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.

La vis sans fin est un mécanisme de transmission composé d'une vis hélicoïdale qui entraîne une roue dentée particulière appelée roue tangente. Elle permet de transmettre un mouvement de rotation entre deux axes généralement perpendiculaires tout en obtenant une très forte réduction de vitesse et une augmentation importante de la force disponible.

Le fonctionnement de la vis sans fin

La vis ressemble à une tige filetée dont les spires s'engrènent avec les dents de la roue. Lorsque la vis tourne, elle pousse progressivement les dents de la roue, qui se met alors à tourner à son tour.

Comme la vis entraîne seulement une petite partie de la roue à chaque tour, celle-ci tourne beaucoup plus lentement. Ce mécanisme permet d'obtenir un rapport de transmission très élevé, avec une réduction de vitesse difficile à obtenir avec un engrenage classique.

Augmenter la force disponible

L'un des principaux avantages de la vis sans fin est sa capacité à multiplier la force. Un moteur qui tourne rapidement peut ainsi déplacer lentement une charge très lourde.

Ce fonctionnement est particulièrement utile dans les machines où la puissance et la précision sont plus importantes que la vitesse, comme les systèmes de levage ou les mécanismes de réglage.

L'irréversibilité du mouvement

La vis sans fin possède souvent une propriété particulière appelée irréversibilité. Lorsque les frottements sont suffisants, la roue ne peut pas entraîner la vis dans l'autre sens.

Cela signifie qu'une charge soulevée reste en position même lorsque le moteur s'arrête. Cette caractéristique améliore la sécurité de nombreux appareils et évite parfois l'utilisation d'un frein supplémentaire.

Par exemple, un treuil utilisant une vis sans fin peut maintenir une charge suspendue sans qu'elle redescende immédiatement lorsque l'on relâche la commande.

Les utilisations de la vis sans fin

Les vis sans fin sont présentes dans de nombreux mécanismes : les réducteurs industriels, les treuils, les portails motorisés, les convoyeurs, les tables rotatives, certains systèmes de direction et des instruments scientifiques comme certains télescopes.

Dans un portail automatique, par exemple, la rotation rapide du moteur est transformée en un mouvement lent et puissant capable de déplacer le portail avec précision.

Les frottements et la lubrification

Le principal inconvénient de la vis sans fin vient des frottements importants entre la vis et la roue. Une partie de l'énergie est transformée en chaleur, ce qui diminue le rendement du mécanisme.

Pour limiter l'usure, les fabricants utilisent des lubrifiants adaptés et choisissent des matériaux complémentaires. Une vis en acier associée à une roue en bronze permet par exemple d'obtenir une bonne résistance tout en réduisant les frottements.

La conception des vis sans fin

Les performances d'une vis sans fin dépendent de plusieurs paramètres : le pas de la vis, le nombre de filets, le nombre de dents de la roue et les matériaux utilisés.

Les ingénieurs recherchent le meilleur équilibre entre force transmise, précision, rendement et durée de vie. Les logiciels de conception permettent aujourd'hui de tester virtuellement ces mécanismes avant leur fabrication.