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 crémaillère est un mécanisme qui transforme un mouvement de rotation en mouvement rectiligne, ou inversement. Elle est constituée d'une barre munie de dents droites qui s'engrènent avec une roue dentée appelée pignon. Ce système permet de déplacer un objet en ligne droite tout en étant entraîné par un mouvement de rotation.

Le fonctionnement d'une crémaillère

Lorsque le pignon tourne, chacune de ses dents pousse celles de la crémaillère. La barre avance ou recule selon le sens de rotation du pignon.

Le fonctionnement peut également être inversé. Si l'on déplace la crémaillère, elle entraîne le pignon en rotation. Cette propriété est utilisée dans de nombreux mécanismes où il faut convertir un type de mouvement en un autre.

Vitesse et force de déplacement

La vitesse de déplacement dépend principalement du diamètre du pignon et de sa vitesse de rotation. Un grand pignon fait avancer la crémaillère davantage à chaque tour, tandis qu'un petit pignon permet un déplacement plus précis.

Les ingénieurs choisissent donc les dimensions du pignon et de la crémaillère en fonction de la vitesse, de la force et de la précision recherchées.

La direction des automobiles

L'une des applications les plus connues est le système de direction à crémaillère des automobiles.

Lorsque le conducteur tourne le volant, un pignon entraîne la crémaillère vers la droite ou vers la gauche. Ce déplacement est transmis aux roues avant, qui changent alors de direction.

Ce mécanisme offre une direction précise, fiable et suffisamment robuste pour supporter les efforts exercés par les roues du véhicule.

D'autres applications

Les crémaillères sont également utilisées dans les portails coulissants, les machines-outils, les robots industriels, les imprimantes, les presses mécaniques et certains ascenseurs.

Dans un portail motorisé, par exemple, le moteur fait tourner un petit pignon qui entraîne une crémaillère fixée sur le portail. Celui-ci s'ouvre ou se ferme alors en se déplaçant en ligne droite.

Les frottements et l'entretien

Comme tous les engrenages, les crémaillères sont soumises aux frottements. Les dents doivent être correctement usinées et régulièrement lubrifiées afin de limiter l'usure, le bruit et les pertes d'énergie.

Un mauvais alignement des dents peut provoquer des vibrations, une usure prématurée ou un blocage du mécanisme.

Les matériaux utilisés

Les crémaillères peuvent être fabriquées en acier, en fonte, en aluminium ou en matériaux composites, selon les efforts qu'elles doivent supporter.

Certaines machines de très haute précision utilisent des crémaillères rectifiées capables de réaliser des déplacements extrêmement précis, par exemple dans les machines d'usinage ou certains robots industriels.