Exetat · Mécanique

Engrenages

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Deux roues dentées qui s'emboîtent transmettent la rotation sans glisser : c'est un engrenage, présent dans les boîtes de vitesses, les montres et les réducteurs. L'Exetat demande le type d'engrenage selon la position des axes, l'entraxe à partir du module, et la vitesse de sortie d'un train d'engrenages.

L'essentiel

  • Un engrenage, ce sont deux roues dentées qui engrènent. La plus petite s'appelle le pignon, la plus grande la roue. Le profil des dents est une courbe appelée développante de cercle.
  • Classement selon la position des axes : axes parallèles, roues cylindriques (engrenage parallèle) ; axes qui se coupent, roues coniques (engrenage concourant, souvent à 90°, comme dans une perceuse à main ou un différentiel) ; axes ni parallèles ni concourants, roue et vis sans fin (engrenage gauche).
  • La crémaillère est une barre dentée : une roue de diamètre infini. Avec un pignon, elle transforme une rotation en translation.
  • Le module m (en mm) fixe la taille des dents. Deux roues ne peuvent engrener que si elles ont le même module. Le diamètre primitif d'une roue de Z dents est d = m × Z.
  • Les cercles primitifs de deux roues qui engrènent extérieurement se touchent : l'entraxe (distance entre les deux axes) est la somme des rayons : a = (d₁ + d₂)/2 = m (Z₁ + Z₂)/2.
  • Rapport de transmission d'un engrenage : n₂/n₁ = Z₁/Z₂. Un petit pignon qui mène une grande roue réduit la vitesse (et augmente le couple).
  • Un train d'engrenages enchaîne plusieurs engrenages. Son rapport global est le produit des rapports : n_sortie/n_entrée = (produit des dents des roues menantes)/(produit des dents des roues menées).

Les formules

Diamètre primitif
d = m × Z
m : module en mm ; Z : nombre de dents
Entraxe (engrenage extérieur)
a = (d₁ + d₂)/2 = m (Z₁ + Z₂)/2
en mm
Rapport d'un engrenage
n₂/n₁ = Z₁/Z₂ = d₁/d₂
1 : menante ; 2 : menée
Rapport d'un train
n_sortie/n_entrée = (Z menantes multipliés)/(Z menées multipliés)
produit des rapports

La méthode

  1. 1Type d'engrenage : regarde les axes (parallèles, concourants ou gauches).
  2. 2Entraxe : calcule les diamètres primitifs d = m × Z, puis a = (d₁ + d₂)/2.
  3. 3Train d'engrenages : repère pour chaque étage la roue menante (qui entraîne) et la roue menée (entraînée).
  4. 4Multiplie les nombres de dents des menantes, divise par le produit des menées : c'est le rapport global.
  5. 5Multiplie la vitesse d'entrée par ce rapport. Contrôle : des petits pignons qui mènent de grandes roues donnent une sortie plus lente.

Un exemple résolu

Un moteur tourne à 1 500 tr/min. Un pignon de 20 dents mène une roue de 50 dents (module 2,5 mm) ; sur l'arbre de cette roue, un pignon de 18 dents mène une roue de sortie de 54 dents. Calcule l'entraxe du premier étage et la vitesse de sortie.

  1. 1.Diamètres primitifs du premier étage : d₁ = 2,5 × 20 = 50 mm et d₂ = 2,5 × 50 = 125 mm.
  2. 2.Entraxe : a = (50 + 125)/2 = 175/2 = 87,5 mm.
  3. 3.Premier étage : rapport 20/50, l'arbre intermédiaire tourne à 1 500 × 20/50 = 600 tr/min.
  4. 4.Second étage : rapport 18/54 = 1/3, la sortie tourne à 600/3 = 200 tr/min.
  5. 5.Contrôle par le rapport global : (20 × 18)/(50 × 54) = 360/2 700 = 2/15 ; 1 500 × 2/15 = 200 tr/min.

Réponse : Entraxe 87,5 mm ; l'arbre de sortie tourne à 200 tr/min.

Les pièges à éviter

  • Inverser le rapport : n₂/n₁ = Z₁/Z₂ (dents de la menante en haut). Une sortie plus rapide que l'entrée avec des petits pignons menants est le signe d'une erreur.
  • Oublier de diviser par 2 pour l'entraxe : a est la somme des RAYONS.
  • Mettre au numérateur une roue menée : seules les roues menantes vont en haut.
  • Confondre concourant (axes qui se coupent, roues coniques) et gauche (axes qui ne se coupent pas, vis sans fin).

À retenir

d = m × Z ; entraxe a = m (Z₁ + Z₂)/2 ; n_sortie/n_entrée = produit des dents menantes/produit des dents menées ; roues coniques = axes concourants.

Les outils utiles