Modification de la conception de la boîte de vitesses de la récolteuse de maïs pour une durée de vie améliorée

Dec 15, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15576 (2022) Citer cet article

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La boîte de vitesses a l'avantage de pouvoir modifier le couple et la vitesse de rotation en fonction du rapport de démultiplication et présente une efficacité de transmission de puissance élevée en transmettant la puissance via le contact de la paire d'engrenages. Lors de l’évaluation de la résistance et de la durée de vie en fatigue d’une boîte de vitesses à l’aide d’une charge de conception ou d’une charge équivalente, il est possible que les résultats soient très différents des résultats réels. Par conséquent, dans cette étude, la distribution de durée de charge (LDD) construite sur la base de la charge de travail réelle a été utilisée pour évaluer de manière fiable la résistance et la durée de vie en fatigue de la boîte de vitesses. À la suite de l’évaluation de la résistance et de la durée de vie en fatigue de la boîte de vitesses à l’aide du LDD, il a été confirmé que la boîte de vitesses existante ne satisfaisait pas à la durée de vie cible dans l’environnement d’exploitation. Par conséquent, les raisons de ces résultats ont été analysées et une modification de conception a été effectuée sur la base des résultats analysés. Suite à une modification de la conception, la déflexion de l'arbre a diminué grâce au réarrangement des roulements, passant d'un type en porte-à-faux à un type à enjambement, améliorant ainsi la durée de vie en fatigue des engrenages et des roulements. Enfin, la répartition des charges agissant sur la surface des dents d'engrenage a été améliorée grâce à une modification microgéométrique des engrenages.

Un engrenage est un élément de machine dans la transmission de puissance largement utilisé dans divers domaines1. Une boîte de vitesses est un système de transmission de puissance composé d'engrenages, d'arbres, de roulements et de carters ; et la puissance fournie à l'arbre est transmise à l'engrenage mené (ici, engrenage) par l'intermédiaire de l'engrenage menant (ici, pignon). De plus, lorsque la puissance est transmise à l'aide d'une paire d'engrenages, étant donné que le rapport de démultiplication modifie la vitesse de rotation et le couple, l'avantage de contrôler la vitesse de rotation et le couple en modifiant le rapport de démultiplication apparaît. Les performances d'une boîte de vitesses peuvent être évaluées par des paramètres tels que la durée de vie, le bruit, les vibrations et l'efficacité de la transmission de puissance. Dans le cas de la durée de vie en fatigue, puisqu'elle détermine si la boîte de vitesses fonctionne ou non, elle doit prédire et évaluer de manière fiable la durée de vie de la boîte de vitesses2.

Pour prédire et évaluer de manière fiable les performances de la boîte de vitesses, il est nécessaire de définir avec précision la charge agissant sur la boîte de vitesses. L'ampleur de la charge agissant sur la boîte de vitesses, la durée sous la charge et la plage de fluctuation de la charge sont déterminées en fonction du but et de l'environnement d'utilisation de la boîte de vitesses. Cependant, il est difficile de définir numériquement la charge agissant sur la boîte de vitesses. Par conséquent, de nombreux chercheurs ont utilisé la théorie des dommages cumulés par fatigue basée sur la règle de Palmgren-Miner et ont prédit et évalué les performances de la boîte de vitesses dans des conditions de charge équivalentes en utilisant le concept de moyennes3,4. Bien que l'utilisation de la charge équivalente pour évaluer les performances de la boîte de vitesses puisse réduire le temps de calcul, elle présente l'inconvénient de ne pas pouvoir prendre en compte l'effet de la fluctuation de charge et de la charge maximale agissant sur la boîte de vitesses. De plus, l'exposant d'endommagement par fatigue utilisé pour dériver la charge équivalente est une valeur qui varie en fonction du mode de défaillance de chaque élément constituant la boîte de vitesses. Au stade de la conception, l’exposant des dommages dus à la fatigue ne peut pas être déterminé avec précision car les principaux modes de défaillance de la boîte de vitesses ne sont pas disponibles à l’avance5,6,7.

Dong et al.8 ont mené une étude sur l'effet des fluctuations de la vitesse du vent sur la fatigue des contacts d'engrenage d'une boîte de vitesses d'éolienne. La fatigue des contacts des engrenages a été analysée en utilisant un total de 11 vitesses de vent différentes (disponibles dans la littérature) pour mettre en œuvre les fluctuations de la vitesse du vent. Cependant, comme cette analyse ne reflétait pas l'environnement pratique dans lequel la boîte de vitesses de l'éolienne est réellement utilisée, la fiabilité des résultats de l'analyse était limitée. Patel et Joshi9 ont effectué une analyse de conception et de fatigue du support de boîte de vitesses et ont confirmé que sa durée de vie changeait en fonction de son matériau et de sa forme. Cependant, l’analyse souffrait des mêmes limites que celle de l’étude précédente, ainsi que de la limitation supplémentaire d’être réalisée dans une seule condition de charge. Du et al.10 ont mené une étude pour prédire la durée de vie en fatigue de la boîte de vitesses d'un véhicule à chenilles à l'aide d'un test de simulation de marche. L'environnement dans lequel la boîte de vitesses fonctionnait a été simulé et la charge agissant sur la boîte de vitesses a été dérivée à l'aide des résultats de la simulation. De plus, la durée de vie en fatigue de la boîte de vitesses a été évaluée à l'aide de la charge dérivée. Cependant, comme la charge dérivée n'a pas été validée, la fiabilité des résultats de simulation a été limitée. Kim et al.11 ont construit un modèle de simulation de transmission d'un tracteur à l'aide d'un logiciel commercial et ont développé un modèle capable d'évaluer la durée de vie en fatigue des engrenages coniques en spirale. De plus, la charge générée dans l'environnement d'exploitation a été mesurée et la durée de vie en fatigue de l'engrenage hélicoïdal a été prédite en construisant un spectre de charge basé sur les données mesurées. La méthode de répartition de la durée de charge (LDD) était destinée à prédire les performances des engrenages et des roulements12 ; cette étude a prédit de manière incorrecte leurs performances avec le spectre de charge à l'aide de l'algorithme de comptage du débit de pluie. De même, dans la plupart des études menées dans divers domaines prédisant et évaluant les performances des boîtes de vitesses, la définition de l'environnement d'exploitation était insuffisante. Wang et al.13 ont mené des recherches sur la conception, la modélisation et l'analyse des transmissions d'éoliennes offshore. Une procédure de conception itérative a été présentée pour minimiser le poids et le volume lors de la conception de la transmission de l'éolienne, et le modèle a été validé en comparant le modèle de simulation multicorps conçu avec le modèle développé précédemment. Cependant, il existe une limite dans la mesure où la charge de conception plutôt que la charge environnementale réelle a été utilisée lors de la conception et de la validation de la transmission de l'éolienne. Yoo et al.14 ont développé un modèle de simulation de la boîte de vitesses de l'éolienne pour confirmer les performances du train planétaire sur lequel la goupille flexible a été appliquée. La simulation a été réalisée à l'aide d'un logiciel commercial. À la suite de l'étude, il a été confirmé que le partage et la répartition de la charge entre les engrenages planétaires étaient améliorés lorsque des broches flexibles étaient appliquées au train d'engrenages planétaires. Cependant, il existe une limitation dans la mesure où l'environnement dans lequel le réducteur d'éolienne est utilisé a été pris en compte pour réaliser les performances du train d'engrenages planétaires.