Brevet FR2638803A1 — publié le 19900511

- I - ENGRENAGE A FAIBLE EMISSION DE BRUIT, ET PROCEDE POUR SA FABRICATION La présente invention concerne un engrenage à faible émission de bruit, comportant une paire de roues dentées présentant des variations dans leur géométrie d'engrènement. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel engrenage. Par le DE-A-3 533 743, il est connu de réaliser des engrenages dont les roues ont des dents présentant des espacements irréguliers, afin de diminuer le bruit et d'éviter que l'engrenage "ronfle". En outre, il est connu, par la revue "antriebstechnik"l 24 (1985), N 4, pages 30 à 37, d'utiliser des pas à variation irrégulière dans des transmissions à chaîne, de façon à éviter la production de bruit à tonalités individuelles très gênantes. Il a été établi que l'on peut ainsi éviter presque totalement des mises en résonance s'accompagnant de niveaux sonores élevés. Une transposition de ces principes -sur des paires quelconques de roues dentées présente des difficultés particulières du fait que, avec un pas irrégulier de la denture des deux roues, on ne peut avoir que des rapports de transmission entiers et des positions angulaires bien déterminées au montage, afin que la séquence des espacements des dents de la plus petite roue puisse se répéter d'une manière identique sur la plus grande. C'est pourquoi ces dispositions ne peuvent pas être employées d'une manière générale dans les mécanismes d'entraînement des véhicules et des machines. Il est évident qu'il en résulterait une limitation considérable de la liberté de dimensionnement, empêchant une conception optimale de la transmission. Il en résulterait aussi d'importantes difficultés de fabrication, ainsi qu'une durée accrue du travail en raison des strictes prescriptions relatives à l'ordre du montage, et en outre un risque accru de rupture de dents par erreur de montage. Par conséquent, la présente invention a pour but de créer des engrenages présentant des variations géométriques éliminant ou réduisant fortement 2les émissions de bruit par les dents, mais avec un pas constant et un libre choix du rapport de transmission et de l'appariement des roues dentées. Ce but est rempli par un engrenage du type indiqué en préambule, caractérisé en ce que les roues dentées ont un pas constant et sont engrenées mutuellement dans des positions angulaires quelconques, aussi bien pour un rapport de transmission entier que pour un rapport de transmission quelconque, et en ce que plusieurs dents d'au moins l'une des roues dentées comportent des écarts géométriques limités par rapport à des valeurs optimales de paramètres géométriques de la forme des dents, ces écarts ayant des grandeurs différentes d'une dent à une autre. Ainsi, malgré l'existence d'un pas constant entre les dents, les divers écarts créés volontairement par rapport à la géométrie optimale des dents font varier les conditions d'engrènement d'une dent à la suivante de telle manière qu'il en résulte, pendant le fonctionnement de l'engrenage, des chocs et des impulsions sonores qui changent constam- ment et qui se compensent en partie. Les écarts géométriques par rapport à la forme standard des dents ont pour effet un bruit d'ensemble qui est au moins subjectivement plus agréable; à vrai dire ils produisent des perturbations et des déphasages de fréquence qui sont analogues à ceux que donnent les systèmes connus à pas différencié, mais on évite les inconvénients techniques de ces derniers au point de vue de la fabrication et des applications. Il devient ainsi possible d'utiliser d'une manière générale cette technique d'amélioration du bruit pour pratiquement n'importe quelle paire de roues dentées. Par exemple, lesdis écarts peuvent être agencés pour créer des différences de longueur entre les trajectoires de contact pendant la rotation, de façon que ces différences aient une distribution irrégulière. Ainsi, les fréquences acoustiques produites par les dents sont beaucoup moins fortes. Il n'y a pas besoin de prendre en compte une réduction sensible de la puissance transmise par engrènement entre les deux roues, tandis que l'effet de réduction du bruit est nettement perceptible. Des essais réalisés avec une paire de roues de 53 et 59 dents, fabriquées de 3 - cette manière, ont déjà montré des réductions allant jusqu'à 6 dB dans diverses fréquences. Ce résultat est dû au fait que l'on a des conditions géométriques d'engrènement réalisées différemment et réparties irrégulièrement pour le plus grand nombre possible de dents sur la circonférence d'au moins l'une des roues, de sorte que le contact de ces dents avec celles de l'autre roue ne commence plus et ne se termine plus périodiquement, mais au contraire d'une manière différenciée. Diverses formes de réalisation particulières de l'invention présentent encore d'autres avantages. Ainsi, on peut prévoir que seule la roue dentée qui est entraînée par l'autre présente lesdits écarts. De cette façon, on obtient déjà une nette amélioration du bruit. Le nombre de dents comportant des écarts géométriques de même grandeur sur une même roue peut être égal sur chaque roue. Toutefois, les dents en question peuvent entrer en contact suivant des intervalles de temps variables. Il s'avère avantageux qu'au moins l'une des roues comporte sur sa circonférence au moins trois écarts géométriques de différentes grandeurs, qui dépassent les tolérances de fabrication et qui produisent au moins un décalage temporel du début du contact entre les dents. Dans une forme de réalisation préférée, lesdits écarts consistent en des variations déterminées du niveau des têtes des dents, ces variations produisant au moins des variations du début du contact entre les dents. On réalise ainsi très facilement des différences de longueur entre les trajectoires de contact. Lesdites variations du niveau des têtes des dents peuvent être formées de différentes manières. Elles peuvent notamment être formées par des usinages coaxiaux sur les têtes des dents. Ceci permet une exécution mécanisée simple au cours de la fabrication de dentures droites ou hélicoïdales. Une autre forme de réalisation prévoit de former lesdites variations par des usinages coniques à conicités différentes sur les têtes - 4- des différentes dents. Une autre forme prévoit encore, dans le cas de roues à denture droite, de former ces variations par des usinages convexes sur Jes faces d'extrémité des dents. Par ailleurs, lesdits écarts peuvent être formés par des zones en retrait de dimensions variables à proximité des têtes et/ou des pieds des dents. Une autre forme de réalisation des variations du niveau des têtes des dents peut consister en des variations de profondeur de divers usinages obliques sur des arêtes des têtes des dents droites ou hélicoïdales. Dans le cas des dentures hélicoïdales, on peut avoir le même effet par des variations d'angle de divers usinages obliques sur des arêtes des têtes des dents, car il en résulte aussi des différences de longueur des trajectoires de contact entre les dents. Parmi les nombreux écarts possibles par rapport aux grandeurs caractéristiques des dentures droites de roues dentées, les seules qui entrent en ligne de compte pour les dispositions selon la présente invention sont des écarts limités touchant aux dimensions des flancs des dents et répartis d'une manière irrégulière appropriée. On élimine ainsi des écarts touchant au pas circonférenciel et au pas de contact, ainsi qu'à la concentricité ou à la position des éléments, car ceux-ci ne permettent pas d'éliminer des fréquences dans le sens de l'obtention d'un bruit subjectivement plus agréable tout en maintenant dans une large mesure un bon rendement. Selon un autre aspect, la présente invention concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel engrenage, caractérisé en ce que lesdits écarts géométriques sont créés par des chanfreins de différentes dimensions sur les têtes des différentes dents, et en ce que ces chanfreins sont réalisés sur une pièce brute avant réalisation de la denture. Des chanfreins de ce genre peuvent être plans, présenter différentes longueurs et différents angles et peuvent être réalisés d'une manière très simple, par exemple lors du forgeage des pièces brutes ou à la coulée, puisqu'ils pourront donner naissance à des irrégularités du niveau ou de la position des faces d'extrémités des têtes lors de la fabrication de la denture, sans donner lieu à des usinages spéciaux plus importants. La présente invention fournit encore un autre procédé de fabrication d'un tel engrenage, caractérisé en ce que lesdits écarts géométriques sont réalisés par usinage au moyen d'une machine à ébavurer à commande de profondeur programmable, cette machine étant actionnée de manière à travailler plus ou moins fort par des étapes variables à l'intérieur dudit pas constant. L'invention sera décrite plus en détail ci-dessous à l'aide de différents exemples représentés dans les dessins, dans lesquels: la fig. 1 représente les conditions d'engrènement de deux dents en prise mutuelle, ainsi que la relation entre la longueur de la trajectoire de contact et les diamètres extérieurs des roues dentées, la fig. 2 représente l'une de ces roues dentées, dans laquelle les différentes dents présentent différentes valeurs du diamètre extérieur, ces valeurs étant réparties irrégulièrement bien que le pas reste constant, la fig. 3 représente la variation irrégulière du diamètre extérieur, sur les différentes dents, les fig. 4 à 12 représentent diverses autres possibilités de réalisation d'écarts modifiant les flancs de façon à atténuer le bruit, grâce à des variations des conditions effectives d'engrènement d'une dent à l'autre, la fig. 13 représente une pièce brute pour la fabrication d'une roue dentée, présentant des chanfreins de diverses largeurs qui créeront, au cours de l'usinage des dents, des différences sur le niveau des têtes de dents et sur les longueurs des trajectoires de contact, et la fig. 14 représente une vue en coupe suivant la ligne XIV-XIV de la fig. 13. La fig. 1 est basée sur la norme DIN 3960, fig. 33, et représente un exemple d'engrenage présentant des écarts de dimensions des flancs avec un pas constant, une position symétrique des axes etc., grâce à des variations des niveaux ha2 des têtes des dents de la roue entraînée. Les niveaux ha2, différents et irrégulièrement distribués, des têtes des dents de la roue entraînée peuvent être distribués suivant l'exemple illustré par la fig. 2. Dans le cas présent, les différences des niveaux ha2 des têtes d'une dent à l'autre sont réalisées par le fait que les dents sont raccourcies radialement dans une mesure plus ou moins forte, c'est-à-dire que les têtes des dents successives définissent des diamètres extérieurs da2 différents. A l'extrême droite dans la fig. 1, ceci est représenté par de courts arcs de cercle situés tout près l'un de l'autre, ainsi que par les indications d.et d. Les valeurs absolues de ces niveaux des a2min a2max têtes sont distribuées sur les différentes dents de la manière que l'on veut entre les valeurs da2max et da2min. Du fait que, suivant les lois géométriques de l'engrènement, présentées par exemple dans la norme DIN 3960, les valeurs effectives des diamètres extérieurs da2 déterminent la longueur de la trajectoire de contact ga entre le point initial A et le point final E du contact entre deux dents droites appuyées l'une contre l'autre, des variations du niveau hal ou ha2 des têtes produisent des variations analogues de la longueur g a des trajectoires de contact. La longueur effective de chaque trajectoire de contact, ainsi que les dimensions respectives et la forme des différentes dents déterminent, conformément à la présente invention, les différences voulues entre les conditions de vibration et de son à chaque nouveau contact entre les dents. Dans la fig. 1, on a désigné par I la roue dentée entraîneuse et par 2 la roue entraînée et l'on a donné à leurs caractéristiques géométriques les indices correspondants 1 et 2. C'est par rapport à leurs centres respectifs O1 et 02 que sont mesurés les diamètres dal et da2 des cercles extérieurs, ainsi que les diamètres dfl et df2 des cercles intérieurs. Les cercles de diamètres intérieurs utiles dNf I et dNf2 -7coupent les cercles extérieurs opposés da2 et dal au point initial A et au point final E de la trajectoire de contact ayant la longueur ga* Celle- ci coupe la ligne reliant les centres OQ et 02 au point de roulement C, lequel définit aussi les diamètres des cercles de roulement dwl et dw2 des deux roues 1 et 2. Avec la présente invention, ces derniers ne sont pas modifiés par les variations minimes de la longueur ga de la trajectoire de contact. On conçoit qu'il est possible de prévoir, à part la variation des niveaux des têtes, d'autres écarts ou des écarts additionnels qui affectent les dimensions des flancs des dents et qui créent aussi des variations des fréquences sonores résultant des contacts entre les dents, ces variations ayant' un effet global d'atténuation ou de réduction subjective du bruit. Pour des raisons de clarté, on a représenté les variations essentielles des formes des dents des fig. I à 3, par des détails fortement agrandis dans les fig. 4 à 12. Pour l'homme du métier, il sera clair que les dispositions correspondantes devront être appliquées en suivant les mêmes règles que pour l'exemple des variations des niveaux des têtes et des trajectoires de contact, décrites en référence à la fig. 1. Les autres caractéristiques géométriques apparaissant dans la fig. I sont les cercles primitifs de diamètres d1 et d2, les cercles de base de diamètres dbl et db2, et les points de tangence TWi et TW2 de la trajectoire de contact avec les cercles de base, ces points étant définis par un angle " wt à partir de la ligne des centres. La fig. 2 représente l'exemple d'une roue dentée 2 comportant onze dents ZI à ZI l ayant un pas circonférentiel constant Pt. Ces dents ont des têtes 2.1 à 2.11 dont les niveaux varient sur la plupart des dents, entre une valeur maximale et une valeur minimale, en présentant un petit écart dont l'amplitude peut varier de! 1 à 4 unités à partir du diamètre théorique da2 du cercle extérieur. On s'efforce de faire suivre a2 chaque valeur d'une valeur plus élevée ou plus basse de manière à ne pas créer de suites régulières d'impulsions, mais au contraire à produire intentionnellement des décalages opposés aussi irréguliers que possible. La fig. 3 représente, sous la forme d'un diagramme et pour les onze dents, une telle distribution irrégulière de la variation du niveau des -8- têtes des dents. Les dents Zl à Z1 I indiquées en abscisse ont une hauteur dont les écarts A da2 du niveau de la tête par rapport au cercle extérieur sont représentés en ordonnée et sont distribués irrégulièrement de façon que le niveau varie entre une valeur maximale da2max et une valeur minimale da2min. Des différences angulaires dans la distribution des irrégularités évitent également que le bruit augmente et diminue périodiquement avec des impulsions d'une amplitude donnée, car les intervalles de temps entre des impulsions égales se répètent le moins possible. On peut ainsi éviter des vibrations sonores à une seule fréquence, qui sont souvent très gênantes. A la fig. 4, on a représenté l'une des plus simples formes de réalisation permettant de faire varier les longueurs des trajectoires de contact, au moyen de plusieurs valeurs différentes d'un retrait des têtes de dents, entre da2max et da2min. Des usinages 3 sont pratiqués sur les têtes des dents parallèlement à l'axe de façon à former des arêtes supérieures qui sont à différents niveaux et qui présentent, par rapport à un niveau initial, un écart indiqué par àda2 sur le dessin. Dans le cas de la fig. 5, on a également réalisé différents écarts Ada2 d'une dent à l'autre par rapport au diamètre extérieur, grace à différents usinages coniques 4 sur les têtes des différentes dents. Dans le cas de la fig. 6, on a réalisé un usinage 5 à surface longitudinale convexe et de taille variable, créant un écart t da2, sur les faces d'extrémité des dents. Ceci s'applique particulièrement à des roues dentées tournant dans les deux sens. Dans le cas des fig. 7 et 8, o la fig. 8 est une vue dans la direction de la flèche VIII, on a représenté des usinages créant des écarts &dk2 et adf2, disposés parallèlement à l'axe et respectivement à la tête et au pied d'un flanc d'une dent. Cela crée des zones en retrait 6 et 7 dont la grandeur varie. La fig. 9 montre un usinage 8 à angle q constant et à largeur ab variable, qui convient pour des roues à dentures hélicoïdales. - 9 - La fig. 10 représente un usinage incliné 9 partant du cercle intérieur de diamètre df2 et permettant de réaliser de multiples différences de longueur des trajectoires de contact en conservant le même diamètre extérieur da2, grâce à des écarts angulaires Aot variant par exemple de 5 à 30 par rapport à la surface frontale. Cette réalisation convient aussi pour des dentures hélicoidales. Les fig. Il et 12 montrent la possibilité de faire varier simplement la grandeur d'usinages obliques 10 sur les arêtes des têtes des dents pour faire varier les longueurs partielles gal et ga2 des trajectoires de contact. Pour. un angle d'inclinaison f constant, des usinages de différentes profondeurs Ada créent différents écarts Ab sur la largeur et s sur l'épaisseur des dents. Ce principe est utilisable avec tous les types de roues dentées et dans toutes les applications, qu'il s'agisse de dentures droites ou hélicoïdales, dans des engrenages droits, planétaires ou coniques, et il permet d'exécuter les usinages habituels avec un pas constant et pour des rapports de transmission quelconques. Dans les fig. 13 et 14, on a représenté une possibilité de préfabriquer des irrégularités sur les arêtes des têtes des dents, par exemple comme à la fig. 9, sur une pièce brute forgée ou coulée, de telle façon que la distribution irrégulière apparaisse automatiquement lors de l'usinage des dents et que l'on n'ait pas besoin de procéder ensuite à un usinage supplémentaire des dents, hormis l'ébavurage. La fig. 13 représente en plan une telle ébauche circulaire pré-usinée, ayant le diamètre extérieur maximal da2max sur on pourtour. On a réalisé des usinages plats 11.1 à 11.8 qui sont régulièrement répartis le long d'une arête, mais qui présentent différentes longueurs grâce à différentes profondeurs d'usinage yl à yS pour les différentes dents. La profondeur varie avec la position des dents sur la circonférence, comme on le voit par exemple par les différentes valeurs yl et y5 dans la vue en coupe de la fig. 14. On peut aussi obtenir un effet similaire si l'on fait varier l'angle d'inclinaison o. des différents usinages. - 10 - Les usinages à diverses profondeurs, tels que décrits dans les exemples ci-dessus, peuvent être réalisés facilement au moyen d'une machine à ébavurer dont on peut régler la profondeur d'action, par exemple si l'on peut faire varier la course de la machine d'une dent à l'autre au moyen d'une commande programmable. La présente invention n'est pas limitée aux caractéristiques décrites cidessus, mais elle s'étend à toutes modifications ou variantes évidentes pour un homme du métier. - Il - Revendications 1. Engrenage à faible émission de bruit, comportant une paire de roues dentées (1, 2) présentant des variations dans leur géométrie d'engrè- nement, caractérisé en ce que les roues dentées ont un pas constant et sont engrenées mutuellement dans des positions angulaires quelconques, aussi bien pour un rapport de transmission entier que pour un rapport de transmission quelconque, et en ce que plusieurs dents (Z) d'au moins l'une des roues dentées comportent des écarts géométriques limités (Ab, Ada2, Adf2, Cdk2, as, t4) par rapport à des valeurs optimales de paramètres géométriques de la forme des dents, ces écarts ayant des grandeurs différentes d'une dent à une autre. 2. Engrenage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits carts ( a b, Ada, df2 Adk2 s, Ao) sont agencés pour créer des différences de longueur entre les trajectoires de contact (ga) pendant la rotation, ces différences ayant une distribution irrégulière. 3. Engrenage selon la revendication 1, caractérisé en ce que seule la roue dentée (2) qui est entraînée par l'autre (1) présente lesdits écarts ( ab, adra2, Àdf2, Adk2, /Ss, A)- 4. Engrenage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de dents (ZI à ZII) comportant des écarts géométriques ( ab, Ada2, &df2, dk2,As,&) de même grandeur sur une même roue (1, 2) est égal sur chaque roue. 5. Engrenage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des roues (1, 2) comporte sur sa circonférence au moins trois écarts géométriques ( b, Ada2,/ df2, dk2, is,lú) de différentes grandeurs, qui dépassent les tolérances de fabrication et qui produisent au moins un décalage temporel du début (A) du contact entre les dents. 6. Engrenage selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits - 12 - écarts consistent en des variations déterminées (, da2) du niveau des têtes des dents, ces variations produisant au moins des variations du début (A) du contact entre les dents. 7. Engrenage selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites variations ( t da) du niveau des têtes sont formées par des usinages coaxiaux (3) sur les têtes des dents. 8. Engrenage selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites variations ( Ada2) du niveau des têtes sont formées par des usinages coniques (4) à conicités différentes sur les têtes des différentes dents. 9. Engrenage selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites variations (d a2) du niveau des têtes sont formées, dans le cas de roues à denture droite, par des usinages convexes (5) des faces d'extrémité des dents. 10. Engrenage selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits écarts ( \ dk2, A df2) sont formés par des zones en retrait (6, 7) de dimensions variables à proximité des têtes et/ou des pieds des dents. I l. Engrenage selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites variations ( / da) du niveau des têtes sont formées au moins par des a variations de profondeur (Ab) de divers usinages obliques (8, 10) sur des arêtes des têtes des dents. 12. Engrenage selon la revendication 6, caractérisé en ce que caractérisé en ce que lesdites variations (Ada) du niveau des têtes sont formées par des variations d'angle (M:() de divers usinages obliques (9) sur des arêtes des têtes des dents. 13. Procédé de fabrication d'un engrenage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits écarts géométriques sont créés par des chanfreins (11.1 à 11.8) de différentes dimensions sur les têtes des différentes dents, et en ce que ces chanfreins sont réalisés sur une pièce brute avant réalisation de la denture. - 13 - 2638803 _ 13- 14. Procédé de fabrication d'un engrenage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits écarts géométriques (db, A da, As) sont réalisés par usinage au moyen d'une machine à ébavurer à commande de profondeur programmable, cette machine étant actionnée de manière à travailler plus ou moins fort par des étapes variables à l'intérieur dudit pas constant.