Poulie d'ascenseur : types, profils de rainures, guide d'inspection et conseils de remplacement

Qu'est-ce qu'une poulie d'ascenseur et pourquoi est-ce important ?

Une poulie d'ascenseur - également appelée poulie dans la terminologie technique - est une roue rainurée sur laquelle passent des câbles d'ascenseur ou des courroies en acier pour transmettre le mouvement et supporter la charge de la cabine d'ascenseur et du contrepoids. Chaque système d'ascenseur à traction dépend de poulies pour rediriger le déplacement du câble, multiplier l'avantage mécanique et transférer la force motrice de la machine de traction à la cabine. Sans poulies d'ascenseur correctement conçues, fabriquées et entretenues, les câbles s'useraient rapidement, la machine de traction serait incapable de déplacer efficacement la cabine et le risque de glissement du câble ou de défaillance mécanique augmenterait considérablement.

Les termes « poulie d'ascenseur » et « poulie d'ascenseur » sont utilisés de manière interchangeable dans l'industrie, bien que techniquement, une poulie fasse spécifiquement référence à une poulie rainurée utilisée avec une corde ou un câble. Dans l'ingénierie des ascenseurs, la poulie fait référence à la roue rainurée elle-même, tandis que la poulie fait parfois référence à l'ensemble complet comprenant l'arbre, les roulements et le boîtier. Quelle que soit la terminologie, ces composants sont au cœur du système mécanique de chaque ascenseur à traction, et leur géométrie, leur matériau, le profil des rainures et leur état déterminent directement les performances de l'ascenseur, la durée de vie du câble et la sécurité des passagers.

Cet article explique le fonctionnement des poulies d'ascenseur, les différents types utilisés dans les systèmes d'ascenseur, les matériaux et les normes de fabrication impliqués, comment les inspecter et les entretenir, et ce qu'il faut rechercher lors de la spécification de poulies de remplacement. Que vous soyez un technicien d'ascenseur, un gestionnaire d'immeubles ou un ingénieur concevant une nouvelle installation, comprendre les poulies d'ascenseur en détail est fondamental pour assurer le fonctionnement sûr et efficace des systèmes d'ascenseur.

Comment fonctionnent les poulies d'ascenseur dans un système de traction

Dans un ascenseur à traction, la machine d'entraînement – un moteur électrique connecté à une boîte de vitesses ou un moteur à entraînement direct sans engrenage – fait tourner une poulie de traction. Des câbles en acier ou des courroies en acier enduit sont drapés sur la poulie de traction, la cabine d'ascenseur étant suspendue d'un côté et le contrepoids de l'autre. La friction entre le câble et les rainures de la poulie de traction est ce qui fait monter et descendre la voiture : la machine ne tire pas le câble comme un treuil ; il l'agrippe par traction. Cette distinction fondamentale explique pourquoi le profil des rainures, le rapport diamètre câble/réa et le matériau des rainures ont tous un impact si direct sur les performances du système.

Au-delà de la poulie de traction principale, un système d'ascenseur complet utilise plusieurs poulies supplémentaires. Les poulies déflectrices redirigent le chemin du câble de la machine de traction vers la cabine ou le contrepoids lorsque la machine n'est pas positionnée directement au-dessus du puits. Les poulies folles maintiennent la tension du câble et un alignement correct à travers le système. Dans les ascenseurs hydrauliques à câble et certains systèmes de traction, plusieurs réas sont disposés dans une configuration de bloc de poulies pour obtenir un avantage mécanique — les arrangements de cordage 2:1 et 4:1 utilisés dans de nombreux systèmes d'ascenseur nécessitent des réas déflecteurs et des poulies folles pour compléter le chemin de câble. Chaque réa du système contribue à la fatigue de flexion du câble, de sorte que le nombre de réas, leurs diamètres et les angles de courbure affectent tous la durée de vie des câbles.

Types de poulies d'ascenseur et leurs rôles spécifiques

Une installation complète d'ascenseur utilise plusieurs types distincts de poulies, chacune conçue pour une fonction spécifique dans le système de câble. Comprendre ce que fait chaque type et où il se trouve aide à diagnostiquer les problèmes et à spécifier les remplacements corrects.

Poulie de traction (poulie motrice)

La poulie de traction est le principal élément d’entraînement du système d’ascenseur. Il est monté directement sur l'arbre de sortie de la machine de traction – soit via une boîte de vitesses, soit directement sur un arbre de moteur sans engrenage – et sa rotation entraîne la cabine d'ascenseur et le contrepoids par friction du câble. Les poulies de traction sont les poulies les plus chargées du système, soumises à la fois à la tension totale du câble et à la fatigue en flexion des câbles fléchissant continuellement sur la surface de la poulie. Le profil de leurs rainures doit être précisément adapté au diamètre du câble et le matériau des rainures doit assurer une traction adéquate sans provoquer une usure excessive du câble. Les diamètres des poulies de traction vont d'environ 320 mm sur les petits ascenseurs résidentiels à plus de 800 mm sur les systèmes commerciaux à grande vitesse.

Poulie déflectrice

Une poulie déflectrice est utilisée pour rediriger le chemin de câble depuis la machine de traction vers l'alignement vertical correct au-dessus de la cabine ou du contrepoids lorsque la machine n'est pas positionnée directement au-dessus de l'axe central de la gaine. Dans les installations d'ascenseur sans salle des machines (MRL), où la machine d'entraînement est montée au sommet de la cage plutôt que dans une salle des machines dédiée, les poulies déflectrices sont particulièrement importantes pour établir la géométrie correcte du câble. Les poulies déflectrices sont également utilisées dans les installations aériennes des salles des machines où la machine est décalée par rapport au centre de la gaine. Ils supportent des charges de tension de câble importantes et doivent être dimensionnés et soutenus pour supporter ces forces sans déviation ni vibration.

Réa de voiture et réa de contrepoids

Dans les configurations de cordage 2:1 — où la corde se déplace à partir d'un point d'ancrage fixe, descend autour d'une poulie sur le châssis de la voiture, remonte jusqu'à un déflecteur ou une poulie aérienne et descend jusqu'au contrepoids — la poulie de la voiture et la poulie du contrepoids sont montées respectivement sur le châssis de la voiture et le châssis du contrepoids. Ces réas permettent à la cabine et au contrepoids de se déplacer à la moitié de la vitesse du câble d'un système 1:1, ce qui réduit la vitesse du câble requise et permet à une machine de traction plus petite de déplacer la même charge. Les réas de cabine doivent être conçus avec un dégagement de câble adéquat dans la structure du châssis de la cabine, et leurs roulements doivent supporter la totalité de la charge suspendue de la cabine plus la charge nominale divisée entre les chutes de câble.

Réa aérienne (réa secondaire)

Les poulies aériennes sont des poulies fixes montées au sommet du puits ou dans la structure aérienne de la salle des machines qui redirigent les câbles entre la poulie de traction et la cabine ou la poulie de contrepoids dans des configurations de cordages multiples ou complexes. Dans les systèmes de cordage 4:1 utilisés dans certains monte-charges à faible vitesse et de grande capacité, plusieurs poulies aériennes complètent l'agencement des poulies. Ces poulies ont généralement un diamètre plus petit que la poulie de traction et sont principalement conçues pour rediriger le chemin du câble plutôt que pour assurer la traction.

Poulie de compensation

Dans les bâtiments de grande hauteur où le poids des câbles devient important (généralement dans les bâtiments de plus de 30 mètres de hauteur desservie), des cordes ou des chaînes de compensation sont suspendues sous la cabine et contrepoids pour équilibrer le poids des câbles de levage pendant le déplacement de la cabine. Une poulie de compensation est montée dans la fosse de l'ascenseur pour guider les câbles de compensation et maintenir une tension appropriée. Les poulies de compensation sont tendues par gravité et doivent être libres de se déplacer verticalement dans certaines limites pour s'adapter à l'allongement du câble et au mouvement dynamique du câble pendant le fonctionnement.

Profils de rainure de poulie d'ascenseur et leur effet sur la durée de vie du câble

Le profil de rainure d'un poulie d'ascenseur est l’un des aspects techniques les plus critiques de la conception d’un ascenseur, affectant directement les performances de traction et le taux d’usure du câble. Trois profils de rainure principaux sont utilisés dans les poulies d'ascenseur, chacun représentant un compromis différent entre la traction, la pression du câble et la durée de vie du câble.

Rainure ronde (rainure en U)

Une rainure ronde a une section circulaire avec un rayon légèrement supérieur au rayon du câble – généralement le rayon de la rainure est de 0,53 à 0,55 fois le diamètre du câble. La corde entre en contact avec la rainure sur un grand arc (environ 120 à 150°), répartissant la pression de contact uniformément sur une large zone. Cette faible pression de contact produit une déformation minimale du câble et une durée de vie maximale du câble, ce qui fait des réas à gorge ronde le choix préféré pour toutes les réas déflectrices, les réas de voiture et les réas aériens où la traction n'est pas requise. La limitation des rainures rondes sur les poulies de traction est qu'elles offrent une traction (frottement) inférieure à celle des rainures en contre-dépouille, ce qui peut s'avérer insuffisant pour les systèmes avec de faibles rapports de contrepoids ou des exigences d'accélération élevées.

Rainure en V dégagée

Une rainure en contre-dépouille combine une forme en V avec une contre-dépouille à petit rayon en bas. Les côtés inclinés de la rainure compriment le câble, générant un effet de coin qui augmente considérablement la force normale entre le câble et la rainure – et augmente donc la traction disponible – par rapport à une rainure ronde soumise à la même tension de câble. Le coefficient de traction pouvant être obtenu avec une rainure en contre-dépouille est généralement 50 à 80 % plus élevé qu'avec une rainure ronde d'angle de rainure équivalent, c'est pourquoi les rainures en contre-dépouille sont le profil standard pour les poulies de traction dans la plupart des installations d'ascenseurs modernes. Le compromis est une pression de contact plus élevée sur les fils du câble au niveau des bords des rainures, ce qui accélère l'usure du câble et réduit sa durée de vie en fatigue. Les angles de rainure en contre-dépouille varient généralement de 90° à 105°, avec des contre-dépouilles plus profondes offrant une traction plus élevée au prix d'une dégradation plus rapide du câble.

Rainure en V (V complet)

Une rainure en V complète sans contre-dépouille génère une traction maximale grâce à une action de calage extrême, mais au prix de pressions de contact très élevées qui provoquent une usure rapide du câble. Les rainures en V complètes sont rarement utilisées dans les poulies de traction des ascenseurs modernes, mais peuvent être trouvées dans des installations plus anciennes ou dans certaines applications d'ascenseurs de fret et de service. La pression de contact élevée entre le câble et la rainure dans une rainure en V provoque également une usure rapide de la rainure, nécessitant un remplacement plus fréquent de la poulie de traction par rapport aux conceptions à rainure en contre-dépouille. Lorsque des rainures en V complètes sont rencontrées dans des installations existantes, leur état doit être soigneusement évalué lors des inspections de maintenance.

Matériaux et normes de fabrication pour les poulies d'ascenseur

Les poulies d'ascenseur sont fabriquées à partir de matériaux sélectionnés pour offrir la combinaison correcte de dureté, de ténacité, d'usinabilité et de résistance à l'usure pour leur rôle dans le système. Le tableau ci-dessous récapitule les principaux matériaux utilisés et leurs caractéristiques :

Les poulies d'ascenseur doivent être conformes aux normes de sécurité pertinentes, notamment EN 81-20 et EN 81-50 en Europe, ASME A17.1 en Amérique du Nord et GB 7588 en Chine. Ces normes spécifient les rapports minimum entre le diamètre de la poulie et le diamètre du câble (généralement D/d ≥ 40 pour les poulies de traction où D est le diamètre primitif de la poulie et d le diamètre du câble), les tolérances du profil des rainures, les exigences en matière de propriétés mécaniques des matériaux et les critères d'inspection. Le respect de ces normes est obligatoire pour l’approbation de type d’ascenseur et est vérifié lors des inspections de fabrication et de sécurité périodiques.

Le rapport D/d : pourquoi le diamètre de la poulie par rapport au diamètre de la corde est essentiel

Le rapport entre le diamètre primitif de la poulie (D) et le diamètre du câble (d) — universellement écrit D/d — est l'un des paramètres les plus importants dans la conception du système de câble et de poulie d'ascenseur. Chaque fois qu'un câble se plie sur une poulie, les fils extérieurs du câble sont tendus tandis que les fils intérieurs sont comprimés. Plus la poulie est petite par rapport au câble, plus cette contrainte de flexion est importante et plus le câble accumule rapidement les dommages dus à la fatigue. Un rapport D/d de 40:1 — le minimum généralement exigé par les normes de sécurité des ascenseurs pour les poulies de traction — signifie que pour un câble de 13 mm, le diamètre primitif minimum de la poulie est de 520 mm.

L’utilisation de rapports D/d plus élevés prolonge considérablement la durée de vie de la corde. Les recherches et les données de terrain montrent systématiquement qu'une augmentation du rapport D/d de 40 à 60 peut plus que doubler la durée de vie d'une corde sous une charge équivalente. Les systèmes d'ascenseurs à grande vitesse et à cycle élevé, tels que ceux des grands immeubles commerciaux effectuant des centaines de déplacements par jour, spécifient souvent des rapports D/d de 60 à 80 ou plus pour obtenir une durée de vie acceptable des câbles entre les remplacements. Le rapport D/d doit être maintenu pour toutes les poulies du système, et pas seulement pour la poulie de traction, car la fatigue de flexion du câble est cumulative sur chaque poulie avec laquelle le câble entre en contact au cours de chaque cycle de déplacement. Les poulies déflectrices et les poulies aériennes sont parfois spécifiées avec des diamètres plus petits que la poulie de traction, mais leur contribution à la fatigue du câble doit être prise en compte dans le calcul de la durée de vie globale du câble.

Inspection des poulies d'ascenseur : que vérifier et quand

L’inspection régulière des poulies d’ascenseur est un élément obligatoire de l’entretien des ascenseurs selon toutes les principales normes de sécurité. L'inspection des poulies a deux objectifs : identifier les poulies usées ou endommagées avant qu'elles n'endommagent le câble ou ne provoquent une défaillance du système, et vérifier que le système de poulie continue de fournir une traction et une durée de vie adéquates du câble. Les éléments d’inspection suivants doivent être inclus lors de chaque visite périodique d’entretien d’ascenseur :

• Mesure de l'usure des rainures : Utilisez une jauge de rainure (une jauge de profil go/no-go adaptée au profil de rainure nominal) pour mesurer la profondeur et le profil de chaque rainure. Les rainures qui se sont usées au-delà de la tolérance du fabricant (généralement une augmentation de plus de 10 à 15 % du rayon de rainure ou un aplatissement visible d'un profil en contre-dépouille) doivent être réusinées ou la poulie remplacée. Les rainures usées réduisent la traction dans une poulie motrice et augmentent la pression de contact du câble dans les poulies déflectrices, accélérant ainsi l'usure du câble.
• État de la surface des rainures : Inspectez les surfaces des rainures pour déceler des rayures, des fissures, des piqûres ou de la corrosion. Le rainurage – des rainures longitudinales creusées dans la rainure de la poulie par des fils de câble cassés – crée des concentrations de contraintes dans le câble et accélère considérablement sa dégradation. Toute poulie avec des rainures rainurées doit être réusinée pour restaurer une surface de rainure lisse ou remplacée si la profondeur de la rainure tombe en dessous du minimum après le réusinage.
• Cohérence de la profondeur des rainures : Mesurez la profondeur de rainure sur toutes les rainures d'une poulie à plusieurs rainures. Des profondeurs de rainure inégales entraînent une répartition inégale de la charge sur les câbles : la rainure la moins profonde supporte la charge la plus élevée, tandis que les câbles situés dans des rainures plus profondes supportent moins de tension. Ce déséquilibre de charge accélère l'usure du câble surchargé et réduit le facteur de sécurité global du système. Les rainures doivent être réusinées si la variation de profondeur dépasse 0,5 mm entre les rainures d'une même poulie.
• État des roulements : Vérifiez les roulements de la poulie pour détecter tout bruit, rugosité ou jeu excessif en faisant tourner la poulie à la main avec les câbles retirés. Des roulements rugueux, bruyants ou desserrés indiquent une panne de lubrification ou une usure des roulements et doivent être remplacés rapidement. Des roulements de poulie défectueux entraînent un désalignement de la poulie qui provoque une usure accélérée du câble et une charge anormale sur l'arbre de la poulie et la structure de support.
• Alignement des poulies : Vérifiez que la poulie est correctement alignée avec le chemin du câble : les poulies mal alignées font que la corde passe sous un angle à travers la rainure, générant des forces latérales qui usent la corde et la rainure de manière asymétrique et peuvent faire sauter la corde dans la rainure à grande vitesse. L'alignement est vérifié à l'aide d'une règle droite ou d'un outil d'alignement laser sur les faces de la poulie.
• Etat du protège-réa : Vérifiez que tous les protège-réas sont en place, en bon état et correctement positionnés pour éviter le déraillement du câble. Les normes de sécurité exigent des protections sur toutes les poulies d'ascenseur pour retenir le câble dans la rainure en cas de perte soudaine de tension.

Quand remplacer une poulie d’ascenseur

Décider quand remplacer une poulie d'ascenseur plutôt que de continuer à la faire fonctionner ou de réusiner les rainures est un jugement qui doit équilibrer la sécurité, la durée de vie du câble et les coûts de maintenance. Les conditions suivantes nécessitent le remplacement de la poulie ou le réusinage des rainures et doivent être traitées comme des actions obligatoires lorsqu'elles sont identifiées lors de l'inspection :

• Usure des rainures hors tolérance : Lorsque les mesures de jauge d'usure des rainures montrent que les rainures se sont usées en dehors de la tolérance spécifiée par le fabricant pour le rayon de rainure ou la géométrie de contre-dépouille, et lorsqu'il reste suffisamment de matière pour permettre un réusinage sans réduire la base de la rainure en dessous de l'épaisseur de paroi minimale, les rainures doivent être réusinées. S'il ne reste pas assez de matière pour un réusinage, remplacez la poulie.
• Fissuration ou fracture : Toute fissure visible dans le corps de la poulie, le moyeu ou la jante nécessite un remplacement immédiat de la poulie. Les fissures dans les poulies en fonte se propagent rapidement sous une charge cyclique et peuvent entraîner une rupture catastrophique. N'essayez pas de réparer les réas fissurés par soudage ou par d'autres moyens.
• Rainure de corde non usinable : Si la rainure est suffisamment profonde pour qu'un nouvel usinage visant à supprimer les marques de rainure réduise la rainure en dessous de la profondeur minimale, un remplacement est nécessaire.
• Dommages dus à la corrosion : Des piqûres de corrosion importantes sur les surfaces des rainures ou sur le corps de la poulie dans des environnements très humides, exposés aux produits chimiques ou à l'air salin côtier peuvent nécessiter un remplacement lorsque la profondeur des piqûres compromet l'intégrité structurelle de la poulie ou la douceur de la surface de contact du câble.
• Usure du boîtier de roulement : Si l'alésage du boîtier de roulement est usé ou a été endommagé de telle sorte que la bague extérieure du roulement ne peut pas être maintenue solidement, la poulie doit être remplacée. Tenter d'utiliser des roulements surdimensionnés ou des composés de réparation adhésifs dans un boîtier usé n'est pas une pratique de sécurité acceptable dans les systèmes d'ascenseur.

Poulies d'ascenseur dans les systèmes MRL et à grande vitesse modernes

La technologie des ascenseurs sans salle des machines (MRL), qui est devenue le type d'installation dominant pour les immeubles de faible à moyenne hauteur à partir de la fin des années 1990, a introduit de nouveaux défis et de nouvelles configurations pour les systèmes de poulies d'ascenseur. Dans les installations MRL, la machine de traction est montée à l'intérieur du puits - généralement au sommet - et la géométrie du câble doit être établie à l'aide de poulies déflectrices positionnées dans l'espace confiné de la structure du puits. Cela impose des exigences bien plus élevées en matière de précision de positionnement des poulies, de conception de support structurel et de planification des accès pour la maintenance que les installations conventionnelles en salle des machines. Les poulies déflectrices MRL sont souvent intégrées à l'ensemble de châssis de la machine ou montées sur des supports en acier dédiés soudés ou boulonnés à la structure du puits.

Les ascenseurs à grande vitesse desservant des immeubles de grande hauteur (ceux se déplaçant à 4 m/s et plus) imposent des exigences sévères en matière de performances de poulie de traction. À des vitesses élevées, les vibrations du câble, les effets aérodynamiques et les forces d'impact dynamiques aux points d'entrée et de sortie de la poulie à câble augmentent tous considérablement. Les poulies de traction à grande vitesse sont invariablement en acier forgé ou en fonte ductile à haute résistance, équilibrées avec précision pour minimiser les vibrations, équipées de roulements de haute précision et conçues avec des profils de rainures soigneusement optimisés qui minimisent la fatigue du câble tout en maintenant une traction adéquate. L'émergence de systèmes de courroies en acier à revêtement plat (tels que la Multibelt de Schindler et la Gen2 d'Otis) pour des vitesses allant jusqu'à 4 m/s a introduit les réas à revêtement en polyuréthane comme alternative aux réas rainurés en fer, offrant un fonctionnement plus silencieux et une durée de vie plus longue de la courroie dans les applications de hauteur moyenne tout en simplifiant la fabrication des réas par rapport aux réas de traction rainurés avec précision.