GAGNER DE L'ARGENT AVEC LES TRANSMISSIONS
Optimiser pour contourner les prix de l'energie
Personne ne connaît l'avenir, mais nous sommes sûrs d'une chose: le prix de l'énergie va continuer d'augmenter cette prochaine décennie, et probablement bien plus longtemps encore. Cela signifie que lors de chaque extension, réparation ou révision du parc de machines, le rendement de la chaîne d'entraînement complète – moteur, régulation et transmission – doit être une priorité. Ici, une attention particulière est accordée au remplacement d'anciens moteurs et à la pose de régulateurs (de fréquence), mais dans la transmission, il y a souvent des pertes du même ordre. Nous examinons donc dans cet article quelles transmissions génèrent le meilleur rendement.MOTEURS: VITE GAGNE
Comme on le sait, l'utilisation de moteurs électriques économes en énergie (IE3, IE4 ou IE5) est réglementée légalement en Europe: depuis le 1er janvier 2015, une classe minimale IE3 est obligatoire. Le Total Cost of Ownership (TCO) d'un moteur électrique consistant pour 95 à 99% en coûts d'énergie, les délais d'amortissement du supplément d'une version économe en énergie sont courts (souvent moins de un à cinq ans). La situation pour les transmissions est toutefois moins claire. Il n'y a pas de standardisation et le rendement de chaque transmission individuelle dépend fortement de l'exécution, de la lubrification, de l'entretien, ... Un gain important est pourtant possible, même avec quelques règles de base simples.TRANSMISSION OU CONVERSION
Notez tout d'abord qu'il y a une différence essentielle entre une transmission – sur laquelle nous allons nous attarder dans cet article – et une conversion.Une transmission (mécanique) porte sur le changement de la vitesse et du couple d'un mouvement rotatif, ou sur le changement d'un mouvement rotatif, par exemple, en un mouvement de va-et-vient. Dans le cas de la conversion en revanche, le médium dans lequel l'énergie se manifeste, change. La conversion s'accompagne généralement, comme lors de la conversion d'énergie mécanique en pression d'air (comprimé) ou en pression hydraulique, d'importantes pertes (souvent plus de 30%). Il n'y a que pour les conversions en chaleur, comme dans le cas des pompes à chaleur, qu'un rendement de 100% et plus peut être obtenu.
DIRECTEMENT AU NIVEAU DE LA BOITE
Mais il y a toujours des pertes (par frottement), aussi dans le cas des transmissions mécaniques. Un entraînement direct – sans transmission – est bien sûr une manière logique d'éviter ces pertes. Avant, on trouvait surtout les moteurs électriques direct drive dans les environnements high-tech et ICT, avec de faibles puissances, exigeant une très grande précision et où le prix d'achat élevé ne jouait pas (encore) de rôle majeur. Entre-temps, ces entraînements commencent toutefois à se répandre aussi dans le paysage industriel 'ordinaire'. Alors que les moteurs électriques conventionnels n'atteignent leur couple maximal qu'à des régimes élevés (souvent 1.500 à 3.000 tr/ min.), ce qui rend généralement un ralentissement indispensable, un moteur direct drive peut déjà fournir un couple élevé à des vitesses très réduites. Les moteurs linéaires tombent aussi sous les direct drives. Ils produisent un mouvement de va-et-vient sans réducteur et vis à billes, crémaillère ou courroie dentée, ce qui fait une belle différence en matière d'énergie et d'entretien. Car bien que les moteurs direct drive soient plus coûteux et aient en soi souvent un rendement moindre que les moteurs HR, leur bilan énergétique et le TCO sont parfois meilleurs, grâce à l'absence de transmissions. D'autres avantages sont moins de bruit et d'usure, et la grande précision au positionnement. Les transmissions mécaniques comme les vis à billes ont toujours une certaine mesure de torsion et de jeu, indésirable dans de nombreuses applications automatisées.
DENTEE OU TRAPEZOIDALE
Parmi les transmissions à courroie, on a le choix entre des courroies dentées ou trapézoïdales. Le choix se porte quasiment à tous les points de vue sur la première option. Les courroies trapézoïdales peuvent, en effet, déraper, contrairement aux courroies dentées. A charge partielle, le rendement de courroies trapézoïdales peut même passer sous les 80%. Elles s'usent, en outre, bien plus rapidement. L'environnement s'encrasse donc et un entretien (tension) et un remplacement réguliers s'imposent. Les courroies dentées n'ont pas l'effet amortisseur de chocs des courroies trapézoïdales, mais leur rendement est au moins 2 à 5% plus élevé et elles génèrent donc moins de chaleur. Les transmissions à chaîne ne dérapent par ailleurs pas non plus et ont un rendement plus élevé que les courroies trapézoïdales, mais elles provoquent souvent des vibrations indésirables. Elles ont, en outre, un poids propre élevé et conviennent moins pour les hauts régimes. Les transmissions à courroie doivent, comme toutes les autres transmissions mécaniques, être bien dimensionnées. Une version trop petite est bien sûr néfaste, mais des courroies et pignons trop lourds sont source de pertes et d'imprécision.
SANS CONTACT
Une transmission à induction sans friction peut être réalisée à l'aide d'accouplements magnétiques sans contact. Ici, le couple à transmettre est réglé au moyen de la distance entre les deux pièces. Si la charge devient plus importante, l'accouplement dérapera toutefois. Il y a aussi des versions avec le couple pouvant être adapté en continu. Les accouplements magnétiques sont idéaux pour les transmissions devant traverser une membrane (étanche au gaz ou au liquide). Contrairement aux bagues d'étanchéité ou aux joints, pouvant provoquer des fuites et un frottement supplémentaire, la membrane entre les parties de l'accouplement peut être continue.ADIEU A LA VIS SANS FIN
Parmi les transmissions à engrenages, on note d'importantes différences entre les types. Les vis sans fin ont un rendement de seulement 65 à 85%, tandis que celui d'une transmission à roue conique peut dépasser les 95%. Avec les engrenages à denture droite (axes parallèles), un rendement de 99% est même possible. Les réducteurs et accélérations à denture droite sont cependant, même dans le cas d'engrenages de très grande qualité, bruyants et non exempts de vibrations. Une denture inclinée génère un fonctionnement plus calme et moins de bruit, même si cela se fait au détriment du rendement. Dans le cas des boîtes d'engrenages et des accélérations, faites attention au rapport de transmission. S'il est trop grand (> 50:1, ou 1:4), cela vaut la peine d'examiner les possibilités d'un direct drive. Un grand nombre de transmissions à engrenages augmente par ailleurs également la lenteur du système.
CONCLUSION
La principale conclusion que tirent les techniciens prévoyants, c'est que le direct drive (rotatif ou linéaire) constitue souvent la solution aux pertes mécaniques. Si pas maintenant, dans un avenir proche, lorsque la robotisation et la quatrième vague d'automatisation revendiqueront un plus gros rôle dans l'industrie. En attendant, on peut toutefois encore gagner beaucoup en adaptant intelligemment des transmissions mécaniques existantes (voir la check-list ci-dessous).
Outil en ligne permettant de calculer l'efficiency d'un moteur, régulation et transmission, disponible sur www.motorsystems.org
