Entraînements par courroie et sa classification | Transmission de puissance | Génie mécanique

La transmission de puissance par entraînement par courroie est l’une des méthodes les plus courantes et universellement utilisées du système de transmission lorsque deux arbres sont parallèles (jusqu’à 10 m) l’un à l’autre comme le montre la figure 9.1. Une transmission par courroie est constituée de deux arbres parallèles et une poulie est montée sur chaque arbre.

Une courroie sans fin passe sur la surface de la poulie. Il peut y avoir un glissement entre eux et donc il ne peut pas être appelé comme un entraînement positif. Lorsque la courroie passe sur la poulie, il y a toujours un frottement qui agit entre la surface de la poulie et la surface de la courroie dans la direction opposée du mouvement. La courroie transmet la puissance uniquement par friction. Le système de transmission par courroie peut être utilisé pour une longue distance d’axe en axe de l’arbre. Pour une transmission efficace, le frottement entre la surface de la poulie et la surface de la courroie doit être aussi élevé que possible.

Comme il est bien connu, dans la plupart des systèmes, la friction n’est pas un phénomène souhaitable et devrait être aussi minimale que possible.

1. Entraînement par courroie plate :

Une courroie est une bande mince faite de cuir, de caoutchouc synthétique, de toile ou de fil noyé dans du caoutchouc ou du balata. Ces courroies sont faites plates et de section rectangulaire. Les ceintures sont rendues sans fin en joignant les deux extrémités de la ceinture par des épingles ou des coutures comme le montre la figure 9.2.

Le système peut être applicable pour un entraînement individuel ou un entraînement de groupe. L’entraînement individuel par courroie peut être utilisé lorsque chaque machine aura son propre moteur électrique. Dans le cas d’un entraînement de groupe, un moteur de grande capacité entraîne un arbre aérien appelé arbre principal ou arbre vivant et l’arbre principal entraîne un autre arbre appelé contre-arbre qui entraîne un autre arbre de machine.

La puissance de rotation de la poulie menante à la poulie menée est transmise en raison du frottement entre la surface de la courroie et la surface de la poulie. La courroie aura deux côtés, un côté sera en tension appelé côté tension alors que l’autre côté sera en moindre tension appelé côté relâchement comme le montre la figure 9.3.

Le côté tension (T1) et le côté mou (T2) de la courroie dépendent du sens de rotation de la poulie motrice.

Avantages et inconvénients des courroies plates :

Avantages :

i. Méthode simple, arrangement universellement utilisé, le fonctionnement est régulier si la courroie est de taille appropriée.

ii. Faible coût d’entretien et longue durée de vie.

iii. La flexibilité est plus grande.

iv. Le niveau de choc est moindre.

v. Convient pour deux arbres parallèles.

vi. Convient à de longues distances entre deux arbres centrés.

Inconvénients :

i. La courroie sans fin est réalisée en joignant les deux extrémités par des goupilles. La courroie a tendance à s’endommager près des joints, ce qui réduit sa durée de vie. Cela peut nécessiter le remplacement périodique de la courroie.

ii. Le système ne convient pas pour un arbre à courte distance.

iii. L’efficacité est trouvée moindre en raison du glissement et du fluage, si la taille de la courroie n’est pas appropriée.

iv. Le système n’est pas un entraînement positif.

L’agencement des courroies plates peut être de deux types :

(a) entraînement par courroie plate ouverte et

(b) entraînement par courroie plate croisée.

(a) Entraînement par courroie plate ouverte :

La figure 9.3 montre un arrangement d’entraînement par courroie plate ouverte. Il y a deux poulies montées sur deux arbres parallèles. Une courroie plate passe sur la poulie droite. La courroie continue de tourner dans la même direction. Cette disposition est la plus adaptée lorsque la distance entre les deux arbres est importante et que les deux côtés de la courroie sont parallèles l’un à l’autre. La poulie A est la poulie motrice et la poulie B est la poulie réceptrice. La rotation de A et B se fait dans le sens des aiguilles d’une montre. La partie inférieure de la courroie est le côté tendu avec une tension T1 et le côté supérieur de la courroie est le côté détendu avec une tension T2 de sorte que T1 > T2.

(b) Disposition des courroies plates croisées :

L’arrangement d’une courroie plate croisée est illustré à la figure 9.4. Il est utilisé lorsque deux arbres sont parallèles l’un à l’autre mais qu’ils doivent tourner en sens inverse. L’arbre de la poulie motrice A tourne dans le sens des aiguilles d’une montre tandis que l’arbre de la poulie réceptrice B tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. La distance de centre à centre des deux arbres est L.

Dans ce système d’entraînement, il y a un point de jonction où les courroies se croisent et elles auront une usure due à un effet de frottement constant pendant le fonctionnement. Cet effet est continu. Cependant, les effets de frottement peuvent être évités en augmentant la distance centre à centre égale à 20 fois la largeur de la courroie. Un tel système est jugé convenable lorsque le système fonctionne à faible vitesse.

Glissement de la courroie :

Dans le cas où, la résistance de friction entre la surface de la jante de la poulie et la surface de la courroie est moindre, il se produit est une différence dans le mouvement relatif entre les deux surfaces qui est connu comme le glissement de la courroie. Le glissement de la courroie peut être calculé comme la différence entre la vitesse linéaire de la surface de la jante de la poulie et de la surface de la courroie. La méthode habituelle consiste à le mesurer en pourcentage.

Le glissement de la courroie est causé par les raisons suivantes :

(a) Marche continue de la courroie, la surface de la jante de la poulie devient très lisse,

(d) Diminution du coefficient de friction entre les deux surfaces.

(c) Augmentation de la longueur de la courroie due à un fonctionnement constant.

(d) Grande différence dans la tension du côté tendu (T1) et du côté détendu (T2).

Grandissement de la courroie d’entraînement :

Le fluage est causé par la présence du mouvement relatif d’une courroie ou d’une poulie. Il est dû à l’augmentation de la longueur de la courroie. Pendant le fonctionnement, il y a une course continue de la courroie ou de la poulie et il y a une contraction et un étirement alternés de la courroie. Il y a donc une perte de puissance. En raison du fluage de la courroie, une puissance moins efficace peut être transférée et donc, il y a une diminution du rapport de vitesse.

Poulie jockey/poulie intermédiaire :

Une petite poulie qui est placée sur le côté mou de la courroie et plus près de la poulie entraînée B est appelée poulie jockey comme le montre la figure 9.5. La poulie C est la poulie jockey et elle est aussi appelée poulie de ralenti.

Voici les avantages et les inconvénients d’une poulie folle :

(a) Elle augmente la tension T2 du côté du mou de la courroie.

(b) Elle augmente l’angle de contact.

(c) Elle réduit le glissement.

(d) Il augmente l’efficacité de la transmission de puissance.

(e) Il réduit la durée de vie de la courroie en raison de l’augmentation de la tension côté mou par le placement de la poulie jockey.

Système de poulie crantée :

Dans le cas d’un système de poulie étagée, une seule poulie est réalisée en trois étapes comme le montre la figure 9.6(a). Elle est fabriquée en fonte. Deux poulies de ce type sont montées sur deux arbres parallèles comme le montre la figure 9.6(b).

Dans la figure 9.6(b), A est l’arbre menant et B est l’arbre mené. Les arbres sont placés parallèlement l’un à l’autre et ils sont alignés de telle sorte que la plus grande poulie de A tombe juste en face de la plus petite poulie de la poulie entraînée B. Le diamètre de tous les échelons de A et B est ajusté de telle sorte que la même courroie peut être utilisée. Cet arrangement est utile pour modifier le rapport de vitesse en déplaçant la courroie d’un étage à l’autre. Parfois, le système peut être utilisé avec une poulie à quatre échelons au lieu d’une poulie à trois échelons.

Appareil de poulie conique :

Dans ce type d’arrangement de poulie, il y a deux arbres montés avec un long tronc de cône comme le montre la figure 9.7(a) et ils sont maintenus parallèles l’un à l’autre, mais placés en direction opposée. Un arrangement complet de poulie de cône a été montré dans la Fig. 9.7(b).

Dans cet arrangement, A est l’arbre menant et B est l’arbre mené. Une courroie plate passe sur la surface du tronc de cône dans une position particulière selon le rapport de vitesse souhaité. Entre les deux se trouve un dispositif de déplacement de la courroie « C ». La courroie peut être déplacée pour faire varier le rapport de vitesse de manière appropriée. L’arrangement est très utile et couramment utilisé dans le travail de tour à bois.

Système d’entraînement par courroies composées :

Dans le dispositif d’entraînement par courroie composée, un arbre particulier supporte deux poulies ou plus. Un tel arrangement est illustré aux figures 9.8(a) et 9.8(b).

Comme le montrent les figures 9.8(a) et 9.8(b), pour la combinaison A-B, A est la poulie motrice et B est la poulie entraînée. Pour la combinaison C-D, C est la poulie motrice et D la poulie réceptrice. Lorsque l’on souhaite obtenir une réduction maximale de la vitesse, l’assemblage de la courroie composite est considéré comme la méthode la plus importante. Il permet d’éliminer la plus grande poulie menée.

Dans cette combinaison, les poulies B et C sont les poulies composées, c’est-à-dire que la poulie C est clavetée sur le même arbre sur lequel se trouve la poulie B. D est une autre poulie. Une courroie passe sur A-B et une autre courroie passe sur C-D. La vitesse de la poulie B (nb) et de la poulie C (nc) est la même, c’est-à-dire que nb = nc.

La vitesse de la poulie D (nd) peut être calculée comme suit :

où na, nb, nc et da, db, dc sont la vitesse et le diamètre des poulies A, B et C, respectivement ; t est l’épaisseur de la courroie.

Poulies rapides et lâches :

Dans un atelier bien organisé, plusieurs machines sont entraînées par un seul arbre d’entraînement principal (appelé arbre de ligne) et, assez souvent, une machine doit être arrêtée ou fonctionner fréquemment. Afin d’arrêter une machine, l’arbre principal d’entraînement doit être arrêté, ce qui gêne le travail des autres machines. Cependant, ce problème peut être éliminé en introduisant la technique telle que donnée dans la figure 9.9.

L’arrangement facilite le fonctionnement ou l’arrêt de la machine selon notre besoin. La figure 9.9 montre que la puissance est transmise de la poulie motrice A à la poulie rapide B au moyen d’une courroie de transmission. L’arbre de la poulie rapide est relié à la machine à arrêter. A côté de celle-ci, il y a une poulie libre qui est libre sur l’arbre et tourne librement.

Si la courroie est déplacée par le changeur de courroie sur la poulie libre, qui tourne librement, la rotation de la poulie rapide est arrêtée, ce qui arrête la rotation de l’arbre de la machine. La courroie continue à tourner mais la poulie rapide se libère et la machine s’arrête rapidement.

Symboles et formules à utiliser pour la courroie plate :

Comme le montre la figure 9.10, supposons que A et B sont deux poulies.

Alors,

da = Diamètre de la poulie menante, m

db = Diamètre de la poulie menée, m

ra = Rayon de la poulie menante

rb = Rayon de la poulie menée

na = Vitesse de la poulie menante, rpm

nb = Vitesse de la poulie menée, tr/min

m = Masse/longueur de la courroie (kg/m)

θa = Angle de contact à la poulie A

θb = Angle de contact à la poulie B

L = Entraxe entre la poulie menante et la poulie menée

L0 = Longueur de la courroie dans un entraînement à courroie ouverte

Lc = Longueur de la courroie dans un entraînement croisé

T1 = Tension côté tendu

T2 = Tension côté mou

T = Tension maximale dans la courroie = T1 + T2

T0 = Tension initiale dans la courroie = (T1 + T2)/2

Tc = Tension centrifuge = mv2

Tco = Tension initiale considérant la tension centrifuge

= (T1 + T2 + 2Tc )/2

T1 – T2= Tension nette ou effective dans la courroie

b = Largeur de la courroie, m

t = Epaisseur de la courroie

v = Vitesse de la courroie (m/s)

ωa = Vitesse angulaire de la poulie menante = 2Πna

ωb = Vitesse angulaire de la poulie menée = 2Πnb

P = Puissance transmise (kW) = (T1 – T2)v/1000

2. Entraînement par courroie trapézoïdale :

Les courroies trapézoïdales se révèlent très adaptées aux systèmes de transmission de grande puissance. La section transversale d’une courroie trapézoïdale est trapézoïdale comme le montre la figure 9.11. Elle est moulée en caoutchouc pur ou en caoutchouc synthétique avec des matériaux fibreux tels que des cordes porteuses en nylon qui ont une résistance fibreuse. Les courroies trapézoïdales sont structurées comme une boucle sans fin d’une longueur limitée par les fabricants en fonction du système considéré.

La figure 9.12 montre une courroie trapézoïdale montée de façon serrée dans une poulie à gorge en V pour transmettre un couple élevé. Comme on peut le voir, deux surfaces de la courroie trapézoïdale sont en contact avec la surface de la gorge en V, ce qui améliore les forces de frottement entre la courroie et la poulie. L’efficacité de la transmission est nettement améliorée dans ce système.

En raison des grandes forces de friction, l’usure de la courroie trapézoïdale augmente, ce qui entraîne une réduction de la durée de vie de la courroie. Les fabricants fabriquent des courroies trapézoïdales de différentes tailles en fonction des besoins. Lorsqu’une courroie trapézoïdale est utilisée pour la transmission de puissance, la poulie est modifiée en prévoyant une rainure en forme de coin, afin que la courroie trapézoïdale puisse passer dans la rainure.

La figure 9.13(a) montre une poulie à courroie trapézoïdale qui transmet la puissance avec une seule courroie trapézoïdale et la figure 9.13(b) montre la transmission de puissance avec trois courroies trapézoïdales. Dans la « transmission à courroies trapézoïdales multiples », même si une courroie est défaillante, les autres courroies peuvent transmettre des puissances.

Une courroie trapézoïdale présente les caractéristiques suivantes :

(a) Les courroies trapézoïdales sont utilisées pour la transmission de grandes puissances.

(b) Le nombre de courroies trapézoïdales utilisées sur une même poulie dépend de la puissance à transmettre.

(c) Une courroie trapézoïdale peut être utilisée pour un faible entraxe par rapport à une courroie plate.

(d) Le glissement est complètement absent par rapport à la courroie plate.

(e) Elle peut être utilisée dans n’importe quelle position et n’importe quelle direction ; même l’axe de l’arbre peut être incliné.

(f) L’installation de la courroie trapézoïdale est facile.

(g) Le remplacement de la courroie trapézoïdale est facile.

(h) Un entraînement par courroie trapézoïdale est très efficace et occupe moins d’espace.

Limitations de la courroie trapézoïdale :

(a) La durée de vie d’une courroie trapézoïdale est courte en raison de l’usure.

(b) Elle n’est pas très durable.

(c) La fabrication d’une courroie trapézoïdale est compliquée et nécessite une technique spéciale.

(d) Si la courroie trapézoïdale est endommagée, le remplacement est la seule alternative qui augmente le coût.

(e) Les courroies trapézoïdales peuvent être utilisées dans une plage de vitesse de 5 à 50 m/s.

(f) En cas de remplacement de courroies, si une courroie est endommagée, toutes les courroies du même jeu doivent être remplacées.