Comment choisir, entretenir et prolonger la durée de vie des chaînes à rouleaux ?

Comment fonctionnent les chaînes à rouleaux et pourquoi la conception est importante

A chaîne à rouleaux transmet la puissance mécanique entre deux pignons en engageant une série de plaques, de broches, de bagues et de rouleaux liés dans une boucle répétitive. Lorsqu'un pignon menant tourne, ses dents engagent les rouleaux placés entre les plaques de maillon intérieures, tirant la chaîne vers l'avant et transférant le couple au pignon mené. Le rouleau est l'élément qui rend cette conception efficace : il tourne librement sur la bague lorsqu'il s'insère dans la dent du pignon, convertissant ce qui serait autrement un frottement de glissement en contact de roulement. Ce mécanisme apparemment simple est à la base d'une vaste gamme de machines, depuis les transmissions de vélo et les équipements agricoles jusqu'aux systèmes de convoyeurs, presses à imprimer et boîtes de vitesses industrielles.

Comprendre l'anatomie d'une chaîne à rouleaux aide à en spécifier ou en dépanner une. Le maillon intérieur se compose de deux plaques intérieures pressées sur une bague, le rouleau étant placé autour de la bague. Le maillon extérieur – parfois appelé maillon à broche – relie deux maillons intérieurs via deux plaques extérieures et une goupille ajustée à la presse traversant les deux bagues. Le jeu entre l'axe et la bague détermine la liberté d'articulation de la chaîne, et la dureté de ces composants affecte directement la durée de vie sous charge. Les chaînes de haute qualité utilisent des broches et des bagues cémentées avec une surface solide et résistante à l'usure sur un noyau robuste qui résiste aux chocs sans devenir cassant.

Série de chaînes à rouleaux standard et signification des chiffres

Les chaînes à rouleaux sont fabriquées selon des normes internationalement reconnues, principalement ANSI/ASME B29.1 en Amérique du Nord et ISO 606 en Europe et dans la plupart des autres pays du monde. Ces normes définissent le pas (la distance centre à centre entre les broches consécutives) ainsi que le diamètre du rouleau, la largeur intérieure, l'épaisseur de la plaque et la résistance à la traction minimale. La désignation ANSI utilise un nombre à deux ou trois chiffres dont les premiers chiffres indiquent le pas en huitièmes de pouce et le dernier chiffre indique le type de chaîne : 0 pour standard, 1 pour léger et 5 pour chaîne à bagues sans rouleaux.

Les chaînes à double brin et à plusieurs brins portent le suffixe « -2 » ou « -3 » après le numéro de chaîne (par exemple, 60-2 pour une chaîne double brin #60). Ces configurations multiplient la capacité de charge sans augmenter le pas, ce qui est utile lorsqu'une chaîne à pas plus grand fonctionnerait trop lentement ou créerait une contrainte excessive sur les dents du pignon à la vitesse requise.

Sélection de la chaîne à rouleaux adaptée à votre application

La sélection d'une chaîne commence par l'exigence de transmission de puissance, mais la réduire à un simple chiffre de puissance ne tient pas compte de plusieurs facteurs qui déterminent si une chaîne donnée offrira une durée de vie acceptable. Les paramètres suivants doivent tous être évalués ensemble avant de décider d'une spécification de chaîne.

Puissance de conception et facteur de service

La puissance nominale d'un moteur n'est pas le chiffre utilisé pour la sélection de la chaîne. Au lieu de cela, les ingénieurs calculent la puissance nominale en multipliant la puissance transmise par un facteur de service qui tient compte de la nature de la charge. Les charges douces et uniformes des moteurs électriques utilisent généralement un facteur de service de 1,0. Les charges de choc modérées, telles que celles provenant de compresseurs alternatifs ou de convoyeurs à chargement irrégulier, nécessitent un facteur de 1,3 à 1,5. Les charges de choc lourdes provenant des concasseurs, des broyeurs ou des broyeurs à marteaux peuvent exiger un facteur de service de 1,7 ou plus. Ce chiffre de puissance de conception ajusté est ensuite comparé aux tableaux de puissance nominale du fabricant de chaîne, qui spécifient la puissance maximale autorisée pour chaque taille de chaîne à une vitesse de pignon donnée en tr/min.

Taille du pignon et rapport de vitesse

Le nombre de dents sur le petit pignon – toujours le plus chargé des deux – affecte directement la durée de vie de la chaîne. Un minimum de 17 dents sur le petit pignon est une ligne directrice largement utilisée pour les entraînements nécessitant une longue durée de vie, car moins de dents provoquent une articulation de la chaîne selon un angle plus aigu à chaque engagement, accélérant ainsi l'usure des axes et des bagues. Les très grands rapports de vitesse (supérieurs à 7:1) sont généralement mieux gérés en deux étages en utilisant un arbre intermédiaire plutôt qu'un entraînement par chaîne à rouleaux à un étage, à la fois pour des raisons d'efficacité et pour maintenir le grand pignon à un diamètre gérable.

Distance centrale et longueur de la chaîne

L’entraxe idéal entre les pignons menant et mené est de 30 à 50 fois le pas de la chaîne. Un entraxe trop court réduit l'arc d'enroulement sur le petit pignon et provoque une articulation plus fréquente de chaque maillon, tandis qu'un entraxe trop long introduit un affaissement et des vibrations. La longueur de la chaîne est calculée en maillons plutôt qu'en unités linéaires, et le total doit être un nombre pair pour permettre l'utilisation d'un maillon de connexion standard. Des dispositifs de tension réglables ou des pignons fous sont utilisés pour maintenir une tension de chaîne appropriée à mesure que la chaîne s'allonge sous l'effet d'une usure normale au cours de sa durée de vie.

Lubrification : le facteur le plus important dans la longévité de la chaîne

Aucune autre pratique d'entretien n'a un plus grand effet sur la durée de vie de la chaîne à rouleaux qu'une lubrification correcte. Le principal mécanisme d'usure d'une chaîne à rouleaux est l'érosion progressive des surfaces de contact des axes et des bagues, ce qui entraîne une augmentation du pas - ce que l'on appelle communément l'étirement de la chaîne, bien que les plaques d'acier elles-mêmes ne s'étirent pas réellement. Le lubrifiant pénètre dans le jeu entre les broches et les douilles, forme un film hydrodynamique sous charge et évacue la chaleur générée par l'articulation. Sans lubrification adéquate, une chaîne fonctionnant sous des charges industrielles modérées peut s'user en une fraction du temps qu'elle durerait avec un huilage approprié.

Les fabricants de chaînes spécifient les méthodes de lubrification par type d'application. Il existe quatre catégories standard utilisées dans l’industrie :

• Type A — Lubrification manuelle ou goutte à goutte : appliquée périodiquement avec un bidon d'huile ou un pinceau, ou délivrée par un graisseur goutte à goutte à raison d'une goutte tous les cinq à vingt maillons de chaîne par minute. Convient aux entraînements à faible vitesse et légèrement chargés.
• Type B — Lubrification par bain ou par disque : le brin inférieur de la chaîne traverse un bain d'huile dans un boîtier étanche, ou un disque fixé à l'arbre du pignon récupère l'huile et la projette sur la chaîne. Utilisé pour des vitesses modérées jusqu'à environ 600 tr/min sur le petit pignon.
• Type C — Lubrification par flux d'huile : un flux continu d'huile est dirigé sur la chaîne à partir d'une buse alimentée par une pompe positionnée à l'intérieur du brin inférieur de la chaîne, près du pignon d'entraînement. Requis pour les entraînements à grande vitesse supérieure à 1 500 tr/min.
• Chaînes scellées et pré-lubrifiées : les chaînes avec joints toriques ou X-ring retiennent la graisse emballée entre l'axe et la bague lors de la fabrication. Ceux-ci sont utilisés là où la contamination externe est grave ou là où la relubrification est peu pratique, comme dans les équipements agricoles et de construction extérieurs.

Le lubrifiant recommandé pour la plupart des applications industrielles de chaînes à rouleaux est une huile minérale non détergente d'une viscosité de SAE 20 à SAE 50 selon la température ambiante. La graisse doit généralement être évitée pour la lubrification en service car elle ne pénètre pas efficacement dans le jeu entre la goupille et la bague ; il comble l'espace entre les plaques extérieures et les plaques intérieures mais laisse les surfaces d'usure critiques insuffisamment protégées.

Mesurer l'usure et savoir quand remplacer une chaîne à rouleaux

Une chaîne à rouleaux doit être remplacée avant qu'elle ne s'allonge de plus de 3 % de sa longueur nominale, ou de 2 % pour les entraînements de précision et les applications où la géométrie des dents de pignon est critique. Attendre que la chaîne soit visiblement détendue ou que les dents du pignon sautent risquent une usure accélérée du pignon, une défaillance soudaine sous charge et des dommages potentiels aux machines connectées. La méthode la plus fiable pour mesurer l'usure de la chaîne sur le terrain consiste à utiliser un outil indicateur d'usure de chaîne dédié, qui applique une charge fixe à une longueur de chaîne mesurée et lit directement l'allongement. En l'absence d'outil approprié, une règle en acier peut mesurer 12 pas de chaîne : une chaîne neuve mesurant exactement sa longueur nominale de 12 pas n'est pas portée, tandis qu'une chaîne mesurant 0,5 % ou plus au-dessus de cette référence a commencé à accumuler une usure importante.

Lors du remplacement d'une chaîne usée, il est essentiel d'inspecter en même temps les pignons correspondants. Un pignon qui a fonctionné avec une chaîne allongée développe un profil caractéristique de dent en forme de crochet ou d'aileron de requin à mesure que la chaîne monte plus haut sur les dents lors de l'engagement. L'installation d'une nouvelle chaîne sur des pignons usés transférera rapidement l'usure à la nouvelle chaîne et réduira considérablement sa durée de vie. En règle générale, les pignons doivent être remplacés tous les deux ou trois remplacements de chaîne en fonction de l'application, du matériau et des conditions de fonctionnement. Les pignons en acier trempé, en particulier ceux dotés de flancs de dents trempés par induction, durent nettement plus longtemps que les versions en acier doux dans les entraînements exigeants.

Variantes de chaînes à rouleaux spécialisées pour les environnements exigeants

Les chaînes à rouleaux standard en acier au carbone conviennent bien à la plupart des applications industrielles générales, mais des environnements d'exploitation spécifiques nécessitent des variantes de chaîne conçues pour ces conditions. Les chaînes à rouleaux en acier inoxydable résistent à la corrosion dans les environnements de transformation alimentaire, de fabrication pharmaceutique et marins où le contact avec l'eau, les produits chimiques de nettoyage ou une humidité élevée corroderait rapidement les chaînes standard. Les chaînes nickelées offrent une protection intermédiaire contre la corrosion à un coût inférieur à celui d'une construction entièrement en acier inoxydable et constituent un choix pratique pour les environnements intérieurs modérément corrosifs.

Les applications à haute température, telles que les chaînes de convoyeurs traversant des fours, des tunnels de durcissement ou des fonderies, nécessitent des chaînes fabriquées à partir d'alliages résistants à la chaleur avec des lubrifiants à film solide ou des bagues poreuses frittées imprégnées de graisse à haute température, car les huiles conventionnelles se carbonisent et perdent de leur viscosité à des températures élevées. Les chaînes autolubrifiantes utilisant des bagues en métal fritté ou des composants polymères sont conçues pour les applications où la lubrification externe n'est pas pratique, réduisant la fréquence de maintenance tout en maintenant une durée de vie acceptable sous des charges légères à modérées. La sélection de la bonne variante de chaîne pour l'environnement est aussi importante que la sélection de la bonne capacité de charge : une chaîne standard installée dans le mauvais environnement échouera, quel que soit le soin avec lequel elle est dimensionnée.