Lorsqu'un mouvement passe d'une roue dentée à une autre, la vitesse de rotation et la force transmise peuvent changer. Le rapport de transmission permet de décrire cette modification. Ce principe est utilisé dans tous les systèmes comportant des engrenages, des montres mécaniques aux moteurs automobiles.

Le rôle du rapport de transmission

Le rapport de transmission dépend principalement du nombre de dents des roues dentées. Une petite roue avec peu de dents effectue davantage de tours qu'une grande roue pendant un même temps.

Lorsqu'une petite roue entraîne une grande roue, la vitesse de rotation diminue mais la force disponible augmente. Ce principe est utilisé lorsqu'il faut déplacer une charge importante.

À l'inverse, lorsqu'une grande roue entraîne une petite roue, la vitesse augmente mais la force transmise diminue. Ce choix est utile lorsqu'on recherche un mouvement rapide.

Choisir entre force et vitesse

En mécanique, il faut souvent choisir entre obtenir davantage de force ou davantage de vitesse. Les ingénieurs adaptent donc les rapports de transmission selon la fonction de la machine.

Une grue utilise par exemple un rapport qui augmente fortement la force disponible afin de soulever des charges lourdes. À l'inverse, certains mécanismes rapides privilégient une rotation élevée au détriment de la force.

Un exemple simple de calcul

Le rapport de transmission peut être compris en comparant le nombre de dents des deux roues. Si une roue de 20 dents entraîne une roue de 40 dents, la seconde roue effectuera deux fois moins de tours, mais elle pourra transmettre davantage de force.

Si une roue de 40 dents entraîne une roue de 20 dents, la situation est inversée : la petite roue tournera deux fois plus vite, mais la force disponible sera plus faible.

Les rapports de transmission dans les véhicules

Les boîtes de vitesses des automobiles utilisent plusieurs rapports de transmission pour adapter le fonctionnement du moteur aux différentes situations.

Lors du démarrage, les premiers rapports privilégient la force afin de mettre le véhicule en mouvement. Lorsque la vitesse augmente, les rapports supérieurs permettent au moteur de tourner moins vite tout en maintenant une vitesse élevée.

Les vélos utilisent également ce principe. En changeant de plateau ou de pignon, le cycliste choisit un réglage adapté à l'effort nécessaire : plus de force pour monter une pente ou plus de vitesse sur une route plate.

Des applications dans les machines

Les rapports de transmission permettent aussi de protéger les mécanismes, d'améliorer leur rendement et d'adapter précisément les mouvements. On les retrouve dans les robots industriels, les convoyeurs, les machines-outils, les ascenseurs et les éoliennes.

Dans une éolienne, par exemple, un système d'engrenages peut augmenter la vitesse de rotation lente des pales afin de l'adapter au fonctionnement du générateur électrique.

La conception des rapports de transmission

Avant de fabriquer un mécanisme, les ingénieurs utilisent des outils de simulation pour choisir les bonnes dimensions d'engrenages. Ils vérifient ainsi que la machine atteindra la vitesse, la force et la précision nécessaires tout en limitant l'usure des pièces.