Systèmes de transmission de puissance mécanique

Introduction au chapitre

Ce chapitre couvre l'ensemble des systèmes de transmission de puissance mécanique que vous devez maîtriser pour l'examen Sceau rouge. En tant que mécanicien industriel (millwright), vous serez appelé à installer, aligner, dépanner et remplacer ces composants. L'examen évalue non seulement votre capacité à identifier les composants, mais aussi votre compréhension des principes physiques, des calculs de vitesse et de couple, des procédures d'alignement et des exigences de sécurité. Ce chapitre est structuré pour suivre la progression logique : des principes fondamentaux aux applications pratiques, avec une attention particulière aux pièges courants.

Principes fondamentaux de la transmission de puissance

Définition et rôle

La transmission de puissance mécanique est l'ensemble des dispositifs qui transfèrent l'énergie mécanique d'une source (moteur électrique, moteur thermique, turbine) vers une machine réceptrice (pompe, compresseur, convoyeur). Le rôle du mécanicien industriel est de garantir que cette transmission se fait avec un rendement optimal, une usure minimale et une sécurité maximale.

Paramètres fondamentaux : vitesse, couple et puissance

Trois grandeurs physiques régissent tous les systèmes de transmission :

La vitesse de rotation (N) : exprimée en tours par minute (tr/min ou RPM). C'est la fréquence de rotation de l'arbre.

Le couple (T) : exprimé en newton-mètres (N·m) ou en livres-pieds (lb·ft). C'est le moment de force qui tend à faire tourner l'arbre.

La puissance (P) : exprimée en watts (W), kilowatts (kW) ou en chevaux-vapeur (hp). C'est le taux de travail effectué.

La relation fondamentale est :

P = T × Ω

Où Ω (oméga) est la vitesse angulaire en radians par seconde (rad/s). La conversion entre tr/min et rad/s est :

Ω = (2 × π × N) / 60

En pratique, pour les calculs rapides, on utilise souvent :

P (kW) = T (N·m) × N (tr/min) / 9550

P (hp) = T (lb·ft) × N (tr/min) / 5252

Rapport de transmission

Le rapport de transmission (i) est le rapport entre la vitesse d'entrée et la vitesse de sortie d'un système :

i = N₁ / N₂ = D₂ / D₁ = Z₂ / Z₁

Où :

N₁ = vitesse d'entrée, N₂ = vitesse de sortie

D₁ = diamètre de la poulie menante, D₂ = diamètre de la poulie menée

Z₁ = nombre de dents du pignon menant, Z₂ = nombre de dents du pignon mené

Règle d'or : dans un système de transmission, le produit couple × vitesse est constant (en négligeant les pertes). Si la vitesse diminue, le couple augmente proportionnellement.

Courroies de transmission

Types de courroies

Type	Caractéristiques	Applications typiques
Courroie plate	Section rectangulaire, grande surface de contact	Machines à grande vitesse, transmission longue distance
Courroie trapézoïdale (V)	Section en V, meilleure adhérence dans la gorge	Usage général, convoyeurs, compresseurs
Courroie crantée (synchrone)	Dents qui s'engrènent dans la poulie, pas de glissement	Applications nécessitant un synchronisme exact (arbre à cames, imprimantes)
Courroie poly-V (micro-V)	Plusieurs nervures longitudinales, flexible	Applications à haute vitesse, faible encombrement
Courroie ronde	Section circulaire, utilisée dans les systèmes légers	Petites machines, entraînements à faible puissance

Courroies trapézoïdales : désignations et dimensions

Les courroies trapézoïdales sont désignées par leur section (A, B, C, D, E) selon les normes. Les dimensions nominales sont :

Section	Largeur (mm)	Hauteur (mm)	Plage de puissance typique
A	13	8	0,5 à 7 kW
B	17	11	1 à 15 kW
C	22	14	5 à 40 kW
D	32	19	15 à 100 kW
E	38	23	30 à 200 kW

Calcul de la longueur de courroie

Pour une courroie trapézoïdale, la longueur primitive (Lp) se calcule :

Lp = 2C + (π/2) × (D₁ + D₂) + (D₂ − D₁)² / (4C)

Où :

C = entraxe (distance entre les centres des deux poulies)

D₁ = diamètre primitif de la petite poulie

D₂ = diamètre primitif de la grande poulie

Piège courant : la longueur primitive n'est pas la longueur extérieure. Les courroies sont mesurées sur leur diamètre primitif, qui se situe approximativement au centre de la section.

Tension des courroies

La tension correcte est essentielle. Une courroie trop lâche glisse et surchauffe ; une courroie trop tendue surcharge les roulements et réduit la durée de vie.

Méthode de la flèche : appliquez une force perpendiculaire au milieu de la portée libre. La flèche (déflexion) doit être d'environ 1/64 de pouce par pouce de portée libre (environ 1,5 mm par 100 mm). La force à appliquer dépend de la section de la courroie.

Règle pratique : la flèche doit être approximativement égale à l'épaisseur de la courroie pour une tension correcte.

Alignement des poulies

L'alignement des poulies est critique. Un mauvais alignement provoque une usure prématurée, des vibrations et une perte de puissance. Utilisez :

Une règle droite ou un cordeau pour vérifier l'alignement parallèle

Un niveau à laser pour un alignement de précision

Un comparateur pour vérifier le voile des poulies

Exigence : les faces des poulies doivent être dans le même plan avec une tolérance de ±0,5 mm pour les courroies trapézoïdales.

Chaînes de transmission

Types de chaînes

Type	Caractéristiques	Applications
Chaîne à rouleaux (ANSI)	La plus courante, rouleaux sur bagues	Convoyeurs, machines-outils, entraînements industriels
Chaîne à chaînons (bush chain)	Similaire mais sans rouleaux	Applications à basse vitesse
Chaîne silencieuse (inverse tooth)	Dents plates, fonctionnement silencieux	Applications à haute vitesse, précision
Chaîne à maillons de levage	Maillons ovales, résistance élevée	Levage, manutention

Désignation des chaînes à rouleaux

Les chaînes ANSI sont désignées par un numéro : le premier chiffre indique le pas en huitièmes de pouce, le second chiffre indique le type (0 = standard, 1 = légère, 5 = lourde).

Exemples :

40 : pas de 4/8 = 1/2 pouce (12,7 mm), standard

60 : pas de 6/8 = 3/4 pouce (19,05 mm), standard

80 : pas de 8/8 = 1 pouce (25,4 mm), standard

Calcul de la longueur de chaîne

La longueur d'une chaîne s'exprime en nombre de maillons. Pour un entraînement par chaîne :

L = (2C/P) + (Z₁ + Z₂)/2 + (Z₂ − Z₁)² / (4π² × C/P)

Où :

L = nombre de maillons

C = entraxe en mm

P = pas de la chaîne en mm

Z₁ = nombre de dents du pignon menant

Z₂ = nombre de dents du pignon mené

Règle importante : le nombre de maillons doit être un nombre entier. Si le calcul donne un nombre fractionnaire, arrondissez au nombre entier supérieur et ajustez l'entraxe.

Tension et alignement des chaînes

La flèche recommandée pour une chaîne est d'environ 2 à 4 % de l'entraxe (mesurée au milieu de la portée libre). Un tendeur peut être nécessaire si l'entraxe n'est pas réglable.

Alignement : les pignons doivent être dans le même plan avec une tolérance de ±0,25 mm. Un désalignement angulaire de plus de 1° est inacceptable.

Lubrification des chaînes

La lubrification est essentielle pour la durée de vie. Les méthodes vont de la lubrification manuelle (basse vitesse) à la lubrification par bain d'huile ou par jet (haute vitesse). La règle générale :

Vitesse < 3 m/s : graissage manuel ou goutte à goutte

Vitesse 3 à 7,5 m/s : bain d'huile ou barbotage

Vitesse > 7,5 m/s : lubrification par jet d'huile sous pression

Engrenages

Types d'engrenages

Type	Caractéristiques	Applications
Engrenage droit	Dents parallèles à l'axe, simple, bruyant	Basses et moyennes vitesses
Engrenage hélicoïdal	Dents inclinées, fonctionnement silencieux, poussée axiale	Hautes vitesses, transmission de puissance
Engrenage conique	Dents sur cône, transmet à angle droit	Renvois d'angle
Engrenage à chevrons	Double hélice, pas de poussée axiale	Très hautes puissances
Vis sans fin et roue	Rapport élevé, irréversible, rendement faible	Freins, treuils, systèmes de levage

Rapport d'engrenage et couple

Pour une paire d'engrenages :

i = Z₂ / Z₁ = N₁ / N₂

Le couple de sortie est :

T₂ = T₁ × i × η

Où η est le rendement (typiquement 0,95 à 0,98 pour les engrenages droits, 0,85 à 0,90 pour les vis sans fin).

Jeu entre dents (backlash)

Le jeu entre dents est l'espace entre les flancs de dents de deux engrenages en prise. Il est nécessaire pour :

Compenser la dilatation thermique

Permettre la lubrification

Éviter le coincement

Le jeu typique est de 0,05 à 0,15 mm pour les engrenages industriels standard. Un jeu excessif provoque du bruit et des chocs ; un jeu insuffisant provoque une surchauffe et une usure rapide.

Montage des engrenages

Lors du montage d'une paire d'engrenages :

100.Vérifiez que les arbres sont parallèles (tolérance : 0,02 mm par 100 mm)

101.Vérifiez l'entraxe (tolérance : ±0,05 mm)

102.Vérifiez le jeu entre dents avec une jauge d'épaisseur ou un comparateur

103.Vérifiez le contact des dents avec de la pâte à tracer (le contact doit couvrir au moins 70 % de la largeur de dent)

Accouplements (couplings)

Rôle et classification

L'accouplement relie deux arbres pour transmettre le couple tout en compensant les défauts d'alignement. On distingue :

Type	Compensation	Applications
Rigide	Aucune	Arbres parfaitement alignés
Élastique (caoutchouc, élastomère)	Désalignement modéré, absorbe les chocs	Pompes, ventilateurs, compresseurs
À engrenages	Désalignement angulaire et parallèle	Fortes puissances, hautes vitesses
À soufflet	Désalignement faible, couple élevé	Servomoteurs, machines de précision
À griffes (spider)	Désalignement modéré, facile à remplacer	Petites et moyennes puissances
Hydraulique	Absorption des chocs, limitation du couple	Applications à chocs

Alignement des accouplements

L'alignement est l'une des opérations les plus critiques du métier. Les méthodes :

111.Méthode de la règle et du jeu : règle droite sur la circonférence, jauge d'épaisseur entre les faces. Précision : ±0,1 mm.

112.Méthode du comparateur (dial indicator) : deux comparateurs montés sur un support, mesure du désalignement radial et axial. Précision : ±0,02 mm.

113.Alignement laser : la méthode la plus précise et la plus rapide. Précision : ±0,005 mm.

Tolérances typiques (selon la norme ISO 1940 et les recommandations des fabricants) :

Type de machine	Vitesse (tr/min)	Désalignement parallèle max	Désalignement angulaire max
Machines lentes	< 1000	0,10 mm	0,10 mm/100 mm
Machines moyennes	1000-3600	0,05 mm	0,05 mm/100 mm
Machines rapides	> 3600	0,02 mm	0,02 mm/100 mm

Procédure d'alignement au comparateur

117.Montez le support de comparateur sur un arbre, les comparateurs sur l'autre.

118.Tournez les deux arbres ensemble par incréments de 90°.

119.Relevez les lectures à 0°, 90°, 180°, 270°.

120.Calculez le désalignement : la différence entre les lectures opposées divisée par 2 donne le désalignement radial.

121.Ajustez la position de la machine avec des cales sous les pieds.

122.Répétez jusqu'à ce que les lectures soient dans les tolérances.

Piège courant : ne jamais aligner à froid une machine qui fonctionne à chaud. La dilatation thermique déplace l'arbre ; il faut prévoir un "offset thermique" (généralement fourni par le fabricant).

Boîtes de vitesses et réducteurs

Types de réducteurs

Type	Rapport typique	Rendement	Applications
Réducteur à engrenages droits	2:1 à 10:1	95-98 %	Usage général
Réducteur à engrenages hélicoïdaux	5:1 à 50:1	94-97 %	Convoyeurs, mélangeurs
Réducteur à vis sans fin	10:1 à 100:1	70-90 %	Treuils, positionneurs
Réducteur planétaire	3:1 à 100:1	95-98 %	Servomoteurs, robots
Variateur mécanique (PIV)	Variable	90-95 %	Machines à vitesse variable

Calcul du couple de sortie d'un réducteur

T₂ = T₁ × i × η

Exemple : un moteur de 5 kW à 1750 tr/min entraîne un réducteur 20:1 avec un rendement de 92 %.

T₁ = (9550 × 5) / 1750 = 27,3 N·m

T₂ = 27,3 × 20 × 0,92 = 502,3 N·m

N₂ = 1750 / 20 = 87,5 tr/min

Vérification de la capacité thermique

Un réducteur peut être limité par sa capacité thermique (dissipation de chaleur) plutôt que par sa capacité mécanique. Si la température d'huile dépasse 90 °C, il faut :

Augmenter la ventilation

Ajouter un refroidisseur

Réduire la charge ou la vitesse

Arbres de transmission et roulements

Arbres

Les arbres de transmission transmettent le couple et supportent les charges. Les critères de conception incluent :

Résistance à la torsion (contrainte de cisaillement)

Résistance à la flexion (contrainte normale)

Déflexion maximale admissible

Vitesse critique (éviter la résonance)

Contrainte de torsion :

τ = (16 × T) / (π × d³)

Où τ = contrainte de cisaillement (Pa), T = couple (N·m), d = diamètre de l'arbre (m).

Roulements

Type	Charge radiale	Charge axiale	Vitesse	Applications
Billes à contact radial	Bonne	Faible	Très élevée	Moteurs, pompes
Rouleaux cylindriques	Très bonne	Faible	Élevée	Boîtes de vitesses
Rouleaux coniques	Très bonne	Très bonne	Moyenne	Roues, différentiels
Butée à billes	Nulle	Très bonne	Moyenne	Arbres verticaux
Aiguilles	Bonne	Faible	Moyenne	Espaces restreints

Montage des roulements

Montage à chaud : chauffer le roulement dans un four ou un bain d'huile à 80-120 °C (jamais plus de 125 °C). Ne jamais utiliser de chalumeau directement sur le roulement.

Montage à froid : utiliser une presse ou un tube de montage qui appuie sur la bague intérieure (jamais sur la bague extérieure pour un montage sur arbre).

Jeu interne : le jeu interne d'un roulement diminue lorsqu'il est monté avec interférence. Un jeu négatif (précharge) peut provoquer une surchauffe.

Normes et codes applicables

Code canadien de l'électricité (CCE)

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (CSA C22.1) s'applique aux installations électriques, y compris les moteurs et leurs protections. Points pertinents :

Règle 28-300 : Protection contre les surcharges des moteurs. Le dispositif de protection doit être réglé à 125 % du courant à pleine charge pour les moteurs à service continu.

Règle 28-308 : Protection contre les courts-circuits. Le fusible ou le disjoncteur doit être dimensionné selon le tableau 29.

Règle 28-602 : Section des conducteurs d'alimentation des moteurs.

Bien que ce code soit électrique, le mécanicien industriel doit connaître ces règles car il travaille en interface avec les moteurs.

CSA B149.1 (Code canadien du gaz naturel et du propane)

Ce code s'applique aux installations de gaz, y compris les moteurs à gaz et les compresseurs. Points pertinents :

Ventilation des locaux contenant des moteurs à combustion

Détection de fuites de gaz

Distances de sécurité par rapport aux sources d'inflammation

Normes CSA pour les machines

CSA Z432 : Protection des machines (garde de machines). Cette norme définit les exigences pour les protecteurs et les dispositifs de sécurité.

CSA Z460 : Verrouillage (cadenassage) — contrôle des énergies dangereuses.

Normes ISO pertinentes

ISO 1940 : Équilibrage des arbres et des rotors (qualité d'équilibrage G).

ISO 10816 : Évaluation des vibrations des machines.

ISO 4183 : Courroies trapézoïdales — gorges de poulies.

Procédures de sécurité

Cadenassage (Lockout/Tagout)

Avant toute intervention sur un système de transmission :

180.Identifiez toutes les sources d'énergie (électrique, hydraulique, pneumatique, mécanique).

181.Arrêtez la machine.

182.Isolez les sources d'énergie (ouvrez le sectionneur, fermez les vannes).

183.Appliquez le cadenas et l'étiquette (conforme à la CSA Z460).

184.Dissipez l'énergie résiduelle (déchargez les accumulateurs, attendez l'arrêt complet).

185.Vérifiez l'absence d'énergie (essai de démarrage).

Gardes de protection

Tous les éléments de transmission (courroies, chaînes, engrenages, accouplements) doivent être protégés par des gardes conformes à la CSA Z432 :

Distance minimale entre la garde et la pièce mobile

Matériau résistant aux chocs

Fixation nécessitant un outil pour être retirée

Ne pas créer de nouveaux points de pincement

Équilibrage des rotors

L'équilibrage est nécessaire pour les poulies, les rotors, les volants. La qualité d'équilibrage G est définie par l'ISO 1940 :

Qualité G	Applications typiques
G 6,3	Ventilateurs, pompes, machines agricoles
G 2,5	Moteurs électriques, turbines, machines-outils
G 1,0	Compresseurs, machines de précision
G 0,4	Gyroscopes, broches de haute précision

Pièges à éviter

197.Confondre diamètre primitif et diamètre extérieur des poulies. Le rapport de transmission se calcule sur les diamètres primitifs, pas sur les diamètres extérieurs.

198.Oublier le rendement dans les calculs de couple. Un réducteur à vis sans fin a un rendement de 70-90 % ; négliger ce facteur donne un couple de sortie surestimé.

199.Utiliser la longueur extérieure au lieu de la longueur primitive pour les courroies. La différence peut être de 20 à 40 mm selon la section.

200.Ne pas tenir compte de la dilatation thermique lors de l'alignement. Une machine qui fonctionne à 80 °C peut se déplacer de 0,5 mm par rapport à sa position à froid.

201.Serrage excessif des courroies. Une courroie trop tendue endommage les roulements du moteur et de la machine réceptrice. Utilisez toujours la méthode de la flèche.

202.Ignorer le jeu entre dents lors du montage des engrenages. Un jeu nul provoque une surchauffe et un bruit de cognement.

203.Monter un roulement en appuyant sur la mauvaise bague. Pour un montage sur arbre, la force doit être appliquée sur la bague intérieure uniquement.

204.Oublier la règle du 125 % pour la protection contre les surcharges des moteurs (CCE règle 28-300). Cette valeur est souvent demandée à l'examen.

205.Confondre les unités : ne mélangez jamais les unités métriques et impériales dans un même calcul. Convertissez d'abord.

206.Négliger la vérification du sens de rotation avant l'accouplement final. Un moteur triphasé peut tourner dans le mauvais sens si les phases sont inversées.

Résumé

La puissance est le produit du couple par la vitesse angulaire : P = T × Ω.

Le rapport de transmission est inversement proportionnel aux diamètres ou aux nombres de dents.

Les courroies transmettent la puissance par friction (trapézoïdales, plates) ou par engrènement (crantées). La tension se vérifie par la méthode de la flèche.

Les chaînes transmettent la puissance par engrènement positif. La flèche recommandée est de 2 à 4 % de l'entraxe.

Les engrenages offrent un rendement élevé (95-98 %). Le jeu entre dents est essentiel pour un fonctionnement correct.

Les accouplements compensent les défauts d'alignement. L'alignement au comparateur ou au laser est une compétence clé.

Les réducteurs multiplient le couple en réduisant la vitesse. Le couple de sortie = couple d'entrée × rapport × rendement.

Le Code canadien de l'électricité (règle 28-300) exige une protection à 125 % du courant à pleine charge pour les moteurs.

La CSA Z432 régit les gardes de protection ; la CSA Z460 régit le cadenassage.

L'équilibrage des rotors suit l'ISO 1940 avec des qualités G allant de G 0,4 à G 6,3 selon l'application.

Questions d'auto-évaluation

221.Un moteur de 10 kW tourne à 1450 tr/min. Quel est le couple sur l'arbre ?

222.Une poulie menante de 200 mm de diamètre tourne à 1200 tr/min. La poulie menée a un diamètre de 500 mm. Quelle est la vitesse de sortie ?

223.Un réducteur 30:1 avec un rendement de 85 % reçoit un couple d'entrée de 50 N·m. Quel est le couple de sortie ?

224.Quelle est la flèche recommandée pour une chaîne avec un entraxe de 600 mm ?

225.Quelle est la tolérance d'alignement pour une machine tournant à 3000 tr/min ?

226.Quel est le pourcentage de protection contre les surcharges exigé par le CCE pour un moteur à service continu ?

(Réponses : 1. 65,9 N·m ; 2. 480 tr/min ; 3. 1275 N·m ; 4. 12 à 24 mm ; 5. 0,05 mm parallèle, 0,05 mm/100 mm angulaire ; 6. 125 %)

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