Les Engrenages plastiques - Intérêts et freins

Créé le : 03/08/2009

Présentation des engrenages plastiques : Avantages , inconvénients
Contexte général
L'utilisation des plastiques, pour réaliser des engrenages, est récente. Ceux-ci présentent des avantages tels que la possibilité d'être auto-lubrifié, la diminution du poids de l'engrenage, la réduction du bruit, la résistance à la corrosion, le coût de fabrication, la possibilité de colorer les engrenages, la conception de formes plus innovantes.
Cependant,comparativement aux engrenages en métal, ces engrenages plastiques ont des inconvénients tels que le faible couple de transmission de la puissance, la tenue à des températures élevées, le changement de la forme et de la taille en fonction de l'absorption de l'eau et de la moisissure.
A l'origine, les plastiques utilisés sont les Polyamides ou des acétals. Ceux-ci permettent de transmettre des puissances faibles à faibles vitesses.
Le manque de connaissance sur l'environnement dans lequel travaille l'engrenage, l'usure et la capacité de charge des plastiques sont à l'origine de nombreux problèmes rencontrés. Un engrenage plastique ne se conçoit pas comme un engrenage en métal. Il faut tenir compte d'autres paramètres pour choisir le bon matériau et la bonne structure.
Ainsi, la démarche de choix des matériaux et la conception des engrenages plastiques sont différents de ceux des engrenages métalliques.
Il existe de nombreux polymères utilisés pour réaliser des engrenages plastiques. Cependant, il est possible de les classer en trois familles en fonction de certaines propriétés dont la résistance à la température.
1. Les “ Super engineering plastic s” ou S P et les “ Quasi Super engineering plastics ” ou QSP qui peuvent être regroupés dans une même famille.
2. Les “ Plastic engineering ” ou EP
3. Les “ general plastic ” ou GP
[ 1 ]
Notons qu'au sein de chaque famille, il existe de nombreux polymères et que les engrenages plastiques peuvent être composés à partir de formulations complexes.
La société RTP propose par exemple des engrenages plastiques présentant :
Des structures semi - cristallines résistantes à des produits chimiques, résistantes à la fatigue à de grands cycles.
Des structures amorphes pour des pièces de précision travaillant à faible puissance et faible vitesse.
Intérêt des familles de produits
Famille Propriétés Applications
ACETAL
Structure semi-cristalline Rigide, bonne résistance au fluage, faible coefficient de friction
Précision dimensionnelle bonne Machines commerciales
Automobile

Faibles vitesses et faibles charges
PolyKetone
Structure semi-cristalline Bon compromis entre la dureté, la rigidité et la résistance thermique.
Faible perméabilité et bonne résistance aux produits chimiques comparativement aux autres structures semi cristallines. Machines commerciales




Faibles vitesses et faibles charges
Nylon
Structure semi-cristalline Propriétés physiques et de stabilité dimensionnelle réduite due à l'absorption d'humidité de ce polymère.
Très bonne résistance chimique, thermique et électrique
Faible coefficient de frottement Applications industrielles , automobile et machines commerciales



Variations en terme de puissance et de vitesse en fonction du type de résine
Polybutylène Terephtalat
Structure semi-cristalline Polymérisation rapide et ainsi augmentation des cadences de production et diminution de la température de moulage.
Très bonne résistance dimensionnelle thermique et chimique et bonne résistance électrique..
Polyetheretherketone
Structure semi-cristalline Très bonne résistance chimique et endurance et bonne résistance à la chaleur Machines commerciales, automobile, pompes et machines industrielles

Vitesses et charges moyennes et élevées
Polyphenylène sulfides
Structure semi-cristalline Offre un très bon compromis en terme de résistance chimique, à la température dimensionnelle, électrique. Machines commerciales, automobile, pompes et machines industrielles

Vitesses et charges moyennes
Polyimide
Structure semi-cristalline Offre de très bonnes propriétés en terme de résistance chimique, à la température, dimensionnelle, électrique et à l'usure. Machines commerciales, automobile, pompes et machines industrielles

Vitesses et charges moyennes et élevées
Polycarbonate
Structure amorphe Très bonne résistance mécanique, bonne résistance à la température, bonne stabilité dimensionnelle. Stable dans l'eau et les acides organiques Imprimantes, machines commerciales


Faibles vitesses et faibles charges
Polyetherimide
Structure amorphe Bonne résistance mécanique et rigidité à haute température, bonne stabilité dimensionnelle et résistants aux hydrocarbones, alcools et solvants halogénés. Machines commerciales, automobile, pompes et machines industrielles

Vitesses et charges moyennes
[2]
Pour chacune des familles, il existe un nombre de résines différentes en fonction des applications . Par exemple la société RTP propose quatre résines NYLON différentes, quatre résines polycarbonates, des Acetals, des polyketone, des polyetheretherketones, des polyphénylène sulfides, des polyetherimides.
Chacune d'elles ont des applications différentes en fonction de l'environnement dans lequel vont fonctionner les engrenages.
Additifs
Afin de renforcer les engrenages plastiques, certains additifs peuvent être intégrés dans les résines : des additifs pour lutter contre l'usure mais aussi des additifs pour augmenter le couple transmis.
Au rang des additifs, sont présents des produits permettant de limiter l'usure tels que le PTFE, le graphite, le silicone et le disulfide de molybdène
Pour accroître les propriétés mécaniques, il est possible d'intégrer des fibres de verre, de carbone et d'aramide.
Un des premiers avantages des engrenages plastiques et le coût de fabrication qui est plus faible que pour les engrenages métalliques. Dans le cas des engrenages moulés, ce coût peut être cinq fois inférieur à celui des engrenages métalliques. Ils ne nécessitent pas d'opération de finition telle que de la rectification. [5]
Avec les techniques de travail du plastique, il est possible de diminuer le nombre de pièces d'une transmission de l'ordre de 1/3. En effet, la possibilité de créer des formes complexes permet de structurer différemment les transmissions, de réduire la taille et le nombre de pièces des mécanismes. [1] [4]
Bien entendu, les engrenages plastiques sont beaucoup plus légers que les engrenages métalliques (Ratio de 1 à 7.85) Attention néanmoins, car à puissance transmise identique, la taille des engrenages plastiques est plus importante que celle des engrenages métalliques. Il est aussi possible d'introduire des additifs dans les engrenages plastiques permettant à ceux ci de fonctionner en environnement non lubrifiés.
Les engrenages plastiques sont moins bruyants que les engrenages métalliques car ils amortissent mieux la propagation du bruit. L'utilisation de lubrifiant permet de faire varier ce coefficient de frottement.
Les engrenages plastiques n'ont pas toutes les propriétés requises pour être utilisées dans des systèmes de transmission. Le principal défaut est la puissance que peut transmettre un engrenage plastique. En 1997, la puissance maximum transmise par un engrenage plastique était de l'ordre de 0.5 KW ( ¾ hp ).Les objectifs pour les années à venir sont de s'attaquer aux systèmes allant de 0.7 à 7 KW (1 à 10 hp )
D'autres inconvénients freinent l'utilisation des engrenages plastiques : L'évolution de la forme et la tenue à la température.
Influence de l'absorption d'eau sur les propriétés des engrenages
Certains plastiques sont connus pour absorber l'eau. Cette absorption d'eau modifie les propriétés de ceux-ci et plus particulièrement les dimensions et la résistance mécanique des plastiques. . En fonction des matériaux, les propriétés peuvent être plus ou moins altérées .
Les graphes ci-dessous présentent l'impact de l'humidité sur le comportement de différents nylons. Ceux ci absorbent différemment l'eau en fonction de leur composition :
Les plastiques changent de forme, ainsi, il y a une augmentation de la longueur en fonction du taux d'absorption qui peut aller jusqu'à 2 à 3.5% en fonction d'un taux d'absorption de 7-9% d'eau.
Certains nylons tels que le PA12G n'absorbe que 1.4%d'humidité et ne change que de 0.2% en longueur.
De même, la résistance à la fatigue varie en fonction du taux d'absorption d'eau. Cette absorption d'eau modifie donc la dimension des engrenages plastiques et peut provoquer des incidents de fonctionnements. Cette conséquence implique donc une analyse détaillée de l'environnement dans lequel travaille l'engrenage pour choisir le type de polymère à utiliser.
Influence de la température sur les propriétés des plastiques
Les propriétés des matériaux plastiques changent aussi beaucoup avec la température. Certains sont plus performants que d'autres . Ci dessous, deux exemples de l'évolution des propriétés de résines en fonction de la température :
Evolution du module d'élasticité en fonction de la température et de l'absorption d'eau, de résine Nylon PA 6 et PA 6.6
[3]
Evolution de la résistance à a fatigue en fonction de la température et de l'absorption d'eau, de résine Nylon PA 6 :
[3]
[1] Présentation des différentes classes de plastiques en fonction des tenues en températures et des prix.
Source : Argument on plastic Gears for power transmission, N TSUKAMOTO
JSME Int Jnl, Serie C Vol 38 N°1 1995 pages 1-8
[2] http://www.rtpcompany.com
[3] http://www.intechpower.com
[4] http://www.apme.org/media/public_documents/20020725_150634/ACX2A.pdf
[5] Shifting gears – Exploiting the potential of plastics - Gear technology jan fev 1997 – pages 35-39