Qu'est-ce qu'un axe ?
Un arbre est essentiellement une pièce rotative de toute machine, ayant une section circulaire, utilisée pour transmettre la puissance d'une pièce à une autre ou d'une machine génératrice d'énergie à une machine absorbant la puissance. Pour transmettre la puissance, une extrémité de l’arbre est connectée à la source d’alimentation et l’autre extrémité est connectée à la machine. Les arbres peuvent être pleins ou creux selon vos besoins, les arbres creux contribuant à réduire le poids et offrant des avantages.
Description générale de l'axe
L’arbre est l’un des éléments très importants utilisés dans les machines. Ils sont utilisés pour supporter des pièces rotatives telles que des poulies et des engrenages. Ils sont supportés par des roulements situés dans le carter rigide de la machine. Les engrenages et poulies situés sur les arbres aident à transmettre le mouvement.
De nombreux autres éléments rotatifs sont clavetés sur l'arbre. Les arbres sont soumis à des moments de flexion et des torsions dus aux forces de réaction des éléments qu'ils supportent et au couple généré par la transmission de puissance.
L'arbre a toujours une section circulaire et peut être creux ou plein. Les arbres peuvent être classés en vilebrequins, arbres linéaires, arbres articulés ou arbres flexibles, mais les arbres linéaires sont généralement utilisés pour transmettre de la puissance.
Les arbres sont généralement conçus sous forme de tiges cylindriques raides de sorte qu'ils aient des diamètres différents sur toute leur longueur, bien que les arbres avec un diamètre constant soient faciles à produire.
L'ampleur de la contrainte dans un arbre étagé varie en fonction de sa longueur. Les arbres de diamètre uniforme ne sont pas adaptés au démontage, au montage, à la maintenance, et ces arbres créent des complications lors de la fixation des pièces qui y sont montées, notamment les roulements.
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Type d'arbre
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arbre de transmission
Ces arbres sont des arbres étagés utilisés pour transmettre la puissance entre une source et une autre machine qui absorbe la puissance. Monté sur la partie étagée d'un engrenage d'arbre, d'un moyeu ou d'une poulie pour transmettre le mouvement.
Exemples : arbres aériens, bobines, arbres intermédiaires et tous les arbres d'usine.
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Axe mécanique
Ces axes sont situés à l'intérieur de l'ensemble et font partie intégrante de la machine.
Exemple : Le vilebrequin d’un moteur de voiture est un arbre de machine.
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arbre d'essieu
Ces arbres supportent des éléments rotatifs, tels que des roues, qui peuvent être montés dans des boîtiers avec roulements, mais les arbres sont des éléments non rotatifs. Ceux-ci sont principalement utilisés dans les véhicules.
Exemple : les essieux des voitures.
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Broche
Ce sont les parties rotatives de la machine qui abritent les outils ou l'espace de travail. Ce sont des arbres courts utilisés dans les machines.
Exemple : broche dans un tour.
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Matériau de l'arbre
L'acier doux est généralement le matériau utilisé pour les arbres. Si une résistance élevée est requise, des aciers alliés tels que l'acier au nickel-chrome, au nickel et au chrome-vanadium sont utilisés. Ils sont formés par laminage à chaud, étirage et meulage à froid. Les matériaux habituellement utilisés pour les arbres conventionnels sont l'acier au carbone de qualité 50C12, 50C4, 45C8, 40C8.
Le matériau utilisé pour la tige doit avoir les propriétés suivantes :
Les matériaux doivent avoir une résistance élevée ;
Les matériaux doivent avoir une résistance élevée à l’usure ;
Les matériaux doivent avoir des propriétés de traitement thermique ;
Les matériaux doivent avoir de bonnes propriétés mécaniques ;
Le matériau doit avoir une faible sensibilité aux entailles.
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Taille standard de l'arbre
Axe mécanique
Jusqu'à 25 mm par pas de 0,5 mm.
arbre de transmission
Taille standard de l'arbre - longueur du pas ;
Longueur de pas de 25 mm à 60 mm-5 mm ;
Longueur de pas de 60 mm à 100 mm-10 mm ;
Longueur de pas de 110 mm à 140 mm-15 mm ;
Pas de 140 mm à 500 mm - 20 mm.
Les axes de machine sont disponibles dans des tailles standard jusqu'à 25 mm par pas de 5 mm. Pour les puits, les longueurs standards sont de 5 m, 6 m et 7 m, mais prennent généralement 1 m à 2 m.
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contrainte dans l'arbre
La contrainte induite dans l’arbre est :
Contrainte de cisaillement due à la transmission du couple (couple dû au chargement de torsion) ;
Les contraintes de flexion, de nature compressive ou traction, dues aux forces agissant sur les éléments mécaniques tels que les poulies et les engrenages et au poids propre de l'arbre ;
Contraintes combinées causées par les charges de flexion et de torsion.
La contrainte de cisaillement maximale admissible de la contrainte de conception est :
1. L'arbre mesure 56 000 kN/m2 et il y a de la place pour la rainure de clavette.
2. L'arbre mesure 42 000 kN/m2 sans allocation de rainure de clavette.
La contrainte de flexion maximale admissible est :
1. L'arbre mesure 112 000 kN/m2 et il y a de la place pour la rainure de clavette.
2. L'arbre mesure 84 000 kN/m2 sans allocation de rainure de clavette.
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Fabrication d'arbres
L'arbre est fabriqué selon un procédé de laminage à chaud. La résistance de l'arbre est plus élevée lors du laminage à froid que lors du laminage à chaud, mais le laminage à froid provoque des contraintes résiduelles élevées qui provoquent la déformation de l'arbre pendant le traitement. Le processus de forgeage est utilisé pour créer des arbres de plus grand diamètre.
Une fois le laminage terminé, l'extrémité de l'arbre est traitée, une extrémité de l'arbre est montée sur la machine d'inspection et l'autre extrémité de l'arbre est soutenue par la tourelle du tour. Pour terminer l'arbre, l'outil est maintenu en place par le porte-outil et lorsque l'appareil est sous tension, le mandrin commence à faire tourner l'arbre.
Les comparateurs à cadran sont utilisés pour vérifier la concentricité de l'arbre avant l'usinage et effectuer diverses opérations telles que le tournage, le dressage, le rainurage et le tournage conique en fonction du but recherché. Les applications à grand volume, CNC et autres sont les mieux adaptées aux processus d'usinage finaux. Il peut également être usiné avec une machine CNC à double extrémité avec l'axe serré entre la rotation de l'outil et le montage.
Pour obtenir la concentricité et la rondeur, les outils rotatifs doivent se faire face sur les lignes centrales. Les arbres de transmission et les moteurs sont souvent fabriqués selon ce procédé.
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Entraînement par arbre
Nous savons que l'arbre est utilisé pour la transmission de puissance, donc la formule utilisée pour calculer la transmission de puissance est : P=2πnT/60. Parmi eux, P est la puissance transmise (W) ; n est le nombre de tours par minute (rpm) ; T est le couple en N·m.
Vitesse des axes pour diverses applications :
1. Machines : 100~200 ;
2. Machines à bois : 250~700 ;
3. Industrie textile : 300~800 ;
4. Atelier de machines légères : 150 ~ 300 ;
5. Arbre auxiliaire : 200~600.
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Conception de l'arbre
Les arbres peuvent être conçus selon deux processus différents basés sur différentes considérations de charge :
1. Conception d'arbre basée sur la résistance Les arbres de transmission sont généralement sensibles aux moments de flexion, aux couples, aux tractions axiales et à une combinaison de ceux-ci. En règle générale, les roulements sont soumis à une combinaison de contraintes de torsion et de flexion.
Contrainte de traction portante :
Contrainte de traction=P/A
Parmi eux, A=(π/4)xD2, D est le diamètre de l'arbre en mm.
Moment de flexion du roulement :
Contrainte de flexion=(MbxY)/I
Parmi eux, Mb=moment de flexion ; Y=D/2, où D est le diamètre ; I=moment d'inertie=(πxD4)/64
Couple de roulement :
Contrainte de torsion=MtxR/J
Parmi eux, le moment de torsion du Mont = ; R=D/2, où D est le diamètre ; J=moment d'inertie polaire=(πxD4)/32
2. Conception d'arbre basée sur la rigidité
Un arbre de transmission est dit rigide sur la base de sa rigidité en torsion s'il ne se tord pas trop.
{Mt/J}={(Gxθ)/L}
Parmi eux, Mt=couple mm en N ; J=moment d'inertie polaire=(πxD4)/32 ; D=diamètre de l'arbre (mm); θ=angle de torsion ; G=module de rigidité N/mm2.
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Avantages et inconvénients des arbres
Avantages de l'arbre
Ils sont moins susceptibles de rester coincés ;
Ils nécessitent moins d’entretien que les systèmes à chaînes ;
Ils ont une résistance à la torsion élevée ;
Ils ont des valeurs de moment d'inertie polaire élevées ;
Ils sont très solides et peu susceptibles d’échouer ;
La forme interne des arbres creux est creuse, ils nécessitent donc moins de matériau ;
Pour une même valeur de transmission de couple, un arbre creux est plus léger qu’un arbre plein ;
Ils ont un rayon de giration très élevé.
Inconvénients de l'arbre
Ils ont une perte de puissance due à un couplage lâche ;
Ils vibrent en tournant ;
Ils produisent un bruit constant ;
Coûts de fabrication et de maintenance plus élevés ;
Difficile à fabriquer ;
Changer la vitesse d’un axe n’est pas facile ;
Longs temps d'arrêt dus à des problèmes mécaniques ;
Gouttelettes d'huile sur les arbres aériens ;
L'utilisation d'accouplements en élastomère (tels que des accouplements à ressorts à lames) peut entraîner des pertes de vitesse entre les arbres ;
Si un arbre tombe en panne, sa réparation prendra beaucoup de temps.
