Innovation du système de train d’engrenages d’entraînement pour l’unité de développement des imprimantes domestiques Lexmark (projet mécanique)

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PROBLÈME ET OBJECTIF

Lexmark a présenté un problème dans la conception de ses imprimantes concernant le train d’engrenages qui entraîne l’arbre de l’agitateur dans l’unité de développement. Cette unité est le boîtier pour le toner utilisé pour créer l’impression sur le papier; cette configuration peut être vu sur la figure 1. Le problème a été étudié plus en détail et a été déterminé comme étant que la charge de résistance fournie par le toner hautement compacté dans l’unité de développement était beaucoup trop élevée à environ 350 mN-m, conduisant à la fois au désengagement des dents, ou à l’engrenage, et la rupture des dents du pignon d’entraînement de l’agitateur et du petit pignon du pignon intermédiaire composé. Cela a été défini comme ne se produisant que pendant le démarrage initial, car l’arbre de l’agitateur agite le toner compacté, ce qui réduirait considérablement la charge.

Figure 1 Configuration de l'unité de développement avec (A) Engrenage d'entraînement d'agitateur (B) Engrenage intermédiaire composé (C) Engrenage d'entrée de train d'engrenages d'entraînement d'agitateur (D) Plaque frontale d'engrenage et palier d'arbre d'agitateur (E) Arbre d'agitateur (F) Palette auxiliaire (G ) Rouleau de toner (H) Pignon d'entraînement d'entrée.

Figure 1 Configuration de l’unité de développement avec (A) Engrenage d’entraînement d’agitateur (B) Engrenage intermédiaire composé (C) Engrenage d’entrée de train d’engrenages d’entraînement d’agitateur (D) Plaque frontale d’engrenage et palier d’arbre d’agitateur (E) Arbre d’agitateur (F) Palette auxiliaire (G ) Rouleau de toner (H) Pignon d’entraînement d’entrée.

EXAMEN DE LA CONCEPTION

Figure 2 Vue avant de l'assemblage CAO final, vue latérale et vue de la palette pour une largeur de face d'engrenage accrue et une nouvelle forme de palette.

Figure 2 Vue avant de l’assemblage CAO final, vue latérale et vue de la palette pour une largeur de face d’engrenage accrue et une nouvelle forme de palette.

On a estimé que le changement de forme de la palette réduisait la charge à aussi bas que 112 mN-m de couple sur la base de calculs utilisant le coefficient de traînée. La conception finale peut être vue sur la figure 2; le facteur de sécurité total de la conception finale si la charge était complètement réduite était de 2,6 et si la charge était réduite de moitié autant que prévu en raison d’hypothèses erronées.

Figure 3. Ajustements de conception finaux: réduction de la longueur du moyeu interne et de l'arbre de l'agitateur

Figure 3. Ajustements de conception finaux: réduction de la longueur du moyeu interne et de l’arbre de l’agitateur.

La longueur de l’arbre de l’agitateur était à l’origine allongée pour remplir la longueur de la largeur de face de l’engrenage augmentée, mais, en raison de problèmes de fabrication, le moyeu interne de l’engrenage et la longueur de l’arbre de l’agitateur ont été réduits pour être de la même longueur que l’engrenage d’origine, comme est illustré à la figure 3. Notez que cela réduirait également la flèche globale de l’arbre et que l’engrenage devrait être moulé de cette façon pour conserver une épaisseur de paroi constante.

MONTAGE EXPÉRIMENTAL

Figure 4. Réduction de la charge due à l'appareil d'essai de forme de palette d'arbre d'agitateur et à la poutre de chargement entaillée.

Figure 4. Réduction de la charge due à l’appareil d’essai de forme de palette d’arbre d’agitateur et à la poutre de chargement entaillée.

Le premier essai réalisé visait à déterminer la réduction réelle de la charge fournie par le changement de forme de l’arbre de l’agitateur. Pour économiser de l’argent et faciliter la difficulté des tests, de la farine compacte a été utilisée pour représenter le toner dans le système en conjonction avec l’appareil de test illustré à la figure 4.

Figure 7. Unité de développement avec des «T» métalliques en surbrillance pour montrer ce qui a été supprimé pour le test alternatif 4: Test d'assemblage de conception finale.

Figure 7. Unité de développement avec des «T» métalliques en surbrillance pour montrer ce qui a été supprimé pour le test alternatif 4: Test d’assemblage de conception finale.

Après avoir terminé les quatre premiers tests conçus, un test supplémentaire a été développé. Le test d’assemblage final de la conception a été refait avec les «T» métalliques dans l’unité de développement retirés; ces «T» sont mis en évidence sur la figure 7. Cela a été fait pour tenter de découvrir la charge réelle du toner seul sans aucune interférence potentielle de cette partie alternative du système. D’autres tests supplémentaires ont été discutés mais n’ont pas pu être exécutés en raison de contraintes de temps.

ACQUISITION, FABRICATION ET ASSEMBLAGE

Figure 9. Modes de défaillance du test de défaillance de l'engrenage avec (A) défaillance de l'engrenage moulé et (B) défaillance de l'arbre d'agitateur moulé, ancien modèle usiné et nouveau modèle.

Figure 9. Modes de défaillance du test de défaillance de l’engrenage avec (A) défaillance de l’engrenage moulé et (B) défaillance de l’arbre d’agitateur moulé, ancien modèle usiné et nouveau modèle.

Premièrement, les engrenages moulés se sont révélés défaillants dans la configuration d’origine à environ 98 mN-m, ce qui était 26 mN-m de plus que prévu; cette défaillance est illustrée à la figure 9. Deuxièmement, les deux systèmes à engrenages et arbres usinés se sont avérés présenter un phénomène de précharge qui se manifestait par une rotation visible de 90 ° à 120 ° de l’extrémité de l’arbre d’agitateur qui s’engageait avec l’engrenage d’agitateur, avec une grande déformation verticale de la partie centrale de l’arbre d’agitation d’environ 3,5 mm, calculée à partir d’images.

Figure 11. Exemple de déviation pour (A) engrenage de sortie de conception d'origine à 137 mN-m, (B, C et D) engrenage de renvoi de nouvelle conception à 158 mN-m.

Figure 11. Exemple de déviation pour (A) engrenage de sortie de conception d’origine à 137 mN-m, (B, C et D) engrenage de renvoi de nouvelle conception à 158 mN-m.

Enfin, la déformation des engrenages a été observée pour l’ancienne et la nouvelle conception, comme le montre la figure 11. Notez que les images de la déflexion de la nouvelle conception du train d’engrenages ont été prises lors d’un essai de fonctionnement où l’engrenage d’entrée était mal assemblé sur l’arbre d’entrée, ce qui entraîne une réduction de l’engagement des dents.

Figure 12. Essai de défaillance de l'engrenage avec essai de flexion réduite avec arbre en acier et une goupille de support en aluminium à une charge de 112 mN-m.

Figure 12. Essai de défaillance de l’engrenage avec essai de flexion réduite avec arbre en acier et une goupille de support en aluminium à une charge de 112 mN-m.

Le troisième test a également été réalisé avec des engrenages moulés de la conception originale, des engrenages usinés de la conception originale et des engrenages usinés de la nouvelle conception. Cependant, pour éviter la défaillance de l’arbre d’agitateur trouvée précédemment, un arbre en acier a été usiné pour s’adapter à la place de l’arbre d’agitateur et fixé de la rotation; en raison de la résistance accrue de cet arbre, la déflexion de cet arbre devrait diminuer considérablement, de sorte qu’une seule des broches de support en aluminium a été utilisée, comme le montre la figure 12.

CONCLUSIONS

Dans l’ensemble, l’objectif d’innover le train d’engrenages de sorte que le système soit capable d’accomplir dix démarrages avec un couple résistif allant jusqu’à 420 mN-m où chaque démarrage était défini comme dix révolutions complètes de l’arbre de l’agitateur tout en conservant la fonctionnalité d’origine était pas accompli. Il a été constaté que le système présentait trois problèmes supplémentaires: l’arbre de l’agitateur se cisaillait au point de concentration de la contrainte à une charge de 127 mN-m de couple ± 35 mN-m, le montant du pignon se cisaillait au point où il connecté à la plaque frontale de l’engrenage à une charge de 140 mN-m de couple ± 38 mN-m, et l’arbre de l’agitateur s’est avéré fléchir au point qu’il interférerait avec le montage en «T» en métal sous une charge de aussi bas que 23 mN-m.

On a estimé que le changement de forme de la palette réduirait d’environ 10% le couple maximal requis pour traverser le toner. La charge du toner a été définie comme étant supérieure à 174 mN-m, la charge maximale n’étant pas atteinte. En outre, il a été constaté que les engrenages usinés étaient au moins 27% plus résistants que les engrenages moulés d’origine. Avec cette augmentation de la résistance, les engrenages usinés n’ont pas pu atteindre la défaillance en raison des nouveaux modes de défaillance étant très proches du mode de défaillance des engrenages d’origine présenté autour de 30 mN-m, de sorte que l’impact du changement de conception des engrenages n’a pas été directement déterminé. Enfin, un phénomène de préchargement a été identifié au sein du système.

Source: Université du Tennessee
Auteurs: Jay A. Crist | Sarah Gore | Kun Xie | Michael Mixoon

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