Calcul de la résistance à la fatigue et de la durée de vie des engrenages

Concevoir des engrenages coniques est une tâche assez complexe. Contrairement aux engrenages cylindriques, les engrenages coniques sont toujours conçus par paires. L'ingénieur de conception doit prendre en compte de nombreux objectifs contradictoires, notamment les dimensions minimales, la capacité de charge maximale, la réduction du bruit et la facilité de fabrication sur les machines d'atelier. Mais un aspect est souvent laissé de côté :

Qu’en est-il de la résistance à la fatigue de l’équipement ?

Si la charge maximale sur une dent ne dépasse pas les limites de charge du matériau, la dent revient à son état initial une fois la charge supprimée. Cette hypothèse est valable pour plusieurs centaines d'applications de charge. Mais lorsque nous parlons de plusieurs millions d’applications de charges, les dommages se produiront à des charges bien inférieures aux limites de charge du matériau. Ce phénomène est connu sous le nom de fatigue.

Les tests de résistance à la fatigue, une compétence essentielle des équipementiers et des fournisseurs d'engrenages de niveau 1, sont réalisés grâce à des tests fastidieux des transmissions. Ces tests sont effectués avec un spectre de charge défini empiriquement qui inflige les mêmes dommages que ceux qui se produiraient dans des conditions de service pratiques. L'une des machines utilisées pour ces tests d'endurance sur les engrenages coniques est le banc d'essai pour engrenages coniques Oerlikon TS 30.

Et si nous pouvions calculer la durée de vie d'un engrenage conique au lieu de devoir soumettre chaque conception à des tests longs et coûteux ?

Dans la dernière version de KIMoS (Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears), Klingelnberg permet de calculer la durée de vie d'un engrenage conique pour des charges opérationnelles spécifiques, ainsi que pour la conception de taillage et de fraisage de face.

Pour calculer la résistance à la fatigue d'un engrenage conique, trois éléments de base doivent être connus : la forme précise de l'engrenage, les propriétés du matériau et les conditions de fonctionnement du train d'engrenages. Tous ces éléments sont pris en compte dans KIMoS. La résistance à la fatigue est calculée à l'aide de la règle de Miner basée sur l'hypothèse de dommages cumulatifs linéaires.

Les dommages cumulés sur une paire d'engrenages peuvent être prédits en combinant le spectre de charge, la concentration de charge sur la surface de la dent, ainsi que la contrainte de flexion dans le pied de dent et les propriétés contrainte-déformation cycliques du matériau. Si le total des dommages cumulés par piqûres et ruptures est disponible, KIMoS peut calculer la durée de vie du train d'engrenages coniques.

Pour générer un spectre de charge avec un nombre extrêmement limité de cas de charge, l'une des méthodes de comptage doit être utilisée pour les cycles de charge. Si des conditions de charge réelles comprenant de nombreux cycles de charge différents (par exemple avec la méthode Rainflow) sont utilisées au départ, ces événements cycliques peuvent être comptés, ce qui permet de convertir des cycles de charge opérationnels réels avec un nombre extrêmement réduit de cas de charge en une charge spectre.

Le calcul de la durée de vie des engrenages dentés remplacera-t-il à l'avenir les tests d'endurance ?

La réponse est clairement non. Mais le calcul de la résistance à la fatigue permet une comparaison extrêmement efficace de différentes conceptions. La durée de vie attendue d'une paire gewar peut être estimée avec assez de précision lorsque des données de tests d'endurance existent pour l'une des conceptions.

C'est pourquoi KIMoS donne à l'ingénieur de conception la possibilité de créer une conception qui non seulement répond aux exigences en matière de géométrie et d'émission sonore, mais qui prend également en compte la durée de vie en fatigue.

L'exemple suivant montre deux conceptions avec les mêmes données dimensionnelles, mais différentes avec et sans modifications de forme de flanc affichées. Les données de l'engrenage denté sont z = 13/38 dents, le diamètre primitif extérieur de la couronne dentée est de 250 mm et le décalage hypoïde est de 20 mm. Cet exemple montre le potentiel des modifications des flancs de dents. Le modèle de gauche a une durée de vie d'env. 14 000 h, limitée par la contrainte du pied de dent sur le pignon. Le dessin de droite a une durée de vie d'env. 34 000 h, mais ici aussi, la cause calculée de la défaillance sera la casse d'une dent du pignon.

KIMoS permet non seulement à l'ingénieur de conception d'optimiser le comportement sonore et la capacité de charge, mais il permet également d'optimiser la durée de vie d'un train d'engrenages pour des cas de charge spécifiques. Cela ouvre la voie à de nouveaux potentiels en matière de conception légère et permet des conceptions d'engrenages plus efficaces et plus robustes.