Transmission mécanique, transmission d'énergie

Dans notre précédent article sur les moteurs asynchrones nous présentions les classifications énergétiques et l'intérêt économique d'opter pour des solutions qui favorisent le rendement. La transmission s'y retrouvant comme un facteur important au même titre que la qualité de construction du moteur, son dimensionnement ou encore l'adjonction d'un système électronique de variation de vitesse.

Pour la construction mécanique d'une machine, on se retrouve face à un choix relativement restreint de type d'actionneur. Pour faire simple, nous retrouvons des vérins et des moteurs avec pour chacun un ensemble de déclinaisons d'applications et toute une gamme de fonctionnement. Dans cet article nous nous concentrerons sur les applications de transmission de puissance des moteurs les plus courantes. Autrement dit, nous ne traiterons pas ici de la transmission de puissance par les fluides ou les gaz.

La transmission comme élément de la chaîne énergétique.

La transmission représente l'ensemble des éléments contribuant à la réalisation d'un mouvement spécifique pour une application. Il s'agit d'un transfert d'énergie d'une source à un récepteur. Nous distinguons alors deux catégories de transmissions : celles qui engendrent des mouvements angulaires et celles qui engendrent des mouvements de translation.

Le comportement du couple dans la transmission

Outre le mouvement recherché, il s'agit aussi d'obtenir une vitesse et un couple adapté à l'application souhaitée. En pratique, il est le plus souvent prévu une vitesse plus faible que celle en sortie du moteur, avec une augmentation du couple. Or, la vitesse et le couple sont fonction du rapport de réduction.

Cas d'un réducteur à train d'engrenages : 

--> Le rapport de réduction r=Ze/Zs 

Avec Ze : nombre de dents de la roue menante, et Zs : nombre de dents de la roue menée

--> Le couple de sortie Cs = Ce x 1/r x ?

Avec Cs : couple de sortie, Ce : couple d'entrée et ? le rendement du système

Aspect dynamique de la transmission de puissance

P(W) = C(Nm) x ?(rd/s)

Attention : La puissance en sortie n'est pas fonction du rapport de réduction mais du rendement uniquement

Ps = Pe x ?

? = Pe/Ps = (Cs ?s)/(Ce ?e)

Déclinaisons et distinctions de la transmission poulie – courroie

Si les transmissions par chaîne ou par courroie favorisent le transfert d'énergie avec un écartement ou un décalage relativement important, de nombreuses déclinaisons ou distinctions existent encore pour répondre aux exigences techniques de l'ensemble.

Nous distinguons essentiellement 4 types de courroies : lisses, rondes, trapézoïdales ou crantées.

Particularités techniques

De manière empirique, il a été défini que les courroies donnaient leur meilleur rendement sur une plage de fonctionnement allant de 1000 à 5000 tour/min.

La caractéristique principale de la transmission par courroie est sa souplesse avec le fait qu'elle engendre très peu de vibrations et donc relativement peu de bruit. Autre avantage, la transmission par courroie ne nécessite pas de lubrification, contrairement aux autres types de transmission.

Mais attention, ce n'est pas parce qu'il n'y a pas besoin de lubrification qu'il n'y a pas d'entretien à réaliser, et c'est là son principal défaut. 

En effet, l'allongement au cours du temps nécessite un réglage d'entraxe ou du galet pour maintenir une tension optimale de la courroie. La tension de la courroie est un élément déterminant dans la transmission du mouvement et de la puissance (du couple). Il y a donc un compromis à trouver entre la tension de la courroie et les efforts radiaux que le système peut supporter. On comprend aussi que, par leurs caractéristiques physiques, elles s'accommodent assez mal à la longue des très hautes fréquences de rotation et ce notamment pour les courroies plates. Il est nécessaire pour ces dernières d'obtenir une vitesse égale sur toute leur largeur et donc d'avoir un réglage fin du parallélisme. De plus, si les courroies sont peu chères, elles ont aussi une durée de vie limitée. Sur le plan de l'entretien il faut donc prévoir des remplacements réguliers, préventifs ou curatifs en fonction de la sensibilité du processus qu'il entraine.

Réduction, couple et puissance

Du fait de la complexité de construction de plusieurs étages d'entrainement avec des courroies, le rapport de réduction et donc le couple attendu doivent s'obtenir de manière relativement directe à la sortie du moteur. D'un autre coté pour transmettre plus de puissance il est possible d'augmenter les surfaces de contact par des courroies multi bandes ou de multiplier le nombre de courroies en parallèles les unes des autres. On notera enfin que la puissance transmise dépend de l'angle d'enroulement sur le pignon moteur, la surface de liaison et la pression de contact entre la roue d'entrainement et la courroie. Mais en cas de surcharge, le glissement peut faire perdre +/- 2% de rendement. Il est alors préférable d'opter pour l'usage de courroies trapézoïdales qui transmettent plus de puissance même si les frottements à l'engagement dans la poulie seront ici la principale source de perte. Les courroies synchrones (courroies crantées) seront-elles aussi des solutions à envisager pour de fortes charges. Ce dernier type de courroie a un comportement relativement proche de celui d'une chaîne. Le frottement à l'engrènement et l'allongement au fil du temps provoqueront des pertes dans le rendement de la transmission. De manière synthétique, on peut conclure que les courroies trapézoïdales peuvent transmettre plus de puissance que les courroies plates mais moins que les courroies crantées. Pourtant, fondamentalement, le rendement de ce type de transmission dépend très fortement de ses conditions d'utilisation.

Déclinaisons et distinction de la transmission pignon chaîne

La transmission par chaîne peu apparaître par certains aspects relativement peu différente de la transmission par courroie. En effet, il s'agit là aussi de transmettre le mouvement de rotation entre 2 arbres éloignés parallèles. Mais, si pour une courroie crantée, la transmission ne se fait plus par adhérence et donc sans glissement, la chaîne en est le développement ultime. La transmission se fait par obstacles rigides. Le synchronisme est donc assuré mais sans souplesse et donc avec plus de vibrations et plus de bruit.

On trouve sur le marché différents types de chaînes : les chaînes à rouleaux, les plus courantes, les chaines à maillons coudés, les chaînes à mailles jointives ou les chaînes à dents dites silencieuses. Ces distinctions sont à prendre en compte en fonction de la nature de l'application, l'environnement dans lequel elle se trouve (humide, corrosif...), la précision ou la souplesse nécessaire.

Ce qui diffère des courroies

Outre le manque de souplesse et le bruit, la transmission par chaîne se caractérisera par une masse plus conséquente. Cette masse sera d'autant plus importante à prendre en compte que la distance entre les arbres sera grande et qu'elle influera sur le rendement de l'ensemble.

Conception et maintenance seront les pierres angulaires d'un bon rendement de transmission.

Point d'attention : lubrification et maintenance

Coté maintenance, la durée de vie d'une chaîne est sans commune mesure avec celle d'une courroie. 

Comme elle, elle aura tendance à s'allonger avec le temps. 

L'allongement aura pour conséquence une usure progressive et prématurée des dents du pignon, une augmentation des frottements et donc une diminution du rendement.  

On estime que l'allongement maximum admissible est de l'ordre de 3%. Le remplacement de la chaîne dès son allongement constaté de 1.5 à 2%, permettra de réduire notablement l'usure des pignons. 

La bonne lubrification des chaînes réduira aussi très nettement son allongement et augmentera d'autant sa durée de vie tout en assurant un bon rendement de transmission. La plupart du temps, les conditions de température n'influenceront pas le rendement de transmission. Il est à noter toutefois en la matière que des conditions extrêmes détérioreront le rendement et ce, particulièrement à haute température.

Dans la même veine, la nature rigide de la chaîne expose l'ensemble du système aux à-coups et aux vibrations. Ce phénomène que l'on retrouvera principalement dans les applications de pompage, malaxeurs, convoyeurs, presses ou treuils, pourrait à force engendrer aussi un allongement et une usure prématurée de la chaîne, avec les mêmes conséquences sur le rendement.

Suivant les applications, les constructeurs pourraient alors préconiser un léger surdimensionnement de la chaîne, voir l'emploi de chaines duplex ou triplex (à plusieurs rangées), ou encore de multiplier le nombre chaines à mettre en parallèle. Attention toutefois, si la multiplication du nombre de chaînes placées en parallèle permet de multiplier du même facteur la puissance transmissible, ce n'est pas le cas pour les chaînes à brins multiples (duplexes, triplexes...). Voir tableau ci-contre. Ce phénomène est essentiellement dû à une répartition défavorable des charges sur la chaîne.

Point d'attention : détermination du pignon moteur

Le nombre de dents des pignons d'entrainement est déterminant car il participe à la résistance à l'usure. Un nombre de dents trop faible engendrera des irrégularités dans la transmission des charges ainsi que des mouvements parasites verticaux (effet polygonal).

De même, plus le nombre de dents du pignon est élevé moins l'ensemble sera soumis aux vibrations et donc à l'usure.

Point d'attention : détermination de l'entraxe

Le poids de la chaîne engendre une sollicitation non parallèle à l'axe et donc une perte de rendement. Un bon réglage d'entraxe permet de réduire l'angle de cet effort et ainsi d'optimiser le rendement.

De manière empirique on définit l'entraxe optimal : 30xp < e < 50xp     « p » étant le pas de la chaîne. Si l'entraxe est long il sera nécessaire de prévoir un guidage ou un galet pour tendre la chaîne.

Si l'entraxe est court et le rapport de réduction important, il faudra s'assurer que l'angle d'enroulement soit supérieur à 120°, si ce n'est pas le cas on peut prévoir un galet sur le brin mou pour forcer l'enroulement.

De manière générale, le galet tendeur va avoir son utilité aussi bien pour maitriser la tension de la chaine (ni trop ni pas assez) et atténue les effets liés à l'allongement dans le temps.

Déclinaisons et distinction de la transmission pignon-engrenages

Ce type de transmission se distingue des deux précédentes car on cherchera ici essentiellement un rapport de réduction entre le pignon moteur et récepteur hors contrainte de distance. Ainsi, par la technique du train d'engrenages, il est aisément possible d'obtenir un rapport de réduction très important dans un minimum d'encombrement.

Comme pour les courroies et les chaines, il existe plusieurs déclinaisons ou montages d'engrenages avec des distinctions qui peuvent avoir leur importance. Aussi simple que puisse paraitre la transmission pignon roue, une certaine diversification des applications existe pour répondre aux exigences techniques variées que l'on peut rencontrer dans l'industrie :

L'expression du rendement de transmission se décline ainsi :  

? = (1-? pertes) / Ce ?e

On recence ici 3 types de pertes :

• Pertes par ventilation : c'est l'effort supplémentaire dû à la mise en mouvement de l'air à proximité des engrenages ; ces pertes augmentent en fonction de la vitesse de rotation, mais pour les dentures hélicoïdales elles diminuent avec l'angle d'hélice. Ces pertes peuvent être réduites en plaçant un flasque à proximité immédiate des engrenages.

• Pertes par piégeage : phénomène de compression dépression des fluides lubrifiant-air lors de l'engrènement. Pertes qui augmentent en fonction de la fréquence de rotation, mais qui diminuent aussi en fonction de l'angle d'hélice avec les dentures hélicoïdales.

• Pertes par frottement : le mouvement relatif des dents entres elles lors de l'engrènement engendre des pertes en proportion nettement plus importante (+ de 95%) que les pertes par ventilation et par piégeage. La lubrification et l'état de surface jouent un rôle important pour limiter ses pertes qui, elles-mêmes, diminuent à mesure que la vitesse de rotation augmente. On notera de surcroit, la possibilité d'opérer une correction du profil des dentures en fonction de l'usure constatée.

De même que pour l'effet polygonal pour la transmission par chaîne, l'utilisation des pignons les plus petits (ou ayant un très faible nombre de dents) engendrera des pertes. On préférera alors une réduction sur 2 étages pour le même rapport de réduction.

Les fournisseurs de réducteurs ou motoréducteurs spécifient systématiquement le rendement dynamique de leurs produits. On observe assez logiquement que plus le rapport de réduction est élevé, plus le rendement est faible (pouvant tomber en deçà de 50%). Ce qui doit amener une réflexion sur le choix et le dimensionnement du moteur en fonction de la fréquence de rotation attendue. Quoi qu'il en soit, il est primordial de tenir compte de cette information de rendement et de ne pas seulement se focaliser sur le prix. En effet, la différence de prix à l'achat sera le plus souvent amortie par le coût de fonctionnement de l'application.

Le cas de l'assemblage roue vis-sans-fin est particulier. Cette solution est souvent choisie pour son grand rapport de réduction et l'irréversibilité du mouvement. Toutefois, les frottements importants au niveau des dents en font une transmission de faible rendement.

Commune à tout type de transmission l'exigence de coaxialité du montage est un élément de base à surveiller tout au long de la durée de vie du système.

Synthèse

Ces dernières caractéristiques sont données à titre indicatif et comme le démontrent les paragraphes précédents, les rendements sont fonctions des conditions d'utilisation, des réglages (entraxe, coaxialité, tension?) et de l'environnement dans lequel évolue le système.

Les avantages et inconvénients sont à voir suivant les caractéristiques techniques attendues de l'application.