Sobriété et efficacité dans les moteurs – Focus sur l’optimisation des transmissions

CETIM

Optimisation des transmissions 

Les problèmes de transmission ou de frottement dans les systèmes entraînés par les moteurs peuvent induire des pertes mécaniques – diminuant ainsi l’efficacité du moteur. 

Lors du choix d’un équipement de transmission de puissance mécanique, il est essentiel de garder à l’esprit que chaque élément de la chaîne cinématique possède son propre rôle, mais aussi son propre rendement. Dans certains cas, il est nécessaire d’additionner plusieurs systèmes de transmission pour obtenir l’effet mécanique recherché, par exemple : une transmission poulie-courroie + un réducteur + une transformation de la rotation en mouvement linéaire alternatif. Dans ce cas, chaque composant de la transmission de puissance a son propre rendement qui, cumulé à celui du moteur, va dégrader le bilan énergétique  global de l’équipement.

En cas d’entraînement direct, le rendement sera celui du moteur avec éventuellement celui du variateur de vitesse. Sinon, il faudra tenir compte du rendement de la transmission : réduction ou augmentation de vitesse de rotation et conversion du mouvement. En cas de guidage de l’équipement mobile un rendement supplémentaire interviendra. Le choix de l’équipement de transmission de puissance est un compromis entre l’équipement le plus économe donc ayant le meilleur rendement et la fonction mécanique à assurer.

Les dispositifs ayant un rendement  le plus élevé comme les vis à billes pour la conversion de mouvement ou les réducteurs épicycloïdaux ne répondent pas nécessairement à la fonction mécanique nécessaire à la machine étudiée. Ainsi, le choix du  type de transmission dépend essentiellement du mouvement final requis par l’équipement motorisé.

Si l’équipement final est en translation,  on utilisera les techniques suivantes : bielle-manivelle, pignon-crémaillère, vis à billes ou  vis à rouleaux. Dans ce type de transmission, les pertes vont se focaliser au niveau des dentures des roues dentées et des roulements des différents mouvements.

Si l’équipement final effectue un mouvement de rotation,  on privilégiera les ensembles suivants : poulie-courroie, pignon-chaîne, pignon-engrenage, roue et vis sans fin. Parmi ces systèmes, le couple poulie-courroie est très répandu dans l’industrie. On distingue trois types de courroies :

• La courroie plate
  

  • Très facile à utiliser, mais présentant généralement un glissement sur la poulie, ce qui réduit le rendement de cet équipement.

• La courroie trapézoïdale

  • Offre moins de glissement et qui peut être utilisée pour transmettre plus de puissance, notamment avec des systèmes multi-courroies.

• La courroie crantée (synchrones)

  • Ne présente aucun glissement et possède un bon rendement pour la transmission de puissance. Elle peut transmettre une forte densité de puissance sans nécessiter de dispositif de lubrification.

Ces systèmes ne nécessitent pas de lubrification, mais ils sont sujets à l’allongement et demandent souvent un tendeur pour comepnser ce phénomène.

Les pertes dans les engrenages et les transmissions complexes à pignons s’accumulent généralement sous forme de chaleur, entraînant une élévation de la température du lubrifiant. Dans certains cas, un système de refroidissement externe est nécessaire, ce qui réduit considérablement le rendement énergétique du dispositif.

Les couples pignon-chaîne ne présentent aucun glissement et permettent d’accepter de grands entraxes, mais ils nécessitent une lubrification et présentent des bruits et des vibrations. Il est possible, avec ce dispositif, de transmettre de forts couples, mais à basse vitesse.

Les engrenages permettent de faire passer les plus grandes puissances et d’obtenir des rapports de réduction ou de multiplication. Cependant,   il faut être vigilant avec les grands rapports de transformation, qui génèrent une forte diminution du rendement. Dans les engrenages, on distingue deux grandes familles de pertes :

1. Les pertes dépendantes de la charge appliquée à la transmission :

• Pertes par frottement au niveau des dentures des différents pignons composant la transmission.
• Pertes par frottement liées aux roulements associés à chaque pignon.

2. Les pertes indépendantes de la charge :

• Pertes par barbotage dans le lubrifiant : résistance du lubrifiant au mouvement des pignons, directement liée à sa viscosité.
• Pertes par cisaillement du lubrifiant sur les pignons : augmentation de la friction au niveau des dentures.
• Pertes hydrodynamiques dans les roulements, les paliers, les butées,…
• Pertes liées aux joints.

Bien que présentant des pertes, comme tous les systèmes présentés, les transmissions par engrenages présentent d’excellents rendements, souvent proches de 99 %, en particulier lorsqu’elles sont utilisées dans les conditions nominales de couple et de puissance.

Ces données peuvent être synthétisées à travers deux tableaux comparant les avantages et les inconvénients de chaque solution de transmission de puissance à la sortie d’un moteur électrique, ainsi que leurs rendements associés.

Il est essentiel de garder à l’esprit que, dans cette phase de transmission, l’efficacité énergétique doit être mise en perspective avec la fonction attendue du transfert de mouvement. Ainsi, les solutions les plus économes en énergie ne conviennent pas systématiquement à toutes les applications. Une analyse détaillée de la cinématique est donc indispensable pour identifier le mode de transmission le plus adapté entre le moteur électrique et l’équipement à entraîner.