Conformité sans compromis |

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Klingelnberg examine la mobilité électrique dans la fabrication d’engrenages

Qu’est-ce qui changera lorsqu’au lieu d’un moteur thermique un moteur électrique de puissance nominale identique déplacera un véhicule ? A première vue pas grand chose. La vitesse du moteur plus élevée entraîne un rapport plus élevé, mais le grand défi est le côté côte, qui n’avait pas besoin de beaucoup d’attention dans le passé.

La cause première de la modification du cahier des charges d’un entraînement d’essieu électrique est le très faible contenu énergétique à bord. Un réservoir diesel de 80 litres contient 784 kWh alors qu’une batterie lithium-ion de 500 kg a 75 kWh et seulement 55 kWh sont utilisables. Cela nécessite une utilisation très économique de l’énergie. Au lieu de s’arrêter avec des freins à friction, l’énergie cinétique du véhicule est utilisée pour charger la batterie en faisant fonctionner le moteur électrique en mode générateur. La puissance de coupure pour les véhicules d’un poids de 2,5 tonnes peut atteindre 250 kW, les véhicules plus lourds auront même besoin d’une puissance de coupure plus élevée. Dans de nombreux cas, la puissance de freinage est supérieure à la puissance nécessaire à la traction. Par conséquent, la déviation induite par la charge devient un problème important dans la conception des engrenages.

D’une part, la boîte de vitesses doit transmettre la puissance de traction de zéro à 15 000 tr/min et même plus pour déplacer le véhicule. Par contre entraîner le moteur en mode génératrice pour rompre les charges de la boîte de vitesses encore plus qu’en mode traction. La seule simplification dans une boîte de vitesses pour une transmission électrique est l’absence de la marche arrière. L’exigence d’une chaîne cinématique électrique a (en plus des coûts cibles) quatre points forts : un rapport élevé, un couple élevé, un rendement élevé, une faible émission de bruit, tout cela pour un mode de conduite et de roue libre à la meilleure densité de puissance. Tous les aspects doivent être conformes sans compromis.

Un rapport élevé est réalisable avec une boîte de vitesses cylindrique à deux étages ou une boîte de vitesses planétaire. L’efficacité du réducteur planétaire est meilleure, mais les coûts de fabrication sont plus élevés car la finition dure de l’engrenage interne prend plutôt du temps. Pour de nombreuses applications dans une transmission de voiture électrique, la boîte de vitesses cylindrique à deux étages est devenue la conception standard. Une boîte de vitesses commutable améliorera l’efficacité d’un moteur asynchrone, alors qu’une boîte de vitesses à une seule vitesse est suffisante pour les moteurs synchrones.

Le défi pour les chaînes cinématiques électriques est la quantité de déplacement, la prise en compte du côté côte et la faible émission de bruit pour toutes les vitesses et charges.

Le couple élevé provoquera des déflexions induites par la charge du carter, des corps d’engrenage et des dents d’engrenage. L’augmentation de la rigidité n’est acceptable que sans augmentation de la masse de la transmission. Pour éviter de compromettre la densité de puissance et les performances de la boîte de vitesses, une conception sophistiquée du carter, de la conception du corps d’engrenage et des modifications de la forme des flancs pour faire face aux déplacements induits par la charge est obligatoire. Tous ces aspects doivent être traités de la même manière pour les transmissions conventionnelles. Le défi pour les chaînes cinématiques électriques est la quantité de déplacement, la prise en compte du côté côte et la faible émission de bruit pour toutes les vitesses et charges.

Les systèmes logiciels de simulation pour les chaînes cinématiques prédisent le comportement de la chaîne cinématique plus près de la réalité, plus les conditions réelles peuvent être décrites avec précision. Dans une première étape, les flèches induites par la charge statique doivent être calculées. Cela permet de dériver les désalignements de maillage ultérieurs des engrenages. Il s’agit d’informations cruciales pour l’introduction de modifications de forme de flanc. Les modifications de la forme des flancs doivent faire face aux déflexions induites par la charge et elles ne seront évidemment efficaces que lorsque le désalignement d’engrènement des engrenages correspondants correspond à la réalité.

Un concepteur d’engrenages expérimenté peut facilement définir des modifications de forme de flanc qui font face aux déflexions induites par la charge pour un spectre de charge donné. Cependant, la fabrication est-elle également capable de produire exactement selon les spécifications de conception ?

Le logiciel Klingelnberg Gear Designer comble cette lacune. L’ingénieur de conception saisit sa modification de forme de flanc purement fonctionnelle dans le logiciel et reçoit une forme de flanc de meilleure approximation possible qui est en fait réalisable. Maintenant, la simulation du système peut fonctionner avec des données correspondant à la réalité.

Le calcul logiciel des réglages correctifs pour obtenir la qualité d’engrenage requise nécessite une forme théorique des flancs qui soit réalisable.

À la fin du processus de conception des engrenages, la fabrication obtient une conception réalisable, y compris les tolérances. Il n’est pas surprenant que les tolérances soient plutôt serrées. Ces tolérances serrées entraîneront beaucoup de lutte et d’efforts dans la fabrication. Le calcul logiciel des réglages correctifs pour obtenir la qualité d’engrenage requise nécessite une forme théorique des flancs qui soit réalisable. Sans cette forme théorique, il est impossible de séparer les modifications de forme de flanc souhaitées des imperfections d’usinage. Cela permet de développer des modules logiciels en boucle fermée calculant des paramètres correctifs pour minimiser toutes les imperfections d’usinage. D’une part, le principe de la boucle fermée en ingénierie veille à ce que seules des modifications productibles soient conçues. D’autre part, le principe de la boucle fermée dans la fabrication veille à ce que l’ingénieur de processus soit en mesure de produire exactement la conception en minimisant les imperfections d’usinage d’une manière assistée numériquement.

Le défi pour les chaînes cinématiques électriques se situe des deux côtés, la conception et la fabrication. Pour les conceptions sophistiquées, la simulation du système a besoin de données aussi proches que possible de la réalité et pour une fabrication de haute qualité avec des tolérances très serrées, la fabrication a besoin d’assistants numériques pour produire exactement ce qui a été conçu.

www.klingelnberg.com

A propos de l’auteur: Dr.-Ing. Hartmuth Müller est responsable de la technologie et de l’innovation chez Klingelnberg GmbH. Il fait partie de l’entreprise depuis 1990 (en tant que développeur de logiciels).