Comparaison des transmissions par courroie de distribution MXL et S2M (dents trapézoïdales vs. curvilignes)

1. Introduction

Les courroies de distribution à dents trapézoïdales ont été développées pour la première fois par la société américaine Uniroyal Rubber en 1964 et ont été progressivement adoptées pour les applications de transmission mécanique.

Figure 1 : Profil de dent de courroie synchrone à denture trapézoïdale

Dans ce type de courroie de distribution, caractérisée par un profil de dent trapézoïdal, les flancs des dents sont rectilignes. Cette géométrie particulière engendre une forte concentration de contraintes à la base des dents, ce qui, à haute vitesse, réduit la durée de vie de la courroie et sa capacité de charge. De plus, lors de la transmission, ces courroies génèrent des niveaux élevés de bruit et de vibrations, limitant ainsi la vitesse de fonctionnement maximale. Une analyse photoélastique des contraintes a révélé que la distribution des contraintes au sein du profil de dent trapézoïdal est très hétérogène, avec une concentration importante à la base ; les dents sont donc sujettes à la rupture. Par ailleurs, la surface de contact réelle de la dent trapézoïdale n'occupe qu'environ un tiers de la surface totale du flanc, ce qui indique que cette conception n'exploite pas pleinement le potentiel de charge des dents de la courroie.

En 1973, Uniroyal a mis au point une courroie de distribution à denture curviligne unique (HTD, conforme à la norme japonaise JB/T 7512.1). Cette conception réduisait efficacement l'« effet polygonal » inhérent aux transmissions par courroie et permettait une répartition plus rationnelle des contraintes, ce qui a favorisé son adoption croissante. Cependant, on a constaté par la suite qu'au-delà d'un certain seuil de vitesse de transmission, ces courroies à denture curviligne généraient à nouveau du bruit et présentaient une baisse notable du rendement de la transmission. En conséquence, en 1977, la société américaine Goodyear a modifié le profil de cette dent pour créer la courroie de distribution à denture curviligne à sommet plat (STPD). Cette conception améliorait considérablement la dynamique de l'écoulement d'air au moment précis de l'engrènement entre les dents de la courroie et celles de la poulie, réduisant ainsi sensiblement la résistance à l'amortissement de l'air, un phénomène généralement associé aux vitesses d'engrènement élevées.

Figure 2 : Profil de dent de courroie synchrone à denture courbe STPD

Ces dernières années, la Chine a connu une croissance rapide de ses secteurs nationaux des équipements de vidéosurveillance, des systèmes de visioconférence, des imprimantes et des photocopieurs, ce qui a entraîné une utilisation de plus en plus répandue des courroies de distribution dans ces appareils. Ces dispositifs compacts, qui nécessitent généralement une transmission de puissance relativement faible et fonctionnent à des vitesses modérées, utilisent principalement des courroies de petite taille. Outre l'exigence d'un faible niveau sonore, les critères de performance les plus critiques pour ces applications sont la durée de vie et la précision de la transmission angulaire. Les courroies de distribution des séries MXL, S1.5M et S2M sont spécifiquement conçues pour répondre à ces exigences précises. Actuellement, les fabricants chinois, y compris les plus réputés, utilisent encore largement les transmissions par courroie de distribution MXL. En revanche, les fabricants étrangers, notamment au Japon, ont déjà largement adopté les transmissions par courroie de distribution à profil STPD pour les petits appareils électroniques, tels que les mécanismes internes des équipements financiers, des imprimantes et des photocopieurs.

Bien que les profils de dents des courroies de distribution MXL et S2M diffèrent, leurs pas sont très similaires : 2,032 mm pour la MXL et 2,000 mm pour la S2M. Elles peuvent donc être utilisées dans les mêmes systèmes d’entraînement. C’est pourquoi j’ai choisi ces deux types de courroies pour une analyse comparative, permettant une évaluation claire des avantages et inconvénients respectifs de ces deux catégories de courroies de distribution. Fort de plus d’une décennie de recherche et d’essais comparatifs au sein des systèmes d’entraînement d’équipements de vidéosurveillance financière et de sécurité, le modèle S2M surpasse systématiquement le modèle MXL en termes de durée de vie et de précision de transmission.

2. Analyse comparative

2.1 Comparaison des profils dentaires

Commençons par comparer les profils des dents des deux courroies. Sur la figure ci-dessous, le trait foncé représente le profil de la dent de la courroie de distribution S2M, tandis que le trait clair représente celui de la courroie MXL. L'épaisseur de base des deux courroies est identique (0,6 mm) ; cependant, les dents de la courroie S2M sont sensiblement plus larges que celles de la courroie MXL, notamment à la base. De plus, le rayon de congé de la dent de la courroie S2M (R0,2) est supérieur à celui de la dent de la courroie MXL (R0,13). À matériaux identiques, la courroie S2M présente une résistance structurelle supérieure à celle de la courroie MXL, ce qui lui permet de transmettre une puissance plus importante. En revanche, si les exigences de transmission de puissance sont identiques, la courroie S2M offrira une durée de vie plus longue que la courroie MXL.

Par rapport aux poulies, la résistance structurelle et la résistance à l'usure de la courroie de distribution sont généralement légèrement inférieures ; de ce fait, elle constitue souvent le facteur limitant la durée de vie et la capacité de charge du système d'entraînement. Ceci s'explique par le fait que le corps de la courroie intègre généralement des éléments de renforcement, tels que des fils d'acier ou des cordes en fibre de verre, faisant des dents les composants structurels relativement les plus fragiles.

Figure 3 : Comparaison de deux profils de dents de courroie synchrones (dents trapézoïdales MXL et dents courbes S2M)

Le système de transmission par courroie crantée à denture arquée résout ce problème en augmentant l'épaisseur des dents de la courroie afin d'améliorer son intégrité structurelle, tout en réduisant légèrement l'épaisseur des dents de la poulie (et donc légèrement sa résistance structurelle). Cette conception répond mieux aux exigences des applications pratiques, ce qui se traduit par une amélioration globale de la durée de vie et de la capacité de charge. Des données spécifiques à ce sujet sont disponibles dans les manuels techniques de Mitsuboshi Belting (Japon) ; veuillez consulter les tableaux ci-dessous (un extrait est présenté).

• Figure 4 : Capacité de transmission de puissance de base des courroies de distribution MXL (partielle)

• Figure 5 : Capacité de transmission de puissance de base des courroies de distribution S2M (partielle)

• Figure 6 : Couple de transmission admissible pour les courroies de distribution MXL (partiel)

• Figure 7 : Couple de transmission admissible pour les courroies de distribution S2M (partiel)

Notez que la largeur standard de la courroie de distribution S2M illustrée ci-dessus est de 4 mm, tandis que celle de la courroie MXL est de 6,4 mm. Que ce soit en termes de puissance ou de couple de transmission admissibles, la courroie S2M surpasse la courroie MXL d'au moins 50 %. Si ces valeurs étaient normalisées à une largeur de courroie standard, l'avantage de la courroie S2M sur la courroie MXL serait encore plus marqué.

2.2 Comparaison des caractéristiques d'engrènement

Comparons maintenant les caractéristiques d'engrènement des courroies de distribution et de leurs poulies correspondantes.

• Figure 8 : Comparaison des conditions d'engrènement pour deux types de courroies de distribution (MXL vs. S2M)

• Figure 9 : Dimensions de base de deux types de poulies de distribution (MXL vs. S2M)

Comparaison des photographies réelles du maillage :

• Figure 10 : Engrenage réel de la courroie de distribution et de la poulie MXL

• Figure 11 : Engrenage réel de la courroie de distribution et de la poulie S2M

Comme on peut le constater — et conformément aux profils théoriques des dents —, il existe un jeu notable entre la courroie de distribution MXL et sa poulie ; lorsqu'on la manipule, un léger glissement est perceptible. En revanche, aucun jeu n'est visible entre la courroie de distribution S2M et sa poulie ; lorsqu'on la manipule, aucun glissement n'est perceptible à l'œil nu. La courroie de distribution MXL présente des jeux marqués à la fois sur les flancs et à l'extrémité des dents, ce qui engendre un « effet polygonal » plus prononcé que pour les courroies de distribution à profil curviligne.

Comme illustré dans les figures ci-dessus, le profil de la dent de la courroie de distribution MXL est plus petit que celui de la gorge de la poulie. La somme théorique des jeux de part et d'autre de la dent est d'environ 0,2 mm, soit environ 18 % de la largeur de la dent. De plus, la hauteur de la dent (0,51 mm) est inférieure à la profondeur correspondante de la gorge (0,64 mm). Lorsque la courroie de distribution S2M s'engage sur sa poulie, les dimensions des dents de la courroie et des gorges de la poulie sont quasiment identiques, ce qui réduit le jeu au minimum. Théoriquement, le jeu cumulé de part et d'autre d'une dent de courroie est d'environ 0,08 mm, soit environ 6 % de la largeur de la dent. Par ailleurs, la hauteur de la dent et la profondeur de la gorge correspondent parfaitement (0,76 mm), garantissant un jeu nul dans le sens vertical (hauteur de la dent).

D'après cette analyse du jeu d'engrènement, il apparaît clairement que si la tension appliquée à la courroie de distribution est insuffisante – entraînant un glissement entre la courroie et la poulie – la précision de la transmission s'en trouvera inévitablement affectée. Théoriquement, la précision de transmission d'un système de courroie de distribution MXL est légèrement inférieure à celle d'un système S2M. D'un point de vue strictement géométrique, l'erreur angulaire d'une courroie MXL est d'environ 18 % × 360°/Z2 (où Z2 représente le nombre de dents de la poulie menée) ; en revanche, l'erreur angulaire d'une courroie S2M est d'environ 6 % × 360°/Z2. Cependant, en pratique, la tension de la courroie est souvent maintenue à un niveau relativement élevé – minimisant ainsi le glissement – ​​ce qui signifie que la précision réelle obtenue dépasse généralement ces valeurs théoriques.

Avec les courroies de distribution MXL, le contact s'effectue uniquement entre les bases des dents et les crêtes des poulies ; il en résulte une concentration de contraintes relativement importante, limitant ainsi la tension maximale que la courroie peut supporter. À l'inverse, les courroies de distribution S2M entrent en contact avec la poulie à la fois par l'extrémité et la base des dents, ce qui assure une répartition plus uniforme de la force. Ceci atténue considérablement l'« effet polygonal ». De plus, l'engagement, facilité par le profil curviligne des dents, est nettement plus fluide ; par conséquent, les courroies S2M dotées de ces dents curvilignes offrent une capacité de charge supérieure et une durée de vie prolongée.

3. Tests empiriques

Pour cette évaluation, une caméra de surveillance PTZ (Panoramique-Inclinaison-Zoom) a été sélectionnée afin d'évaluer la précision de son positionnement prédéfini. Deux systèmes de transmission distincts ont été testés : l'un utilisant des dents à profil MXL et l'autre des dents à profil S2M. Les deux systèmes employaient des moteurs identiques ; hormis les poulies et courroies d'entraînement spécifiques, tous les autres composants de l'ensemble étaient identiques. Le système de transmission de la caméra fonctionne via deux axes de rotation, comme illustré sur la figure 12. Plus précisément, l'objectif de la caméra peut effectuer une rotation continue de 360° autour de l'axe Z, ainsi qu'une rotation alternative sur un angle de 110° autour de l'axe Y ; ces deux mouvements sont entraînés par des courroies de distribution. Pour ce test, nous nous sommes concentrés sur le mécanisme de rotation verticale, qui présente un rapport de transmission de 1:4 (avec une poulie motrice à 20 dents et une poulie menée à 80 dents). La courroie MXL utilisée était le modèle « 180MXL » (avec un pas de 365,76 mm), tandis que la courroie S2M utilisée était le modèle « S2M364 » (avec un pas de 364 mm). L’objectif de l’appareil photo était positionné à une distance de 15,6 mètres de l’échelle de référence utilisée pour la mesure.

Une position prédéfinie permet de lier une zone clé sous surveillance à l'état de fonctionnement d'une caméra PTZ. Sous contrôle manuel ou programmé, la caméra PTZ peut pivoter selon n'importe quelle position angulaire, laquelle peut ensuite être configurée et enregistrée comme position prédéfinie. Le rappel d'une position prédéfinie est une fonction standard des caméras de surveillance PTZ. Quelle que soit la direction vers laquelle l'objectif de la caméra est orienté, une fois une position prédéfinie rappelée, la caméra pivote rapidement vers cet emplacement précis.

Figure 12 : Schéma de test pour la comparaison de la précision des transmissions par courroie de distribution

Lorsqu'une position prédéfinie est rappelée par logiciel, la caméra PTZ pivote vers l'emplacement correspondant ; cependant, un écart par rapport à la position initialement configurée se produit souvent. Outre l'influence du logiciel et du moteur, le principal facteur contribuant à cet écart est l'erreur de transmission par courroie au sein du mécanisme de la caméra PTZ. Afin d'éliminer l'influence du logiciel et du moteur, les tests ont été menés avec une seule caméra PTZ équipée du même modèle de moteur tout au long du processus. Seuls les poulies et les courroies de distribution ont été interverties ; ainsi, les poulies et les courroies étaient les seules variables de l'expérience. L'écart réel mesuré lors de ces tests constitue un indicateur direct de la précision de transmission réelle obtenue par le système de courroie de distribution MXL par rapport au système de courroie de distribution S2M.

Comme l'indiquent les données d'essai du tableau 1, la courroie de distribution S2M présente une précision nettement supérieure à celle de la courroie MXL dans des conditions de fonctionnement identiques. Lorsque la tension de la courroie dépasse 25 N, son augmentation n'apporte que des gains de précision marginaux ; au-delà de 30 N, l'impact de l'augmentation de la tension sur la précision devient encore moins significatif. Il est à noter que la courroie de distribution S2M est capable d'atteindre une précision de transmission supérieure, même sous des tensions relativement faibles. De plus, les caractéristiques d'amortissement du système de mouvement ont un impact considérable sur la précision de la transmission.

Tableau 1 : Données de test sur les écarts lors du rappel des positions prédéfinies (voir les données originales dans l’article)

4. Données d'essai de résistance à la traction

Comme l'illustrent les données fournies par Bando Chemical Industries dans la figure ci-dessous : les courroies de distribution MXL et S2M sont toutes deux composées de caoutchouc et présentent une épaisseur de base identique de 0,6 mm. De par leur composition identique, leurs résistances à la traction (appelées « résistance à la rupture » ​​dans les schémas techniques) sont pratiquement équivalentes. (Remarque : les valeurs d'épaisseur de courroie indiquées dans les schémas incluent la hauteur des dents ; plus précisément, bien que les courroies MXL et S2M aient toutes deux une épaisseur de base de 0,6 mm, l'épaisseur totale, dents comprises, est de 1,1 mm pour la courroie MXL et de 1,31 mm pour la courroie S2M.)

• Figure 13 : Matériaux et structure de la courroie de distribution MXL

• Figure 14 : Matériaux et structure de la courroie de distribution S2M

5. Résumé et discussion

En résumé, la courroie de distribution à denture curviligne S2M surpasse la courroie à denture trapézoïdale MXL en termes de précision de transmission ; il s'agit là d'un avantage majeur des courroies à denture curviligne. Les exigences d'installation des courroies à denture curviligne sont similaires à celles des courroies à denture trapézoïdale ; cependant, elles offrent une durée de vie plus longue et permettent une plus grande plage de réglages de tension. Du point de vue des coûts – bien que le poids par unité de largeur de la courroie de distribution S2M soit légèrement supérieur et que le coût pour une largeur équivalente puisse être légèrement plus élevé (environ 1,18:1) – elle peut être fabriquée avec un profil plus étroit. Par conséquent, le coût réel n'est pas nécessairement supérieur à celui de la courroie de distribution MXL ; en fait, il peut souvent être inférieur, offrant des avantages significatifs en termes de réduction du volume global du système de transmission. D'après les calculs de capacité de transmission, une courroie de distribution S2M de 4 mm de large peut remplacer efficacement la grande majorité des transmissions par courroie MXL de 6,4 mm de large, ce qui permet de réduire potentiellement les coûts réels de plus de 25 %.

Bien que la Chine ait déjà établi des normes nationales pour les courroies à dents curvilignes de la série HTD, leur adoption reste relativement rare ; de plus, il existe un manque notable de normes établies pour les courroies de distribution à dents curvilignes de micro et de petite taille (en particulier celles plus petites que la série 3M).

La conception à dents curvilignes a évolué jusqu'à la série RPP, dotée d'un profil de dent parabolique à sommet concave qui génère des niveaux de bruit encore plus faibles, comme illustré sur la figure 15.

Figure 15 : Profil de dent parabolique concave RPP

6. Conclusion

Les courroies à denture trapézoïdale sont utilisées depuis plus longtemps en Chine et restent les plus répandues. Cependant, la supériorité intrinsèque des courroies à denture curviligne est indéniable. Il convient donc de mettre en œuvre des politiques dynamiques pour promouvoir et soutenir l'adoption des courroies à denture curviligne en remplacement des courroies à denture trapézoïdale, notamment dans le secteur des petites entreprises, afin d'accélérer l'élaboration des normes pertinentes et de faciliter la modernisation du secteur manufacturier national.