Les transmissions de puissance
Les systèmes de transmission de puissance permettent d'acheminer l'énergie mécanique d'un organe moteur vers un organe récepteur, souvent en modifiant la vitesse, le couple ou l'orientation du mouvement. Les principaux systèmes sont les poulies-courroies, les transmissions par chaîne et les réducteurs.
Objectifs
- Distinguer les différents systèmes de transmission (courroie, chaîne, réducteur) et leurs domaines d'application.
- Calculer le rapport de transmission et les vitesses de rotation associées.
- Identifier les avantages et inconvénients de chaque solution pour un cahier des charges donné.
Transmission par poulies et courroies
Une courroie relie deux poulies de diamètres D1 (menante) et D2 (menée). La courroie plate transmet des puissances modérées ; la courroie trapézoïdale (en V) offre un meilleur accrochage et est plus répandue ; la courroie crantée (synchrone) ne glisse pas et maintient une synchronisation exacte (distribution moteur, imprimante). Le rapport de transmission est r = D1 / D2 = N2 / N1. Avantages : faible coût, amortissement des chocs, pas de lubrification. Inconvénients : glissement possible (courroies plates/V), limite de puissance et de température.
Transmission par chaîne et pignons
Une chaîne à rouleaux relie deux pignons (roues dentées adaptées) de nombres de dents Z1 et Z2. Contrairement à la courroie, il n'y a pas de glissement : la transmission est positive. Rapport de transmission : r = Z1 / Z2 = N2 / N1. Utilisée en cyclisme, sur les motos, les machines agricoles et les convoyeurs. La chaîne doit être lubrifiée pour limiter l'usure. Elle supporte de fortes puissances et peut transmettre sur de longues distances. Inconvénient : bruit et vibrations à grande vitesse ; nécessite un entretien régulier (tension, lubrification).
Réducteurs et multiplicateurs
Un réducteur est un ensemble d'engrenages en carter fermé, pré-lubrifié, qui fournit un rapport fixe entre entrée et sortie. Il permet de réduire la vitesse et d'amplifier le couple. Un multiplicateur fait l'inverse (rare en industrie). Le réducteur à roue et vis sans fin offre des rapports très élevés (jusqu'à 1/100) en une seule étape et est irréversible (la sortie ne peut pas entraîner l'entrée), utile pour les systèmes de sécurité. Le variateur de vitesse (CVT) permet un rapport continu et variable entre deux valeurs limites. Le rendement d'un réducteur varie de 0,7 (vis sans fin) à 0,99 (engrenages droits).
Choix d'une transmission et critères de sélection
Le choix d'une transmission dépend de plusieurs critères : la puissance à transmettre, le rapport de transmission souhaité, la distance entre axes, la précision de synchronisation, le coût et la maintenance admissible. La courroie crantée s'impose quand on exige une synchronisation sans glissement à faible coût. La chaîne convient aux fortes puissances avec des axes éloignés. L'engrenage s'impose pour la compacité et le rendement élevé. La vis sans fin est choisie pour son irréversibilité et ses grands rapports. En conception mécanique, on calcule toujours la puissance utile transmise P_sortie = η × P_entrée pour vérifier que le système peut satisfaire la charge.
Relations et formules clés
r = D1 / D2 = N2 / N1D1 : diamètre primitif de la poulie menante en mm ; D2 : diamètre de la poulie menée en mm ; N1 et N2 : vitesses de rotation en tr/min. La vitesse périphérique de la courroie est v = π × D1 × N1 / 60 (en m/s si D en m et N en tr/min).
r = Z1 / Z2 = N2 / N1Z1 : nombre de dents du pignon menant ; Z2 : nombre de dents du pignon mené ; N1 et N2 : vitesses de rotation en tr/min. Il n'y a pas de glissement, donc la relation est exacte. La vitesse linéaire de la chaîne : v = Z1 × p × N1 / 60 (p = pas de la chaîne en m).
P_sortie = η × P_entrée avec P = C × ω = C × 2π × N / 60P en watts (W) ; C en N·m ; N en tr/min ; ω = 2π × N/60 en rad/s ; η sans unité. Si η = 0,95 et P_entrée = 2 000 W, alors P_sortie = 1 900 W. La puissance perdue (chaleur, bruit) vaut P_perte = (1 - η) × P_entrée.
Exercice d'application
Question : Un moteur électrique tourne à N1 = 1 450 tr/min et entraîne une poulie de diamètre D1 = 80 mm. La poulie réceptrice a un diamètre D2 = 200 mm. Un second étage par chaîne relie un pignon de Z3 = 18 dents à un pignon de Z4 = 54 dents. Calculer la vitesse finale N4. Le rendement global est η = 0,92 et la puissance d'entrée est 750 W. Calculer la puissance disponible en sortie.
Voir la solution
Réponse : Étage 1 (courroies) : r1 = D1/D2 = 80/200 = 0,4, donc N2 = 0,4 × 1 450 = 580 tr/min. Étage 2 (chaîne) : r2 = Z3/Z4 = 18/54 = 1/3 ≈ 0,333, donc N4 = 580/3 ≈ 193,3 tr/min. Rapport global : r = 0,4 × 0,333 = 0,133. Puissance en sortie : P_sortie = η × P_entrée = 0,92 × 750 = 690 W.
