ArbresLes arbres sont des composants essentiels des systèmes mécaniques ; ils constituent l’ossature qui supporte tous les éléments de transmission tout en transmettant le couple et les moments de flexion des paliers. La conception d’un arbre doit non seulement prendre en compte ses caractéristiques individuelles, mais aussi son intégration à la structure globale du système. Selon le type de charge subie lors du mouvement et de la transmission de puissance, les arbres se classent en broches, 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 des moments de flexion que lorsqu'elle est immobile. Sa structure simple et sa bonne rigidité la rendent idéale pour des applications telles que les axes de vélo.
2. Broche rotative
Contrairement aux axes fixes, les axes rotatifs subissent également des moments de flexion lorsqu'ils sont en mouvement. On les trouve couramment dans les essieux des roues de train.
Arbre de transmission
Les arbres de transmission sont conçus pour transmettre le couple et sont généralement plus longs en raison des vitesses de rotation élevées. Afin de prévenir les fortes vibrations dues à la force centrifuge, la masse de l'arbre de transmission est répartie uniformément sur sa circonférence. Les arbres de transmission modernes utilisent souvent des conceptions creuses, ce qui permet d'atteindre des vitesses critiques plus élevées que les arbres pleins, les rendant ainsi 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 d'acier sans soudure.
Arbre rotatif
Les arbres rotatifs sont uniques en ce qu'ils subissent à la fois des 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 possèdent un axe linéaire et se divisent en arbres optiques et arbres étagés. Généralement pleins, ils peuvent toutefois être conçus creux afin de réduire leur poids tout en conservant leur rigidité et leur 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 de la charge. 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 devant supporter un couple important. De ce fait, 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. Leur conception joue un rôle essentiel dans l'architecture globale du moteur.
4. Arbre cannelé
Les arbres cannelés doivent leur nom à leur aspect caractéristique, 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 des applications dans les systèmes de freinage et de direction.
Une autre variante est l'arbre télescopique, composé d'un tube intérieur et d'un tube extérieur. Le tube extérieur possède des dents internes, tandis que le tube intérieur possède des dents externes, permettant un emboîtement parfait. Cette conception transmet non seulement le couple de rotation, mais offre également la possibilité d'allonger ou de raccourcir l'arbre, ce qui le rend idéal pour les mécanismes de changement de vitesse.
5. Arbre d'engrenage
Lorsque la distance entre le cercle de pied d'une roue dentée et le fond de la rainure de clavette est minimale, la roue dentée et l'arbre sont intégrés en un seul ensemble, appelé arbre d'engrenage. Ce composant mécanique supporte les pièces rotatives et fonctionne de concert 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 intégrant à la fois la vis sans fin et l'arbre.
7. Arbre creux
Un arbre conçu avec un centre creux est appelé arbre creux. Lors de la transmission d'un 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. Dans des conditions où 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 du moteur, généralement fabriqué en acier de construction au carbone ou en fonte ductile. Il comprend deux parties principales : le tourillon principal et le tourillon de bielle. Le tourillon principal est fixé au 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 ainsi un mécanisme classique de vilebrequin et de piston.
Arbre excentrique
Un arbre excentrique est un arbre dont l'axe n'est pas aligné avec son centre. Contrairement aux arbres ordinaires, qui assurent principalement la rotation des composants, les arbres excentriques peuvent transmettre à la fois une rotation et une vitesse angulaire. Pour ajuster l'entraxe entre arbres, on utilise couramment des arbres excentriques 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 la transmission sur de longues distances entre la source d'énergie principale et la machine de travail.
Ces arbres permettent la transmission du mouvement entre deux axes en mouvement relatif sans nécessiter de dispositifs de transmission intermédiaires, ce qui les rend idéaux pour les applications longue distance. Leur conception simple et leur faible coût expliquent leur popularité dans divers systèmes mécaniques. De plus, leur flexibilité contribue à absorber les chocs et les vibrations, améliorant ainsi les performances globales.
Les applications courantes comprennent les outils électriques portatifs, certains systèmes de transmission dans les machines-outils, les odomètres et les dispositifs de télécommande.
1. Arbre flexible de type motorisé
Les arbres flexibles de transmission de puissance sont dotés d'une liaison fixe à l'extrémité du joint souple, équipée d'un manchon coulissant à l'intérieur du joint. Ces arbres sont principalement conçus pour la transmission de couple. Une rigidité en torsion suffisante est essentielle pour les arbres flexibles de transmission de puissance. Généralement, ces arbres intègrent des mécanismes anti-retour pour garantir une transmission unidirectionnelle. La couche extérieure est constituée d'un fil d'acier de gros diamètre, et certains modèles sont dépourvus de barre centrale, ce qui améliore à la fois la résistance à l'usure et la flexibilité.
2. Arbre flexible de type commande
Les arbres flexibles de commande sont principalement conçus pour la transmission de mouvement. Le couple qu'ils transmettent sert essentiellement à compenser le couple de frottement généré entre l'arbre flexible et le flexible. Outre leur faible rigidité en flexion, ces arbres doivent également présenter une rigidité en torsion suffisante. Comparés aux arbres flexibles de puissance, les arbres flexibles de commande se caractérisent par leurs spécificités structurelles, notamment la présence d'une âme, un nombre plus élevé de couches d'enroulement et un diamètre de fil plus petit.
Structure d'un arbre flexible
Les arbres flexibles sont généralement composés de plusieurs éléments : arbre flexible en fil métallique, joint d’arbre flexible, tuyau et joint de tuyau.
1. Arbre flexible en fil métallique
Un arbre flexible, également appelé arbre à ressort, est constitué de plusieurs couches de fil d'acier enroulées ensemble, formant une section circulaire. Chaque couche comprend 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 dans des directions opposées. Ce type d'arbre est couramment utilisé dans les machines agricoles.
2. Joint d'arbre flexible
Le joint d'arbre flexible est conçu pour relier l'arbre de sortie de puissance aux composants actifs. Il existe deux types de raccordement : fixe et coulissant. Le raccordement fixe est généralement utilisé pour les arbres flexibles courts ou dans les applications où le rayon de courbure reste relativement constant. En revanche, le raccordement coulissant est employé lorsque le rayon de courbure varie considérablement en cours de fonctionnement, permettant une plus grande flexibilité à l'intérieur du flexible afin de compenser les variations de longueur dues à sa courbure.
3. Tuyau et raccord 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 peut également contenir du lubrifiant et empêcher la pénétration de poussière. Pendant le fonctionnement, le tuyau soutient l'arbre flexible, facilitant sa manipulation. Enfin, il ne tourne pas avec l'arbre flexible lors de la transmission, assurant 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. En choisissant le type d'arbre adapté à chaque application, on peut améliorer l'efficacité et la durée de vie des machines. Pour en savoir plus sur les composants mécaniques et leurs applications, restez connectés pour suivre nos actualités !
Date de publication : 15 octobre 2024
