Trois types d'engrenages à vis sans fin : sans gorge, à simple gorge, à double gorge
Une comparaison géométrique des trois configurations de gorge, le compromis coût-capacité de chacune et les cas de mauvaise utilisation que nous constatons régulièrement sur le terrain.
Les trois configurations de gorge diffèrent par un seul point : la surface de contact entre la vis sans fin et la roue dentée. La configuration sans gorge offre un contact ponctuel avec une ou deux dents d'engrènement ; c'est la plus économique et elle est réservée aux applications légères. La configuration à gorge unique offre un contact linéaire avec trois à quatre dents d'engrènement ; c'est la solution industrielle la plus robuste, adaptée à 80 % des applications. La configuration à double gorge (ou double enrobage) offre un contact de surface avec six à huit dents d'engrènement ; c'est l'option renforcée, avec une capacité de charge deux à trois fois supérieure, mais un surcoût de 40 à 60 % et un délai de livraison plus long. Le choix doit se faire en fonction de la charge et du budget, et non sur la base de caractéristiques techniques impressionnantes.
L'axe unique active tout : zone de contact
Cessez de lire tout article comparant les types d'engrenages à vis sans fin en énumérant leurs caractéristiques côte à côte. Les trois configurations de gorge ne sont pas des alternatives indépendantes : elles correspondent à trois points sur un même axe continu, qui représente la surface de contact géométrique entre le filet de la vis sans fin et la dent de la roue. Toutes les autres caractéristiques découlent de cette unique variable.
Une surface de contact plus importante signifie qu'un plus grand nombre de dents supportent la charge à chaque instant, ce qui réduit les contraintes subies par chaque dent et se traduit par une capacité de charge accrue, une durée de vie prolongée, une usure moindre par cycle et un niveau sonore réduit. En revanche, cela implique des tolérances géométriques plus strictes, un outillage plus complexe, un temps d'usinage plus long, des fraises-mères plus coûteuses et des délais de livraison considérablement plus importants. Ce compromis est inévitable : la géométrie de la gorge l'impose directement. Dès lors que l'axe de la surface de contact est clairement identifié, le choix du type de fraise-mère approprié se résume à une simple question, et non plus à une comparaison de caractéristiques.
L'image ci-contre montre la vis sans fin cylindrique engrenant avec une roue à gorge — la configuration à gorge unique la plus courante. Remarquez comment les dents de la roue s'enroulent autour du corps de la vis sans fin. Cet enroulement constitue la gorge. Sans cet enroulement (dents de roue à coupe droite), on obtient une vis sans fin sans gorge. En ajoutant un enroulement correspondant autour de la vis sans fin (forme de sablier), on obtient une vis sans fin à double gorge.
Du point de vue de la production, le coût augmente plus rapidement que le gain de capacité. Passer d'un variateur sans gorge à un variateur à gorge unique double approximativement la capacité de charge et augmente le coût unitaire d'environ 10 à 15 %. Passer d'un variateur à gorge unique à un variateur à double gorge double à nouveau la capacité, mais augmente le coût unitaire de 40 à 60 % et le délai de livraison standard de 10 à 14 jours. Cette courbe coût-capacité explique la prédominance du variateur à gorge unique dans les entraînements industriels.
Sans gorge — la géométrie la plus simple
Un engrenage à vis sans fin sans gorge est le système d'entraînement à angle droit le plus simple. La vis sans fin est un arbre cylindrique lisse comportant un ou plusieurs filets hélicoïdaux. La roue dentée est un disque à denture hélicoïdale dont les dents correspondent à l'angle d'hélice de la vis sans fin. Aucun des deux composants ne s'enroule autour de l'autre. Le contact entre eux est essentiellement ponctuel au moment de l'engrènement, et se réduit théoriquement à une ligne très courte sous charge, du fait de la légère déformation de la roue en bronze.
Une ou deux dents supportent la totalité de la charge à un instant donné. La concentration des contraintes sur ces dents est élevée. L'usure par heure de fonctionnement est deux à trois fois supérieure à celle d'une roue à gorge unique soumise au même couple. Les intervalles de remplacement sont courts : une roue sans gorge, sous charge continue, peut nécessiter un remplacement toutes les 6 000 à 12 000 heures, contre 25 000 à 40 000 heures pour une roue à gorge unique correctement dimensionnée.
Les avantages compensatoires sont pourtant bien réels. L'outillage est le plus simple des trois types : une fraise à denture droite standard suffit pour usiner la meule. Les pièces de rechange sont rapides à fabriquer et peu coûteuses à stocker. Le délai de livraison d'un jeu de meules sans gorge est souvent deux fois plus court que celui d'un jeu avec gorge unique. Pour les entraînements à faible charge, où la charge est nettement inférieure à la capacité nominale et où un intervalle de remplacement court est acceptable, le choix d'une géométrie sans gorge se justifie pleinement en termes de coûts.
Là où le non-gorge s'intègre naturellement
Les variateurs d'indexation pour équipements de bureau, les positionneurs d'instruments, les mécanismes de loisirs et pédagogiques, le prototypage en petite série où le temps de réglage prime sur la durée de vie, et les auxiliaires à faible charge et à usage ponctuel ont en commun un fonctionnement intermittent, une charge modérée et bien définie, et le fait que l'utilisateur prévoit un remplacement périodique ou n'a tout simplement pas besoin de 40 000 heures de fonctionnement.
Le cas d'utilisation abusive que nous rencontrons le plus souvent
Un petit constructeur de machines opte pour une géométrie sans gorge car le coût unitaire est inférieur de 20 % à celui d'un ensemble équivalent à gorge unique. Le premier prototype fonctionne parfaitement car sa conception permet de fonctionner à environ 30 % de sa charge nominale. Trois mois après le début de la production, les premiers retours clients affluent : les variateurs s'usent après 4 000 heures au lieu des 20 000 heures prévues par la garantie. Le constructeur dépense désormais plus en remplacements sous garantie que les économies initiales réalisées. Nous constatons ce scénario chaque trimestre, et à chaque fois, le choix d'une géométrie à gorge unique dès le départ aurait été judicieux.
Monothroat — le cheval de bataille des entraînements industriels
La géométrie à gorge unique maintient la vis sans fin cylindrique, mais taille les dents de la roue selon un profil concave qui épouse partiellement la circonférence de la vis sans fin. Les dents de la roue ne sont plus planes ; elles sont incurvées pour suivre la circonférence de la vis sans fin. Trois à quatre dents sont en prise simultanément, et le contact entre le filet de la vis sans fin et la dent de la roue est une ligne courte plutôt qu'un point.
C'est la gorge qui fait toute la différence. En répartissant la charge simultanément sur plusieurs dents, la contrainte maximale sur chaque dent diminue d'environ 60 % par rapport à une géométrie sans gorge. L'usure de surface diminue en conséquence. La durée de vie passe de 6 000 à 12 000 heures en service léger à 25 000 à 40 000 heures sous une charge continue correctement dimensionnée. Le bruit acoustique diminue sensiblement car l'engrènement de plusieurs dents lisse les pulsations de charge que chaque dent subirait individuellement.
En vingt ans d'expédition de groupes vis sans fin et roue dentée depuis Ansan, nous livrons des groupes monophasés pour environ quatre commandes sur cinq. C'est la solution idéale lorsque le client n'a pas de raison impérieuse de spécifier un autre type de groupe. Convoyeurs industriels, entraînements d'axes C de machines-outils, réducteurs de palans, indexeurs de lignes d'emballage, actionneurs de sièges automobiles : tous fonctionnent avec une géométrie monophasée, car le rapport coût/capacité est imbattable. Si vous hésitez sur le type de groupe adapté à vos besoins et que la charge se situe dans la plage industrielle standard, le groupe monophasé est le choix par défaut le plus sûr.
Réalité manufacturière du mono-gorge
La gorge est usinée sur une machine à tailler les engrenages à l'aide d'une fraise dont le profil correspond à la géométrie du filetage de la vis sans fin. Il est donc essentiel que la fraise ne soit pas un outil standard pour denture droite : chaque combinaison de module de roue dentée et d'angle d'hélice nécessite une fraise spécifique. Les modules standard du catalogue (M1, M1.5, M2, M2.5, M3, M4, M5, M6, M8) sont déjà équipés de fraises en atelier, ce qui réduit les délais de production. Les modules non standard requièrent une nouvelle fraise, ce qui ajoute 7 à 14 jours au délai de première livraison et engendre des frais d'outillage amortissables sur la quantité commandée.
Du point de vue de la finition, les dents de la meule peuvent être taillées par fraise-mère uniquement (précision DIN 7 ou DIN 8, suffisante pour les applications industrielles courantes) ou taillées par fraise-mère et rectifiées (précision DIN 6, adaptée aux applications de précision moyenne). Pour la précision DIN 5 requise par les plateaux rotatifs de précision, la meule doit être rectifiée après traitement thermique ; c’est là que les tours à une seule gorge de qualité machine-outil deviennent onéreux, mais la capacité géométrique reste la même, seule la précision est accrue.
Double gorge — géométrie robuste
Dans un ensemble à double gorge, les deux éléments sont dotés d'une gorge. La vis sans fin prend une forme de sablier : son diamètre se rétrécit au centre et s'élargit aux extrémités, permettant ainsi aux dents de la roue d'épouser son contour. Les dents de la roue sont également dotées d'une gorge, comme dans le cas d'un ensemble à simple gorge, mais la vis sans fin s'enroule désormais autour d'elles au lieu de présenter une surface cylindrique plane.
Six à huit dents s'engrènent simultanément. Le contact entre les surfaces en prise n'est plus un point ni une ligne, mais une zone de contact courbe épousant la géométrie conjuguée des deux surfaces enveloppantes. La capacité de charge par unité de surface est deux à trois fois supérieure à celle d'un engrenage à gorge unique équivalent. Cette géométrie est privilégiée pour les entraînements les plus exigeants, où la densité de couple est le facteur limitant.
La pénalité financière est bien réelle.
La fabrication d'une vis sans fin à double gorge (également appelée vis sans fin à double enveloppe ou globulaire) nécessite soit une rectifieuse de filetage spécialisée en forme de sablier, soit un montage de fraisage sur mesure épousant la forme de l'enveloppe conjuguée. La fraise-mère pour les dents de la roue correspondante n'est pas standard pour chaque rapport de réduction ; elle ne peut être réutilisée pour différents rapports de réduction car la forme de l'enveloppe conjuguée varie. Par conséquent, un jeu de vis sans fin à double gorge coûte généralement de 40 à 60 % plus cher qu'un jeu à simple gorge de taille équivalente, et le délai de livraison est allongé de 10 à 14 jours pour les premiers articles nécessitant la fabrication de l'outillage.
Une fois l'outillage disponible pour un module et un rapport donnés, les commandes répétées sont traitées dans les délais standard. Ainsi, pour un programme de production continue à grand volume, le surcoût unitaire lié à la géométrie à double gorge diminue sensiblement : le client amortit le coût de l'outillage sur des milliers de pièces. En revanche, pour les commandes personnalisées ponctuelles, ce surcoût reste important.
Quand la double gorge est véritablement la bonne réponse
Entraînements de levage lourds pour des charges supérieures à 5 tonnes. Convoyeurs de boues minières fonctionnant 24 h/24. Entraînements auxiliaires de laminoirs. Tourelles et stabilisateurs d'équipements militaires lourds. Treuils marins sur plateformes offshore. Actionneurs de gouvernes aérospatiales où l'encombrement est limité mais le couple élevé. Le point commun : l'application justifie le surcoût unitaire car l'alternative — un réducteur monobloc plus volumineux ou un réducteur hélicoïdal multi-étages — serait plus onéreuse ou tout simplement incompatible avec l'encombrement disponible.
Comparaison côte à côte
Les chiffres ci-dessous correspondent aux valeurs typiques utilisées par notre bureau d'études pour établir les devis concernant les trois types de composants. Les coûts et délais de livraison indiqués se rapportent à l'option la plus économique (sans gorge au module M3, ratio de 30:1, soit la valeur la plus proche d'une norme du secteur) et reflètent les conditions de production réelles de notre usine d'Ansan. D'autres usines peuvent afficher des ratios légèrement différents, mais la tendance reste la même dans l'ensemble du secteur.
Un arbre de décision simple
Spécifiez un couple vis sans fin et roue dentée comme le ferait un ingénieur expérimenté : en répondant à trois questions dans l’ordre plutôt qu’en partant du catalogue.
Question 1 : S'agit-il d'un variateur industriel supportant une charge continue significative ?
Si la réponse est non (petite utilisation intermittente, prototype, indexeur d'instruments), l'option sans gorge est envisageable et probablement la plus économique. Si la réponse est oui, éliminez cette option et passez à la question 2.
Question 2 : Le cycle de service est-il suffisamment exigeant pour justifier une prime de coût de 50 % ?
Si le variateur fonctionne 24 h/24 à pleine charge, supporte des charges importantes ou est installé dans un espace restreint ne permettant pas l'installation d'un modèle à simple gorge plus puissant, un variateur à double gorge justifie son prix plus élevé. Dans le cas contraire, un variateur à simple gorge suffit.
Question 3 : De quelle classe de précision avez-vous besoin ?
Quel que soit le type de gorge choisi, la classe de précision (DIN 5 / 6 / 7) est un choix distinct. La DIN 5 nécessite des dents rectifiées, la DIN 6 des dents taillées, et la DIN 7, avec un simple taillage, convient aux entraînements courants. La classe de précision influe sur le coût unitaire de 15 à 25 % selon le pas.
Trois cas réels d'abus dont il faut tirer des leçons.
Cas 1 — Double gorge là où une gorge simple aurait suffi
Un fabricant coréen d'équipements d'automatisation a spécifié une géométrie à double gorge pour un indexeur de ligne de conditionnement, car le commercial du fournisseur l'avait décrite comme « l'option la plus performante ». Le volume de production annuel était de 2 400 unités. L'indexeur fonctionnait de manière intermittente, avec un cycle de service d'environ 30 %, largement inférieur à la capacité d'une géométrie à simple gorge. Résultat : le client a payé 28 000 USD supplémentaires par an en surcoût unitaire, a accepté des délais de livraison plus longs lors de la montée en puissance et n'a bénéficié d'aucun gain de performance, car il était loin d'atteindre la capacité maximale d'une géométrie à simple gorge. La leçon à retenir : ne spécifiez pas une capacité que vous n'utiliserez pas.
Cas 2 — Utilisation continue plutôt qu'intermittente d'un dispositif non pharyngé
Un petit fabricant de machines-outils a acheté des ensembles sans gorge pour un indexeur rotatif économique, attiré par un prix unitaire avantageux. Sur le terrain, l'utilisation s'est avérée quasi continue : l'indexeur fonctionnait jusqu'à 18 heures par jour chez certains clients. L'usure des roues est apparue après 3 000 heures, et une panne est survenue à 5 000 heures. Les demandes de garantie se sont multipliées. Le client a finalement opté pour une géométrie à gorge unique, a accepté le surcoût et a vu le taux de demandes de garantie chuter à presque zéro. La leçon à retenir : il est essentiel d'anticiper le cycle de service réel avant de choisir le modèle le moins cher.
Cas 3 — Un simple ogre à qui l'on demande d'effectuer un travail à double gorge
Un fabricant de palans lourds a agrandi un palan existant de 3 tonnes pour le porter à 6 tonnes, tout en conservant une géométrie à simple gorge. Le système d'origine fonctionnait correctement. Cependant, la version agrandie a présenté des piqûres sur le flanc de la roue dentée après seulement 2 000 heures d'utilisation. La géométrie était à la limite de la capacité d'un système à simple gorge ; les chocs dynamiques ont fini par la dépasser. La solution idéale aurait été d'opter dès le départ pour un système à double gorge : le surcoût aurait représenté environ 18 % du coût total du système, mais aurait permis d'éviter tout problème de garantie. La leçon à retenir : lors de l'agrandissement d'un système existant, le type de gorge adapté à une taille inférieure peut ne pas convenir à une taille supérieure.
Foire aux questions
Q : Est-ce que « double gorge » est la même chose que « double enveloppe » ?
Oui, les deux termes décrivent la même géométrie. « Double gorge » souligne que la vis sans fin et la roue dentée sont toutes deux dotées d'une gorge ; « double enveloppe » souligne que chaque composant enveloppe l'autre. Certains catalogues utilisent également le terme « globoïdal » — il s'agit encore de la même géométrie. En pratique, ces trois termes sont interchangeables.
Q : Puis-je installer un double corps dans un boîtier conçu pour un corps unique ?
Presque jamais, non. La forme en sablier d'une vis sans fin nécessite un espace axial plus important qu'une vis sans fin cylindrique de rapport équivalent, et le système de paliers aux extrémités de l'arbre doit généralement être repensé en fonction du profil modifié de l'arbre. L'entraxe peut également varier légèrement. Le choix du type de gorge doit être considéré comme une décision prise dès la conception, et non comme une option de mise à niveau. Si vous envisagez de moderniser une installation à gorge unique pour supporter des charges plus élevées, les solutions pratiques consistent soit à installer une vis sans fin à gorge unique plus grande dans un carter repensé, soit à opter pour un rapport de réduction différent.
Q : Le type de gorge a-t-il une incidence sur le comportement d'auto-verrouillage ?
L'autoblocage est déterminé par l'angle d'hélice, et non par le type de gorge. Un engrenage à double gorge avec un angle d'hélice de 4 degrés s'autobloque de la même manière qu'un engrenage à simple gorge avec le même angle d'hélice. Le type de gorge influe sur la capacité de charge et la surface de contact ; l'angle d'hélice détermine si la roue peut entraîner la vis sans fin en sens inverse. Ces deux paramètres de conception sont indépendants.
Q : Pourquoi vend-on des engrenages à vis sans fin sans gorge s'ils s'usent plus vite ?
Pour les applications intermittentes légères, le coût unitaire inférieur et le délai de livraison plus court compensent largement la durée de vie réduite. Un appareil sans gorge fonctionnant à 20 % de sa capacité nominale pendant 4 heures par jour durera de 8 à 10 ans avant d'être remplacé — une durée parfaitement suffisante pour une mécanique de guitare, un mécanisme d'alimentation d'imprimante ou un ouvre-portail de jardin économique. Utiliser une géométrie sans gorge pour un usage industriel continu relève d'une mauvaise utilisation, et non d'un problème de géométrie.
Q : Comment savoir quel type de disque dur est installé sur mon disque dur actuel ?
Observez d'abord la forme de la vis sans fin. Si son corps est un cylindre uniforme sur toute sa longueur, il s'agit d'une vis sans fin à simple gorge ou sans gorge. Si son corps a la forme d'un sablier, étroit au centre et plus large aux extrémités, il s'agit d'une vis sans fin à double gorge. Ensuite, examinez les dents de la roue : si elles sont planes, il s'agit d'une vis sans fin à double gorge ; si elles sont concaves et suivent la forme du corps de la vis sans fin, il s'agit d'une vis sans fin à simple gorge (avec une vis cylindrique) ou à double gorge (avec une vis en forme de sablier). Identification visuelle en trois secondes.
Q : Le type de gorge a-t-il une incidence sur l'efficacité ?
Légèrement, oui, mais pas autant que l'angle d'hélice. Le rendement d'une roue à gorge unique est généralement de 1 à 3 points de pourcentage supérieur à celui d'une roue sans gorge pour un même angle d'hélice, car la répartition de la charge sur plusieurs dents réduit la pression de contact spécifique et donc le frottement. Le rendement d'une roue à double gorge est similaire à celui d'une roue à gorge unique, voire légèrement supérieur sous forte charge, mais la différence est généralement négligeable. Si vous cherchez à optimiser le rendement, modifiez l'angle d'hélice (utilisez des vis sans fin à plusieurs entrées), et non le type de gorge. Pour une analyse complète, consultez la section dédiée. réducteur à vis sans fin Dans un boîtier compact, les pertes dues aux roulements et aux joints d'étanchéité dominent souvent davantage le rendement total que la géométrie de la gorge.
Q : Qu’en est-il du retour de flamme ? Un type de gorge est-il plus serré qu’un autre ?
Le jeu dépend principalement de la tolérance d'épaisseur des dents et de la précision de l'entraxe, et non du type de gorge. Cela dit, une géométrie à double gorge offre généralement un jeu intrinsèque légèrement plus faible, car la plus grande surface de contact réduit l'espace présent par chaque dent à la limite d'engagement. Pour les applications de précision sans jeu (axe C CNC, supports optiques), la solution optimale est une vis sans fin duplex — un ensemble à gorge unique avec une vis sans fin à déplacement axial pour compenser mécaniquement le jeu — plutôt qu'une vis sans fin à double gorge.
Une fois que vous avez répondu aux trois questions précédentes, le choix du type de gorge est quasiment fait. La plupart de nos clients industriels optent pour une géométrie à une seule gorge ; un quart choisit une géométrie à deux gorges pour les applications intensives ; le petit nombre restant choisit une géométrie sans gorge pour des raisons de coût, pour des applications intermittentes légères. En toute honnêteté, choisissez le type le moins cher qui correspond réellement à votre cycle de service et évitez de surdimensionner votre variateur.
Si vous avez un schéma en main et que vous n'êtes pas sûr du type de gorge adapté au cycle de service, transmettez-le à notre bureau d'études pour une étude. recommandation concernant le type d'engrenage à vis sans finNous effectuerons le calcul de charge et de durée de vie pour les trois options et vous indiquerons celle qui convient à votre application, y compris les cas où la géométrie la plus économique est préférable à la plus sophistiquée. Les gammes standard du catalogue, à simple et double gorge, sont disponibles en stock pour les modules industriels les plus courants ; les ensembles sans gorge sont fabriqués sur commande. ensembles d'engrenages à vis sans fin à simple et double gorge Les modèles en bronze et en acier allié sont documentés avec des tableaux de paramètres et des niveaux de prix sur la page du catalogue.
Vous ne savez pas quel type de gorge convient à votre application ?
Veuillez nous indiquer le couple de sortie, le cycle de service et la durée de vie requise. Nous effectuerons une comparaison des trois configurations de turbines en fonction de vos données et vous recommanderons la géométrie la plus adaptée à vos besoins, au coût total le plus bas.
Éditeur : Cxm
