Guide complet des types d'engrenages en génie mécanique

Les engrenages, éléments essentiels des moteurs, sont des dispositifs mécaniques qui permettent de modifier le couple et la vitesse des machines. Il existe différents types d'engrenages aux exigences et spécifications variées, allant des formes simples aux plus complexes.

Souvent, plusieurs engrenages forment des machines complexes, mais ce n'est pas toujours le cas. Par exemple, les engrenages sont présents dans des machines simples comme les horloges, où ils régulent la vitesse des aiguilles. Dans cet article, nous aborderons les différents engrenages mécaniques et leurs applications. Poursuivez votre lecture.

Qu'est-ce qu'un engrenage ?

Les engrenages sont des dispositifs mécaniques rotatifs dotés de dents qui permettent la transmission de couple et de vitesse. Souvent cylindriques, ils portent des rangées de dents sur leur pourtour. Lorsque deux ou plusieurs engrenages fonctionnent en synchronisation, ils sont en transmission. C'est cette transmission de puissance qui entraîne la modification de vitesse ou de couple.

Avantages des engrenages

• Les engrenages sont mécaniquement robustes, ce qui leur permet de supporter de lourdes charges.
• Grâce à un réducteur, ils autorisent une variation des rapports de vitesse.
• Ils fonctionnent bien à basse vitesse.
• Transmission de puissance à haut rendement.
• Ils sont idéaux pour la transmission de couples élevés.
• Ils ne nécessitent qu'une lubrification de routine, donc peu de maintenance.
• Ils sont très durables, assurant une longue durée de vie au système d'engrenages.

Inconvénients des engrenages

• Les engrenages ne conviennent pas pour la transmission de mouvement sur de longues distances.
• Ils manquent de flexibilité.
• Les engrenages sont bruyants, surtout à haute vitesse.
• Ils ne conviennent pas lorsque les arbres sont éloignés.

Différents types d'engrenages et leurs applications

En mécanique, le classement des engrenages en différentes catégories dépend de la configuration des dents, de l'utilisation et du sens du mouvement. Voici les principaux types d'engrenages.

Engrenage droit

Les engrenages droits transmettent la puissance dans le même plan lorsque les deux arbres (moteur et récepteur) sont parallèles. Leurs dents sont parallèles à l'axe de l'arbre. Ainsi, lorsqu'ils s'engrènent avec un autre engrenage droit, ils transmettent la puissance entre arbres parallèles. Ce sont les engrenages les plus courants, utilisés dans l'automobile, les systèmes de convoyage, les pompes à engrenages, les moteurs, les réducteurs de vitesse, etc.

Engrenage hélicoïdal

Contrairement aux engrenages droits, les engrenages hélicoïdaux ont leurs dents inclinées par rapport à l'axe. Ils ont plusieurs dents en contact simultanément pendant la transmission. Par conséquent, ils peuvent supporter des charges plus importantes. De plus, ils fonctionnent avec moins de bruit et de vibrations car la charge est mieux répartie. Ils subissent aussi moins d'usure grâce à une friction réduite. Différents types d'engrenages hélicoïdaux sont présentés ci-dessous.

Engrenage hélicoïdal simple ou double

Les engrenages hélicoïdaux simples ont des dents soit en hélice gauche, soit en hélice droite. Les engrenages à double hélice ont des dents dans les deux directions. Dans les engrenages à double hélice, deux faces hélicoïdales sont juxtaposées avec un espace entre elles. Les faces sont identiques mais ont des angles d'hélice opposés. L'utilisation d'un engrenage à double hélice assure un recouvrement de dent plus important, ce qui se traduit par une transmission plus souple.

Engrenage à chevrons

Ce type est assez similaire à l'engrenage à double hélice. Cependant, ils sont plus compacts et n'ont pas d'espace entre les deux faces hélicoïdales. Les engrenages à chevrons assemblent deux engrenages hélicoïdaux côte à côte. Ils sont moins courants en raison de leurs coûts de production élevés et de leurs difficultés de fabrication, bien qu'ils soient mieux adaptés aux applications à fortes vibrations et chocs.

Engrenage à vis

Les engrenages à vis sont un couple d'engrenages hélicoïdaux fonctionnant à un angle de torsion de 45 degrés. Ils s'utilisent sur des arbres non parallèles et non sécants. Ils ont une faible capacité de charge en raison du contact d'une seule dent. Par conséquent, ces engrenages ne sont pas idéaux pour transmettre de grandes puissances.

Applications des engrenages hélicoïdaux

• Pompes à eau
• Malaxeurs
• Automobiles

Engrenage conique

Les engrenages coniques sont en forme de cône, avec des dents tout autour. Ils transmettent la force entre des arbres perpendiculaires, c'est-à-dire qui se coupent à angle droit (90 degrés). Cependant, les engrenages coniques sont coûteux et ne transmettent pas un couple aussi élevé par unité de taille que les configurations à arbres parallèles.

Engrenages coniques droits

Les engrenages coniques droits sont la configuration la plus courante pour les dents d'engrenage conique. La raison en est la simplicité de la conception et la facilité de fabrication. Les dents droites s'engrènent toutes en même temps plutôt que progressivement lorsqu'elles sont correctement appariées. La surface de pas des engrenages coniques droits est conique avec des dents droites qui s'effilent vers la pointe.

Engrenages coniques spiroidaux

Les engrenages coniques spiroidaux ont des lignes de dent courbes et un meilleur rapport de contact que les engrenages coniques droits. Ils sont donc supérieurs en efficacité et en résistance, et produisent moins de vibrations et de bruit. Cependant, leur fabrication est plus difficile.

Engrenages coniques Zerol®

Les engrenages coniques Zerol® sont une marque déposée de Gleason Co. Ils combinent les caractéristiques des engrenages coniques droits et spiroidaux avec des dents courbes. Ils conviennent donc aux deux applications. Toutefois, ils ont un angle de torsion nul, ce qui permet aux dents de tourner dans les deux sens.

Engrenages de renvoi d'angle

Les engrenages de renvoi d'angle sont un type spécial d'engrenage conique car ils ont le même nombre de dents. Leurs arbres sont positionnés à 90 degrés l'un de l'autre, et ces engrenages changent la transmission de puissance sans affecter la vitesse. Ils sont uniques car leur rapport de transmission est de 1. En revanche, d'autres engrenages coniques peuvent avoir des rapports allant de 10:1 à 500:1.

Engrenages à couronne

Les engrenages à couronne, aussi appelés engrenages à face, ont leurs dents à angle droit par rapport à la face de la roue. Ils possèdent un cône de pas de 90 degrés. Dans l'industrie, les engrenages à couronne s'engrènent avec d'autres engrenages coniques ou droits pour un mouvement circulaire de puissance.

Engrenages hypoïdes

Les engrenages hypoïdes ressemblent aux engrenages coniques spiroidaux, mais ils fonctionnent sur des arbres non sécants. Ils opèrent à 90 degrés et sont courants dans le secteur automobile. On les trouve sur les essieux de véhicules.

Applications des engrenages coniques

• Malaxeurs
• Systèmes d'arrosage
• Concasseurs

Engrenage à vis sans fin

L'engrenage à vis sans fin se compose d'une vis taillée sur l'arbre (la vis) et de l'engrenage correspondant (la roue). Ce type d'engrenage transmet la puissance entre des arbres non sécants formant un angle droit. Le fonctionnement se fait par contact de glissement avec peu de frottement, offrant une rotation douce et silencieuse. Ils conviennent donc aux applications à forts chocs. Cependant, leur rendement est faible, ce qui limite leur utilisation aux applications de faible puissance.

Applications des engrenages à vis sans fin

• Machines agricoles
• Petits convoyeurs
• Équipements d'emballage

Engrenage crémaillère et pignon

L'engrenage crémaillère et pignon se présente souvent par paires. Il se compose de deux engrenages circulaires : le pignon engrenant avec un engrenage linéaire – la crémaillère. Ils transforment le mouvement de rotation en mouvement linéaire. Ces engrenages sont courants dans les systèmes de direction automobile. Les systèmes crémaillère-pignon peuvent utiliser des engrenages droits ou hélicoïdaux. L'application principale est la direction automobile.

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Tableau récapitulatif des types d'engrenages mécaniques

Paramètres de base pour la conception d'engrenages

Nous allons aborder les paramètres de base qui influencent la conception des engrenages.

Forme de l'engrenage

La plupart des engrenages sont circulaires, avec des dents alignées autour du corps cylindrique. Cependant, ils existent aussi sous forme conique, elliptique, carrée et triangulaire. Les systèmes d'engrenages circulaires ont un rapport de transmission constant pour la vitesse et le couple de rotation. Une entrée similaire produit la même vitesse et le même couple en sortie. C'est l'inverse pour les engrenages non circulaires. Par conséquent, ils peuvent réaliser des mouvements irréguliers spécifiques, comme des changements de vitesse et des inversions de mouvement.

Module

Le module désigne la taille d'une dent d'engrenage en millimètres. Il est donc directement lié à la taille des dents. C'est un paramètre crucial dans l'engrenage. Le module est la valeur obtenue en divisant le diamètre de pas par le nombre de dents. Mathématiquement :

Module = Diamètre de pas / Nombre de dents.

Cependant, il existe des valeurs normalisées de module, suivant les pratiques industrielles.

Configuration des axes d'engrenage

Les configurations d'axes d'engrenage se présentent sous trois formes : parallèles, sécantes, et non parallèles (ou non sécantes). Les engrenages à axes parallèles ont des arbres tournant en sens opposés. Les engrenages sécants se coupent dans le même plan, tandis que les engrenages non parallèles ont leurs axes traversant des plans différents. Toutefois, les configurations sécantes et parallèles offrent un meilleur rendement et une vitesse supérieure aux configurations non parallèles.

Angle de pression

L'angle de pression est l'angle que la dent forme avec la normale à la ligne de pas. En règle générale, un angle de pression de 20 degrés est souvent utilisé. Bien que des angles de 14,5 et 17,5 degrés existent dans certains cas. Des angles de pression plus grands indiquent un creux de dent plus large, ce qui entraîne une plus grande résistance de la dent.

Nombre de dents

Le nombre de dents, ainsi que les valeurs de module et d'angle de pression, sont cruciaux pour calculer les dimensions des engrenages. Le nombre de dents est vital pour calculer la vitesse de l'engrenage (rapport de transmission) à l'aide de l'expression ci-dessous :

Nombre de dents de l'engrenage d'entrée / Nombre de dents de l'engrenage de sortie.

Sens d'hélice

Un engrenage est à hélice droite lorsque ses dents sont orientées vers la droite, et à hélice gauche lorsqu'elles sont orientées vers la gauche. Pour que la transmission de puissance s'effectue dans un couple d'engrenages hélicoïdaux ou coniques, les deux engrenages doivent avoir des sens d'hélice opposés. Par exemple, deux engrenages hélicoïdaux avec des dents tournant dans le même sens ne s'engrèneront jamais. Cependant, les engrenages à vis et les vis sans fin sont unidirectionnels mais s'engrènent.

Angle de torsion

L'angle de torsion est l'angle d'inclinaison de la dent par rapport à l'axe du cylindre. L'augmentation de l'angle de torsion entraîne une poussée axiale plus importante, ce qui réduit le rendement de la machine. Généralement, des angles de torsion inférieurs à 25 degrés sont idéaux pour les engrenages hélicoïdaux afin de limiter la poussée.

Considérations pour la conception et la sélection des engrenages

Voici les facteurs critiques à prendre en compte lors de la conception et de la sélection des engrenages.

Conditions opérationnelles et environnementales

Les conditions opérationnelles et environnementales sont essentielles pour la durabilité et la performance des engrenages. Les conditions opérationnelles incluent les contraintes et frottements sur les dents. Les conditions environnementales comprennent l'humidité, la température et la propreté. Ces deux aspects influencent le type d'engrenage et les facteurs de conception tels que la construction, le traitement de surface, les lubrifiants et la méthode de lubrification.

Restrictions dimensionnelles

Les restrictions dimensionnelles limitent l'espace occupé par les engrenages. Par exemple, les engrenages doivent être centrés entre les arbres. Cependant, il arrive qu'ils soient légèrement décentrés pour mieux s'adapter au système. Dans ce cas, le profil des dents est modifié. L'utilisation d'engrenages et de conceptions spécifiques adaptés à l'espace est un autre moyen efficace de gérer les limitations dimensionnelles.

Exigences de transmission

Les engrenages mécaniques transfèrent souvent le mouvement et le couple à l'intérieur des composants de la machine. Selon la conception et la construction, ils peuvent changer le sens du mouvement et augmenter la vitesse ou le couple de sortie. Lors de la conception, les spécifications et exigences d'application (changements de direction, augmentation de vitesse ou de couple) sont des facteurs à considérer. Ils peuvent influencer le type, la conception et la configuration de l'engrenage.

Normes de conception

Les engrenages ont diverses spécifications, sans norme industrielle universelle. Souvent, les conceptions d'engrenages suivent soit la norme du fabricant, soit les spécifications de la machine ou du système. Cependant, plusieurs pays ont établi des normes pour leurs industries. Par exemple, aux États-Unis, les engrenages sont classés par l'American Gear Manufacturers Association (AGMA). Le Japon et l'Allemagne disposent également de telles associations.

Coûts

Le coût est un facteur, surtout pour les engrenages personnalisés. Les matériaux de conception, la construction, les finitions de surface, la précision et les exigences de lubrification affectent le coût. S'il est nécessaire de choisir des engrenages répondant à toutes les spécifications, le coût doit être pris en compte. Ainsi, lorsque des engrenages standards satisfont aux exigences, il est préférable de les utiliser, car les engrenages personnalisés engendrent des frais supplémentaires.

Comment produire des engrenages

Les engrenages sont produits selon plusieurs procédés de fabrication. Parmi eux :

• Forgeage
• Extrusion et étirage à froid
• Métallurgie des poudres
• Découpage
• Usinage d'engrenages

L'usinage est souvent réalisé pour obtenir la forme et les dimensions finales de l'engrenage. Une fois les engrenages produits, des finitions de surface comme le rectifiage et le rodage peuvent être appliquées pour améliorer les caractéristiques générales.

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FAQ

a. Engrenages et pignons de chaîne sont similaires, tous deux étant des dispositifs mécaniques à dents qui facilitent la transmission de puissance. Voici cependant quelques différences clés.
b. Les dents d'engrenages s'engrènent entre elles, tandis que les pignons s'engrènent avec une chaîne de vélo ou des chenilles de chars.
c. Les engrenages peuvent transmettre le couple dans des configurations parallèles, perpendiculaires et autres, alors que les pignons ne fonctionnent que sur un axe parallèle.
d. Les engrenages sont mieux adaptés à la transmission sur de courtes distances, tandis que les pignons et chaînes fonctionnent bien sur de plus longues distances.
e. Les engrenages transmettent les couples en sens opposés. C'est l'inverse pour les pignons.

Lorsque deux engrenages sont engrenés, le plus petit est le pignon. L'engrenage agit souvent comme moteur tandis que le pignon est l'entrainé. Il y a un entraînement réducteur lorsque le pignon est l'engrenage moteur, ce qui entraîne une vitesse de sortie plus faible mais un couple accru.

Les différents types d'engrenages sont chacun adaptés à des fonctions spécifiques selon les exigences de spécification. Cependant, les engrenages droits restent les plus largement utilisés. Ils offrent une grande précision et sont relativement faciles à fabriquer.