train d'engrenages

Un train d'engrenages est une série d'engrenages agencés de manière à ce que leurs dents s'engrènent, permettant le transfert du mouvement de rotation et de la force d'un arbre à l'autre. L'arbre d'entrée (moteur) fait tourner un engrenage ; chaque engrenage suivant accélère ou décélère la vitesse de sortie selon la façon dont le rapport d'engrenage est réglé. C'est l'une des méthodes les plus anciennes et les plus fiables en ingénierie mécanique pour convertir et contrôler l'énergie de rotation.

L'agencement le plus simple est un train d'engrenages simple : deux engrenages s'engrenant directement. L'engrenage moteur (pignon) sur l'arbre d'entrée fait tourner un engrenage mené plus grand sur l'arbre de sortie, ou vice versa. Lorsque le pignon est plus petit, l'engrenage mené tourne plus lentement mais avec un couple proportionnellement plus élevé. Un train d'engrenages composé ajoute plusieurs étages : deux engrenages ou plus sont montés sur le même arbre intermédiaire, de sorte que l'engrenage mené d'un étage devient le moteur pour le suivant, multipliant le rapport global. Cette conception compacte permet de grandes réductions ou augmentations de vitesse sans nécessiter d'engrenages énormes.

Les performances réelles dépendent de trois facteurs critiques : le profil de la dent (presque toujours en développante pour le travail industriel), l'angle de pression (généralement 20 degrés, parfois 25 degrés) et la distance entre les centres des arbres. Les matériaux vont de la fonte pour les trains à basse vitesse à l'acier trempé pour les travaux de précision à haute vitesse. Le jeu (l'espace entre les dents en prise) doit être contrôlé pendant la fabrication ; trop de jeu provoque des mouvements saccadés et de l'usure, trop peu risque le blocage. L'efficacité des trains bien conçus est généralement de 95 à 98 pour cent par étage, les pertes étant principalement dues au frottement et au barbotage.

Variantes et applications courantes

Les engrenages droits (dents parallèles à l'axe de l'arbre) sont la norme pour la plupart des applications industrielles car ils sont simples à fabriquer et efficaces. Les engrenages hélicoïdaux inclinent les dents, réduisant le bruit et répartissant les charges sur plus de dents simultanément, ce qui les rend préférables dans les véhicules et les machines à grande vitesse. Les engrenages coniques sont positionnés à des angles l'un par rapport à l'autre, changeant la direction de la force de rotation ; ils apparaissent dans les différentiels et les boîtes de transfert. Les trains planétaires, où les engrenages orbitent autour d'un engrenage solaire central, concentrent d'énormes rapports de réduction dans de petits espaces et fonctionnent très en douceur ; ils dominent les transmissions automatiques et les réducteurs industriels.

Les trains d'engrenages tombent en panne lorsque les dents s'arrachent ou se cassent, généralement en raison d'une surcharge, d'un désalignement ou de la fatigue du métal sous contrainte cyclique. La dégradation de surface apparaît sous forme de piqûres ou de rayures lorsque la lubrification fait défaut ou que les charges dépassent les limites de conception. Des roulements usés provoquent un faux-rond excessif, ce qui désaligne le contact des dents et accélère les dommages. Une sélection appropriée nécessite de connaître la demande de couple, la plage de vitesse, le cycle de service et les contraintes d'espace. Le rapport d'engrenage lui-même est simplement le rapport du nombre de dents de l'engrenage mené au nombre de dents de l'engrenage moteur ; un rapport de 3:1 réduit la vitesse d'un facteur trois tout en multipliant le couple par le même facteur (en tenant compte des pertes).