Couronnement modifié avec Klingelnberg |

Couronnement modifié avec Klingelnberg |


Qu’est-ce qui devra changer dans l’entraînement des essieux lorsqu’un moteur électrique de même puissance nominale prendra la place du moteur thermique ? A première vue, rien. Ou alors il semble. Cependant, la gestion du moteur dans les voitures électriques nécessite une spécification très différente de la transmission et de la boîte de vitesses.

La cause fondamentale de la modification des exigences d’un entraînement d’essieu électrique est le très faible contenu énergétique à bord. Un réservoir diesel de 80 litres fournit 784 kWh d’énergie, tandis qu’une batterie lithium-ion de 500 kg fournit 75 kWh, dont seulement 55 kWh sont utilisables. Cela nécessite une utilisation très économique de l’énergie. Au lieu de convertir l’énergie cinétique du véhicule en chaleur lors du freinage, le moteur fonctionne comme un générateur. La puissance de freinage peut atteindre 250 kW pour les véhicules d’un poids total de 2,5 tonnes ; les véhicules plus lourds ont besoin d’encore plus de puissance de freinage.

Les forces des dents déforment l’engrenage

Et c’est là que réside la tâche de concevoir un jeu d’engrenages hypoïdes pour un véhicule à entraînement électrique. Dans le passé, nous nous concentrions uniquement sur le côté entraînement. Maintenant, cependant, en raison des couples de freinage élevés lors de la récupération, nous devons prêter une attention particulière au côté côte. La figure 1 montre l’effet des forces dentées sur un engrenage hypoïde. Pour une meilleure visualisation des efforts de denture, le pignon couronne n’est pas représenté sur les deux figures du bas. Les forces agissant sur la couronne sont représentées par des flèches pleines et les forces de réaction agissant sur le pignon sont représentées par des flèches en pointillés.

Figure 1 Données d’engrenage et forces de denture pour l’entraînement et la roue libre.

Côté entraînement, les flancs concaves du pignon déplacent les flancs convexes de la couronne dentée. La force normale d’une dent de pignon, qui est générée par le couple d’entraînement du moteur, est contrecarrée par la contre-force de la dent de la couronne de même amplitude. Cette force agissant sur le pignon peut être divisée en deux directions : une direction axiale, qui enfonce le pignon dans le roulement à rouleaux coniques derrière la tête de pignon, et une direction verticale, qui agit contre le décalage axial du pignon. Il s’agit d’un cas de charge bénin, car la rigidité limitée du roulement et du boîtier éloignera le pignon du centre de la boîte de vitesses avec une augmentation du jeu et du jeu pointe-pied. De plus, la rigidité axiale de l’arbre de pignon à l’écart du centre de l’engrenage (à droite sur la figure 1) est beaucoup plus grande que dans l’autre sens.

Dans le cas du côté côte, les forces de dent déplaceront le pignon dans la boîte de vitesses. Ici, en plus d’augmenter le déport de l’essieu, le pignon de la figure 1 est tiré vers la gauche dans l’engrenage.

Figure 2: Ease-Off, déplacements et contacts chargés.

La figure 2 montre l’Ease-Off et les déplacements résultant du couple avec les diagrammes de portance résultants associés. Les déplacements induits par la charge du pignon sont ΔV= -0,2 mm et ΔH= +0,29 mm à 1000 Nm côté entraînement. En raison de la rigidité axiale plus faible de l’entraînement axial dans le sens négatif ΔH, les déplacements calculés du pignon à 500 Nm pour le côté côte sont ΔV= +0,16 mm et ΔH= -0,35 mm.

La charge de 500 Nm côté côte n’est toujours pas critique. Mais lors de la récupération avec une puissance de freinage élevée, des couples sensiblement plus élevés se produisent. Avec une puissance de freinage de 250 kW et une vitesse de 70 km/h, le couple résultant au pignon pour notre exemple est de 1 500 Nm. Pour cette conception de boîte de vitesses, les déplacements sont ΔV = +0,3 mm et ΔH = 1,02 mm. Nous avons ici notre cas critique. Le jeu diminue considérablement et un effet égal se produit sur le jeu pointe-racine. Dans le pire des cas, cela pourrait entraîner un blocage de l’engrenage. Afin d’éviter cela, nous devons augmenter considérablement le jeu et également augmenter le facteur de pied de dent dans les dimensions de l’engrenage.

On peut voir immédiatement sur la figure 3 que le modèle de contact chargé pour le côté côte est un contact de bord distinct avec une pression maximale de près de 1 300 MPa près du talon dans la racine. La forme du flanc de dent n’est évidemment pas adaptée pour assurer un contact dentaire raisonnable pour la charge élevée et le déplacement associé.

Figure 3: Modèle de contact chargé à un couple de 1 500 Nm.

Topographie des dents modifiée sur les couronnes formées

Il y a de nombreuses années, Klingelnberg a développé le principe de couronnement modifié pour effectuer des reliefs d’extrémité. Les modifications de la forme des flancs peuvent être appliquées avec des mouvements superposés d’ordres supérieurs tels que le roulis modifié et le mouvement hélicoïdal, mais l’effet s’étend plus ou moins en diagonale sur le flanc de la dent. Une modification longitudinale perpendiculaire au pied de dent n’est applicable qu’aux couronnes dentées non générées utilisant l’approche de couronnement modifié.

Le couronnement modifié peut être appliqué en surfaçage ainsi qu’en surfaçage. Pour faciliter la compréhension, le couronnement modifié est expliqué avec un exemple de surfaçage.

Figure 4.1 : Position plongeante.

La forme de l’espace entre les dents d’une couronne non générée est une copie exacte de l’outil de coupe, une meule dans ce cas. La position relative entre la pièce et l’outil est décrite par quatre paramètres, la position dite de plongée, illustrée aux figures 4.1 et 4.2.

Figure 4.2 : Position de plongée modifiée.

Les quatre paramètres sont la position de pénétration X, la distance radiale S, l’angle de berceau q faisant sortir l’axe de distance radial du plan de dessin et l’angle de base. Lors de l’usinage de l’engrenage avec la position de plongée non modifiée et par la suite de l’usinage avec la position de plongée modifiée, nous obtenons une modification de la forme des flancs avec un pli prononcé dans le sens de la largeur de la face, illustré à la figure 5, position supérieure droite. Le couronnement modifié relie désormais la position de plongée modifiée à de nombreuses positions de plongée intermédiaires avec un mouvement d’usinage fluide. Cela permet une transition en douceur du flanc d’origine et du relief d’extrémité souhaité, illustré à la figure 5, en bas à droite.

Figure 5 : Influence de plusieurs positions intermédiaires de plongée reliées par un mouvement d’usinage fluide.

Cet exemple montre un relief d’extrémité au talon de la couronne dentée. Mais il est également possible d’appliquer un relief d’extrémité au pied de l’engrenage. Il s’agit d’une caractéristique essentielle du couronnement modifié pour la conception d’un essieu hypoïde entraîné par un moteur électrique. Le relief d’extrémité aidera à éviter le contact du bord dans la zone de la racine des orteils causé par les déplacements excessifs en mode récupération.

Décharge combinée sur couronne avec torsion sur pignon

Comme le montre la figure 3, une modification de la forme des flancs est nécessaire pour déplacer le motif de contact davantage vers la pointe du flanc de l’engrenage et limiter la dimension du motif de contact chargé de sorte qu’il n’y ait pas de contact de bord. Il va sans dire que pour la condition non chargée, le contact de dent doit être adapté, et l’erreur de transmission doit être aussi faible que possible.

Figure 6 : Étapes du développement d’Ease-Off.

La figure 6 montre le processus de développement d’Ease-Off. Dans la première étape, une grande torsion longitudinale est appliquée au flanc du pignon en utilisant un mouvement modifié, par exemple un roulis modifié et un mouvement hélicoïdal. L’objectif est de déplacer le motif porteur de la racine de la dent de la couronne au centre de la dent. Ensuite, un relief d’extrémité est appliqué à la pointe de l’engrenage avec un couronnement modifié. La dernière étape consiste à aligner la spirale et l’angle de pression pour placer le contact non chargé près de la pointe près du talon.

Lors de l’exécution de ces étapes, nous obtenons enfin un Ease-Off montrant une très faible erreur de transmission déchargée et un motif de contact chargé sans contact de bord.

Problème résolu

Image 7 : Résultat KIMoS du jeu d’engrenages hypoïdes optimisé pour un essieu à entraînement électrique.

La figure 7 montre le résultat de cette optimisation réalisée avec le logiciel Klingelnberg KIMoS.

Les fraiseuses et rectifieuses Klingelnberg sont capables de couper des engrenages coniques à l’aide du surfaçage ou du surfaçage ou du meulage des engrenages coniques à l’aide du surfaçage avec ces réglages de machine.

Même si l’Ease-Off semble très inhabituel à première vue, ces modifications de forme de flanc offrent toutes les caractéristiques dont nous avons besoin pour notre tâche de conception. L’erreur de transmission non chargée est à la fois inférieure à 25 rad pour l’entraînement et la roue libre et le modèle de contact non chargé est bien positionné sur les flancs. Malgré les énormes déplacements pour le côté côte, le modèle de contact chargé est clairement limité sur le flanc de la dent. De plus, la pression maximale se situe dans une plage non critique pour les dommages par piqûre.

Le couronnement modifié est basé sur une idée de 1994. C’est une méthode immédiatement applicable qui peut être utilisée en conjonction avec le mouvement modifié pour appliquer des modifications de forme de flanc aux engrenages coniques et hypoïdes pour gérer les déplacements qui n’étaient pas pertinents jusqu’à présent. En particulier, pour les entraînements électriques générant des charges élevées du côté de la côte, Modified Crowning et Modified Motion ouvrent la porte à des conceptions d’engrenages très efficaces.

EN UN CLIN D’OEIL :

  • Les couples de freinage élevés lors de la récupération des entraînements électriques imposent une charge considérable sur le côté côtier.
  • Les roulements du pignon et le boîtier de l’entraînement d’essieu ne sont pas conçus de manière optimale pour les désalignements qui en résultent.
  • Afin d’avoir un contact dentaire porteur utilisable dans ces conditions, un nouveau type de modification de flanc de dent est nécessaire avec un Ease-Off extrêmement insensible aux désalignements existants.
  • L’interaction du relief d’extrémité au niveau de la couronne et de la torsion au niveau du pignon crée de nouvelles opportunités pour améliorer le fonctionnement en roue libre d’un ensemble d’engrenages hypoïdes formé.

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).