▷ ENGRENAGES : qu'est-ce que c'est, types, caractéristiques et avantages

Cet article explique ce que sont les engrenages et à quoi ils servent. Ainsi, vous découvrirez quelles sont les différentes parties d’un engrenage, quels sont les différents types d’engrenages et, de plus, quels sont les avantages et les inconvénients des engrenages.

Qu'est-ce qu'un engrenage ?

Un engrenage est un mécanisme composé de deux ou plusieurs roues dentées engrenées ensemble. Par conséquent, un engrenage sert à transmettre un mouvement circulaire d’une roue dentée à une autre roue dentée grâce au contact de leurs dents.

Il est à noter qu'avec un engrenage non seulement un mouvement de rotation est transmis, mais aussi, en fonction du rapport entre le nombre de dents des deux roues dentées, la vitesse de rotation peut être augmentée ou réduite.

Dans un engrenage simple formé de deux roues dentées de tailles différentes, on distingue la couronne et le pignon :

Couronne : C'est la plus grande roue dentée de l'engrenage.
Pignon : C'est la plus petite roue dentée de l'engrenage.

Caractéristiques des engins

Les engrenages ont les paramètres caractéristiques suivants :

Dents : C'est la partie de l'engrenage qui réalise l'effort de poussée et transmet donc le mouvement de rotation et la puissance d'un engrenage à l'autre.
Axe : c'est la partie cylindrique située au centre de l'engrenage, sa fonction est de guider le mouvement de rotation de l'engrenage.
Circonférence primitive : C'est la circonférence imaginaire le long de laquelle les dents de l'engrenage engrènent, de sorte que les circonférences primitives de deux roues dentées engrenées soient tangentes.
Diamètre primitif : c'est le diamètre de la circonférence primitive.
Circonférence extérieure : c'est la circonférence qui limite l'extérieur de l'engrenage.
Diamètre extérieur : C'est le diamètre de la circonférence extérieure.
Circonférence intérieure : c'est la circonférence qui passe par la base des dents de l'engrenage.
Diamètre intérieur : est le diamètre de la circonférence intérieure.
Angle de pression : C'est l'angle formé par la direction de la force de contact entre deux engrenages et la direction de la vitesse angulaire de l'engrenage.
Nombre de dents : C'est le nombre total de dents que possède l'engrenage. Il est généralement représenté par le symbole Z.
Module : c'est le rapport entre le diamètre primitif (D _p ) et le nombre de dents (Z) de l'engrenage. Ainsi, la formule pour calculer le module d’un engrenage est la suivante :

$m=\cfrac{D_p}{Z}$

Pas : est la distance entre un point d'une dent et le même point d'une dent adjacente. Cette caractéristique des engrenages est très importante, car pour que deux engrenages engrènent, ils doivent avoir le même pas. Le pas d'un engrenage est égal au nombre pi multiplié par son diamètre primitif et divisé par son nombre de dents.

$p=\cfrac{\pi\cdot D_p}{Z}$

Types d'engrenages

engrenages cylindriques

L'engrenage droit est un type d'engrenage dont les dents sont droites. Par conséquent, la principale caractéristique des engrenages droits est qu’il s’agit d’un type d’engrenage très simple, puisqu’il s’agit de cylindres avec des dents qui font saillie radialement.

En bref, contrairement à d’autres types d’engrenages tels que les engrenages à dents hélicoïdales et les engrenages à dents coniques, les dents des engrenages droits sont complètement droites.

Au niveau industriel, les engrenages droits sont le type d'engrenage le plus utilisé en raison de leur simplicité et de leur prix économique.

Les engrenages droits peuvent être classés en deux types :

Engrenages droits externes : les dents de l'engrenage se trouvent sur le profil extérieur de l'engrenage, c'est-à-dire à l'extérieur de la roue.
Engrenages droits internes – Les dents de l'engrenage se trouvent sur le profil intérieur de l'engrenage, c'est-à-dire sur le côté intérieur de la roue.

Engrenage droit externe

Engrenage droit interne

Les engrenages droits externes sont capables de s'engrener avec des engrenages externes et internes. En revanche, les engrenages droits internes ne peuvent engrener qu’avec des engrenages externes.

Deux engrenages externes engrenés ont un sens de rotation opposé, cependant, un engrenage interne tourne dans le même sens que l'engrenage externe avec lequel il est engrené.

engrenages hélicoïdaux

L' engrenage hélicoïdal est constitué de roues dentées dont les dents sont inclinées par rapport à l'axe de rotation. Autrement dit, les engrenages hélicoïdaux sont un type d'engrenage dont le profil est constitué de dents hélicoïdales.

L'angle que forment les dents d'un engrenage hélicoïdal avec son axe de rotation dépend de la vitesse angulaire qu'il doit transmettre :

Si la vitesse angulaire transmise est faible, l'angle doit être compris entre 5º et 10º.
Si la vitesse angulaire transmise est moyenne, l'angle doit être compris entre 15º et 25º.
Si la vitesse angulaire transmise est élevée, l'angle doit être d'environ 30º.

En bref, le fonctionnement d'un engrenage à denture hélicoïdale est similaire à celui d'un engrenage à denture droite, puisque sa fonction est de transmettre un mouvement de rotation. Cependant, les engrenages hélicoïdaux permettent la transmission du mouvement circulaire d'une manière différente grâce à la forme particulière de leurs dents.

Les engrenages hélicoïdaux sont classés dans les types suivants :

Engrenages hélicoïdaux à arbre transversal : Les axes des engrenages hélicoïdaux se croisent. Il s’agit du type d’engrenages hélicoïdaux le plus simple.
Engrenages hélicoïdaux à arbres parallèles : Les axes des engrenages hélicoïdaux sont parallèles. Pour qu'ils fonctionnent correctement, les dents des deux engrenages couplés doivent avoir le même angle d'inclinaison mais dans des sens opposés. Dans ce type d'engrenages hélicoïdaux, une force axiale est produite en plus de la puissance de rotation transmise.
Engrenages hélicoïdaux doubles (ou engrenages hélicoïdaux à chevrons) : le profil de ce type d'engrenages hélicoïdaux est formé de deux dents hélicoïdales, formant ainsi un profil en forme de V. La double denture de ce type d'engrenages hélicoïdaux sert à éliminer la force axiale qui apparaît lorsque les axes sont parallèles.

Engrenages hélicoïdaux à arbre transversal

engrenage à vis sans fin d'arbre transversal

Engrenages hélicoïdaux à arbres parallèles

engrenages doubles hélicoïdaux

engrenages coniques

L' engrenage conique est constitué de roues dentées dont les dents sont de forme conique. Autrement dit, les engrenages coniques sont un type d’engrenage en forme de cône tronqué.

La principale caractéristique de ce type d'engrenages est qu'ils permettent de transmettre un mouvement de rotation entre deux axes sécants. Bien que les axes d’un système d’engrenages coniques soient normalement perpendiculaires, ils peuvent également être conçus pour fonctionner sous un autre angle.

Généralement, les engrenages coniques sont en fonte, en alliages d'acier ou en aluminium. Cependant, en fonction de l'utilisation des engrenages coniques, ils peuvent également être fabriqués avec des matériaux non métalliques, bien que cela soit très rare.

Au sein des engrenages coniques, plusieurs sous-types d'engrenages peuvent être distingués :

Engrenages coniques à dents droites : type d'engrenage conique à dents droites.
Engrenages coniques à dents hélicoïdales – Un type d'engrenage conique dont les dents sont inclinées.
Engrenages coniques à dents en spirale : type d'engrenage conique dont les dents ont une forme en spirale.
Engrenages coniques hypoïdes : type d'engrenage conique dont la surface primitive est hyperbolique.

Engrenages coniques droits

Engrenages coniques à dents spiroïdales

engrenages coniques en spirale, engrenages coniques en spirale

Engrenages coniques à dents hélicoïdales

Engrenages coniques hypoïdes

Autres types d'engrenages

Généralement, les engrenages sont classés en trois types : les engrenages droits, hélicoïdaux et coniques, comme nous l'avons vu ci-dessus. Cependant, il existe d’autres types d’engrenages qu’il est également important que vous connaissiez.

Vis sans fin : Dans le mécanisme à vis sans fin, une vis dentée hélicoïdale engrène avec une roue dentée droite ou hélicoïdale. De cette manière, un mouvement circulaire est transmis entre deux axes perpendiculaires.
Engrenage à crémaillère : Dans le mécanisme à crémaillère, une roue dentée (pignon) engrène avec une crémaillère. Ce type d'engrenage sert à transformer un mouvement circulaire en un mouvement linéaire.
Engrenages à chaîne : les engrenages ne s'engrènent pas entre eux, mais le mouvement circulaire des roues dentées est transmis par une chaîne.

Vis sans fin

engrenage à crémaillère

engrenages avec chaîne

train d'engrenages

Un train d'engrenages est un mécanisme de transmission circulaire constitué d'un ensemble d'engrenages. Autrement dit, un train d’engrenages est un système composé de plusieurs roues dentées reliées les unes aux autres.

Le train d'engrenages permet un rapport de transmission beaucoup plus élevé qu'un simple engrenage. Par conséquent, un train d’engrenages sert à augmenter ou réduire la vitesse angulaire d’un arbre dans une plus grande mesure qu’un simple engrenage. En revanche, un rouage prend généralement plus de place qu’un simple engrenage composé de deux roues dentées.

Dans l'image suivante, vous pouvez voir un exemple de train d'engrenages, plus précisément, il s'agit d'un train composé de cinq vitesses : le pignon d'entrée, un pignon double, un pignon fou et le pignon de sortie.

Le mécanisme démarre au niveau de la roue d’entrée, qui est la roue de gauche. Lorsqu'un mouvement de rotation est appliqué à la roue d'entrée, les engrenages suivants tournent également puisque les roues sont engrenées ensemble.

Dans ce cas, la vitesse de rotation est augmentée en deux étapes. Premièrement, la roue d’entrée a plus de dents que sa roue dentée, donc la vitesse angulaire augmente. Cette roue dentée est une roue double qui a un autre engrenage couplé à son arbre, et ledit engrenage a également plus de dents que la roue de sortie, par conséquent, la vitesse angulaire augmente pour la deuxième fois.

Rapport de transmission d'un engrenage

Le rapport de démultiplication est le rapport entre les vitesses de rotation de deux engrenages. Plus précisément, le rapport de transmission de deux engrenages est défini comme le rapport entre la vitesse angulaire de l'engrenage de sortie et la vitesse angulaire de l'engrenage d'entrée.

$i=\cfrac{\omega_2}{\omega_1}=\cfrac{Z_1}{Z_2}=\cfrac{D_1}{D_2}$

Où:

$i$ est le rapport de transmission.
$\omega_1$ est la vitesse angulaire de la roue d'entrée.
$\omega_2$ est la vitesse angulaire de la roue de sortie.
$Z_1$ est le nombre de dents de la roue d'entrée.
$Z_2$ est le nombre de dents de la roue de sortie.
$D_1$ est le diamètre de la roue d'entrée.
$D_2$ est le diamètre de la roue de sortie.

De la formule du rapport de transmission, on peut déduire ce qui suit :

i>1 : si le rapport de démultiplication est supérieur à 1, cela signifie que la vitesse angulaire de sortie est supérieure à la vitesse angulaire d'entrée. Par conséquent, le nombre de dents et le diamètre de la roue de sortie sont inférieurs au nombre de dents et au diamètre de la roue d'entrée.
i<1 : si le rapport de transmission est inférieur à 1, cela signifie que la vitesse angulaire de sortie est inférieure à la vitesse angulaire d'entrée. Par conséquent, le nombre de dents et le diamètre de la roue de sortie sont supérieurs au nombre de dents et au diamètre de la roue d'entrée.
i=1 : si le rapport de démultiplication est égal à 1, cela implique que la vitesse angulaire de sortie est équivalente à la vitesse angulaire d'entrée. Ainsi le nombre de dents et le diamètre des deux roues sont identiques.

Avantages et inconvénients des engrenages

Par rapport à d'autres types de mécanismes de transmission de mouvement, les engrenages présentent les avantages et les inconvénients suivants :

Avantages des engrenages :

Il n'y a aucune possibilité de glisser entre les pignons, ce qui réduit les pannes du mécanisme.
Les engrenages peuvent transmettre des puissances élevées.
Les performances mécaniques des engrenages sont élevées.
En général, les engrenages nécessitent peu d’entretien.
Les engrenages prennent généralement peu de place.

Inconvénients des engrenages :

Les engrenages sont difficiles à fabriquer.
Par conséquent, le prix des engrenages est généralement plus élevé que celui des autres types de mécanismes.
Bien que le bruit produit dépende du type d’engrenage utilisé, il s’agit généralement d’un système de transmission de mouvement bruyant.