Différence entre arbre et broche dans les applications industrielles

Différence entre arbre et broche dans les applications industrielles

Dans le domaine de la transmission industrielle et de la fabrication mécanique, l'arbre et la broche sont deux composants essentiels. Bien qu'ils présentent des similitudes et assurent tous deux la transmission de puissance ou le support de charge, leur conception structurelle, leurs caractéristiques de fonctionnement et leurs applications diffèrent sensiblement. Parmi eux, la broche de réducteur planétaire et l'arbre de support, exemples typiques de ces deux types de composants, sont largement utilisés dans les réducteurs planétaires, les machines-outils, les engins de chantier et autres équipements. Comprendre leurs différences est crucial pour le choix, la maintenance et l'optimisation des performances des équipements.

I. Définitions fondamentales et différences essentielles

1. La définition et les principaux attributs de Shaft

Un arbre est un composant cylindrique de machine servant à transmettre de la puissance, du couple ou à supporter des pièces rotatives. Ses fonctions principales sont la transmission et le support. L'arbre de support, type d'arbre courant, a pour fonction première de supporter d'autres pièces mobiles. Sa vitesse de rotation propre est relativement faible, voire nulle, ou il ne tourne que passivement avec les pièces qu'il supporte. Les exigences de coaxialité et de rigidité visent principalement à garantir la stabilité du support.

Ce type de structure d'arbre est relativement simple : il s'agit généralement d'arbres lisses ou d'arbres étagés avec rainures de clavette. Le matériau utilisé est principalement un acier allié à moyenne teneur en carbone, et les procédés de fabrication reposent sur le tournage et la rectification afin de garantir que la rugosité de surface et la précision dimensionnelle répondent aux exigences d'assemblage. Dans un système de transmission, l'arbre relie souvent la source d'énergie à l'actionneur par l'intermédiaire d'accouplements, d'engrenages et d'autres composants, transmettant le couple des moteurs, etc., aux pièces mobiles, ou supportant des pièces rotatives telles que des engrenages et des roulements pour assurer un fonctionnement stable.

2. Définition et attributs fondamentaux de la broche

Le terme « broche » désigne spécifiquement un arbre central tournant à grande vitesse et entraînant directement la pièce à usiner ou transmettant une puissance de haute précision. Ses fonctions principales sont l'entraînement de haute précision et la rotation à grande vitesse. La broche d'un réducteur planétaire est une application typique. Elle doit non seulement transmettre le couple de sortie du réducteur planétaire, mais aussi garantir un engrènement précis avec la roue solaire et les engrenages planétaires lors de la rotation à grande vitesse. Les exigences en matière de vitesse de rotation, de rigidité et de précision de rotation sont bien supérieures à celles des arbres ordinaires.

La broche présente une structure plus complexe, intégrant souvent des roulements de précision, des canaux de lubrification, des systèmes de refroidissement, etc. Fabriquée principalement en aciers alliés à haute résistance, elle subit des traitements thermiques tels que la cémentation, la trempe et la nitruration afin d'améliorer sa dureté, sa résistance à l'usure et sa résistance à la fatigue. Les exigences en matière de précision d'usinage sont extrêmement élevées ; en particulier, le faux-rond radial et le faux-rond circulaire de la face d'extrémité doivent être contrôlés au micromètre près pour répondre aux exigences des opérations à haute vitesse et de haute précision.

II. Différences dans la conception structurelle et les technologies de traitement

1. La structure et les caractéristiques de traitement de l'arbre

La conception structurelle de l'arbre principal et de l'arbre de support repose sur une approche pragmatique et ne nécessite pas de systèmes auxiliaires complexes. Par exemple, dans les engins de chantier, l'arbre de support doit simplement être conçu avec une structure étagée pour permettre l'installation des roulements, et la transmission de puissance est assurée par des rainures de clavette à l'aide de composants tels que des engrenages et des pignons, sans qu'il soit nécessaire d'ajouter des dispositifs de lubrification ou de refroidissement intégrés.

En matière d'usinage, le tournage et la rectification constituent les opérations principales pour les arbres. Pour certains arbres complexes, des opérations complémentaires telles que le fraisage de rainures de clavette et le perçage sont ajoutées. La précision d'usinage est généralement contrôlée aux niveaux IT6-IT8, et une rugosité de surface Ra ≤ 1,6 µm répond aux exigences d'utilisation. Le choix du matériau doit être adapté aux contraintes. Pour les applications à faible charge, l'acier 45# convient, tandis que pour les applications à forte charge, il est recommandé d'utiliser des aciers alliés tels que l'acier 40Cr. Il n'est pas nécessaire de rechercher à tout prix une résistance élevée ou une précision d'usinage extrême, ce qui permet de réduire les coûts de fabrication.

2. Structure et caractéristiques de traitement de la broche

La conception structurelle des broches et des broches de réducteurs planétaires est axée sur la « haute précision et la rotation à grande vitesse » et doit prendre en compte la rigidité, l'amortissement des vibrations et la dissipation thermique. Prenons l'exemple d'une broche de réducteur planétaire : son corps doit être conçu avec des rainures de montage d'engrenages précises afin d'adapter parfaitement les profils des dents des engrenages planétaires et solaires. Parallèlement, il intègre des roulements à billes ou des paliers lisses de précision pour garantir la précision de rotation à haute vitesse.

En termes de technologie d'usinage, la broche subit plusieurs étapes : ébauche, finition, rectification, finition et ultra-finition. Certaines broches haut de gamme requièrent également un rodage et une rectification. La précision d'usinage atteint les classes IT3 à IT5, et le faux-rond radial est contrôlé entre 0,001 et 0,005 mm. Les matériaux utilisés sont principalement des alliages à haute résistance tels que le Cr15 et le 38CrMoAl. Après traitement thermique, la dureté superficielle dépasse HRC55. Par ailleurs, des tests d'équilibrage dynamique ont été réalisés afin de réduire les vibrations lors de la rotation à grande vitesse et de garantir la stabilité de fonctionnement.

III. Différences dans les scénarios d'application et l'adaptation fonctionnelle

1. Scénarios d'application typiques de l'arbre

Les arbres et les arbres de support sont largement utilisés dans les systèmes de transmission et de support de base de divers types de machines, et conviennent aux applications à vitesses moyennes et basses et aux exigences de précision moyennes et basses.

Machines générales : Les arbres de transmission des pompes à eau et des ventilateurs transmettent la puissance du moteur à travers l'arbre, entraînant la rotation de la turbine.

Machines de construction : arbres de support pour excavatrices et grues, supportant les moteurs hydrauliques, les boîtes de vitesses et autres composants pour maintenir la stabilité du mouvement ;

Équipement de transmission : Arbres de transmission des convoyeurs à bande et à chaîne, qui transmettent la puissance et assurent le fonctionnement de la bande transporteuse.

Dans le secteur de l'électroménager : les arbres de transmission des machines à laver et des compresseurs de climatiseurs servent à assurer la transmission de puissance et le support des composants.

Dans ce type de situation, l'arbre ne requiert ni rotation à grande vitesse ni positionnement de haute précision. Ses principales exigences sont une transmission de couple fiable et des composants de support stables. Le rapport coût-efficacité et la compatibilité sont les critères de sélection essentiels.

2. Scénarios d'application typiques de la broche

Broche et réducteur planétaire La broche est principalement utilisée dans des scénarios de transmission ou de traitement à grande vitesse et de haute précision, avec des exigences extrêmement élevées en matière de précision de rotation, de rigidité et de stabilité.

Réducteur planétaire : en tant que composant principal de la transmission, la broche du réducteur planétaire s'engrène avec les engrenages planétaires lors d'une rotation à grande vitesse, transmettant avec précision le couple décéléré à l'extrémité de sortie pour garantir l'efficacité de la transmission et la précision du réducteur.

Machines-outils : Les broches des machines-outils à commande numérique et des centres d’usinage entraînent directement les outils de coupe. Leur précision de rotation détermine la tolérance dimensionnelle et la qualité de surface des pièces usinées.

Équipements pour les énergies nouvelles : L’arbre principal du multiplicateur de vitesse de l’éolienne convertit la rotation à basse vitesse de l’éolienne en rotation à grande vitesse du générateur, et il doit maintenir un fonctionnement de haute précision sous forte charge.

Transmission de précision : les articulations du robot et la broche du servomoteur permettent une transmission de puissance et un contrôle d'attitude de haute précision, aidant le robot à effectuer des mouvements complexes.

IV. Considérations essentielles pour la sélection et la maintenance

1. Principes de sélection

Si les exigences concernent la transmission de puissance à moyenne et basse vitesse et le support des composants, et que les exigences de précision ne sont pas élevées, un arbre ou un arbre de support est préférable, et le matériau et la taille doivent être sélectionnés en fonction de la taille de la charge.

Si une rotation à grande vitesse et une transmission de haute précision sont impliquées (comme les réducteurs planétaires, l'usinage sur machine-outil), il convient de sélectionner une broche ou une broche de réducteur planétaire, en privilégiant la précision de rotation, la rigidité et l'adaptabilité de la vitesse.

Lors du choix du type de broche, il est essentiel de l'adapter aux conditions de fonctionnement de l'équipement. Par exemple, en cas de charges importantes, la résistance de l'arbre doit être renforcée, et en cas de fonctionnement à grande vitesse, la conception de l'amortissement des vibrations et de la dissipation thermique de la broche doit être optimisée.

2. Points de maintenance

Entretien de l'arbre : inspecter régulièrement l'usure et la déformation de l'arbre, remplacer rapidement les roulements et les joints usés, assurer une lubrification adéquate et prévenir les dommages causés par le frottement à sec.

Maintenance de la broche : La broche du réducteur planétaire nécessite une détection régulière de la précision de rotation et des valeurs de vibration, le remplacement de la graisse lubrifiante dédiée et le nettoyage des canaux de refroidissement afin d'éviter que les performances ne soient affectées par une surchauffe ou une mauvaise lubrification lors d'une rotation à grande vitesse.

Les deux types de composants doivent éviter toute surcharge et faire l'objet d'un étalonnage régulier et précis afin de prolonger leur durée de vie.

Résumé

Bien que l'arbre et la broche appartiennent tous deux à la catégorie des composants d'arbre, ils diffèrent considérablement par leur définition, leur structure, leur processus de fabrication et leurs applications : l'arbre est principalement utilisé pour la transmission de puissance et le support à moyenne et basse vitesse et précision moyenne et basse, l'arbre de support en étant l'exemple typique. La broche, quant à elle, est utilisée pour les entraînements à haute vitesse et haute précision, la broche à réducteur planétaire démontrant son importance capitale dans la transmission de précision. Comprendre ces différences permet aux entreprises de faire des choix précis, d'optimiser les performances des équipements et de réduire les coûts de maintenance. Dans un contexte de développement rapide de l'automatisation industrielle et de la fabrication de précision, la spécialisation et la haute précision de ces deux types de composants vont s'accentuer, contribuant ainsi à une production toujours plus efficace dans divers secteurs.