même méthode.
Comme il n'y a pas de verrouillage mécanique, il est basé à 100 % sur la friction et peut glisser. Mesurer et déterminer l'ajustement serré est difficile et des hypothèses doivent généralement être formulées.
Où Pr est la pression entre les surfaces, δ est le degré d'ajustement par pression, d est le diamètre de l'arbre, doest le diamètre extérieur du moyeu ou de l'engrenage, diest le diamètre intérieur de l'arbre (s'il est creux), μ est le coefficient de frottement entre les matériaux et E et ν sont le module d'Young et le coefficient de Poisson des matériaux.
Engrenages à pression sur un arbre
Chauffer le matériau augmentera le diamètre ; par conséquent, en diminuant la quantité d'ajustement par pression, δ. Cela rend l'équipement plus facile à mettre ou à enlever, mais le résultat final est le même une fois refroidi.
Si vous faites cela à la maison avec des engrenages en plastique. Essayez de les réchauffer au four à environ 175 degrés à 200 degrés (79 degrés à 93 degrés), puis faites-les glisser sur la tige.
Cette méthode est réglable, mais pas facilement et vous devrez peut-être démonter plusieurs composants pour que la chaleur ne les détruise pas.
Trous percés en croix
Percer un trou à la fois dans le moyeu de l'engrenage et dans l'arbre est un excellent moyen d'obtenir beaucoup de couple. Cela empêche également l'arbre d'être surchargé car la goupille se cisaillera (se cassera) si le couple est trop élevé. Il existe trois principaux types de broches à utiliser dans cette application, répertoriées ci-dessous, de la plus faible à la plus solide.
Trou percé en croix avec goupille à rouleau (à ressort)
Goupilles à rouleau (à ressort ou à fente) – Ce sont des barres plates qui ont été roulées pour prendre une forme ronde. Ils ont tendance à s'ouvrir (d'où les goupilles à ressort) permettant un ajustement suffisant pour que la goupille ne glisse pas. Je les recommande aux deux autres options.
Goupilles de cisaillement – Ces goupilles sont solides et comportent une encoche au milieu où la goupille est conçue pour se briser sous une force spécifique. Il est important d'avoir une goupille dont l'encoche sera dans le même plan que le diamètre de l'arbre.
Goupilles – Ce ne sont que des goupilles solides à haute résistance. Si votre trou est trop grand, vous devrez probablement les coller en place (des goupilles de cisaillement également). Si votre application inverse la direction ou la charge, vous pouvez encourager la colle à échouer prématurément et la goupille à tomber.
Chacune des broches aura une résistance à la rupture annoncée et vous pourrez sélectionner le diamètre et le type en fonction des équations ci-dessous. Fsest la force de cisaillement, T est le couple appliqué et d est le diamètre de l'arbre.
Cette méthode vous donne une grande capacité pour gérer plus de couple, mais ne donne toujours aucun réglage une fois le trou percé. Si vous vous trompez trop de fois, le manche ressemblera à du fromage suisse.
Le principal avantage est que presque tout le monde peut réaliser ce joint. Tout ce dont vous avez besoin est une perceuse, des forets et un marteau.Je recommande de percer d'abord un diamètre plus petit 1/16 – 3/32 et de vérifier votre alignement avec un cure-dent.Si c'est bon, percez-le au diamètre souhaité. Sinon, faites pivoter vers une autre partie de l’arbre et réessayez.
Comment fixer des engrenages, des pignons et des poulies aux arbres
Écrit par Corey Rasmussen dans Gears,Mechanical Design Dernière mise à jour le 22 août 2024
Contrairement aux engrenages et arbres Lego présentés ci-dessous, la plupart des moteurs ont des arbres parfaitement ronds. Cela rend difficile la fixation des engrenages, des poulies et des pignons.
Les principales méthodes de fixation des engrenages aux arbres sont les adhésifs, le montage par pression, les trous percés en croix, la compression, les vis de réglage, les rainures de clavette, les cannelures à développante et les bagues de verrouillage coniques. La plupart des applications industrielles utiliseront des rainures de clavette et/ou des vis de réglage. Alors que les adhésifs et le montage à pression sont généralement réalisés sur des applications à faible couple ou de loisirs.
Examinons chaque méthode en pesant le pour et le contre. J'utiliserai également les termes ; engrenages, poulies, pignons et cames, de manière interchangeable, car cet article traite de la façon dont l'appareil est monté, et non de ce qu'il fait.
Adhésifs
Les adhésifs sont principalement utilisés dans les applications de loisirs avec des engrenages en plastique. Non seulement parce que les engrenages en plastique ne peuvent pas supporter un couple important, mais aussi parce que les arbres restent de petit diamètre.
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À mesure que le diamètre de l'arbre augmente, la résistance relative du joint de colle et la résistance de l'arbre sont égales à environ 3/16″ (5 mm) lors de l'utilisation d'une résistance de colle conservatrice de 1 000 psi (7 N/mm) et d'un arbre en acier C1018 ( 54 ksi, 370 MPa).
Conclusion : l'utilisation de colles est un bon choix pour les petits arbres
Comme mentionné, la plupart des fabricants d'adhésifs annoncent une résistance au cisaillement d'au moins 1 000 psi et certains pouvant atteindre 3000+ psi. Un test de cisaillement par recouvrement est effectué en fixant deux longues barres minces ensemble avec de la colle sur une zone mesurable. Les extrémités des barres sont écartées jusqu'à rupture. La force est divisée par la surface et le résultat est la résistance au cisaillement par recouvrement.
Je conçois généralement ici en fonction du faible nombre de résistance au cisaillement annoncé, car de nombreux facteurs en jeu peuvent réduire la résistance réelle. Parmi ceux-ci figurent la préparation de la surface, l’application de la surface, la température et l’humidité.
Avant d'appliquer l'adhésif, vous devrez dépolir les surfaces de la poulie et de l'arbre avec du papier de verre (~ 200 – 300 grains) ou une lime fine. Cela donnera à la colle de petites entailles sur lesquelles s'accrocher. Vous souhaiterez ensuite nettoyer et dégraisser avec un nettoyant puis sécher complètement. J'aime généralement utiliser du nettoyant pour freins parce que j'en ai à portée de main.
Pour déterminer si votre application résistera au couple appliqué. Utilisez les formules suivantes.
Où Area est la surface entre l'arbre et la poulie, d est le diamètre de l'arbre, L est la longueur de chevauchement de l'arbre et de la poulie, F est la force de cisaillement interne entre l'arbre et la poulie, Ssest la résistance au cisaillement de l'adhésif et T est le couple appliqué (ou maximum).
En utilisant une résistance moyenne au cisaillement de l'adhésif de 1000 psi, un diamètre de 0,19 pouce et une longueur de chevauchement de 0,38 pouce, nous pouvons constater que notre couple maximal est de 43,1 pouces-livres.
Il y a trois inconvénients principaux à utiliser la méthode adhésive pour joindre une poulie à un arbre
Le couple est limité par le diamètre et la force d'adhérence comme déjà mentionné
Il est possible d'avoir l'arbre et la poulie décalés et/ou perpendiculaires. Cela peut être minimisé par la tolérance entre les deux, mais pas au point d'essuyer toute la colle.
Il n'y a aucun moyen d'ajuster ou de remplacer les composants sans risque d'endommager l'un ou les deux composants. L'ajustement est important et cette méthode ne le permet pas du tout.
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Ajustage à pression
Le montage par pression est une méthode éprouvée pour fixer les engrenages aux arbres. Il a été utilisé dans l'industrie ferroviaire comme méthode pour économiser de l'argent lorsque les ensembles de roues s'usent ou se déforment.
La soudure de la roue principale a un diamètre usiné avec précision, puis une fine bande d'acier trempé est appliquée autour d'elle. La bande ou « pneu » est en réalité plus petite que la surface usinée. Cela permet de remplacer de temps en temps la bande peu coûteuse au lieu de l’ensemble de la roue.
La vidéo suivante montre comment le pneu est retiré de la roue en utilisant la chaleur. Le diamètre de la bande augmentera à mesure que la température augmente. La roue (diamètre intérieur) restera à peu près de la même taille car elle a beaucoup plus de masse et rayonnera la chaleur plus rapidement.
À ce stade, le bracelet peut être retiré et un nouveau installé par la même méthode.
Comme il n'y a pas de verrouillage mécanique, il est basé à 100 % sur la friction et peut glisser. Mesurer et déterminer l'ajustement serré est difficile et des hypothèses doivent généralement être formulées.
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Où Pr est la pression entre les surfaces, δ est le degré d'ajustement par pression, d est le diamètre de l'arbre, doest le diamètre extérieur du moyeu ou de l'engrenage, diest le diamètre intérieur de l'arbre (s'il est creux), μ est le coefficient de frottement entre les matériaux et E et ν sont le module d'Young et le coefficient de Poisson des matériaux.
Engrenages à pression sur un arbre
Chauffer le matériau augmentera le diamètre ; par conséquent, en diminuant la quantité d'ajustement par pression, δ. Cela rend l'équipement plus facile à mettre ou à enlever, mais le résultat final est le même une fois refroidi.
Si vous faites cela à la maison avec des engrenages en plastique. Essayez de les réchauffer au four à environ 175 degrés à 200 degrés (79 degrés à 93 degrés), puis faites-les glisser sur la tige.
Cette méthode est réglable, mais pas facilement et vous devrez peut-être démonter plusieurs composants pour que la chaleur ne les détruise pas.
Trous percés en croix
Percer un trou à la fois dans le moyeu de l'engrenage et dans l'arbre est un excellent moyen d'obtenir beaucoup de couple. Cela empêche également l'arbre d'être surchargé car la goupille se cisaillera (se cassera) si le couple est trop élevé. Il existe trois principaux types de broches à utiliser dans cette application, répertoriées ci-dessous, de la plus faible à la plus solide.
Trou percé en croix avec goupille à rouleau (à ressort)
Goupilles à rouleau (à ressort ou à fente) – Ce sont des barres plates qui ont été roulées pour prendre une forme ronde. Ils ont tendance à s'ouvrir (d'où les goupilles à ressort) permettant un ajustement suffisant pour que la goupille ne glisse pas. Je les recommande aux deux autres options.
Goupilles de cisaillement – Ces goupilles sont solides et comportent une encoche au milieu où la goupille est conçue pour se briser sous une force spécifique. Il est important d'avoir une goupille dont l'encoche sera dans le même plan que le diamètre de l'arbre.
Goupilles – Ce ne sont que des goupilles solides à haute résistance. Si votre trou est trop grand, vous devrez probablement les coller en place (des goupilles de cisaillement également). Si votre application inverse la direction ou la charge, vous pouvez encourager la colle à échouer prématurément et la goupille à tomber.
Chacune des broches aura une résistance à la rupture annoncée et vous pourrez sélectionner le diamètre et le type en fonction des équations ci-dessous. Fsest la force de cisaillement, T est le couple appliqué et d est le diamètre de l'arbre.
Cette méthode vous donne une grande capacité pour gérer plus de couple, mais ne donne toujours aucun réglage une fois le trou percé. Si vous vous trompez trop de fois, le manche ressemblera à du fromage suisse.
Le principal avantage est que presque tout le monde peut réaliser ce joint. Tout ce dont vous avez besoin est une perceuse, des forets et un marteau.Je recommande de percer d'abord un diamètre plus petit 1/16 – 3/32 et de vérifier votre alignement avec un cure-dent.Si c'est bon, percez-le au diamètre souhaité. Sinon, faites pivoter vers une autre partie de l’arbre et réessayez.
CompressionMoyeux
Bien qu’il ne s’agisse pas d’une méthode courante de fixation des engrenages aux arbres, elle est disponible. Une fois que l'engrenage est glissé sur l'arbre, la vis de réglage est serrée et la friction supportera le couple. Le coefficient peut être réduit par inadvertance en raison d'arbres huileux ou de l'utilisation d'anti-grippage. Il est préférable d’utiliser des métaux différents lors de l’utilisation de cette méthode.
Le coût de réalisation des reliefs dans les composants rend ce type de méthode prohibitif dans la plupart des cas.
Évitez simplement ce type de joint !
Vis de réglage
La méthode de fixation par vis de réglage (uniquement) sur un arbre est très courante avec les poulies de distribution, les engrenages et les pignons.
Il est difficile de déterminer quel type de couple vous pouvez obtenir d'un accouplement comme celui-ci. Le résultat peut varier énormément en raison du coefficient de frottement, du couple appliqué, de la lubrification des filetages et du type de vis de réglage. L'équation de base est la suivante :
Où T est le couple de sortie, μ est le coefficient de frottement, F est la force normale d'une vis de réglage et d est le diamètre de l'écrou.
La plupart des gens se contentent de serrer la vis de réglage autant que possible. Tant que la poulie ne glisse pas à cause d'un couple excessif, tout ira bien. Cependant, lorsque cela se produit, vous userez rapidement une rainure dans l’arbre. Cela réduit le diamètre de votre arbre ; réduisant ainsi le couple maximum que vous pouvez atteindre.
Le principal avantage est que cette méthode est réglable à 100 % en termes de rotation sur l'arbre et sur sa longueur. Généralement, cette méthode n'est disponible qu'avec des tailles d'arbre de 1/2″ (13 mm) ou moins.
Rainures de clavette
Pour la plupart des applications industrielles, la norme est celle des arbres clavetés.De loin, tous les équipements disponibles dans le commerce seront disponibles dans une variété d'alésages dimensionnés avec des fentes pour clés. Vous pouvez également les acheter avec des alésages inachevés et découper votre propre rainure de clavette si vous le souhaitez.
Lors de la sélection d'une taille d'alésage, assurez-vous que vous ne sélectionnez pas un arbre trop grand pour l'engrenage. Récemment, j'avais un système qui utilisait un pignon à dents 10- sur un arbre de 1". Le système présentait des pics de pression au démarrage et cassait le pignon en deux.
Cela a été possible si facilement parce que le matériau entre l'extérieur du moyeu et la rainure de clavette n'avait que 1/8" d'épaisseur. Nous avons pu doubler ce chiffre à ¼ en ajoutant une dent. Il s'agit d'une situation dans laquelle une cannelure en développante être un meilleur choix (nous en reparlerons plus tard).
La plupart des engrenages sont empêchés de glisser sur l'arbre avec seulement une ou deux vis de réglage. Généralement, une vis sera sur la clé et l'autre sera à 90 degrés et appuyée contre l'arbre. Pour les engrenages droits, cela est suffisant, mais pour les engrenages hélicoïdaux, il doit y avoir un engagement plus positif sur l'arbre pour tenir compte de la charge latérale. Les solutions possibles sont les butées, les roulements à rouleaux coniques ou les circlips.
