Markus Kossman

Torque talk – le pouvoir caché des engrenages

janvier 08
2014
Torque talk – le pouvoir caché des engrenages

Imagine un peu – LEGO® TECHNIC ne serait pas aussi technique – ou pas aussi amusant à construire – sans cette humble roue dentée, une ingénieuse invention dont la première utilisation remonte à plus de 2 300 ans.

Les roues dentées et les engrenages, sous leurs différentes interprétations modernes, ne représentent pas seulement l'essentiel des produits LEGO® TECHNIC, mais ils jouent un rôle majeur dans toutes les pièces mécaniques avec lesquelles ils rentrent en contact. Dès lors que tu utilises des objets à parties mobiles, ces derniers contiennent vraisemblablement des engrenages, même si, comme dans les modèles LEGO® TECHNIC, cela n'est pas toujours évident !

À quoi servent donc les engrenages, dans les outils mécaniques et dans le moteur Power Functions, dans les montres et les grues mobiles ?!? Lis cette brève présentation du monde des engrenages et découvre toutes les applications incroyables et surprenantes des engrenages dans la fabuleuse grue mobile MKII.

Pourquoi a-t-on besoin des engrenages ?

Les engrenages remplissent toutes sortes de fonctions mécaniques vitales, la plus importante d'entre elles étant connue sous le nom de démultiplication : un petit moteur peut générer une certaine quantité de puissance, mais souvent insuffisante pour créer une force de rotation ou un couple. La réduction de la vitesse de sortie du moteur permet d'augmenter le couple. Par exemple, un petit outil mécanique, comme une visseuse électrique, ne fonctionnerait pas sans engrenages.

Parallèlement à la diminution (ou à l'augmentation) de la vitesse de rotation, les engrenages servent généralement dans les tâches suivantes :
  • Inverser le sens de rotation
  • Déplacer un mouvement rotatif sur un autre axe
  • Maintenir la rotation de deux axes synchronisés

De nombreux modèles Technic, et surtout ceux qui sont dotés du moteur Power Functions, ont largement recours aux engrenages et aux fonctions de transmission pour fonctionner. Avant de nous pencher sur le fonctionnement des engrenages à bord de la grue mobile MKII (qui, d'ailleurs, n'en manque pas !), nous devons aborder un ou deux points :

Les engrenages existent sous différentes formes et tailles !

spur gearsLes engrenages droits sont les plus courants. Ils possèdent des dents droites et sont montés sur des arbres parallèles. Les engrenages droits sont utilisés ensemble pour générer une très grande démultiplication. Application type : outils mécaniques, machines à laver, montres, etc. !

Les engrenages hélicoïdaux sont très similaires aux engrenages droits, sauf que les dents sont inclinées, ce qui permet aux engrenages hélicoïdaux d'avoir plus de contact dans une même zone. Le engrenages hélicoïdaux sont plus souples et plus silencieux que les engrenages droits. Application type : transmissions automobiles.

bevel gearsLes engrenages coniques se révèlent utiles pour changer le sens de rotation d'un arbre. Ils sont généralement montés sur des arbres formant un angle de 90 degrés, mais peuvent fonctionner également sous d'autres angles. Applications types : systèmes d'entraînement dans les trains, les avions et les automobiles.

tandstangLes engrenages à vis sans fin sont utilisés pour transmettre de la puissance à 90° et lorsque d'importantes démultiplications sont requises. De nombreux engrenages à vis sans fin ont la même propriété unique : la vis sans fin peut facilement faire tourner l'engrenage, mais l'engrenage ne peut pas faire tourner la vis sans fin. C'est une application très pratique comme tu vas le voir dans la grue mobile MKII, ci-dessous ! Application type : systèmes de direction, palans (pense à la grue mobile II !).

Un engrenage à crémaillère est un engrenage droit utilisé pour transmettre la puissance et le mouvement de manière linéaire. Application type : direction automobile.

Les pignons sont utilisés pour entraîner des chaînes ou des courroies. Application type : installations de manutention.

Rapports d'engrenage, types et … dents !

La clé de la gestion du mouvement et de la puissance réside dans les rapports d'engrenage. Place un gros engrenage avec un petit engrenage et fais-les tourner. La vitesse à laquelle ils tournent l'un en fonction de l'autre est appelée le rapport. Sur tout engrenage, le rapport est déterminé par les distances entre le centre de l'engrenage et le point de contact. Par exemple, dans un dispositif comportant deux engrenages, si l'un des deux a un diamètre deux fois supérieur à l'autre, le rapport est égal à 2:1. Si les deux engrenages ont le même diamètre, ils vont tourner à la même vitesse (1:1), et ainsi de suite jusqu'à des centaines voire des milliers sur un !

1 1 gearing
Engrenage 1:1, 8:8, 16:16, 24:24.

bevel gear ratio
Engrenage 3:1-8:24, 1:1,67-12:20, 3:1-12:36.

worm gear ratioEngrenage à vis sans fin 1:8, 1:24 (la vis sans fin est considérée comme un engrenage).

De bonnes dents, c'est important !

Une toute dernière chose avant de passer à la grande grue – à quoi ressemblent tes dents ? Elles sont droites, en spirale ou hypoïdes ? Ou peut-être involutées ? Heureusement, elles sont droites (bien qu'une forme en spirale serait des plus intéressantes) !

Engrenages et dents (à l'origine, il s'agissait de chevilles en bois) vont de paire tout comme LEGO(c) et TECHNIC. Différents engrenages – répondant à différentes exigences– nécessitent différents types de dents (aux noms bizarres). Mais, le plus important à propos des dents et des engrenages concerne leur forme. Des écarts ou des dents d'une forme incorrecte, sont synonymes de fluctuations constantes de la vitesse de sortie. C'est sans importance pour les montres, par exemple, mais pas pour d'autres applications (véhicules) ! Les engrenages de moteur doivent tourner de sorte que tout fonctionne le plus harmonieusement possible, et c'est là qu'intervient le profil d'engrenage involuté avec des dents conçues pour offrir en permanence le maximum de contact entre les engrenages.

Il est temps de passer de la théorie à la pratique !

Pour placer tout ce dont nous venons de parler dans une certaine forme de contexte, nous avons demandé au designer senior TECHNIC Markus Kossmann de mettre en évidence les éléments d'engrenage clés de la grue mobile MKII, de sorte que tu puisses voir comment fonctionnent les engrenages dans la pratique, ou du moins dans les modèles LEGO© TECHNIC … ;-)

Markus, tu as la parole :
La grue mobile MKII utilise 127 engrenages pour remplir toutes ses fonctions. Il s'agit du plus grand nombre d'engrenages jamais utilisé dans un modèle Technic(r). En commençant par le moteur de la superstructure de la grue, je vais te montrer comment certains engrenages fonctionnent ici :

step 1 powertrain

Pour gérer le couple, nous avons choisi un rapport de 12:20. Les diverses fonctions de la grue ont besoin de vitesses et d'un couple différents. Il est important de trouver le bon équilibre entre le couple et la vitesse pour ne pas gaspiller de l'énergie.

Le transfert de la rotation vers le dispositif de commande, situé de l'autre côté de la superstructure pour libérer de l'espace, a nécessité une série de cinq engrenages à 16 dents. Certaines fonctions ont besoin d'énormément de puissance, d'autres moins, c'est pourquoi il était important de veiller à ce qu'une seule fonction soit exécutée à la fois. Pour en faciliter l'accès, le changement de vitesse est situé sur un essieu transversal et comporte quatre positions différentes pour exécuter chaque fonction séparément.

step 2 powertrain Tu peux voir ici le dispositif de commande. Les engrenages à 16 dents gris foncé ne tournent que lorsqu'ils sont engagés.

powertrain step4Ici, tu peux voir l'engrenage requis pour l'extension de la flèche. Ce n'était pas évident de déterminer le placement relatif des essieux transversaux rotatif et fixe !

powertrain step9Tu peux voir ici l'engrenage de la flèche. La flèche est articulée sur un essieu transversal de 12 cm monté sur un engrenage conique à rotation libre à 20 dents. Comme l'essieu transversal supporte le poids total de la flèche, nous avons choisi un engrenage conique à rotation libre pour maintenir un minimum de frottement. De même, l'engrenage embrayé de rapport 1:3 a aussi été mis en place pour des raisons de sécurité - sans l'embrayage, en cas d'oubli d'arrêt de l'engrenage à vis sans fin servant à l'extension de la flèche, la structure subirait beaucoup de contrainte et certains éléments risqueraient même de se casser ! L'engrenage à vis sans fin permet d'arrêter la flèche et de réduire la vitesse, tout en conservant plus de puissance pour la lourde tâche que représente l'extension de la flèche. Un transfert de la puissance de rotation vers la puissance linéaire permet l'utilisation de plaques dentées dans la seconde phase de l'extension de la flèche.

powertrain step7 Ici le treuil est engagé sur deux essieux statiques et son régime est multiplié par 1,67, utilisant des engrenages de 20 et 12 dents pour la vitesse. Le verrou du treuil utilise un engrenage à vis sans fin ainsi qu'un pignon d'embrayage. L'engrenage à vis sans fin empêche le treuil de tourner lorsque la fonction n'est pas engagée. Le pignon d'embrayage empêche le levage de charges trop lourdes et évite que le crochet ne se bloque dans le treuil.

powertrain step 8 Tu peux voir ici la fonction de levage de la flèche. Comme cette opération requiert beaucoup de couple, nous avons choisi un rapport d'engrenage de 1:3, avec des engrenages à 8 et 24 dents. Nous avons utilisé quatre essieux de rotation pour transférer la puissance. Aucun pignon d'embrayage n'est nécessaire ici car l'actionneur linéaire en a un intégré.

powertrain step 6Tu peux voir ici la fonction de vérin stabilisateur engagée. Elle est reliée via un essieu statique à un essieu transversal à 16 modules avec deux engrenages coniques de rapport 1:1 à douze dents reliant la plate-forme tournante au châssis de la grue. Nous avons ajouté un élément en renfort pour veiller à ce que les deux engrenages fonctionnent bien ensemble.

chassis side viewVu de côté, le châssis semble compact. Il est construit sur quatre couches pour que chaque élément soit à la bonne place.

chassis side view motor strokeLa couche inférieure comprend la transmission du moteur à piston. La rotation est transférée grâce à une série de cinq engrenages à 16 dents.

chassis side view steeringLa deuxième couche présente la direction située au centre du châssis. Ici, la difficulté consistait à transférer la puissance vers les stabilisateurs.

chassis side view outriggers strokeLa troisième couche comporte les contrôleurs de stabilisateur ; elle utilise également les engrenages de la deuxième couche pour déplier les stabilisateurs.

chassis side view feet stroke La quatrième couche permet de lever et d'abaisser les pieds des stabilisateurs.

chassis 1 1Voici une vue en 3D du châssis - plusieurs fonctions sont exécutées au centre, dont la direction qui est commandée depuis l'arrière du modèle. Avec les stabilisateurs placés à l'avant et à l'arrière, il n'a pas été facile de concevoir un châssis à la fois fonctionnel et résistant.

chassis step 2 gearboxLa puissance est transférée via la plate-forme tournante dans le châssis au moyen d'une combinaison de trois engrenages coniques et d'une rotation à 90 degrés. Pour intégrer le pignon d'embrayage, la rotation devait être dirigée vers le centre, puis de nouveau vers l'extérieur, à l'aide d'engrenages à 8 et 24 dents.

Dans les versions précédentes, comme les petits actionneurs linéaires disposent d'une fonction d'embrayage intégrée, nous avions placé le pignon d'embrayage dans la transmission utilisée pour déployer les vérins stabilisateurs. Cela utilisait trop de puissance, c'est pourquoi nous avons déplacé le pignon d'embrayage devant le dispositif de commande afin qu'il fonctionne cette fois pour les deux fonctions.

Un autre problème consistait à savoir comment synchroniser les vérins stabilisateurs. La solution a été de placer les deux vérins stabilisateurs en position motrice, puis de faire glisser un des engrenages à 16 dents pour verrouiller la synchronisation - cela n'a pas été simple, car nous devions le faire deux fois !

chassis step 3 outtriggers 2

chassis step 3 outriggers detail stokeComme les vérins stabilisateurs se déplient des deux côtés du véhicule, les engrenages ne doivent pas tourner dans le même sens. Pour cela, nous avons placé deux engrenages à 16 dents à une distance d'un module du centre (de sorte qu'ils tournent dans des sens opposés), puis nous avons transféré la rotation vers les engrenages à 20 dents qui entraînent les engrenages à 12 dents, qui permettent de rentrer et sortir les vérins stabilisateurs.

chassis step 4 feet 2Les vérins stabilisateurs sont commandés à l'aide d'un tout nouvel engrenage à 8 dents sans frottement qui glisse sur les essieux transversaux lorsque les vérins stabilisateurs sont déployés. C'est une fonction très intéressante que nous utiliserons dans nos futurs modèles.

chassis step 5 steering stroke 2 La mise au point de la direction pour un modèle d'une telle longueur est très exigeante dans la mesure où tous les essieux ont besoin d'un angle de braquage qui leur est propre. Pour que la construction du modèle reste simple, nous avons utilisé un essieu unique avec des leviers réglables et les longs leviers tournent les roues dans une moindre mesure que les leviers plus courts. Les essieux se trouvant devant l'essieu du milieu doivent tourner dans le sens inverse des essieux arrière. Cette difficulté a été surmontée en implantant la crémaillère du côté opposé à l'essieu.

chassis step 6 motor strokeL'entraînement à piston a sans doute été la fonction la plus facile à mettre au point. Le différentiel entraîne l'essieu jusqu'à l'avant du châssis de la grue, là où la puissance est transférée vers le haut à l'aide d'une série d'engrenages à 16 dents.

Et le tour est joué ! Merci Markus ! N'hésite pas à nous contacter si tu as des questions sur les engrenages de la grue mobile MKII ou sur LEGO® Technic - et n'oublie de visiter notre prochain blog riche en actions !