Transformer un mouvement : bielle-manivelle, came, vis-écrou, pignon-crémaillère

1. Tourner ou avancer : deux mouvements à relier

La plupart des moteurs tournent. Or une machine doit souvent pousser, lever, serrer ou déplacer en ligne droite. Entre les deux, il faut un mécanisme qui transforme le mouvement. Quatre systèmes reviennent partout dans l'atelier : la bielle-manivelle, la came, la vis-écrou et le pignon-crémaillère. Ce cours vous apprend à les reconnaître, à calculer ce qu'ils produisent et à repérer leurs points faibles.

Quatre mots à bien distinguer. La rotation : une pièce tourne autour d'un axe. La translation : une pièce avance en ligne droite. Un mouvement est continu s'il garde toujours le même sens, comme un moteur qui tourne. Il est alternatif s'il va et vient, comme une scie. Enfin, un système est réversible si l'on peut aussi l'entraîner « à l'envers », en poussant sur la sortie pour faire tourner l'entrée.

2. Le système bielle-manivelle

La manivelle tourne autour d'un axe fixe O. À son extrémité A, elle porte une articulation reliée à la bielle. L'autre bout de la bielle, en B, est articulé sur un coulisseau (ou un piston) guidé en ligne droite. À chaque tour de manivelle, le coulisseau fait un aller et un retour.

La distance parcourue entre les deux positions extrêmes s'appelle la course. Elle vaut deux fois le rayon de manivelle R, c'est-à-dire la distance OA. La longueur de la bielle ne change pas la course : elle change seulement la position du coulisseau et l'encombrement.

Aux deux extrémités de la course, la manivelle et la bielle sont alignées. On parle de points morts : point mort haut et point mort bas. Le coulisseau s'y arrête un instant avant de repartir en sens inverse. Sa vitesse n'est donc pas constante : nulle aux points morts, maximale vers le milieu de la course.

Le système est réversible : dans un moteur de voiture, c'est le piston qui pousse et fait tourner le vilebrequin. Mais au point mort, pousser sur le piston ne fait rien tourner. C'est pour passer les points morts que ces machines ont un volant d'inertie. On retrouve la bielle-manivelle dans les compresseurs et pompes à piston, les scies alternatives et les presses mécaniques.

3. La came et son suiveur

Une came est une pièce dont le contour n'est pas un cercle centré. En tournant, elle soulève une autre pièce, le suiveur : un poussoir, souvent muni d'un galet pour limiter le frottement, ou un levier. La forme du profil décide de tout : quand le suiveur monte, de combien, combien de temps il reste en haut, quand il redescend.

La levée est le déplacement total du suiveur. Pour une came disque, elle se lit directement sur la pièce : c'est l'écart entre le plus grand et le plus petit rayon du profil. Le plus petit rayon définit le cercle de base.

Une came pousse, mais elle ne sait pas tirer. Pour que le suiveur redescende et reste en contact avec le profil, on ajoute un ressort de rappel, ou on utilise une came à rainure qui guide le galet dans les deux sens. La came n'est pas réversible : appuyer sur le suiveur ne fait pas tourner la came. On la trouve dans l'arbre à cames d'un moteur, sur les tours automatiques à cames et dans de nombreuses machines d'assemblage.

4. L'excentrique

L'excentrique est un disque circulaire dont le centre est décalé de l'axe de rotation. Ce décalage s'appelle l'excentration e. Un collier qui entoure le disque joue le rôle de la bielle. Le comportement est celui d'une bielle-manivelle très compacte, avec une manivelle de rayon e : la course vaut 2 × e. Avec une excentration de 5 mm, la course est de 10 mm. On le trouve dans les petites presses, les pompes et les cribles vibrants.

5. Le système vis-écrou

Une vis tourne dans un écrou. Si l'écrou est empêché de tourner par un guidage, il avance le long de la vis. On peut aussi faire l'inverse : l'écrou tourne et c'est la vis qui avance. À chaque tour, la pièce mobile avance d'un pas, la distance entre deux filets voisins, pour une vis à un seul filet.

Il existe deux grandes familles. La vis à filet trapézoïdal frotte directement dans son écrou. Elle est simple et peu chère, mais son rendement est faible. En contrepartie, elle est le plus souvent irréversible : une charge qui pousse sur l'écrou ne fait pas tourner la vis. C'est ce qui permet à un étau, un serre-joint ou un cric de rester serrés tout seuls. Une vis Tr de pas 4 mm tournée de 12 tours fait avancer l'écrou de 4 × 12 = 48 mm.

La vis à billes remplace le frottement par des billes qui roulent entre la vis et l'écrou. Elle a un très bon rendement et presque pas de jeu : c'est la vis des machines-outils à commande numérique. Mais elle est réversible : sur un axe vertical, le poids du chariot suffit à faire tourner la vis et à faire descendre la charge. C'est pourquoi ces axes ont un moteur-frein.

6. Le pignon et la crémaillère

Un pignon (roue dentée) engrène sur une crémaillère, une barre droite taillée de dents. Quand le pignon tourne, la crémaillère avance, ou bien le pignon roule le long d'une crémaillère fixe. Les deux doivent avoir le même module m. Le cercle primitif du pignon « roule sans glisser » sur la ligne primitive de la crémaillère : à chaque tour, la crémaillère avance de la circonférence de ce cercle.

Le système est réversible : pousser la crémaillère fait tourner le pignon. Il permet de très grandes courses, car on peut mettre des crémaillères bout à bout. Vous le connaissez sur la perceuse à colonne : le levier de descente fait tourner un pignon qui engrène sur une crémaillère taillée sur le fourreau de la broche. On le trouve aussi sur les portails coulissants et les grands axes de machines de découpe.

7. Schématiser et choisir

En schéma cinématique, chaque système se ramène à des liaisons connues. La bielle-manivelle compte trois pivots (en O, A et B) et une glissière pour le coulisseau. La vis-écrou est une liaison hélicoïdale, dessinée par un rectangle barré de traits obliques autour de l'axe. Le pignon-crémaillère se représente par le cercle primitif tangent à la ligne de la crémaillère. Pour les symboles, reportez-vous au cours sur le schéma cinématique.

8. Pour aller plus loin