Jeu de la boîte de vitesses : comment le mesurer et ce que cela signifie

Points clés

• Le jeu est le petit jeu de rotation entre des dents d'engrenage en prise. Chaque boîte de vitesses en possède un peu par conception ; la question est combien, et à quelle vitesse il augmente.
• Il est spécifié en minutes d'arc (1 degré = 60 minutes d'arc) ou en millimètres de déplacement mesurés à un rayon connu.
• Valeurs typiques : les réducteurs planétaires de précision pour axes servo vont de moins de 1 à environ 3 minutes d'arc à l'extrémité faible du jeu, les planétaires industriels standards se situent couramment autour de quelques minutes d'arc, et les réducteurs hélicoïdaux industriels d'usage général sont encore plus lâches, souvent de l'ordre de dizaines de minutes d'arc. Le chiffre seul signifie peu ; la tendance par rapport à la propre référence de l'unité est ce qui compte.
• On le mesure avec un comparateur à cadran à un rayon connu avec l'entrée bloquée : basculez doucement la sortie dans les deux sens et convertissez la lecture en angle.
• L'augmentation du jeu est un signal d'usure, et elle apparaît avec des vibrations et des variations de température bien avant la rupture des dents.

Ce qu'est le jeu et pourquoi il existe

Le jeu est volontaire. Les dents d'engrenage nécessitent un jeu pour tenir compte des tolérances de fabrication, de la dilatation thermique et d'un film de lubrifiant entre les flancs. Une boîte de vitesses avec littéralement zéro jeu se bloquerait, surchaufferait et se détruirait. Le concepteur intègre donc un petit espace, et l'entraînement ne le ressent que lorsque le couple s'inverse : le flanc moteur doit franchir l'écart avant d'entraîner le flanc opposé.

C'est pourquoi le jeu importe surtout sur les axes à inversion et de positionnement : axes d'outillage pilotés en servo, tables d'indexage, articulations de robots. Sur un réducteur d'une bande transporteuse fonctionnant dans une seule direction à charge constante, un jeu généreux est inoffensif. Sur un axe de positionnement, c'est un jeu perdu que le contrôleur ne voit pas.

Unités : minutes d'arc et millimètres à un rayon

Les catalogues indiquent le jeu comme un angle à l'arbre de sortie, en minutes d'arc. Une minute d'arc est 1/60 de degré. Les mesures sur le terrain donnent des millimètres de déplacement à un certain rayon, et les deux se convertissent directement :

angle en radians = déplacement / rayon, et 1 milliradian = 3,44 minutes d'arc.

Pour situer sur le marché : les réducteurs planétaires à faible jeu pour applications servo sont typiquement spécifiés dans la plage 1 à 3 minutes d'arc, les planétaires standards autour de 3 à 9 minutes d'arc, et les réducteurs hélicoïdaux ou coniques industriels d'usage général sont plus lâches. Les réducteurs à vis sans fin sont généralement les plus lâches et ajustables jusqu'à un certain point. Tenez toujours la fiche technique de l'unité pour vérité, et notez si la valeur s'applique à la bride de sortie sous un couple de mesure défini.

Comment le mesurer : la méthode du comparateur à cadran

• 1. Bloquez l'arbre d'entrée. Maintenez le moteur avec son frein, ou serrez l'accouplement d'entrée. Tout le jeu perdu que vous mesurez doit provenir de la transmission, donc l'entrée ne doit pas bouger.
• 2. Montez un comparateur à cadran contre un point de la bride de sortie ou sur un levier fixé à l'arbre de sortie, à un rayon mesuré depuis le centre de l'arbre. Plus le rayon est grand, meilleure est la résolution.
• 3. Basculez la sortie à la main ou avec un petit couple défini : prenez le jeu dans un sens, mettez le comparateur à zéro, puis allez jusqu'à l'arrêt dans l'autre sens. Appliquez un couple léger et constant ; forcer dessus fléchit arbres et carters et gonfle la lecture.
• 4. Convertissez. Déplacement divisé par rayon donne l'angle en radians ; multipliez par 3438 pour obtenir des minutes d'arc.
• 5. Répétez à trois positions de sortie séparées d'environ 120 degrés. Les engrenages s'usent de façon inégale, et une mesure en une seule position peut tomber sur le meilleur ou le pire point de la roue.

Un exemple chiffré

Un réducteur de table d'indexage est contrôlé pendant un arrêt :

• Comparateur monté à un rayon de 100 mm depuis le centre de l'arbre de sortie.
• Déplacement total entre butées douces : 0,15 mm.
• Angle : 0,15 / 100 = 0,0015 rad = 1,5 mrad. En minutes d'arc : 1,5 × 3,44 = environ 5,2 minutes d'arc.
• La référence de mise en service de l'unité, mesurée de la même façon il y a trois ans, était de 2,1 minutes d'arc.

Le chiffre absolu reste dans ce que tolèrent de nombreux réducteurs standards. L'élément important est la croissance de 2,5× par rapport à sa propre référence : l'usure des flancs est en cours, et sur un axe d'indexage elle se traduit déjà par une dispersion de positionnement. La bonne réponse est de raccourcir l'intervalle de mesure, vérifier l'état et l'analyse du lubrifiant, et planifier la reconstruction sur la base de preuves plutôt que d'attendre la rupture d'une dent.

Interpréter le jeu comme signal d'état

L'augmentation du jeu n'arrive quasiment jamais seule. L'usure des flancs modifie la dynamique d'engrènement, donc attendez-vous à une hausse des vibrations d'engrènement en parallèle ; notre référence sur les zones de sévérité de vibration ISO 20816 explique comment juger le niveau global. L'usure des roulements ajoute son propre jeu perdu, ce qui est une raison de connaître vos classes de jeu interne des roulements avant d'incriminer les engrenages. Corrélées à la température et à l'analyse d'huile, des tendances de jeu transforment le remplacement d'un réducteur d'une surprise en une ligne planifiée du budget, ce qui est précisément le rôle des outils de maintenance prédictive.

La mesure elle-même est sans valeur si personne ne retrouve la valeur de l'an dernier. Consignez le rayon, le couple de mesure, les trois positions et le résultat dans l'historique de la machine, afin que le technicien suivant mesure de la même façon. Les machines avec une référence écrite de jeu et un intervalle de mesure surpassent nettement leurs congénères en MTBF qui ne sont ouvertes qu'en cas de panne. Si l'historique de votre réducteur vit actuellement dans un classeur, réservez une courte démo et voyez comment Fabrico conserve l'historique des mesures par actif.

Erreurs courantes

• Mesurer à travers l'accouplement. Le jeu de l'accouplement et le jeu de clavette s'ajoutent à la lecture. Mesurez au plus près de la sortie du réducteur, avec l'entrée bloquée au niveau du réducteur, pas à l'autre extrémité d'une chaîne cinématique.
• Confondre le jeu avec le jeu de roulement. Le déplacement radial et axial de l'arbre est un défaut différent avec une réparation différente. Vérifiez le jeu/float de l'arbre séparément avant de basculer les engrenages.
• Appliquer un couple important. La déformation élastique des arbres et du carter se lit comme un surplus de jeu. Couple léger, reproductible, identique à chaque mesure.
• Une seule position, un seul sens. L'usure est excentrique ; mesurez en trois positions et reportez toujours le total dans les deux sens.
• Se fier au seul chiffre absolu sans référence. Un réducteur lâche mais stable peut fonctionner des années ; un réducteur serré qui évolue rapidement ne le pourra pas.

Questions fréquentes

Quel jeu est acceptable pour un réducteur industriel ?

Ce que le fabricant spécifie pour cette unité et cette application, mesuré selon sa méthode. À titre d'orientation, les planétaires servo à faible jeu tournent autour de 1 à 3 minutes d'arc, les planétaires standards autour de 3 à 9, et les réducteurs hélicoïdaux industriels sont plus lâches. Suivez la tendance par rapport à la référence de l'unité plutôt que de courir après une limite universelle.

Peut-on éliminer le jeu ?

Sur la plupart des réducteurs hélicoïdaux et coniques à centre fixe, non : la croissance signifie usure et la réparation est la reconstruction. Les entraînements à vis sans fin et certains ensembles coniques permettent un réglage limité, et les applications servomoteur utilisent des montages précontraints ou à double engrènement pour l'annuler au prix d'une perte d'efficacité.

À quelle fréquence mesurer le jeu ?

À la mise en service pour établir la référence, puis chaque année sur les axes critiques à inversion, et immédiatement dès que la précision de positionnement se dégrade ou que les vibrations d'engrènement augmentent.

Plus de jeu signifie-t-il toujours que le réducteur est en train de tomber en panne ?

Non. Un entraînement spécifié généreusement pour une seule direction peut le tolérer indéfiniment. Une croissance rapide, du bruit à l'inversion et des changements de vibration réunis sont ce qui signale une usure active.

Quelle est la différence entre jeu et jeu perdu ?

Le jeu perdu correspond à tout ce que la sortie ne fait pas lors de l'inversion de l'entrée : le jeu entre dents plus la torsion d'arbre, le jeu d'accouplement et la déformation élastique. Le jeu n'est que la composante d'écartement entre les dents.