ArbresLes arbres sont des composants essentiels des systèmes mécaniques, constituant l'ossature de tous les éléments de transmission, transmettant le couple et les moments de flexion des roulements. La conception d'un arbre doit non seulement tenir compte de ses caractéristiques individuelles, mais aussi de son intégration à la structure globale du système d'arbres. Selon le type de charge subie lors de la transmission du mouvement et de la puissance, les arbres peuvent être classés en arbres de broche, arbres de transmission et arbres rotatifs. Ils peuvent également être classés selon la forme de leur axe en arbres droits, arbres excentriques, vilebrequins et arbres flexibles.
Broches
1. Broche fixe
Ce type de broche ne supporte que les moments de flexion à l'arrêt. Sa structure simple et sa bonne rigidité la rendent idéale pour des applications telles que les axes de vélo.
2. Broche rotative
Contrairement aux broches fixes, les broches rotatives supportent également des moments de flexion en mouvement. On les retrouve couramment dans les essieux de roues de train.
Arbre de transmission
Les arbres de transmission sont conçus pour transmettre le couple et sont généralement plus longs en raison de vitesses de rotation élevées. Pour éviter les fortes vibrations causées par les forces centrifuges, la masse de l'arbre de transmission est uniformément répartie sur sa circonférence. Les arbres de transmission modernes sont souvent creux, ce qui permet des vitesses critiques plus élevées que les arbres pleins, ce qui les rend plus sûrs et plus économes en matériaux. Par exemple, les arbres de transmission automobiles sont généralement fabriqués à partir de plaques d'acier d'épaisseur uniforme, tandis que les véhicules lourds utilisent souvent des tubes en acier sans soudure.
arbre rotatif
Les arbres rotatifs sont uniques en ce sens qu'ils supportent à la fois les moments de flexion et de torsion, ce qui en fait l'un des composants les plus courants des équipements mécaniques.
arbre droit
Les arbres droits ont un axe linéaire et peuvent être classés en arbres optiques et arbres étagés. Les arbres droits sont généralement pleins, mais peuvent être creux pour réduire le poids tout en préservant la rigidité et la stabilité en torsion.
1. Arbre optique
De forme simple et faciles à fabriquer, ces arbres sont principalement utilisés pour la transmission.
2. Arbre étagé
Un arbre à section longitudinale étagée est appelé arbre étagé. Cette conception facilite l'installation et le positionnement des composants, ce qui permet une meilleure répartition des charges. Bien que sa forme ressemble à celle d'une poutre à résistance uniforme, il présente de multiples points de concentration de contraintes. Grâce à ces caractéristiques, les arbres étagés sont largement utilisés dans diverses applications de transmission.
3. Arbre à cames
L'arbre à cames est un composant essentiel des moteurs à pistons. Dans les moteurs à quatre temps, il tourne généralement à la moitié de la vitesse du vilebrequin, tout en conservant une vitesse de rotation élevée et en supportant un couple important. Par conséquent, sa conception impose des exigences strictes en matière de résistance et de capacité de support.
Les arbres à cames sont généralement fabriqués en fonte spéciale, bien que certains soient forgés pour une durabilité accrue. La conception de l'arbre à cames joue un rôle essentiel dans l'architecture globale du moteur.
4. Arbre cannelé
Les arbres cannelés doivent leur nom à leur aspect distinctif, caractérisé par une rainure de clavette longitudinale sur leur surface. Ces rainures permettent aux composants rotatifs montés sur l'arbre de maintenir une rotation synchronisée. Outre cette capacité de rotation, les arbres cannelés permettent également un mouvement axial, certains modèles intégrant des mécanismes de verrouillage fiables pour les applications de freinage et de direction.
Une autre variante est l'arbre télescopique, composé de tubes intérieur et extérieur. Le tube extérieur est doté de dents internes, tandis que le tube intérieur est doté de dents externes, ce qui leur permet de s'emboîter parfaitement. Cette conception permet non seulement de transmettre le couple de rotation, mais aussi de s'allonger et de se contracter, ce qui la rend idéale pour les mécanismes de changement de vitesse.
5. Arbre de transmission
Lorsque la distance entre le cercle de creux d'un engrenage et le fond de la rainure de clavette est minimale, l'engrenage et l'arbre sont intégrés en une seule unité, appelée arbre d'engrenage. Ce composant mécanique supporte les pièces rotatives et travaille en conjonction avec elles pour transmettre le mouvement, le couple ou les moments de flexion.
6. Arbre à vis sans fin
Un arbre à vis sans fin est généralement construit comme une seule unité qui intègre à la fois la vis sans fin et l'arbre.
7. Arbre creux
Un arbre creux est un arbre conçu avec un centre creux. Lors de la transmission du couple, la couche extérieure d'un arbre creux subit la contrainte de cisaillement la plus élevée, ce qui permet une utilisation plus efficace des matériaux. Lorsque le moment de flexion des arbres creux et pleins est égal, les arbres creux réduisent considérablement le poids sans compromettre les performances.
Vilebrequin
Le vilebrequin est un composant essentiel d'un moteur, généralement fabriqué en acier de construction au carbone ou en fonte ductile. Il est composé de deux parties principales : le tourillon principal et le tourillon de bielle. Le tourillon principal est monté sur le bloc moteur, tandis que le tourillon de bielle est relié à la grande extrémité de la bielle. La petite extrémité de la bielle est reliée au piston dans le cylindre, formant un mécanisme classique de coulissement du vilebrequin.
arbre excentrique
Un arbre excentrique est défini comme un arbre dont l'axe n'est pas aligné avec son centre. Contrairement aux arbres ordinaires, qui facilitent principalement la rotation des composants, les arbres excentriques sont capables de transmettre à la fois la vitesse et la révolution. Pour ajuster l'entraxe entre les arbres, les arbres excentriques sont couramment utilisés dans les mécanismes à liaison plane, tels que les systèmes d'entraînement par courroie trapézoïdale.
arbre flexible
Les arbres flexibles sont principalement conçus pour transmettre le couple et le mouvement. Grâce à leur rigidité en flexion nettement inférieure à leur rigidité en torsion, ils peuvent facilement contourner divers obstacles, permettant ainsi une transmission longue distance entre la puissance principale et la machine en fonctionnement.
Ces arbres facilitent le transfert de mouvement entre deux axes en mouvement relatif sans nécessiter de dispositifs de transmission intermédiaires supplémentaires, ce qui les rend idéaux pour les applications longue distance. Leur conception simple et leur faible coût contribuent à leur popularité dans divers systèmes mécaniques. De plus, les arbres flexibles contribuent à absorber les chocs et les vibrations, améliorant ainsi les performances globales.
Les applications courantes incluent les outils électriques portatifs, certains systèmes de transmission dans les machines-outils, les odomètres et les dispositifs de commande à distance.
1. Arbre flexible de type électrique
Les arbres flexibles de puissance sont dotés d'une connexion fixe à l'extrémité de l'arbre souple, équipée d'un manchon coulissant à l'intérieur du raccord flexible. Ces arbres sont principalement conçus pour la transmission de couple. Une rigidité torsionnelle suffisante est une exigence fondamentale pour les arbres flexibles de puissance. Généralement, ces arbres intègrent des mécanismes anti-retour pour assurer une transmission unidirectionnelle. La couche extérieure est constituée d'un fil d'acier de plus grand diamètre, et certains modèles sont dépourvus de tige centrale, ce qui améliore à la fois la résistance à l'usure et la flexibilité.
2. Arbre flexible de type contrôle
Les arbres flexibles de contrôle sont principalement conçus pour la transmission de mouvement. Le couple qu'ils transmettent sert principalement à compenser le couple de frottement généré entre l'arbre flexible et le tuyau. Outre une faible rigidité en flexion, ces arbres doivent également présenter une rigidité en torsion suffisante. Comparés aux arbres flexibles de puissance, les arbres flexibles de contrôle se distinguent par leurs caractéristiques structurelles, notamment la présence d'une tige centrale, un nombre plus élevé de couches d'enroulement et des diamètres de fil plus petits.
Structure de l'arbre flexible
Les arbres flexibles se composent généralement de plusieurs composants : un arbre flexible en fil métallique, un joint d'arbre flexible, un tuyau et un joint de tuyau.
1. Arbre flexible en fil métallique
Un arbre flexible en fil métallique, également appelé arbre flexible, est constitué de plusieurs couches de fil d'acier enroulées ensemble, formant une section circulaire. Chaque couche est composée de plusieurs brins de fil enroulés simultanément, ce qui lui confère une structure similaire à celle d'un ressort multibrins. La couche de fil la plus interne est enroulée autour d'une tige centrale, les couches adjacentes étant enroulées en sens inverse. Cette conception est couramment utilisée dans les machines agricoles.
2. Joint d'arbre flexible
Le joint d'arbre flexible est conçu pour relier l'arbre de sortie aux composants. Il existe deux types de connexion : fixe et coulissante. Le type fixe est généralement utilisé pour les arbres flexibles plus courts ou dans les applications où le rayon de courbure reste relativement constant. En revanche, le type coulissant est utilisé lorsque le rayon de courbure varie considérablement en cours de fonctionnement, permettant ainsi un plus grand mouvement du flexible pour s'adapter aux variations de longueur lors de la flexion.
3. Tuyau et joint de tuyau
Le tuyau, également appelé gaine de protection, protège l'arbre flexible du contact avec les composants externes, garantissant ainsi la sécurité de l'opérateur. Il permet également de stocker les lubrifiants et d'empêcher la pénétration de saletés. Pendant le fonctionnement, le tuyau assure un soutien, facilitant ainsi la manipulation de l'arbre flexible. Il est important de noter que le tuyau ne tourne pas avec l'arbre flexible pendant la transmission, ce qui garantit un fonctionnement fluide et efficace.
Comprendre les différents types et fonctions des arbres est essentiel pour les ingénieurs et les concepteurs afin de garantir des performances et une fiabilité optimales des systèmes mécaniques. Choisir le type d'arbre adapté à chaque application permet d'améliorer l'efficacité et la longévité des machines. Pour en savoir plus sur les composants mécaniques et leurs applications, restez à l'écoute de nos dernières actualités !
Date de publication : 15 octobre 2024
