Les transmissions mécaniques

Le démontage et l'observation de certains mécanismes m'a fait découvrir plusieurs façons de produire, de supporter, de transmettre ou de transformer un mouvement. Les images ci-dessous illustrent les principaux organes de transmission employés en générale dans l'industrie .

Transmission par joint souple

La pièce intermédiaire en caoutchouc absorbe les vibrations et autorise un certain désalignement des deux arbres. 

Transmission par courroie ou par chaîne

La vitesse de rotation dépend du rapport des diamètres des poulies. Le sens de rotation est le même pour les deux poulies.

Transmission par roues dentées (engrenage)

Lien rigide en mouvement continu

Le sens de rotation s'inverse d'une roue à l'autre. Le pignon d'attaque doit effectuer plusieurs tours pour un seul de la grande roue, c'est pourquoi on appelle ce montage un réducteur.

De J1 à J6, la vitesse est réduite mais le couple est accru (le couple = la force). 

Transmission par joint de Cardan 

Le cardan (ou plus précisément le joint de Cardan) est un dispositif mécanique qui permet la transmission d'une rotation angulaire entre deux arbres dont les axes géométriques concourent en un même point. C'est une manière de réaliser une liaison rotule à doigt.

Cette technique (à ne pas confondre avec la suspension par cardan) est utilisée sur les véhicules pour accoupler deux arbres tournants non alignés, ou dont les positions angulaires, l'un par rapport à l'autre, peuvent varier ; par exemple l'axe du volant et le boîtier de direction, surtout dans le cas d'un volant réglable en hauteur par rapport au conducteur.

Histoire

L'invention de ce joint en 1545 est attribuée au mathématicien italien Girolamo Cardano (Jérôme Cardan en français) (1501-1576). Ce célèbre savant italien se serait inspiré d'un compas de marine fixé sur deux cercles articulés. Il a décrit l'articulation portant son nom dans un traité de physique intitulé De subtilitate rerum.

Propriétés mécaniques

L'angle formé par les « fourchettes » d'un joint de Cardan provoque une non-linéarité de la vitesse angulaire d'un arbre par rapport à l'autre. On peut y remédier en ajoutant un second joint d'angle identique dans la transmission, les deux fourchettes de l'arbre médian étant alignées dans le cas particulier le plus courant, où tous les arbres sont dans le même plan. On passe ainsi de l'arbre d'entrée à l'arbre de sortie par deux demi-angles identiques, les variations angulaires entraînées par chacun des cardans étant égales et opposées.

Les vitesses moyennes sur un tour sont identiques, mais durant le tour apparait un décalage des angles. En effet, le cardan unique présente l'inconvénient de ne pas être homocinétique, c'est-à-dire que la vitesse de rotation transmise n'est pas constante au cours de la rotation lorsque les axes ne sont plus alignés1. En revanche, l'ensemble de deux cardans enchaînés l'est, si les deux « fourchettes » de la pièce intermédiaire sont dans le même plan. Sans cette condition, les vitesses d'entrée et de sortie, seront constantes ( et non sinusoïdale lorsqu'il n'y a qu'un joint de cardan) mais différentes

Montage

Il faut veiller à respecter quelques règles pour assurer la fiabilité d'un cardan :

• l'angle ne doit pas dépasser 45°, sauf si le joint est spécialement conçu pour fonctionner au-delà de cette valeur
• il est recommandé de donner un angle minimum de quelques degrés (1,5 à 2) afin de "faire travailler" la transmission. L'angle idéal se situe à environ 15 degrés. Au-delà, l'usure s'accentue et le cardan doit être surdimensionné. L'angle de fonctionnement maximum est 45 degrés. Valeur à partir de laquelle le cardan se bloque et casse.
• la protection du joint est difficile de par l'amplitude des mouvements qu'il autorise. Un soufflet en caoutchouc est généralement utilisé mais constitue un point faible.
• le couple de torsion efficace transmis est accompagné d'un couple de flexion tournant deux fois plus vite que les arbres, lequel est une source de vibrations même quand l'homocinétisme est respecté

La crémaillère  

Transformation d'un mouvement de rotation en mouvement de translation et inversement 

La crémaillère est largement utilisée dans des systèmes de transmissions d'effort. Les engrenages permettant d'amplifier l'effort (ou le déplacement), on utilise ensuite la crémaillère afin de créer un déplacement linéaire de grande amplitude ou de grande force. On retrouve des systèmes utilisant la crémaillère pour des presses, machine-outils de découpe, ou encore outils de manutention. Si la crémaillère offre généralement une bonne précision, elle dissipe beaucoup de puissance en comparaison avec les autres engrenages, on ne l'utilise donc que pour une fonction de déplacement précise, pas pour transmettre des efforts à d'autres engrenages.

Lorsque le pignon fait une rotation, la crémaillère subit une translation.

La vitesse en sortie est égale au produit du pas entre deux dents et la vitesse angulaire donnée à l'entrée  

Avec V la vitesse de la crémaillère en mm/s, ω la vitesse angulaire du pignon en rad/s et R le rayon du pignon en mm.:

Système vis + écrou

En tournant, la vis déplace l'écrou à droite ou à gauche selon le sens de rotation.

Ce système développe une grande force, on l'emploie notamment pour les étaux, les serre-joints, les vérins à vis, les crics, sans oublier le serrage par boulon.

On passe d'un mouvement de rotation à un mouvement de translation. L'inverse est possible, à condition que le pas de la vis soit suffisamment long.

Vis-sans-fin

Transmission par roue dentée et vis tangente (on passe d'une rotation à une autre rotation).

Transmission par roues dentées hélicoïdales