La courroie est une pièce utilisée pour la transmission du mouvement. Elle est construite dans un matériau souple. Par rapport à d'autres systèmes, elle présente l'avantage d'une grande souplesse de conception - le concepteur a une grande liberté pour placer les organes moteur et récepteur -, d'être économique, silencieuse et d'amortir les vibrations, chocs et à-coups de transmission. En revanche, elle présente une durée de vie limitée et doit être changée, et la puissance transmissible est limitée, ce qui est parfois un avantage (utilisation comme limiteur de couple).

La courroie est utilisée avec des poulies, et parfois avec un galet tendeur. L'entraînement s'effectue :

• par adhérence pour les courroies plates, rondes, trapézoïdales et striées ; ces courroies sont qualifiées d'asynchrones, car le rampement, et éventuellement le patinement (glissement généralisé), ne permettent pas de garantir la vitesse de sortie ;
• par obstacle pour les courroies crantées, qui sont également qualifiées de synchrones. Ces dernières permettent une transmission de mouvement sans déphasage : par exemple comme les chaînes et les engrenages.

Ce type de transmission a un rendement élevé, de l'ordre de 98 %, à l'exception des courroies trapézoïdales dont le rendement est plus faible (de 70 à 96 %)2.

Habituellement, les moteurs de voitures comportent une courroie crantée pour entraîner la distribution et une courroie rainurée pour entraîner un certain nombre de composants périphériques : alternateur, pompe à eau, pompe de direction assistée, etc.

TRANSMISSION DE PUISSANCE SYSTEME POULIES-COURROIE

Un système poulies-courroie permet de transmettre une puissance dans le mouvement de rotation d'un arbre à un autre. Les deux ou plusieurs arbres pouvant être éloignés l'un de l'autre.  

2. INTERET 

Ce système permet de plus : - pour un arbre moteur d'avoir plusieurs arbres récepteurs. - un montage économique et une maintenance aisée. - d'amortir les vibrations et les chocs de transmission ce qui augmente la durée de vie des organes moteur et recepteur. - d'assurer un fonctionnement silencieux. 

3. INCONVENIENTS 

Les courroies ont une durée de vie plus limitée que la plupart des organes mécanique, il faut donc surveiller l'usure et prévoir un plan d'entretien périodique ( Maintenance préventive) pour palier au vieillissement de la courroie.

4. FONCTIONNEMENT 

4.1. PARAMETRAGE 

Une transmission par courroie est constituée d'une : - Petite poulie 1 (d, Rd, ωd, θd) - Grande poulie 2 (D, RD, ωD, θD) - Courroie ayant : - Une vitesse linéaire V - Un coefficient de frottement avec les poulies ff . Les axes des poulies sont distants d'une longueur a appelée entraxe du système poulies-courroie.

4.2. ACTIONS MECANIQUES AU REPOS 

Pour éviter le patinage de la courroie il faut introduire une tension initiale To dans chaque brin de la courroie. Une des deux poulies doit être montée en liaison glissière ( perpendiculaire /axe de rotation) de façon à pouvoir tendre la courroie. L'axe de cette poulie supportera dans le plan ( r r x , y ) une action mécanique d'intensité 2To. 

4.3. ACTIONS MECANIQUES EN MOUVEMENT 

En fonctionnement, la poulie menante tire sur un brin de la courroie, il y a alors déséquilibre dans les tensions de chaque brin. Nous avons un brin: 

-supportant une tension T > To (brin tendu). 

-supportant une tension t < To. (brin mou).

En considérant l'allongement de la courroie sur le périmètre total : 

                                                        T + t = 2To  

5. MECANIQUE 

5.1 CINEMATIQUE 

5.1.1 Hypothèses 

 - La courroie est inextensible. 

 - Il n'existe pas de glissement entre la courroie et les poulies.

5.1.2 Conséquences 

La vitesse linéaire V de la courroie est constante en tout point de celle -ci et est égale à la vitesse des points du périmètre de contact poulie-courroie :

5.2 GLISSEMENT 

Il existe un glissement entre la courroie et les poulies ce qui implique : Un échauffement du système
Perte de puissance par effet joules. Une usure des poulies et de la courroie
Production de poussière, perte des caractéristiques géométriques et donc cinématiques du système. 

                                                                                                temps

5.3 PUISSANCE 

TRANSMISSIBLE 5.3.1 

Rendement mécanique Selon le type de courroie utilisée le rendement du système réel est d'environ 90% à 98%. Cette technologie est un très bon système de transmission de puissance de ce point de vue-la.

5.3.2 Lois cinématique et mécanique d'entrée-sortie 

En réalité, il y a une légère fluctuation de la vitesse de rotation de sortie liée à l'élasticité de la courroie.  

                      Expression des puissances  

5.4. PARAMETRES INFLUENTS SUR LA TRANSMISSION DE LA PUISSANCE 

5.4.1 Relation d'EULER 

En supposant une répartition uniforme des forces d'adhérences entre la poulie et la courroie et en négligeant les forces dues à l'accélération centrifuge devant les forces d'entraînements, nous pouvons établir la relation suivante pour la poulie D  

6. CONSEQUENCES TECHNOLOGIQUES

 Pour augmenter la puissance transmissible plusieurs solutions ont étés développées : 

 - en augmentant, et en changeant le type de surface de contact (la formule d'Euler est alors modifiée) → courroies trapézoïdales, polyurés.

 - en augmentant l'angle d'enroulement par l'ajout d'un galet tendeur-enrouleur :

7. REALISATION 

7.1 MONTAGES-POSITION DES POULIES 

Condition : 

Quant un brin de courroie sort d'une poulie il doit se trouver dans le plan médian de la poulie réceptrice. Il faut prévoir un système technologique permettant le réglage géométrique d'une des poulies pour vérifier cette condition de fonctionnement. Ce réglage se réalise par rotation (rotule sur l'axe de rotation) ou par translation (glissière sur l'axe de rotation) de l'axe d'une des deux poulies. La qualité et le rendement d'une transmission par courroie sont étroitement liés à la précision de position des poulies lors du montage.  

7.1.1. Arbres à axes parallèles  

Le sens de rotation des deux poulies est inversé si la courroie est croisée (fig 2), et conservé dans le cas contraire (fig 1)

. En cas d'inversion du sens de rotation le frottement entre les brins de courroie est souvent préjudiciable à sa longévité.  

7.2.1. Arbres à axes quelconques (fig 3 et 4) 

 Cette disposition entraîne généralement l'emploi de deux poulies folles de renvoi assurant l'entrée et la sortie de la courroie dans les plan de chacune des poulie (fig 3).

 7.2 TYPES DE COURROIE

 Afin de conserver la souplesse nécessaire à leur emploi et de pouvoir supporter la tension  

permettant de transmettre le couple, les courroies sont composites : 

- D'une matrice en caoutchouc synthétique.

 - De fibres métalliques ou céramiques qui lui procurent sa résistance mécanique à la tension.

7.2.1 COURROIES SYNCHRONES 

Elles permettent d'obtenir un rapport de réduction parfait et de transmettre de fortes puissances. La liaison par frottement est remplacée par une liaison par obstacle par l'intermédiaire de dents : 

7.2.2 COURROIES TRAPEZOIDALES ET A STRIES (POLY-V) 

Permettent un montage compact pour la même puissance transmise.

7.2.3 COURROIES RONDES, CARRES, HEXAGONALES 

 Permettent l'utilisation de plusieurs faces différentes pour entraîner les poulies. Souvent utilisées pour de petits mécanismes.(Baladeur, vidéo, autoradio, moteur,...)  

7.2.4 TABLEAU DE CHOIX DU TYPE DE COURROIE 

. Rendement énergétique  

Un des avantages majeurs des transmissions par courroies synchrones est leur rendement élevé.

 Le rendement de tout système de transmission est lié à la perte de puissance associée au moteur, aux paliers et à la transmission par courroies. Toute perte de puissance représente une perte d'argent. En minimisant les pertes dans le système, l'on réduit considérablement les frais de fonctionnement de la transmission.

 Dans la lignée des accords de Kyoto, des moteurs à plus haut rendement sont utilisés plus fréquemment par les équipementiers d'origine pour réduire la perte de puissance. 

Toutefois, même les avantages d'un moteur à haut rendement peuvent être sous-exploités si l'on ne choisit la transmission par courroies la plus efficace. On constate souvent que les gains réalisés grâce à une sélection optimisée de courroies sont nettement supérieurs à ceux obtenus en passant par des moteurs à haut rendement. Les transmissions par courroies synchrones exploitent mieux l'énergie que les transmissions par courroies trapézoïdales, offrant ainsi une méthode plus économique pour améliorer l'efficacité globale du système.

Les prix de l'énergie ne cessent de grimper. Les courroies synchrones permettent des économies d'énergie importantes. Le rendement peut se définir sur la base des formules suivantes: 

Comme le montrent ces équations, les pertes d'énergie dans les transmissions par courroies peuvent être classées en deux catégories, perte de couple et perte de vitesse. La perte de couple résulte de l'énergie requise pour enrouler la courroie autour de la poulie. La perte d'énergie sous forme de chaleur (due à la friction) provoque également une perte de couple. Les pertes de vitesse résultent du glissement et du fluage. Les courroies synchrones ne peuvent pas glisser grâce à l'engrènement positif. Les courroies trapézoïdales glissent lorsque la tension d'installation est insuffisante pour transmettre une charge. Le glissement peut être dû à l'usure des poulies, lorsque la courroie ne se place plus correctement dans la gorge de la poulie. Le glissement de courroie est la différence de vitesse de rotation de la courroie en comparaison avec la vitesse de rotation de la poulie. 

Le fluage de la courroie est le léger allongement de la courroie dû à l'augmentation de la tension, lorsque cette dernière passe du point d'entrée du brin mou de la poulie de la machine entraînée vers le point de sortie du brin tendu de la poulie de la machine entraînée. Le fluage de la courroie est typiquement responsable d'environ 0,5% des pertes de vitesse (tr/min) de la poulie de la machine entraînée. Etant donné que les courroies trapézoïdales ont une section transversale nettement plus épaisse que les courroies synchrones, il faut d'avantage d'énergie pour enrouler la courroie autour de la poulie. La figure 1 montre les dimensions de courroies qui ont des capacités de puissance similaires. 

Les courroies trapézoïdales fonctionnent par un phénomène de coincement avec la poulie, générant ainsi de la chaleur provoquée par la friction entre le flanc de la courroie et la surface de la gorge. D'avantage de chaleur se perd par cette action de coincement que par le frottement de roulement généré lorsqu'une dent de courroie synchrone entre et sort des gorges de poulie. Les courroies trapézoïdales, et particulièrement celles mal entretenues, glisseront. Les courroies synchrones fonctionnent avec un engagement dent/gorge positif et ne glissent pas. 

C'est pourquoi la transmission par courroies trapézoïdales présentera une diminution de la vitesse (tr/min) de la machine entraînée, contrairement à la transmission par courroies synchrones. Cette perte de vitesse de ventilateur de machine entraînée provoque une chute du volume d'air déplacé par le ventilateur. Cette réduction du volume d'air peut provoquer des problèmes de faible écoulement d'air et de pertes de production. Par exemple, les installations de réanimation ou unités de prévention des infections des hôpitaux sont tenues de respecter un minimum de changements d'air par heure. Les courroies trapézoïdales mal entretenues risquent de ne pas répondre à ces exigences minimales en matière de renouvèlement d'air. 

Même si des courroies trapézoïdales bien entretenues atteignent un rendement allant jusqu'à 95-98% au moment de l'installation, ce dernier se détériore typiquement de 5% pendant le fonctionnement.

Les transmissions par courroies trapézoïdales mal entretenues peuvent être jusqu'à 10% moins efficaces. Les transmissions par courroies synchrones conservent un rendement énergétique de 98% ou plus pendant toute la durée de vie de la courroie. Les courroies synchrones conservent leur efficacité sur une large plage de puissance, elles sont donc moins sensibles au surdimensionnement. L'exemple ci-dessous est typique des économies d'énergie réalisables grâce à ces conversions. Des exemples supplémentaires d'économies d'énergie réelles sont disponibles auprès de Gates PT. Au cumul annuel, ces économies apporteront une contribution importante au bilan global. 

2. Economies au niveau de l'entretien 

Si les transmissions synchrones sont plus efficaces que les transmissions par courroies trapézoïdales, les économies potentielles au niveau des coûts d'entretien peuvent également être très importantes. Les caractéristiques d'allongement minimum des courroies synchrones éliminent quasiment tout les temps et tous les coûts d'entretien. 

Moins d'intervention de la part du personnel de maintenance, cela signifie des économies de productivité supplémentaires pour l'utilisateur final. 

Comme déjà mentionné, un entretien correct de la tension de la courroie trapézoïdale est essentiel pour minimiser le glissement et optimiser l'efficacité de la courroie trapézoïdale. Très peu de transmissions sont toutefois entretenues à un niveau permettant de maintenir la tension optimale de la courroie. Au fil du temps, la tension d'une courroie trapézoïdale décroît. Si elle n'est pas retendue correctement, une courroie trapézoïdale glisse, ce qui réduit le rendement de la transmission par courroies. 

Les courroies synchrones nécessitent une retension minimale en raison de leurs cordes de traction à haut module, faible allongement. Par exemple, une courroie trapézoïdale de 2,5 mètres de long nécessiterait un rattrapage de l'entraxe d'environ 40 à 65 mm sur la durée de vie de la courroie. Comparativement, une courroie synchrone ne nécessiterait un rattrapage de l'entraxe que de 1 mm sur sa durée de vie.

 Les coûts d'entretien totaux comprennent le temps facturé pour l'installation de nouveaux composants de la transmission par courroies, ainsi que les coûts de retension et remise en place de la courroie. 

Des coûts d'arrêt peuvent survenir si la durée d'interruption pour l'entretien affecte le processus de fabrication d'une installation. Les courroies synchrones ne nécessitent aucun entretien lorsqu'elles sont installées correctement. Pour obtenir des performances optimales, les courroies trapézoïdales doivent rester en service pendant 24 heures avant d'être retendues. Les procédures de contrôle de tension et de retension des courroies trapézoïdales à des intervalles de 3 mois ne sont pas inhabituelles pour des transmissions bien entretenues. Cet entretien supplémentaire augmente les coûts, un problème qui ne se pose pas avec les transmissions par courroies synchrones. Le calcul d'énergie de Gates inclut un ajustement correspondant au niveau d'entretien sur les économies d'énergie réelles. 

 Exemple d'économies réalisées au niveau de l'entretien 

Pour un système de conditionnement d'air de 30 kW, par exemple, considérons les différents coûts d'entretien encourus en un an par les courroies synchrones en comparaison avec les courroies trapézoïdales. 

Pour ces calculs, les coûts d'entretien sont arrondis à 40 € par heure par technicien de maintenance qualifié 

La plupart des interventions nécessitent généralement des équipes de 2 techniciens de maintenance. 

La durée d'installation des courroies synchrones et des courroies trapézoïdales est quasi identique. Il faut environ 2 heures pour installer une transmission type. Au taux horaire de 40 € par technicien de maintenance, le coût d'installation des deux types de transmissions est de 160 € (40 € par heure x 2 techniciens x 2 heures). 

Une fois la transmission par courroies synchrones installée, elle ne nécessite généralement plus d'entretien avant son remplacement. Pas d'entretien supplémentaire, cela signifie pas de frais supplémentaire (0 €). 

La procédure de mise en service pendant 24 heures/retension de la transmission par courroies trapézoïdales nécessite les 2 mêmes techniciens de maintenance pendant une heure de plus. Au taux horaire de 40 € par technicien de maintenance, le coût de retension de la transmission est de 80 € (40 € par heure x 2 techniciens x 1 heure). Supposons que les courroies soient bien entretenues, 4 fois par an. Au taux horaire de 40 € par technicien de maintenance, le coût de retension de la transmission est de 80 € (40 € par heure x 2 techniciens x 1 heure). 

Sur un 1 an, la procédure de contrôle de tension/ retension doit être réalisée 4 fois. Le coût annuel sera donc de 4 x 80 €, soit 320 €. 

Exemple de coût total de la transmission 

Les exemples de transmission considérés sont illustrés ci-dessous. 

Transmission par courroies trapézoïdales existante

 Moteur: 5/C 224 mm 

Machine entraînée: 5/C 315 mm 

Courroie: 2 jeux de 5 C 118 

Entraxe: 1069 mm

 Régime machine entraînée: 1256 tr/min 

Transmission par courroie PowerGrip® GT3 

Moteur: P80-8MGT-30 

Machine entraînée: P112-8MGT-30 

Courroie: 3048-8MGT-30 

Entraxe: 1140 mm

 Régime machine entraînée: 1250 tr/min

Il est à noter que ces comparaisons de suppléments de coûts totaux supposent le remplacement des courroies une fois par an. 

L'expérience du client a montré que les transmissions par courroies PowerGrip® GT3 et Poly Chain® GT Carbon™ étaient typiquement plus performantes que les transmissions par courroies trapézoïdales de la concurrence pour la plupart des applications. 

Cela signifie que les coûts d'entretien réels des transmissions par courroies trapézoïdales augmenteront encore au cours de la durée de vie des deux types de transmissions, puisque les courroies devront être remplacées plus fréquemment.

 Dans cet exemple, le coût de la transmission serait plus élevé avec la transmission par courroies trapézoïdales concurrente. Par exemple, si la transmission par courroies synchrones est utilisée pendant 2 ans sur la transmission du ventilateur et que la transmission par courroies trapézoïdales concurrente a fonctionné pendant 1 an, la comparaison des coûts sur la durée de fonctionnement des transmissions synchrones serait de: 

Total des économies sur 2 ans -5,01 + 960 + 2929,02 = 3884,01 €. La comparaison des suppléments de coûts sur deux ans est présentée à la figure 9. Il est à noter que les coûts dus aux entretiens ou durées d'interruption supplémentaires n'ont été repris dans aucune des comparaisons de coûts. Tous suppléments de coûts (perte de productivité) doivent être ajoutés aux coûts des courroies trapézoïdales concurrentes pour une comparaison des coûts totaux.