Bien concevoir les courroies crantées à taquets : matériaux, forces et systèmes de fixation
Les taquets sont des éléments essentiels d’automatisation. Découvrez la diversité des taquets et trouvez la géométrie idéale pour votre application.
1. Introduction : pourquoi les courroies à taquets sont indispensables
Partout où les processus sont automatisés, il faut transmettre avec précision non seulement la force motrice, mais aussi la position, la cadence et le timing. Lorsque des produits à convoyer doivent être déplacés, séparés, alignés ou mis à disposition dans une position définie, on utilise des courroies dentées avec taquets, également appelées courroies dentées d'entraînement.
La combinaison d’une courroie dentée et des taquets qui y sont fixés permet un entraînement positionné avec précision. À la différence des bandes transporteuses lisses ou des simples courroies d'entraînement, les courroies à taquets remplissent une fonction mécanique définie : elles veillent à ce que le produit transporté soit convoyé de manière synchrone, fiable et avec une grande répétabilité.
Parmi les applications possibles figurent notamment les systèmes Pick-& Place, les machines d’emballage, les palettiseurs, les lignes de tri, les unités de manutention CNC ainsi que l’industrie pharmaceutique et agroalimentaire.
Pour mettre parfaitement en valeur les taquets sur les courroies dentées, plusieurs paramètres doivent être coordonnés : forces, géométries, matériaux, procédés de fabrication et techniques de fixation.
Dans cet article, vous apprendrez tout ce qu’il faut savoir sur les taquets. Entre autres, les questions suivantes sont abordées :
- Quelles fonctions les courroies dentées à taquets peuvent-elles remplir ?
- Quelles forces apparaissent dans une courroie dentée à taquets ?
- À partir de quels matériaux les taquets peuvent-ils être fabriqués ?
- Comment les taquets peuvent-ils être fixés sur les courroies dentées ?
- Quelles géométries de taquets sont possibles ?
- Quels points doivent être pris en compte lors de la conception et de la disposition des taquets sur les courroies dentées ?
- Quelles possibilités supplémentaires offrent les procédés de fabrication innovants ?
2. Courroies dentées avec taquets comme supports de fonctions mécaniques
Une courroie dentée classique est un composant d’entraînement destiné à la transmission par adhérence de couples. L’utilisation supplémentaire de taquets transforme cet élément d’entraînement pur en moyen de convoyage capable de transporter les marchandises les plus diverses.
Une courroie dentée à taquets se compose de deux éléments principaux :
- la courroie elle-même, généralement en polyuréthane avec un élément de traction intégré en acier ou en Kevlar, et
- un ou plusieurs taquets, qui sont fixés sur le dos de la courroie et remplissent la fonction d’entraînement souhaitée.
L’avantage décisif de cette combinaison réside dans la commande très précise des séquences de mouvement. De plus, la combinaison de taquets avec des courroies dentées permet de réaliser aussi bien des processus d’entraînement synchrones que des mouvements de convoyage complexes cadencés, par exemple lorsque des pièces doivent être introduites dans une station d’usinage ou d’emballage dans une position définie.
3. Forces et contraintes dans les courroies dentées à taquets
Lors de l'utilisation de courroies dentées à taquets, plusieurs types de forces agissent simultanément :
- Forces de traction dans la courroie (le long du brin),
- Forces de poussée ou de compression sur les taquets (transversalement ou perpendiculairement au sens de marche),
- Forces d'accélération et de décélération, résultant du moment d'inertie de la masse du produit transporté.
Surtout lors des phases de démarrage et d'arrêt, de fortes sollicitations alternées se produisent. Chaque taquet doit non seulement accélérer ou freiner le poids propre du produit transporté, mais aussi les forces dynamiques supplémentaires issues du mouvement. En particulier avec des temps de cycle courts, des vitesses élevées ou un convoyage vertical (par exemple sur des lignes de tri), les charges augmentent de manière exponentielle.
Les pics de charge les plus élevés apparaissent généralement
- lors d'accélérations brusques (« démarrages durs »),
- lors de changements de direction dans des processus intermittents,
- en cas de collision avec des butées ou des fins de course mécaniques.
Pour le dimensionnement des courroies dentées et des taquets, il convient donc d'analyser précisément la nature et l'ampleur des charges. Parmi les questions utiles, citons notamment :
- Quelle est la masse à déplacer ?
- En quel laps de temps le produit transporté doit-il être accéléré ou freiné ?
- Quelle sera alors la contrainte de cisaillement sur la liaison entre taquets et courroie dentée ?
La position et la largeur du taquet jouent également un rôle : plus un taquet est positionné vers l'extérieur ou de manière asymétrique, plus les forces de levier susceptibles d'apparaître sont importantes.
Enfin, il faut également tenir compte des forces de traction dans la courroie. La tâche des éléments de traction est d'absorber les forces longitudinales, si possible sans que la courroie dentée ne soit déformée ou allongée, car cela aurait un effet directement négatif sur la précision de positionnement.
Pour une bonne solution de convoyage, il est donc essentiel d'accorder avec précision le produit transporté, les paramètres de mouvement, la forme des taquets, la largeur de la courroie, le matériau des éléments de traction et la technique de fixation.
4. Géométrie et forme des taquets
La géométrie des taquets est la clé de leur fonction. En effet, ce n’est que lorsque la forme, la position et la taille sont exactement adaptées à l’application que la performance d’entraînement souhaitée peut être réalisée en toute sécurité.
Dans la pratique, différentes formes de base ont fait leurs preuves :
- Taquets rectangulaires : utilisables de manière universelle, faciles à fabriquer
- Taquets trapézoïdaux : répartition favorable des forces, réduction des pics de contrainte
- Taquets arrondis ou inclinés : idéals pour des transitions douces et des produits transportés sensibles
- Taquets radiaux : pour des mouvements rotatifs ou synchronisés de manière circulaire
- Taquets multiples : pour des profils de mouvement complexes ou des marchandises transportées plus larges
Outre ces variantes classiques, des formes spéciales gagnent également en importance, spécifiquement adaptées à des exigences particulières :
- Taquets à ressort : Ces taquets disposent d’une zone flexible ou d’un mécanisme à ressort intégré qui cède au contact avec le produit, puis revient à sa forme initiale. Les taquets à ressort se sont avérés particulièrement efficaces pour des pièces très sensibles ou des produits d’épaisseur irrégulière, comme par exemple les sachets de thé, les emballages à bulles d’air, les paquets de biscuits ou les textiles. Leur structure élastique compense en douceur les différences de hauteur et assure ainsi un transport sûr du produit.
- Taquets en éventail : Les taquets en éventail sont très longs et plats et sont fabriqués à partir d’un matériau renforcé de fibres de verre. Ils peuvent être disposés avec un pas très serré. Ils se prêtent particulièrement bien au transport unitaire de produits plats et légers, comme par exemple les couches pour bébé, les articles d’hygiène ou les enveloppes.
- Taquets avec brosses : Pour la manutention en douceur de marchandises particulièrement sensibles, comme par exemple les fruits ou les tissus, les taquets à brosses se révèlent adaptés. La hauteur et le matériau des poils ainsi que l’écart entre les brosses peuvent être choisis librement.
- Taquets imprimés en 3D : L’ impression 3D ouvre des possibilités totalement nouvelles dans la conception des taquets. Des géométries complexes, des fonctions intégrées (par ex. canaux, évidements, zones flexibles) ou des structures ultralégères peuvent être réalisées sans fabrication de moules. Les taquets imprimés sont particulièrement économiques et rapidement disponibles dans la construction de machines spéciales ou pour les petites séries. Ils peuvent être fabriqués individuellement à partir de tous les plastiques thermoplastiques.
Ce qui est important pour toutes les formes de taquets, c’est que la géométrie soit exactement adaptée au mouvement et au produit transporté. Un autre aspect est le poids propre des taquets. À des cadences élevées et à grande vitesse, le moment d’inertie influe fortement sur la dynamique du système. Un allègement ciblé, par exemple par des évidements de matière, des cavités ou l’impression 3D, peut ici contribuer à des économies d’énergie et à un fonctionnement avec peu d’usure.
La conception de la géométrie des taquets doit donc toujours tenir compte des aspects suivants :
- Évolution des forces pendant l’engrènement
- Inertie de masse et dynamique du système
- Surfaces de contact et liaison par forme
- Propriétés du matériau en termes d’usure, de température et de résistance aux produits chimiques
Pour des exigences spécifiques, il est recommandé de demander conseil à un fabricant expérimenté de courroies et de taquets. Alphabelt vous propose en outre un configurateur de taquets et une vaste bibliothèque de taquets pour votre projet.
5. Disposition des taquets sur la courroie dentée
Ce n’est pas seulement la forme, mais aussi la disposition des taquets sur la courroie dentée qui influence la fonction du système. Ici, la précision et la répétabilité sont particulièrement importantes. Les conseils suivants doivent donc être pris en compte lors de la planification :
- Le pas de taquet préféré est un multiple entier du pas de dent. Sinon, les soi-disant conflits de pas peuvent entraîner des contraintes, un fonctionnement irrégulier ou une charge accrue sur la courroie. Néanmoins, des dispositions différentes, en nombre et en ordre quelconques, sont également possibles lorsqu’elles sont judicieuses du point de vue de la conception et de la fonction.
- Idéalement, les taquets doivent être positionnés en face d’une dent. La raison en est que, au niveau des dents, une courroie dentée est moins fortement fléchie lors du renvoi, en raison de son épaisseur de matière plus importante, qu’au niveau des intervalles entre les dents. La charge de flexion y est donc plus faible, ce qui se traduit par une moindre sollicitation de la zone de soudure entre la courroie et les taquets et par une meilleure transmission de force.
- Les tolérances de montage doivent se situer dans l’ordre du dixième de millimètre, en particulier lorsque plusieurs courroies fonctionnent en parallèle.
- Le guidage de la courroie doit lui aussi être adapté aux taquets : un bâti de passage trop étroit ou des rails de guidage mal positionnés peuvent coincer, user ou même cisailler les taquets.
Selon l’application, les taquets sont
- disposés au centre sur toute la largeur de la courroie (par ex. pour des pièces étroites),
- disposés de manière décentrée (par ex. pour des produits transportés asymétriques),
- décalés ou répartis sur plusieurs voies (par ex. pour des marchandises plus volumineuses),
- ou encore combinés, par exemple avec un taquet de guidage et un profil porteur.
Dans tous les cas, une conception précise de la disposition des taquets est une condition préalable à une longue durée de vie, un fonctionnement régulier et une répétabilité exacte dans le processus.
6. Appui des taquets
Dans la pratique, les taquets et leurs fixations sont soumis à des forces considérables. Celles-ci résultent :
- des forces d’inertie lors des phases d’accélération et de freinage (par ex. en fonctionnement cadencé),
- des forces de frottement sur les rails de glissement,
- de la gravité dans les systèmes de convoyage inclinés ou verticaux,
- des forces centrifuges lors de la rotation des poulies dentées,
- ainsi que de la propre inertie du taquet lors de la transition entre mouvement linéaire et circulaire.
Afin d’absorber ces charges en toute sécurité, des appuis supplémentaires sont nécessaires, en particulier en cas de fortes accélérations, de produits transportés lourds ou de grandes dimensions de taquets. Un appui doit être conçu de manière à ce que les forces appliquées agissent autant que possible dans la partie inférieure du taquet. C’est là que la soudure peut absorber beaucoup mieux les contraintes de cisaillement que les contraintes de flexion.
Les taquets peuvent être appuyés d’un seul côté ou des deux côtés :
- Taquets appuyés d’un seul côté : pour réduire les forces de flexion d’un côté
- Taquets appuyés des deux côtés : pour une absorption symétrique des forces et une charge élevée, en particulier en cas de mouvements alternés.
Les appuis sont conçus comme des renforts du taquet. Il convient de noter ce qui suit : en particulier pour les taquets longs dans le sens longitudinal, la capacité de flexion de la courroie dentée est réduite, ce qui peut être critique avec de petits diamètres de poulie. En particulier avec des appuis longs, le rayon de courbure peut devenir si important que la courroie ne pourrait plus être guidée sans problème autour des poulies dentées. Cela conduirait à des contraintes inadmissibles et favoriserait la déchirure du joint de soudure. Cependant, les taquets et leurs appuis ne doivent pas nécessairement être soudés sur toute leur surface de base. Il suffit que l’appui puisse s’appuyer sur la courroie dentée sous charge de compression. Les surfaces de soudure doivent être dimensionnées aussi grandes que nécessaire, mais aussi petites que possible, afin de garantir un fonctionnement sûr.
Par ailleurs, dans de nombreux cas, un appui par rails de glissement est également possible. On utilise alors un rail de soutien (lisse de glissement) qui se déplace sous la courroie et apporte ainsi une stabilité supplémentaire – tant pour la courroie que pour les taquets qui y sont fixés.
Un positionnement et un appui judicieux des taquets contribuent de manière déterminante à réduire spécifiquement les contraintes de flexion et à optimiser les zones d’application des forces.
7. Techniques de fixation en comparaison
La liaison sûre des taquets avec la courroie dentée est l’un des aspects les plus importants lors de la conception d’une courroie dentée à taquets. Elle détermine largement la durée de vie, la capacité de charge et la sécurité du processus. Plusieurs méthodes de fixation ont fait leurs preuves en fonction du domaine d’application et des exigences :
- soudage thermique
- fixation mécanique au moyen de systèmes de vissage
- collage
- fixation au moyen de systèmes magnétiques
Le soudage thermique est la méthode standard pour les courroies en polyuréthane. Dans la plupart des cas, le taquet est également en polyuréthane (PUR), donc dans le même matériau que la courroie dentée. Cette identité de matériau permet une liaison thermique sur toute la surface, qui résiste en toute sécurité à de fortes charges permanentes et à des sollicitations dynamiques. Les procédés suivants sont utilisés :
- Soudage par plaque chauffante : le taquet et le dos de la courroie sont chauffés uniformément aux surfaces de contact, puis assemblés sous pression.
- Soudage par friction : un mouvement relatif contrôlé sous pression génère une chaleur de friction qui fait fondre les matériaux à la surface de contact.
Les deux méthodes créent une liaison par forme et par force, hygiéniquement irréprochable et particulièrement durable. Elle n’est toutefois pas réversible : des modifications ultérieures ou des reconversions ne sont pas possibles.
Les assemblages vissés, en revanche, sont flexibles et, dans le système ATN, même utilisables de manière modulaire. Pour les applications qui nécessitent une adaptation ultérieure ou des géométries de taquets combinables de manière flexible, le système ATN est idéal. Celui-ci dispose, côté denture, de logements pour l’insertion d’écrous. Les taquets y sont vissés mécaniquement, ce qui présente les avantages suivants :
- remplaçabilité de taquets individuels
- positionnement modifiable lors des changements de format
- large choix de géométries de taquets utilisables, y compris des formes spéciales complexes
Le système ATN est utilisé en particulier dans la technique d’emballage, sur les lignes de tri ou en cas de changements fréquents de produits. Il combine une grande stabilité mécanique avec une liberté de conception maximale. Toutefois, la hauteur de construction est souvent plus importante qu’avec des taquets soudés. De plus, les taquets vissés offrent, aux surfaces de contact avec la courroie, davantage de prises pour la saleté, ce qui les rend plus problématiques sur le plan de l’hygiène.
Les assemblages collés sont rarement utilisés et seulement dans des cas exceptionnels. Ils sont parfois employés là où le soudage thermique n’est pas possible ou où la fixation mécanique serait trop complexe. Cependant, le collage est généralement moins résistant et doit être réalisé avec beaucoup de soin. Il n’est pas recommandé pour des applications en série soumises à des sollicitations permanentes.
Les systèmes magnétiques sont utilisés lorsqu’un échange rapide des taquets est nécessaire pour différents produits transportés ou lorsque certains taquets doivent être remplacés rapidement et facilement en raison de dommages ou d’usure. Par rapport aux systèmes de vissage, les systèmes magnétiques offrent la possibilité la plus flexible et la plus rapide de changer ou de repositionner des taquets. Les aimants en néodyme modernes sont actuellement les aimants permanents les plus puissants disponibles sur le marché et offrent une excellente force de maintien même avec des dimensions très réduites de l’ordre du millimètre. Les aimants sont directement intégrés dans les taquets et dans le corps de la courroie en PU. Les taquets ainsi équipés magnétiquement peuvent simplement être placés sur les zones magnétiques de la courroie dentée et tout aussi facilement retirés. Toutefois, cette grande flexibilité se fait ici au détriment d’une légère diminution de la précision de positionnement.
8. Matériaux : taquets et courroie en combinaison
Les courroies dentées et les taquets doivent être compatibles entre eux, aussi bien mécaniquement que thermiquement, afin de garantir une longue durée de vie et une fonctionnalité optimale. Idéalement, la courroie et les taquets sont fabriqués dans le même matériau.
Le polyuréthane est considéré comme le matériau standard. Il associe une grande résistance à l’abrasion, une bonne flexibilité et une stabilité dimensionnelle thermique. Le PU se prête particulièrement bien aux applications de convoyage et de positionnement soumises à des sollicitations dynamiques. La plupart des courroies dentées pour applications avec taquets sont fabriquées en PUR coulé ou extrudé et sont renforcées par des éléments de traction en acier ou en aramide.
Les taquets sont fabriqués dans le même matériau PU que le dos de la courroie. Cela permet :
- une liaison durablement stable et résistante à l’usure,
- un cordon de soudure homogène sans transition de matériau,
- un risque minimal de décollement même sous charge alternée.
Selon l’application, les taquets en PU peuvent présenter des duretés Shore différentes, afin d’obtenir, par exemple, des propriétés amortissantes ou particulièrement stables. Il est ainsi possible de réaliser de manière fiable aussi bien des tâches de convoyage sensibles que des tâches plus robustes.
Le comportement du matériau PU reste stable sur une large plage de températures. De plus, il est peu sensible à de nombreux produits chimiques et présente une grande résistance aux huiles et aux graisses, un avantage essentiel dans les environnements industriels.
Dans le système de courroies dentées ATN, d’autres matériaux peuvent également être utilisés, car les taquets ne sont pas soudés, mais fixés mécaniquement à l’aide de vis. Les courroies dentées et les taquets ne doivent donc pas nécessairement être fabriqués dans le même matériau. Toutefois, ici aussi, les taquets en polyuréthane sont privilégiés, car ils peuvent être facilement fabriqués avec les procédés usuels (moulage, découpe au jet d’eau, fraisage et même impression 3D). Si nécessaire, des revêtements, par exemple des revêtements antiadhérents en téflon, peuvent également être appliqués sans difficulté sur les taquets en PU.
Dans certains cas, des taquets en d’autres matériaux peuvent également être fixés via le système de vissage, par exemple en aluminium, en acier inoxydable, en plastiques renforcés de fibres de verre ou en thermoplastiques techniques (p. ex. POM, PA). Leur utilisation peut être judicieuse dans certaines circonstances, mais elle n’est pas très répandue.
9. Conclusion : précision par la planification – exploiter pleinement le potentiel des courroies à taquets
Les courroies dentées à taquets offrent de multiples possibilités pour la manutention automatisée des produits. Elles assurent entre autres une cadence précise et proposent des solutions de convoyage très flexibles. L’élément décisif est un dimensionnement technique correct :
- Mécanique : définir les forces dues à l’accélération, la géométrie des taquets, la précision de positionnement
- Dynamique : tenir compte des variations de vitesse et de l’inertie de masse
- Du point de vue de la fabrication : évaluer la précision de soudage, les tolérances et les procédés de fabrication
Grâce à des systèmes de montage modulaires comme le système ATN, les taquets peuvent également être montés ou remplacés ultérieurement si nécessaire, ce qui est idéal pour les adaptations de format ou la construction de prototypes.
La combinaison d’une fabrication précise, d’un choix correct des matériaux et d’un soin particulier dans la conception garantit que la courroie dentée à taquets remplit sa fonction de manière fiable, que ce soit dans les installations d’emballage, sur les lignes de montage ou pour le transport de produits sensibles.
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