Réducteurs et variateurs mécaniques

1. Pourquoi réduire la vitesse ?

Le moteur du convoyeur de Méca-Garonne tourne à 1 435 tr/min. Le tambour qui entraîne la bande doit tourner beaucoup moins vite, mais avec beaucoup plus de couple, pour tirer les pièces. Entre les deux, un réducteur fait l'échange : il divise la vitesse et multiplie le couple.

La clé, c'est que la puissance se conserve, aux pertes près. Un réducteur ne crée pas d'énergie. La puissance mécanique d'un arbre qui tourne est le produit du couple par la vitesse angulaire. Si la vitesse baisse et que la puissance reste presque la même, le couple doit monter. C'est le petit braquet du vélo : on pédale vite, la roue tourne lentement, mais on monte la côte.

2. Rapport de réduction et rendement

Le rapport de réduction i compare la vitesse d'entrée à la vitesse de sortie. Un réducteur « i = 20 » fait tourner sa sortie 20 fois moins vite que son entrée. Attention : le cours sur les engrenages utilise le rapport inverse, r = N sortie ÷ N entrée, plus petit que 1. Les deux disent la même chose.

Une partie de la puissance se perd en chaleur : frottement des dentures, roulements, joints, brassage de l'huile. Le rendement η (lettre grecque « êta ») est la part de puissance qui ressort. Un rendement de 0,9 veut dire que 90 % de la puissance arrive à la sortie.

Voici le calcul complet pour le convoyeur, avec un réducteur de rapport 20 et de rendement 0,9.

1. 1Vitesse de sortie : 1 435 ÷ 20 = 71,75 tr/min.
2. 2Couple d'entrée : ω = 1 435 × 2π ÷ 60 ≈ 150,27 rad/s, donc C = 1 500 ÷ 150,27 ≈ 9,98 N·m.
3. 3Couple de sortie : 9,98 × 20 × 0,9 ≈ 179,7 N·m, dix-huit fois le couple du moteur.
4. 4Puissance de sortie : 1 500 × 0,9 = 1 350 W. Les 150 W manquants chauffent le carter.
5. 5Vitesse de la bande : la courroie relie deux poulies de même diamètre, le tambour tourne donc à 71,75 tr/min. Avec un tambour de 200 mm : π × 0,2 × 71,75 ÷ 60 ≈ 0,75 m/s.

Un réducteur a souvent plusieurs étages. Les rapports se multiplient : un étage de 4 suivi d'un étage de 5 donne 4 × 5 = 20. Les rendements se multiplient aussi : deux étages à 0,95 donnent 0,95 × 0,95 ≈ 0,90.

3. Les familles de réducteurs

Pourquoi ne pas prendre directement un moteur lent ? Parce qu'à puissance égale, un moteur qui doit fournir un gros couple est gros, lourd et cher. Un petit moteur rapide suivi d'un réducteur coûte moins et prend moins de place. Le choix entre les familles dépend ensuite de la place disponible, de l'orientation des arbres, du rapport voulu et du rendement acceptable : un rendement faible, c'est de l'électricité payée pour chauffer le carter, toute la journée.

4. Lire la plaque d'un réducteur

Comme le moteur, un réducteur ou un motoréducteur porte une plaque signalétique. C'est la première chose à relever avant une commande de pièce ou une intervention. Les informations utiles :

5. Les variateurs mécaniques

Un réducteur a un rapport fixe. Un variateur mécanique permet de changer le rapport de façon continue, machine en marche. Le modèle le plus répandu utilise une poulie à flasques mobiles : ses deux joues coniques peuvent s'écarter ou se rapprocher. Une courroie large, à section trapézoïdale, s'appuie sur les flancs. Flasques écartés, la courroie descend vers l'axe : petit diamètre d'appui. Flasques rapprochés, elle remonte : grand diamètre.

Ces variateurs se rencontrent encore sur des machines anciennes, des perceuses et des scies. Sur les machines récentes, on préfère le plus souvent un variateur de fréquence électronique, qui fait varier la vitesse du moteur lui-même, sans pièce d'usure mécanique. Il est présenté dans le cours sur le moteur asynchrone et le variateur de fréquence.

6. Entretenir un réducteur

Un réducteur bien lubrifié peut durer très longtemps. Ce qui le tue : le manque d'huile, une huile usée ou de mauvaise qualité, et l'eau ou la poussière qui entrent. L'entretien de premier niveau porte sur le niveau, les fuites, la température et le bruit. La vidange se fait à la périodicité et avec l'huile indiquées par la notice.

1. 1Arrêter et consigner le convoyeur. Attendre que l'huile se stabilise et que le carter refroidisse.
2. 2Repérer, d'après la position de montage, le bouchon de niveau ou le voyant.
3. 3Contrôler le niveau. Compléter si besoin avec l'huile de même référence, par le bouchon de remplissage.
4. 4Vérifier que le reniflard (bouchon d'évent) est propre et placé en haut du carter.
5. 5Rechercher les traces de fuite aux joints d'arbres et au plan de joint, nettoyer, noter l'intervention.

Le reniflard laisse respirer le carter : l'huile et l'air se dilatent en chauffant. S'il est bouché, la pression monte et l'huile sort par les joints. Certains réducteurs sont livrés avec un bouchon plein pour le transport, à remplacer par le reniflard à la mise en service. Si l'on change la position de montage, reniflard, bouchons et quantité d'huile changent aussi.

7. Pour aller plus loin