Les ensembles à vis sans fin sont inhabituels parmi les entraînements par engrenages car la vis et la roue fonctionnent presque toujours avec des matériaux différents. Une paire d'engrenages droits ou hélicoïdaux peut être fabriquée dans le même acier, traitée thermiquement à la même dureté, et durer des décennies. Une paire à vis sans fin ne le peut pas. Si vous faites fonctionner une vis en acier contre une roue en acier à une vitesse de glissement significative, les dents se souderont, gripperont et se déchireront en quelques minutes, même avec le meilleur lubrifiant que l'on puisse acheter. La raison réside dans la géométrie du contact : dans un entraînement à vis sans fin, le filetage de la vis glisse sur la dent de la roue plutôt que de rouler à travers elle, et le contact se produit le long d'une ligne sous très haute pression. Pour survivre à cela, la roue doit être fabriquée dans un matériau plus doux et conformable qui peut incorporer des particules abrasives et tolérer la lubrification limite, tandis que la vis reste dure et lisse. Ce couple de matériaux dissemblables est la décision de conception individuelle la plus importante dans un réducteur à vis sans fin, et il détermine directement la durée de vie de l'entraînement, son efficacité, son niveau sonore et son coût de maintenance sur toute la durée de service. Si le couple est correct, le réducteur fonctionnera silencieusement pendant une décennie ; s'il est incorrect, vous le réparerez en moins d'un an.
Le couple industriel standard est une vis en acier cémenté à 58–62 HRC fonctionnant contre une roue en bronze à l'étain, typiquement en bronze phosphoreux PB-2 (CuSn10). La vis en acier dur fournit le filetage résistant à l'usure, et la roue en bronze doux fournit la surface de contact anti-grippage. Cette combinaison supporte des vitesses de glissement allant jusqu'à environ 8–12 m/s et des densités de couple qu'aucun autre couple de matériaux ne peut égaler. Une seconde option plus économique est une roue en fonte grise contre une vis en acier. La fonte contient des flocons de graphite naturels qui agissent comme lubrifiant solide, et elle est bien moins chère que le bronze, mais sa capacité de charge est plus faible et elle est limitée à des vitesses de glissement inférieures à environ 2–3 m/s. Elle est courante dans les réducteurs légers, les petits entraînements de convoyeurs et les réducteurs à bas coût où le prix d'achat importe plus que l'efficacité ou la durée de vie. Une troisième option est le bronze d'aluminium, qui se situe entre les deux : il est plus résistant que le bronze à l'étain et plus résistant au grippage que la fonte, et il est utilisé dans des applications spéciales à forte charge ou à haute température où le bronze à l'étain se déformerait plastiquement sous charge continue. Le bronze d'aluminium est nettement plus cher que le bronze à l'étain, donc il est réservé aux cas où la résistance mécanique supplémentaire est véritablement nécessaire. La pire option — et celle qui cause le plus de pannes évitables sur le terrain — est de faire fonctionner deux pièces en acier l'une contre l'autre, ou une vis durcie contre une roue durcie. Les deux surfaces partagent la même structure cristalline, elles se soudent sous la haute pression de contact, et le grippage commence en quelques heures. Même une roue en bronze trop dure, ou une vis non polie à un fini fin, raccourcira dramatiquement la durée de vie.
La règle empirique est que plus la vis est dure et plus la vitesse de glissement est élevée, plus il faut une roue en bronze doux et conformable. Au-dessus de vitesses de glissement de 5 m/s, la zone de contact chauffe, le film d'huile s'amincit, et la lubrification limite domine — c'est exactement la condition où le bronze excelle, car son alliage cuivre-étain a une affinité naturelle pour l'huile et une faible tendance à se souder avec l'acier. En dessous de vitesses de glissement de 2 m/s, le contact reste plus hydrodynamique, le film d'huile reste intact, et une roue en fonte peut supporter la charge car le graphite dans la fonte fournit une lubrification solide. Le produit de la pression de contact et de la vitesse de glissement, connu sous le nom de valeur PV, est le paramètre de conception qui guide ce choix : PV élevé signifie bronze, PV faible signifie fonte. La dureté de la vis importe tout autant — une vis rectifiée et polie à 58 HRC fonctionnera contre une roue en bronze pendant 20 000 heures ou plus, tandis qu'une vis simplement tournée à 30 HRC usera le bronze en une fraction de ce temps. La finition de surface du filetage de la vis est tout aussi importante : une vis polie au fini miroir retiendra le film d'huile et prolongera la durée de vie, tandis qu'une surface tournée rugueuse grattera l'huile et accélérera l'usure. Comme objectif pratique, la différence de dureté entre la vis et la roue doit être d'au moins 30 HRC pour un fonctionnement fiable et longue durée. Une erreur de spécification courante consiste à durcir la vis à seulement 45 HRC puis à se demander pourquoi la roue en bronze s'use en quelques mois ; la profondeur supplémentaire de la couche de cémentation et la dureté de surface d'une vis correctement cémentée sont ce qui fait durer le bronze.
Trois modes de défaillance dominent la durée de vie des engrenages à vis sans fin. Le premier est l'usure abrasive, où la poussière, les particules d'usure du réducteur ou l'huile contaminée agissent comme un composé de rodage entre les dents. Elle se manifeste par un amincissement uniforme des dents de la roue et une augmentation progressive du jeu, et c'est presque toujours un signe que les joints ont défailli ou que l'intervalle de vidange a été ignoré. Le second est le grippage ou le rayage, qui se produit lorsque le film d'huile se rompt et que les deux surfaces se soudent localement — il apparaît sous forme de plaques creusées et déchirées sur les dents de la roue et est généralement fatal pour le réducteur. Le grippage est la défaillance la plus redoutée dans les entraînements à vis sans fin car il se produit soudainement, sans avertissement progressif. Le troisième est le piqrage, où la fatigue de contact cause de petits trous sur les flancs des dents de la roue ; il est moins fréquent sur les roues en bronze que sur les engrenages en acier, mais il apparaît après une très longue durée de service sous forte charge. Les objectifs réalistes de durée de vie sont de 20 000 à 30 000 heures pour un entraînement à vis sans fin bronze-sur-acier correctement dimensionné fonctionnant à charge nominale, et de 10 000 à 15 000 heures pour un entraînement à roue en fonte. Le plus gros levier sur la durée de vie est la lubrification : utiliser la bonne huile extrême pression pour réducteur à vis sans fin, la changer selon le programme, et maintenir le réducteur étanche à la poussière doublera ou triplera la durée de vie attendue de manière plus fiable que toute amélioration de matériau.
La décision d'achat suit une logique simple si-alors. Si le réducteur fonctionne à plus de 5 m/s de vitesse de glissement, ou délivre plus de quelques centaines de newtons-mètres de couple, ou est censé fonctionner continuellement pendant des années sans être ouvert — choisissez une roue en bronze phosphoreux PB-2 sur une vis en acier cémentée et rectifiée. Si l'application est légère, intermittente, à basse vitesse et sensible au coût — un petit convoyeur, une machine d'emballage, un actionneur léger — une roue en fonte sur une vis en acier est le choix rationnel et permettra d'économiser 30 à 50 % sur le prix d'achat du réducteur. Si l'application est stationnaire, à faible cycle et fonctionne rarement, une roue en fonte ductile peut combler l'écart entre les deux. Si l'accès de maintenance est difficile et que le réducteur doit fonctionner pendant des années sans inspection, investissez l'argent supplémentaire dans le bronze et dans une meilleure finition de surface de la vis — le coût d'une seule défaillance prématurée dans une installation éloignée dépasse largement l'économie de matériau. Si le réducteur fonctionne dans un environnement à haute température où l'huile s'amincit rapidement, passez au bronze d'aluminium ou réduisez le couple nominal. Ne optez jamais par défaut pour une construction tout-acier « parce que c'est plus fort » — dans un entraînement à vis sans fin, la résistance de la dent n'est pas le facteur limitant, la résistance au grippage l'est.
Dans notre usine, nous fournissons des ensembles d'engrenages à vis sans fin sur mesure en bronze phosphoreux PB-2, bronze d'aluminium, fonte grise et fonte ductile, associés à des vis en acier cémentées ou trempées par induction. Pour chiffrer le bon couple pour votre application, envoyez-nous la distance entre centres ou le diamètre de la vis, le rapport requis, la vitesse d'entrée et le couple, le cycle de service attendu, et la vitesse de glissement si vous l'avez déjà calculée. Nous recommanderons le matériau de la roue, la dureté de la vis et la finition de surface qui répondent à votre objectif de durée de vie au coût le plus bas — et nous vous dirons honnêtement quand une roue en fonte moins chère fera l'affaire, plutôt que de vous vendre du bronze sur chaque commande.