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.

Les engrenages coniques sont des engrenages conçus pour transmettre un mouvement de rotation entre deux arbres dont les axes ne sont pas parallèles. Ils permettent notamment de changer la direction d'un mouvement, souvent avec des axes disposés à 90 degrés, tout en continuant à transmettre une puissance importante.

Le fonctionnement des engrenages coniques

Contrairement aux engrenages cylindriques classiques, les roues des engrenages coniques possèdent une forme de cône. Les dents sont taillées sur cette surface inclinée afin que les deux roues puissent s'emboîter correctement lorsqu'elles tournent.

Lorsque la roue motrice tourne, ses dents entraînent celles de la roue menée. Le mouvement est ainsi transmis entre deux axes qui changent de direction, ce qui permet d'adapter la disposition mécanique d'une machine.

Modifier la vitesse et la force

Comme pour les autres engrenages, le fonctionnement dépend du nombre de dents de chaque roue. En choisissant des roues de tailles différentes, les ingénieurs peuvent modifier le rapport de transmission afin d'obtenir plus de vitesse ou davantage de force.

Un engrenage conique peut donc remplir deux fonctions en même temps : changer la direction du mouvement et adapter les caractéristiques de la rotation transmise.

Les différents types de dents

Les engrenages coniques les plus simples possèdent des dents droites. Ils sont relativement faciles à fabriquer, mais leur fonctionnement peut être plus bruyant lorsque les vitesses de rotation deviennent importantes.

Les modèles utilisant des dents hélicoïdales ou en spirale offrent un contact plus progressif entre les dents. Ils réduisent les vibrations, diminuent le bruit et permettent de transmettre des puissances plus élevées.

Des applications dans les machines

Les engrenages coniques sont utilisés dans de nombreux mécanismes où les axes doivent changer de direction. On les retrouve dans les perceuses d'angle, les mélangeurs industriels, certaines machines agricoles, les robots et les machines-outils.

L'une de leurs applications les plus connues se trouve dans le différentiel automobile. Ce mécanisme utilise des engrenages coniques pour transmettre la rotation du moteur aux roues tout en permettant aux roues droite et gauche de tourner à des vitesses différentes dans les virages.

Sans différentiel, les deux roues motrices devraient parcourir exactement la même distance, ce qui provoquerait des frottements importants et rendrait les virages difficiles.

La fabrication des engrenages coniques

La fabrication de ces engrenages demande une grande précision. Les dents doivent être parfaitement usinées pour assurer un contact régulier, limiter les frottements et éviter une usure rapide.

Ils sont souvent fabriqués en acier traité thermiquement afin d'obtenir une bonne résistance mécanique. Des huiles spéciales sont utilisées pour lubrifier les surfaces en contact et prolonger leur durée de vie.

La conception moderne

Les ingénieurs choisissent la taille des roues, le nombre de dents et l'angle des cônes selon les contraintes du mécanisme. Les logiciels de conception assistée par ordinateur permettent de simuler les efforts, les vibrations et le fonctionnement avant la fabrication.