Engrenages hypoïdes

Les engrenages hypoïdes constituent une catégorie unique d'engrenages coniques en spirale utilisés pour transmettre la puissance de rotation entre deux arbres à angle droit. Inventés par Ernest Wildhaber au début des années 1920, les engrenages hypoïdes étaient principalement utilisés dans les transmissions des poids lourds.

À l’époque, le génie de l’invention résidait dans le déport entre les arbres de transmission, qui permettait d’abaisser le châssis du camion. Ce développement a eu un impact profond sur la conception des véhicules, conduisant à des améliorations significatives de l'espace disponible à l'intérieur du véhicule, de la stabilité au roulis, de la maniabilité du véhicule, de la sécurité, de l'aérodynamisme et de la consommation d'essence. Bien que les engrenages hypoïdes soient encore utilisés à ce titre, ils sont également de plus en plus présents dans les secteurs de la transmission de puissance industrielle et du contrôle de mouvement.

Les engrenages hypoïdes peuvent être classés comme un type d’engrenage conique utilisé pour transmettre la puissance de rotation, ou le couple, entre deux arbres à angle droit. Il existe deux principales catégories d'engrenages coniques : les dents droites et les dents en spirale. Les engrenages coniques à dents en spirale se sont avérés plus fluides et plus silencieux que les engrenages coniques à dents droites et ce sont ces engrenages coniques en spirale auxquels les hypoïdes ressemblent le plus.

Contrairement aux engrenages coniques standard, les arbres d'engrenages correspondants pour les ensembles d'engrenages hypoïdes ne se croisent pas car le plus petit arbre d'engrenage (appelé pignon) est décalé par rapport à l'arbre d'engrenage plus grand (appelé couronne). Ce sont ces axes non sécants que M. Wildhaber a conçus en pensant à l’essieu arrière, ce qui a conduit aux améliorations des performances du véhicule décrites ci-dessus.

Le décalage d'axe permet au diamètre du pignon d'être plus grand et d'avoir un angle de spirale plus grand que ce qui serait autrement possible, ce qui augmente la zone de contact et la résistance des dents. L'angle en spirale entre le pignon et la couronne permet aux engrenages de s'engrener très facilement. La zone de contact et la résistance des dents accrues permettent une gamme plus large de rapports de démultiplication et la capacité de transmettre des quantités de couple plus élevées.

Les avantages supplémentaires résultant de l'augmentation de l'angle de spirale et de la zone de contact entre les ensembles d'engrenages hypoïdes comprennent une usure réduite, une friction moindre, une perte d'énergie moindre et un rendement plus élevé, qui contribuent tous à prolonger la durée de vie des engrenages hypoïdes et des boîtes de vitesses.

En raison de leur angle de spirale accru et de la résistance de leurs dents, les engrenages hypoïdes peuvent supporter une charge sur plusieurs dents simultanément. Le nombre moyen de dents d'engrenage hypoïde en contact en même temps est de 2,2 : 1 à 2,9 : 1. Les engrenages coniques, en revanche, sont chargés une dent à la fois. Un contact dent à dent plus important permet aux engrenages hypoïdes de transmettre un couple plus important que les engrenages coniques de taille similaire. En plus de transmettre plus de couple, les engrenages et boîtes de vitesses hypoïdes ont tendance à être plus petits et plus compacts que les boîtes de vitesses coniques avec des couples équivalents, ce qui en fait un meilleur choix pour les applications impliquant des espaces restreints.

Les engrenages coniques et les boîtes de vitesses coniques sont les plus courants dans des rapports de 1:1 et 2:1, certains fabricants proposant des rapports allant jusqu'à 5:1. En revanche, les engrenages hypoïdes n'offrent pas de solutions pour les applications 1:1 et 2:1. Cependant, ils atteignent efficacement des rapports de 3:1 à 10:1, offrant ainsi plus d'options de rapport avec un seul étage de vitesse. Les rapports de réduction sont pertinents pour la vitesse, où les boîtes de vitesses hypoïdes bénéficient d'un autre avantage significatif par rapport aux boîtes de vitesses coniques. La plupart des boîtes de vitesses coniques ne peuvent pas gérer des vitesses supérieures à 1 500 tr/min sans surchauffe, tandis que les boîtes de vitesses hypoïdes peuvent atteindre des vitesses d'entrée continues jusqu'à 3 000 tr/min.

Le maillage entre les engrenages hypoïdes implique une action de glissement, ce qui entraîne une transmission très douce et silencieuse. Par conséquent, des charges plus élevées peuvent être transmises avec des niveaux de bruit inférieurs par rapport aux engrenages coniques, qui deviennent bruyants à des vitesses plus élevées.

Les engrenages hypoïdes offrent plus de rapports, des capacités de couple plus élevées, des vitesses de fonctionnement plus élevées et moins de bruit que leurs homologues coniques. Cependant, les engrenages hypoïdes sont généralement moins efficaces (90 à 95 %) qu'un ensemble similaire d'engrenages coniques en spirale, qui peuvent avoir des taux d'efficacité allant jusqu'à 99 %. L'efficacité des engrenages hypoïdes diminue à mesure que le décalage de l'axe augmente et une attention particulière doit être accordée à la lubrification pour éviter l'usure des engrenages due à l'action de glissement des dents de l'engrenage hypoïde. Les hypoïdes nécessitent une lubrification avec des additifs extrême pression, tandis que les engrenages coniques peuvent fonctionner avec de la graisse ou de l'huile pour engrenages standard.