Les engrenages sont des mécanismes qui permettent de transmettre un mouvement de rotation d'un axe à un autre. Ils sont utilisés dans une multitude de machines, comme les montres, les vélos, les automobiles, les robots, les grues ou les perceuses. Grâce à leurs roues dentées, ils transmettent le mouvement avec une grande précision.

Le principe de fonctionnement

Un engrenage est formé de deux ou plusieurs roues dentées dont les dents s'emboîtent parfaitement.

Lorsque la première roue tourne, chacune de ses dents pousse une dent de la roue voisine. Celle-ci se met alors à tourner à son tour. Le mouvement est ainsi transmis d'une roue à l'autre sans glissement.

Contrairement à une courroie, qui peut parfois patiner, les dents restent toujours en contact. La rotation est donc transmise avec une très grande précision.

Modifier la vitesse et la force

Les engrenages ne servent pas seulement à transmettre un mouvement. Ils permettent aussi de modifier la vitesse de rotation et la force.

Lorsqu'une petite roue entraîne une grande roue, la roue entraînée tourne plus lentement, mais elle exerce une force plus importante.

À l'inverse, lorsqu'une grande roue entraîne une petite roue, la vitesse augmente, mais la force disponible diminue.

Les ingénieurs choisissent donc la taille des roues dentées en fonction du résultat recherché.

Le sens de rotation

Deux engrenages directement en contact tournent toujours dans des sens opposés.

Si l'on souhaite que la dernière roue tourne dans le même sens que la première, il suffit d'ajouter une roue folle entre les deux. Cette roue intermédiaire change uniquement le sens de rotation, sans modifier le rapport de transmission.

Les différents types d'engrenages

Il existe plusieurs formes d'engrenages adaptées à des usages différents.

• Les engrenages à dents droites sont les plus simples et les plus courants.
• Les engrenages hélicoïdaux fonctionnent plus silencieusement et transmettent des efforts plus importants.
• Les engrenages coniques permettent de transmettre un mouvement entre deux axes qui se croisent.
• La vis sans fin entraîne une roue dentée placée à 90° et permet d'obtenir une très forte réduction de vitesse.

Des pièces très précises

Les dents d'un engrenage doivent être fabriquées avec une très grande précision. Un mauvais alignement ou une usure importante peut provoquer des vibrations, du bruit et une usure prématurée.

Les engrenages sont généralement fabriqués en acier, en bronze ou en matériaux composites. Ils sont souvent lubrifiés afin de réduire les frottements et d'augmenter leur durée de vie.

Des mécanismes présents partout

Les engrenages équipent un très grand nombre de machines : les boîtes de vitesses, les horloges mécaniques, les perceuses, les treuils, les grues, les ascenseurs, les éoliennes, les robots industriels ou encore les satellites.

Grâce à leur précision et à leur robustesse, ils permettent d'adapter la vitesse, la force et le sens de rotation selon les besoins de chaque machine. Ils constituent ainsi l'un des mécanismes les plus importants de toute la mécanique.

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.