Mécanismes : Engrenages

Même avant la révolution industrielle, des engrenages d'un type ou d'un autre ont été mis à l'œuvre à la fois pour et contre nous. Des anciennes roues à eau et moulins à vent qui broyaient le grain et pilaient le lin, aux transmissions qui propulsaient les machines de guerre, des engins de siège aux principaux chars de combat, les engrenages ont été des éléments essentiels de presque tous les appareils mécaniques jamais construits. Le prochain épisode de notre série sur les mécanismes examinera brièvement les engrenages et leurs applications.

Comme c'est souvent le cas, l'évolution est le meilleur inventeur, et un mécanisme à engrenages reliant les pattes arrière des jeunes insectes cicadelles est antérieur à l'invention humaine des engrenages de quelques milliards d'années. L'utilisation humaine des engrenages remonte au moins à la Chine du troisième siècle avant JC, et la technologie s'est répandue rapidement et largement. En quelques centaines d'années, des engrenages métalliques usinés avec précision ont permis la construction en Grèce de dispositifs à engrenages complexes comme le mécanisme d'Anticythère.

Dans sa forme la plus simple, un engrenage n'est rien de plus qu'une roue avec une sorte de dents taillées dans sa circonférence. Les dents sont dimensionnées et formées pour s'engrener avec des dents sur d'autres éléments mécaniques pour transmettre le couple. Plusieurs engrenages connectés en série sont appelés un train d'engrenages, et si les diamètres des engrenages du train d'engrenages sont différents, le couple transmis sera proportionnel à la différence. Ainsi, si l'engrenage menant a un diamètre de 1 cm et que l'engrenage mené mesure 10 cm de diamètre, le train d'engrenages multipliera par 10 le couple tout en réduisant la vitesse de rotation d'un facteur 10.

Pour contrer cela, les dents peuvent être coupées à un angle par rapport à l'axe de rotation. Incliner les dents comme ceci autour de la circonférence de l'engrenage donne un motif hélicoïdal, d'où le nom d'engrenage hélicoïdal. Non seulement les engrenages hélicoïdaux sont plus silencieux, mais ils peuvent également être croisés pour transmettre la puissance à angle droit. Le compromis est qu'en raison des dents biaisées, les engrenages hélicoïdaux confèrent une poussée le long de leurs axes. La poussée peut être traitée à l'aide de paliers de butée, comme des roulements à rouleaux coniques, ou en utilisant deux engrenages hélicoïdaux avec des directions de dents opposées sur le même arbre pour annuler la poussée axiale. Cela se traduit par le magnifique engrenage à chevrons que l'on voit dans de nombreuses applications à haute puissance comme les éoliennes.

Pendant très longtemps, la production d'engrenages en métal était un processus complexe impliquant plusieurs étapes d'usinage pour produire des dents avec la géométrie souhaitée. Les dents peuvent être coupées par n'importe quel nombre d'opérations d'usinage, comme le brochage, le fraisage, le façonnage ou le meulage.

Mais la taille des engrenages prend du temps et coûte cher, de sorte que la plupart des engrenages de nos jours sont produits par une sorte d'opération de moulage. Les engrenages en plastique que nous détestons voir lorsque nous regardons à l'intérieur d'un outil électrique construit à un prix raisonnable sont facilement produits par moulage par injection, et malgré leur mauvaise réputation, ils peuvent donner des trains d'engrenages parfaitement utilisables, voire particulièrement durables. Mais les engrenages en métal peuvent également être moulés, les engrenages en métal en poudre représentant désormais une part énorme du marché.

Les engrenages en métal en poudre sont produits en remplissant un moule avec une poudre d'alliage métallique très fine mélangée à des liants et des lubrifiants. La poudre dans le moule est comprimée par un vérin hydraulique avec un outil correspondant à la forme du moule, et l'énorme pression fusionne les particules métalliques en un solide suffisamment solide pour être manipulé. Les pièces crues sont ensuite chauffées pour fusionner de manière permanente les particules dans la pièce métallique finale qui, dans de nombreux cas, est prête à l'emploi sans autre usinage.

Alors que la métallurgie des poudres est hors de portée pour la plupart des magasins de bricolage, les engrenages de bricolage sont tout à fait réalisables par quiconque ayant accès à certaines machines-outils de base. Nous n'aurons jamais assez de regarder [Chris] usiner les engrenages et les pignons de l'horloge Clickspring, et bien que ces engrenages soient hautement spécialisés pour le monde de la métrologie, bon nombre des mêmes principes s'appliquent aux engrenages pour d'autres applications. L'impression 3D rend également possible les trains d'engrenages personnalisés, et les résultats peuvent être étonnamment robustes dans les bonnes conditions. Et n'oubliez pas les routeurs CNC, qui fabriquent des engrenages petits et grands dans toutes sortes de matériaux.

Il est difficile de ne serait-ce qu'effleurer la surface de ce qui entre dans l'ingénierie derrière les engrenages - géométrie des dents, angles de pression, lignes de contact - et nous ne pouvons pas non plus couvrir les engrenages vraiment intéressants, comme les entraînements harmoniques et les engrenages épicycloïdaux. Mais c'est au moins un début et un avant-goût de ce qui vous attend lorsque vous commencez à ajouter des engrenages à vos constructions. Ouvrez les vannes de projets d'équipement impressionnants dans les commentaires !