Entraînement par frottement vs entraînement par engrenage : différences clés expliquées

Une machine est un ensemble de mécanismes qui nécessite une source d'énergie pour accomplir une tâche selon un mode prédéfini. Les machines domestiques ou industrielles sont généralement entraînées par des moteurs premiers (moteur électrique, éolienne, turbine hydraulique ou à vapeur, moteur à combustion interne, etc.). Habituellement, ce moteur premier est situé loin de l'unité machine et tourne à une vitesse supérieure à celle requise. Un système de transmission mécanique de puissance est utilisé pour transmettre la puissance du moteur premier à l'unité machine. Ce système remplit quelques fonctions de base : (i) transmettre le mouvement, le couple et la puissance de l'arbre moteur à l'arbre mené, (ii) inverser le sens de rotation, et (iii) augmenter ou réduire la vitesse de rotation.

Composition du système de transmission mécanique

Le système de transmission mécanique se compose de quatre types d'entraînements et de quelques éléments. Les quatre entraînements sont : l'entraînement par engrenages, par courroie, par chaîne et par corde. Chacun présente des avantages spécifiques. Ils participent directement à la transmission et à la manipulation du mouvement et de la puissance pour répondre aux exigences précises. Ils récupèrent la puissance de l'arbre moteur et la transfèrent à l'arbre mené. Ces entraînements s'appliquent aussi bien aux applications à faible vitesse et faible puissance (montres mécaniques, jouets) qu'aux applications à haute vitesse et lourdes (entraînements marins, centrales électriques, différentiels de véhicules).

Les éléments de transmission incluent l'arbre, la clé, l'accouplement, le frein, l'embrayage, le pignon, la poulie, etc. Ces éléments sont utilisés conjointement avec l'entraînement pour faciliter une transmission de puissance aisée et efficace.

Classification selon le mode de transmission

Les quatre entraînements peuvent être classés de diverses manières. Un critère est le mode de transmission de puissance. Sur cette base, ils se divisent en deux groupes : entraînement par frottement et entraînement par engrenage.

Dans les entraînements par frottement, la puissance est transmise par frottement entre deux surfaces en contact. L'entraînement par courroie et par corde relèvent de cette catégorie. Leur capacité de transmission est limitée par les caractéristiques de frottement des surfaces en contact. Les pertes de puissance sont plus importantes à cause du frottement. Cependant, ils offrent une protection inhérente contre la surcharge.

Dans les entraînements par engrenage, la transmission s'effectue par engrenage et désengagement successif de deux pièces solides. La force de frottement n'y joue aucun rôle. L'entraînement par engrenages et par chaîne appartiennent à cette catégorie.

Tableau comparatif : entraînement par frottement vs entraînement par engrenage

Entraînement par frottement	Entraînement par engrenage
La transmission de puissance et de mouvement s'effectue par frottement entre deux pièces.	La transmission s'effectue par engrenage et désengagement successif de pièces dentées.
Sujets au glissement, ils ne peuvent pas fournir un rapport de vitesse constant.	Exempts de glissement, ils peuvent fournir un rapport de vitesse constant (si d'autres facteurs n'interfèrent pas).
Le glissement inhérent protège le moteur premier (ex: moteur électrique) contre la surcharge sur l'arbre mené.	En l'absence de glissement, ils ne peuvent pas protéger le moteur contre la surcharge.
Non adaptés pour la transmission de couple ou puissance élevée.	Peuvent transmettre un couple ou une puissance élevés.
Nécessitent une lubrification occasionnelle.	Nécessitent une lubrification fréquente, voire une lubrification complète pour la plupart des engrenages.
Perte de puissance plus importante due au frottement, donc rendement comparativement plus faible.	Perte de puissance moindre en l'absence de frottement, donc rendement plus élevé.
Exemples : Entraînement par courroie Entraînement par corde	Exemples : Entraînement par engrenages Entraînement par chaîne

Analyse détaillée des différences

Mode de transmission de puissance

L'objectif fondamental des entraînements mécaniques est de transmettre le mouvement et la puissance de l'arbre moteur à l'arbre mené. Cette transmission peut se faire par frottement ou par engrenage. Dans les entraînements par frottement, la force de frottement entre la poulie et la courroie permet d'entraîner un arbre en récupérant la puissance d'un autre. L'entraînement par corde relève aussi de cette catégorie. Dans les entraînements par engrenage, la transmission s'effectue par l'engrenage successif de roues dentées ; la force de frottement n'y joue aucun rôle direct. Par exemple, dans l'entraînement par chaîne, l'engrenage des dents du pignon avec les maillons de la chaîne assure la transmission. L'entraînement par engrenages en est un autre exemple.

Glissement et rapport de vitesse

Le rapport de vitesse est le rapport entre la vitesse de l'arbre moteur et celle de l'arbre mené. Des phénomènes comme le glissement, le fluage et l'effet polygonal peuvent modifier ce rapport. Un entraînement offrant un rapport de vitesse constant est appelé entraînement positif. L'entraînement par courroie, étant un entraînement par frottement, est sujet au glissement. Ce glissement indique soit que l'arbre moteur tourne sans que la courroie ne tourne, soit que la courroie tourne sans que l'arbre mené ne tourne. Tout entraînement par frottement est sujet au glissement et ne peut donc pas fournir un rapport de vitesse constant (entraînement non positif). Les entraînements par engrenage sont exempts de glissement ; cependant, ils ne fournissent pas nécessairement un rapport de vitesse constant. L'entraînement par chaîne n'est pas affecté par le glissement, mais l'effet polygonal peut légèrement affecter le rapport de vitesse. L'entraînement par engrenages peut être considéré comme le seul véritable entraînement positif.

Protection contre la surcharge

Parfois, la charge sur l'arbre mené augmente brutalement au-delà de la limite admissible (bris d'outil, erreur de calcul, blocage soudain). Le glissement inhérent aux entraînements par frottement protège l'élément moteur (moteur électrique) de la surcharge sur l'arbre mené. Lorsque la charge dépasse la limite maximale, le glissement se produit automatiquement. Cette fonction d'isolement n'existe pas dans les entraînements par engrenage. Il existe alors un risque élevé d'endommagement permanent : la chaîne peut casser, les dents de l'engrenage peuvent se briser catastrophiquement, et dans les cas extrêmes, le moteur premier peut aussi être endommagé.

Capacité de transmission de puissance

La capacité de tout entraînement par frottement est limitée par la force de frottement entre les deux surfaces de contact. Les caractéristiques de frottement, la tension initiale et l'angle d'enroulement jouent un rôle crucial dans la définition de la limite de transmission. Le glissement se produit intrinsèquement dès que cette limite est dépassée. Ainsi, les entraînements par frottement ne conviennent pas pour la transmission de puissance lourde. En revanche, dans les entraînements par engrenage, la résistance des éléments concernés (dents d'engrenage, dents de pignon) définit principalement la limite de transmission. La force de frottement n'y joue aucun rôle. Ces entraînements peuvent être avantageusement utilisés pour la transmission de puissance lourde.

Lubrification

Les entraînements par frottement nécessitent une lubrification occasionnelle uniquement. Une lubrification excessive n'est pas recommandée car elle augmente le glissement, ce qui entraîne des fluctuations indésirables du rapport de vitesse et des forces sur les roulements. La génération de chaleur et l'usure ne sont pas des facteurs significatifs. À l'inverse, les entraînements par engrenage génèrent suffisamment de chaleur et subissent une usure progressive. La lubrification y est donc fortement souhaitée. L'entraînement par chaîne nécessite une lubrification fréquente ; l'entraînement par engrenages requiert généralement une lubrification complète. En conséquence, le coût de maintenance est plus élevé pour les entraînements par engrenage.

Perte de puissance et rendement

Les pertes dues au frottement et au glissement rendent les entraînements par frottement moins efficaces. Typiquement, un entraînement par courroie ou corde offre un rendement de 92 à 96 % pour un seul étage. Les entraînements par engrenage offrent un rendement plus élevé grâce à une lubrification adéquate (frottement réduit) et à des pertes moindres. Un entraînement par chaîne offre 95 à 97 % de rendement ; un entraînement par engrenages peut atteindre 99 % en un seul étage.

Cette comparaison scientifique entre entraînement par frottement et entraînement par engrenage vous est présentée. Pour approfondir le sujet, consultez les références suivantes :

1. Design of Machine Elements par V. B. Bhandari (4^e édition, McGraw Hill Education).
2. Machine Design par R. L. Norton (5^e édition, Pearson Education).
3. A Textbook of Machine Design par R. S. Khurmi et J. K. Gupta (S. Chand, 2014).