Suivi vibratoire des engrenages

L'ANALYSE VIBRATOIRE DES ENGRENAGES

Notions

7- La surveillance vibratoire des engrenages:

Un engrenage est composé de l’ensemble de deux roues dentées engrenant l’une avec l’autre, permettant de transmettre de la puissance entre deux arbres rapprochés avec un rapport de vitesse constant. Selon la position relative des deux arbres, on distingue trois classes d’engrenages:

Les dentures d’engrenage peuvent être droites, hélicoïdales ou à chevrons efforts, en conséquence, sont:

Types d'engrenages

Les amplitudes vibratoires générées par les engrenages à denture hélicoïdale sont généralement plus faibles que celles générées par les autres types de dentures.

7.1 Fréquence d’engrènement

Observons un engrenage, composé de deux roues dentées 1 et 2, présentant Z1 et Z2 dents et tournant aux fréquences F1 et F2. Chaque fois qu’une dent de la roue menante 1 s’engage dans la roue menée 2, il se produit une prise de charge périodique au rythme d’engagement des dents selon une fréquence d’engrènement Fe égale à la fréquence de rotation de la roue multipliée par son nombre de dents.

Fe= F1 . Z1 = F2 . Z2

Si la denture est correcte, le spectre est constitué de composantes dont les fréquences correspondent à la fréquence d’engrènement ou à ses harmoniques.

Spectre fréquentiel d'engrenages

7.2 Signatures vibratoires des défauts d’engrènement

7.2.a Détérioration d’une dent

Si l’une des roues présente une dent détériorée, il se produit un choc dur, à chaque tour du pignon. Le spectre correspondant montre un peigne de raies dont le pas correspond à la fréquence de rotation du pignon détérioré s'étalant jusqu'aux hautes fréquences. La figure suivante montre l’exemple d’un spectre réel de ce type de défaut.

Spectre fréquentiel d'engrenages défectueux

7.2.b Détérioration de deux dents sur les deux roues

Si les deux roues dentées présentent chacune une dent détériorée, les chocs peuvent être importants lorsque les deux défauts se rencontrent «coïncidence ». La rencontre s’effectue à la fréquence Fco, appelée fréquence de coïncidence et telle que :

Fe PPCM(Z1,Z2)

La fréquence de coïncidence Fco est inférieure aux fréquences de rotation F1 et F2. Le spectre montre non seulement les deux peignes correspondant aux fréquences de rotation de chaque roue, mais aussi un peigne de raies de pas correspondant à la fréquence de coïncidence Fco.

7.2.c Détérioration de l’ensemble de dentures

Lorsque l’ensemble de la denture est usé ou détérioré, les chocs se produisent au passage de chacune des dents. Le spectre est constitué d’un peigne de raies dont la fréquence correspond à la fréquence d’engrènement, mais cette fois avec une amplitude beaucoup plus élevée. Le spectre peut présenter des raies à la fréquence de rotation correspondant à des équilibrages imparfaits.

7.2.d Entraxe insuffisant (jeu insuffisant au fond de denture)

Si l’entraxe des arbres portant les deux roues est insuffisant, il se produit un engrènement en fond de denture. La dent menante force à l’engagement et au dégagement ce qui provoque une usure des deux côtés de la denture. En analyse spectrale ce phénomène se traduit par l’apparition d’une raie d’amplitude prépondérante à deux fois la fréquence d’engrènement Fe et la disparition partielle, voire totale de l’amplitude à cette fréquence.

Spectre fréquentiel d'engrenages avec entraxe insuffisant

L'identification de ce phénomène nécessite de s'assurer que les harmoniques d'ordre supérieur ne sont pas présentes à un niveau élevé : on serait alors en présence d'un choc dur.

7.2.e Jeu de fond de denture trop grand

Un jeu de fond de denture trop grand a pour conséquence un choc dur à chaque passage d'une dent à l'autre ("rattrapage" du jeu). On obtient alors un spectre de choc dur, périodique, à la fréquence d'engrènement (présence de nombreuses harmoniques de niveau du même ordre de grandeur).

Spectre fréquentiel d'engrenages avec entraxe important

Ce trop grand jeu peut être :

7.2.f Défauts induisant une modulation d’amplitude

Si l’arbre ou le pignon présente un défaut d’excentricité, ou de faux rond, il va apparaitre une modulation d’amplitude du signal vibratoire par la fréquence de rotation due à la modélisation de l’effort d’engrènement. L’image vibratoire théorique, présente autour de la fréquence d’engrènement (fréquence porteuse) ou de ses harmoniques, des raies latérales dont le pas correspond à la fréquence de rotation de l’arbre qui porte le défaut. C’est ce qu’on appelle des bandes latérales de modulation d’amplitude. Il faut noter que les amplitudes de ces bandes latérales sont généralement très faibles devant l’amplitude de la fréquence porteuse (entre 2 et 20 fois inférieures) et ne sont visibles que dans des spectres exprimés en décibel.

Spectre d'un signal modulé en amplitude

La figure suivante montre le spectre d’un engrenage où l’engrènement (Fe = 199,6 Hz) est modulée par la fréquence de rotation du de la roue tournante à 9 Hz.

signal vibratoire d'engrenages modulé en amplitude

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