Les systèmes de transmission de mouvement

Un système technique est un ensemble organisé de composants qui travaillent ensemble pour réaliser une fonction spécifique. Il est conçu par l'homme pour répondre à un besoin.

• Fonction d'usage : C'est ce à quoi sert le système. Par exemple, la fonction d'usage d'un vélo est de se déplacer.
• Fonction d'estime : Elle est liée à l'apparence, au design, à la marque, aux matériaux utilisés. C'est ce qui le rend agréable ou désirable. Par exemple, la couleur d'un vélo, son style.

Un système technique transforme une énergie d'entrée en une action utile.

Exemples de systèmes techniques quotidiens :

• Un vélo : permet de se déplacer grâce à l'énergie musculaire.
• Un lave-linge : lave le linge grâce à l'énergie électrique.
• Un robot de cuisine : prépare des aliments grâce à l'énergie électrique.

En technologie, nous rencontrons principalement trois types de mouvements :

• Mouvement de translation : Un objet se déplace en ligne droite (translation rectiligne) ou le long d'une courbe (translation curviligne) sans changer son orientation. Tous ses points se déplacent de la même manière.
  • Exemple : Le tiroir d'un bureau qui s'ouvre, un ascenseur qui monte.
• Mouvement de rotation : Un objet tourne autour d'un axe fixe.
  • Exemple : Une roue de vélo qui tourne, les aiguilles d'une horloge.
• Mouvement combiné (translation et rotation) : L'objet effectue à la fois une translation et une rotation.
  • Exemple : Une voiture qui roule (les roues tournent et le véhicule avance), une perceuse qui fore (la mèche tourne et avance).

La transmission de mouvement est essentielle dans de nombreux systèmes techniques. Elle permet de :

• Adapter la vitesse : Augmenter ou réduire la vitesse de rotation ou de translation. Par exemple, le dérailleur d'un vélo permet de changer de vitesse.
• Changer la direction : Modifier l'orientation du mouvement. Par exemple, un système d'engrenages peut changer un mouvement horizontal en un mouvement vertical.
• Transmettre la puissance : Acheminer l'énergie mécanique d'un point à un autre. Par exemple, le moteur d'une voiture transmet sa puissance aux roues.

La transmission de mouvement est souvent nécessaire pour que l'énergie fournie soit utilisable par le système.

Les engrenages sont des roues dentées qui s'emboîtent les unes dans les autres pour transmettre un mouvement de rotation.

• Roue dentée menante : C'est la roue qui reçoit le mouvement initial (par exemple, du moteur) et qui entraîne l'autre roue.
• Roue dentée menée : C'est la roue qui reçoit le mouvement de la roue menante.
• Sens de rotation : Lorsque deux engrenages sont directement en contact, ils tournent toujours en sens opposé. Pour avoir le même sens de rotation, il faut ajouter un troisième engrenage (appelé "roue folle" ou "pignon intermédiaire").

Il existe plusieurs types d'engrenages, chacun adapté à des usages spécifiques :

• Engrenages droits : Les dents sont parallèles à l'axe de rotation. Ils sont les plus courants et transmettent le mouvement entre des axes parallèles.
  • Exemple : Boîtes de vitesses simples, mécanismes d'horlogerie.
• Engrenages coniques : Les dents sont taillées sur des cônes. Ils permettent de transmettre le mouvement entre des axes qui se croisent (souvent à 90°).
  • Exemple : Différentiels de voiture, perceuses d'angle.
• Vis sans fin et roue dentée : Un système où une vis (la vis sans fin) engrène avec une roue dentée. Il permet une très forte réduction de vitesse et est souvent irréversible (la roue ne peut pas entraîner la vis).
  • Exemple : Treuils, mécanismes de réglage de sièges de voiture.

Le rapport de transmission ($R$) indique la modification de vitesse entre la roue menante et la roue menée.

$R = \frac{\text{Nombre de dents de la roue menée}}{\text{Nombre de dents de la roue menante}} = \frac{\text{Vitesse de rotation de la roue menante}}{\text{Vitesse de rotation de la roue menée}}$

• Si $R > 1$ : C'est une multiplication de vitesse (la roue menée tourne plus vite).
• Si $R < 1$ : C'est une réduction de vitesse (la roue menée tourne moins vite).
• Si $R = 1$ : La vitesse est identique.

Exemple : Une roue menante a 10 dents et tourne à 100 tr/min. La roue menée a 30 dents. $R = \frac{30}{10} = 3$. C'est une réduction de vitesse. Vitesse de la roue menée = $\frac{100 \text{ tr/min}}{3} = 33.33 \text{ tr/min}$.

Ce système utilise deux ou plusieurs poulies (roues avec une gorge) reliées par une courroie flexible.

• Poulie menante : Reçoit le mouvement et entraîne la courroie.
• Poulie menée : Est entraînée par la courroie et transmet le mouvement.
• Courroie de transmission : Bande flexible (en caoutchouc, cuir, etc.) qui assure le lien entre les poulies.
• Sens de rotation : Les poulies tournent généralement dans le même sens si la courroie est droite. Si la courroie est croisée, elles tournent en sens opposé.

• Courroies plates : Simples et peu chères, mais peuvent glisser facilement. Utilisées pour des puissances faibles et de grandes distances.
• Courroies trapézoïdales (en V) : Offrent une meilleure adhérence grâce à leur forme en V qui s'insère dans la gorge des poulies. Utilisées pour des puissances moyennes.
  • Exemple : Moteurs de voiture (alternateur, pompe à eau).
• Courroies crantées (synchrones) : Possèdent des dents qui s'engrènent dans les poulies crantées, ce qui élimine tout glissement et assure une transmission synchrone.
  • Exemple : Courroies de distribution de moteur, imprimantes.

Le rapport de transmission est calculé en utilisant les diamètres des poulies.

$R = \frac{\text{Diamètre de la poulie menante}}{\text{Diamètre de la poulie menée}} = \frac{\text{Vitesse de rotation de la poulie menante}}{\text{Vitesse de rotation de la poulie menée}}$

• Glissement de la courroie : C'est un inconvénient majeur des courroies plates et trapézoïdales. La courroie peut "patiner" sur les poulies, ce qui entraîne une perte de puissance et une imprécision dans la vitesse. Les courroies crantées éliminent ce problème.

Ce système est similaire aux poulies et courroies, mais utilise une chaîne à rouleaux qui s'engrène dans des pignons (roues dentées).

• Pignon menant : Reçoit le mouvement et entraîne la chaîne.
• Pignon mené : Est entraîné par la chaîne.
• Chaîne à rouleaux : Composée de maillons articulés qui s'adaptent aux dents des pignons.
• Absence de glissement : Grâce à l'engrènement des maillons dans les dents, il n'y a pas de glissement, ce qui assure une transmission très précise.

• Vélos : Le système de chaîne et pignons est le plus connu pour transmettre la puissance des pédales à la roue arrière.
• Motos : Utilisé pour transmettre la puissance du moteur à la roue arrière.
• Machines industrielles : Convoyeurs, machines-outils, où une transmission robuste et sans glissement est nécessaire.

Le rapport de transmission est calculé en utilisant le nombre de dents des pignons.

$R = \frac{\text{Nombre de dents du pignon menant}}{\text{Nombre de dents du pignon mené}} = \frac{\text{Vitesse de rotation du pignon menant}}{\text{Vitesse de rotation du pignon mené}}$

• Précision de la transmission : L'absence de glissement rend ce système très précis en termes de rapport de vitesse.

Comme mentionné précédemment dans les engrenages, ce système est unique :

• Réduction de vitesse importante : Un tour de vis déplace la roue d'un très petit angle, ce qui permet des réductions de vitesse considérables (par exemple, 1 tour de vis = 1 dent de la roue).
• Irreversibilité : Dans la plupart des cas, la roue ne peut pas entraîner la vis. On dit que le système est irréversible, ce qui est une caractéristique de sécurité très utile (par exemple, pour un treuil, la charge ne peut pas redescendre seule).
• Applications spécifiques : Treuils, mécanismes de vérins, systèmes de direction.

Ce n'est pas un système de transmission de mouvement de rotation à rotation, mais un système de transformation de mouvement.

• Transformation rotation-translation : Il convertit un mouvement de rotation en un mouvement de translation (ou inversement).
  • Une manivelle tourne autour d'un axe.
  • Une bielle relie la manivelle à un piston (ou une glissière) qui effectue un mouvement de translation rectiligne.
• Exemples :
  • Le moteur d'une voiture : transforme le mouvement linéaire des pistons en mouvement de rotation du vilebrequin.
  • La machine à coudre : transforme le mouvement de rotation du moteur en mouvement de translation de l'aiguille.
• Point mort haut et bas : Le piston atteint des positions extrêmes où sa vitesse est momentanément nulle, appelées point mort haut (PMH) et point mort bas (PMB).

Le choix du système de transmission dépend de plusieurs critères :

Exemples d'utilisation adaptés :

• Pour une montre, on utilisera des engrenages pour la précision.
• Pour un sèche-linge, on préférera des poulies et courroies pour le silence et la flexibilité.
• Pour un vélo, le système de chaîne et pignons est idéal pour la robustesse et l'absence de glissement.
• Pour un treuil, la vis sans fin est parfaite pour la réduction de vitesse et l'irréversibilité.
• Pour un moteur thermique, la bielle-manivelle est indispensable pour convertir l'énergie.

Chaque système a ses forces et ses faiblesses, et le choix est toujours un compromis en fonction du besoin.