La transmission mécanique dans un système automatisé

Dans le domaine de l'électrotechnique et des automatismes industriels, une bonne transmission de la puissance est essentielle pour assurer l'utilisation efficace de l'énergie électrique en travail mécanique sur les machines. Ce transfert s'effectue grâce à divers systèmes de transmission, adaptés selon les besoins en : vitesse, couple et rendement. La compréhension de ces mécanismes permet d'optimiser la performance de nos systèmes industriels.

Les transmissions mécaniques utilisées en électrotechnique visent plusieurs objectifs :

  • Adapter la vitesse de rotation et le couple entre un moteur et une charge.
  • Assurer un transfert efficace et fiable de la puissance.
  • Permettre une meilleure régulation des machines.

Mouvements circulaires et transmission de puissance

La relation entre une vitesse angulaire et une vitesse linéaire est : $v = \Omega \cdot r$

$v$ est la vitesse linéaire ($\rm{m/s}$), $\Omega$ est la vitesse angulaire ($\rm{rad/s}$), $r$ est le rayon du mouvement ($\rm{m}$).

La vitesse de rotation d'un système en mouvement circulaire est généralement donnée en « $n$ » tours par minutes. La relation donc entre la vitesse angulaire $\Omega$ et la vitesse de rotation $n$ est alors :

$\Omega = 2 \cdot \pi \cdot n$

Un système mécanique en rotation peut adopter plusieurs comportements. Le mouvement circulaire peut être constant (on dit qu'il est uniforme) mais il peut aussi être variable (plus rapide ou plus lent). Ces comportements influencent directement les contraintes exercées sur les éléments de transmission.

Différents systèmes permettent de transmettre la puissance mécanique d'un moteur électrique vers un système entraîné. Parmi les plus courants, on retrouve :

La transmission par poulies et courroies

Elle repose sur l'utilisation de courroies reliant deux poulies. La relation entre les vitesses de rotation des roues menantes et menées suit la formule : $n2/n1 = D1/D2$

$n1$ et $n2$ sont les vitesses de rotation des roues.

$D1$ et $D2$ sont les diamètres des poulies respectives.

Avantages : fonctionnement silencieux et sans lubrification ; capacité à absorber des chocs et des vibrations

Inconvénients : risque de glissement, pouvant altérer la précision

La transmission par engrenages

Les engrenages cylindriques permettent une transmission directe et sans glissement de la puissance mécanique. Le rapport de transmission est donné par : $n2/n1 = Z1/Z2$

$Z1$ et $Z2$ représentent le nombre de dents des roues dentées.

Avantages : transmission précise et efficace sans perte de synchronisation ; possibilité d'obtenir des rapports de réduction élevés

Inconvénients : nécessité d'une lubrification pour limiter l'usure ; transmission bruyante à grande vitesse

La transmission par chaînes et roues dentées

Dans ce système, une chaîne relie deux roues dentées, garantissant une transmission sans glissement. La relation entre les vitesses est la même que pour les engrenages.

Avantages : meilleur rendement que les courroies ; durabilité accrue, même en environnement exigeant

Inconvénients : bruit et usure, nécessitant un entretien régulier ; lubrification obligatoire pour éviter les frottements excessifs

La transmission par vis sans fin

Ce système assure une réduction importante de la vitesse et offre un effet autobloquant, empêchant le mouvement inverse. $n2/n1 = 1/Z$,

où $Z$ est le nombre de filets de la vis.

Avantages : transmission très compacte ; capacité de réduction élevée

Inconvénients : rendement relativement faible ; échauffement important nécessitant une gestion thermique adaptée

Relations électromécaniques

Le rapport de transmission définit la variation de vitesse et de couple entre l'entrée et la sortie du système mécanique. Il est généralement supérieur à 1 dans les systèmes de réduction de vitesse (ex. engrenages, vis sans fin), et inférieur à 1 dans les systèmes d'augmentation de vitesse (ex. courroies, multiplicateurs).

La relation entre puissance mécanique, couple et vitesse angulaire s'exprime par : $Pu = Cu \cdot \Omega$

$Pu$ est la puissance utile, dite « mécanique », en Watts.

$C$ est le couple en Newton-mètre. (c'est la force en sortie du moteur)

$\Omega$ est la vitesse de rotation angulaire en radians par seconde.