Guide Complet des Transmissions par Chaîne et des Types de Chaînes : Connaissances Essentielles à Maîtriser pour les Ingénieurs

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Les transmissions par chaîne se distinguent comme une solution essentielle de transmission mécanique de puissance, largement utilisée pour transférer de l'énergie entre des composants, qu'il s'agisse de longues distances (comme dans des moteurs marins de 5 étages de haut) ou de courtes (comme dans les vélos). Elles figurent parmi les cinq méthodes les plus courantes de transmission mécanique de puissance, aux côtés des accouplements, des réducteurs, des transmissions par courroie et des vis de puissance. Chaque méthode présente des avantages et des inconvénients spécifiques, et les ingénieurs doivent donc soigneusement évaluer ces facteurs pour choisir la solution optimale en fonction des applications spécifiques. Cet article explore les bases des transmissions par chaîne, leurs classifications, les types de chaînes courants, les critères de sélection, ainsi que leurs avantages et inconvénients principaux.

Qu'est-ce qu'une transmission par chaîne ?

Une transmission par chaîne est un système de transmission mécanique de puissance utilisant une chaîne pour transférer l'énergie d'un point à un autre. Une transmission typique comprend deux pignons (roues dentées) ou plus et une chaîne, les trous des maillons de la chaîne s'ajustant sur les dents des pignons.
Lorsque la machine motrice (par exemple, un moteur électrique ou un moteur à combustion interne) tourne, elle entraîne la roue dentée fixée à son arbre. Cette rotation met en mouvement la chaîne enroulée autour de la roue dentée, qui applique ensuite une force mécanique sur l'arbre récepteur, transmettant ainsi la puissance efficacement.

Comparaisons clés avec d'autres méthodes de transmission

Par rapport aux transmissions par courroie : Contrairement aux transmissions par courroie, les transmissions par chaîne n'ont aucun glissement, assurant ainsi un rapport de vitesse constant. Cela élimine tout retard dans la transmission de la puissance, les rendant idéales pour des applications telles que les chaînes de distribution des moteurs à combustion interne. La seule perte de puissance dans les transmissions par chaîne provient du frottement entre les maillons de la chaîne et les roues dentées, ce qui donne une efficacité mécanique plus élevée.
Par rapport aux transmissions par engrenages : Les transmissions par chaîne offrent plus de flexibilité en termes de distance d'exploitation. Elles excellent lorsque les arbres sont espacés plus loin que ce que les engrenages peuvent supporter, tout en conservant une configuration compacte. De plus, une seule chaîne peut entraîner plusieurs arbres simultanément, une capacité que les engrenages possèdent rarement.

Types de transmissions par chaîne (par fonction)

Les transmissions par chaîne se divisent en trois principaux types selon leur fonction principale, chacun étant adapté à des besoins d'application spécifiques :

1. Transmissions par chaîne de transmission de puissance

 Conçues exclusivement pour transmettre la puissance entre deux arbres, ces transmissions par chaîne résolvent un problème courant : la plupart des machines générant de l'énergie (par exemple, les moteurs des pompes) ne peuvent pas utiliser sur place l'énergie qu'elles produisent.
Applications courantes : les vélos, les machines agricoles, les compresseurs et les arbres à cames moteurs s'appuient tous sur des chaînes de transmission de puissance pour acheminer l'énergie depuis la source jusqu'au point d'utilisation.

2. Transmissions par chaîne de convoyeur

Les transmissions par chaîne de convoyeur sont spécialisées dans la manutention de matériaux. Elles disposent de centaines de conceptions possédant des propriétés spécifiques, telles qu'un faible frottement, une résistance élevée à la chaleur, une résistance aux produits chimiques, des capacités antistatiques ou des caractéristiques magnétiques. Des accessoires peuvent également être ajoutés à la chaîne pour répondre à des besoins variés.
Utilisations industrielles : largement adopté dans l'emballage, la fabrication automobile, la production alimentaire et des boissons, les produits pharmaceutiques et les textiles pour le transport efficace des matériaux.

3. Entraînements par chaînes de levage et de traction

Ces entraînements par chaînes sont utilisés dans les machines pour soulever et abaisser des charges lourdes, fonctionnant souvent avec des poulies afin de réduire l'effort requis. Des exemples incluent les chaînes à palan (manuels, électriques ou pneumatiques), couramment utilisées dans les garages, ateliers, chantiers de construction, salles des machines à bord des navires et usines – capables de soulever/abaisser des charges allant jusqu'à 20 tonnes.
Les chaînes de levage se divisent davantage en deux sous-types :

Chaînes elliptiques (chaînes à mailles soudées) : utilisées pour le levage de charges moyennes à légères, à vitesse faible. Leurs maillons sont elliptiques et imbriqués par soudage. Les chaînes à maillons carrés sont occasionnellement une alternative, mais généralement évitées en raison d'une mauvaise répartition des contraintes et de problèmes d'emmêlement.
Chaînes à taquets : Préférées pour les applications à charge élevée. Chaque maillon possède un taquet installé dans sa largeur intérieure, ce qui empêche l'emmêlement et améliore la résistance et la durabilité. Elles sont couramment utilisées pour les ancres de navires et autres équipements de levage lourds.

Types courants de chaînes utilisées dans les transmissions par chaîne

Cinq types de chaînes dominent les applications industrielles et commerciales, chacune ayant une structure et des avantages spécifiques :

1. Chaînes à rouleaux (chaînes à rouleaux avec douille)

Le type de chaîne le plus répandu, les chaînes à rouleaux (ou chaînes à rouleaux avec douille) sont largement utilisées pour la transmission de puissance sur les vélos, motocyclettes et matériels de transport. Elles sont généralement fabriquées en acier au carbone ou en alliage d'acier.
Structure : Composée de plaques intérieures (plaques à rouleaux), de plaques extérieures (plaques à goupilles), de douilles, de goupilles et de rouleaux. Les rouleaux sont espacés uniformément entre les maillons, s'engageant avec les dents des pignons pour transmettre la puissance.
Avantages clés : Les rouleaux tournent selon les besoins lorsqu'ils sont en contact avec les dents du pignon, minimisant ainsi la perte de puissance. Pour les chaînes de transmission, la hauteur des plaques à rouleaux (des deux côtés des rouleaux) dépasse le diamètre des rouleaux, empêchant les plaques latérales de toucher les pignons et servant de guides pour éviter le glissement de la chaîne. Pour les chaînes à rouleaux convoyeuses, le diamètre des rouleaux est supérieur à la hauteur des entretoises, éliminant tout contact entre les entretoises et les rails du convoyeur afin de réduire le frottement. Des chaînes à rouleaux multibrins sont disponibles pour les besoins en haute puissance, permettant d'utiliser des vitesses plus faibles et des pas plus petits pour les mêmes exigences de charge.

2. Chaînes silencieuses (chaînes à dents inversées)

Les entraînements par chaîne traditionnels sont souvent bruyants, les rendant inadaptés aux environnements sensibles au bruit comme les espaces clos, les mines ou les zones résidentielles. Les chaînes silencieuses (ou chaînes à dents inversées) résolvent ce problème en fonctionnant de manière silencieuse tout en transmettant une puissance élevée à grande vitesse.
Structure : Composée de plaques plates empilées en rangées et reliées par un ou plusieurs goupilles. La partie inférieure de chaque maillon présente un profil correspondant aux dents du pignon pour un engrènement fluide.
Performance : La capacité de charge, la résistance à la traction et la largeur de la chaîne augmentent avec le nombre de plaques plates par maillon.

3. Chaînes à plaquettes

Le type de chaîne le plus simple, les chaînes à plaquettes ne comportent que des goupilles et des plaques — les plaques alternant entre maillons à goupille et maillons articulés. Elles ne s'engrènent pas avec des pignons ; au contraire, elles s'appuient sur des poulies pour leur guidage.
Applications : Idéales pour le levage et l'équilibrage, notamment dans les ascenseurs, chariots élévateurs, porteurs à bras articulé et mâts télescopiques. Ces machines à faible vitesse soumettent les chaînes à des charges statiques élevées et à des charges en fonctionnement minimales, et les chaînes à plaquettes excellent dans la gestion des chocs et de l'inertie.
Exigence essentielle : Doivent résister à une forte contrainte de traction sans allongement ni rupture, et posséder une ductilité suffisante pour s'opposer à la fatigue. Les conditions de lubrification et environnementales doivent être prises en compte lors de la conception.

4. Chaînes à plat supérieur

Utilisées exclusivement pour le transport, les chaînes plates remplacent les courroies transporteuses et les entraînements par courroie : les matériaux peuvent être transportés directement sur leurs maillons.
Structure : Les maillons individuels sont généralement constitués de plaques d'acier comportant des proéminences creuses de forme cylindrique sur la partie inférieure. Des axes traversent ces proéminences pour relier les maillons adjacents, permettant un mouvement dans une seule direction. Certaines chaînes plates spécialisées peuvent se courber latéralement (grâce à des structures d'axes modifiées), ce qui permet au convoyeur de négocier des courbes.
Applications : Utilisées dans les convoyeurs à faible vitesse pour le transport de matériaux dans les lignes d'assemblage.

5. Chaînes en acier de construction

Développées dans les années 1880, les chaînes en acier de construction sont conçues pour fonctionner dans des environnements difficiles et des applications exigeantes. Elles sont fabriquées en acier laminé à chaud (parfois traité thermiquement pour une résistance accrue) et comportent des espaces plus larges entre les composants afin de résister à la poussière, à la saleté et aux matériaux abrasifs pendant leur fonctionnement.
Utilisations modernes : Utilisées principalement comme chaînes à convoyeur pour la manutention de matériaux, certaines servent également d'entraînements. Elles se retrouvent sur les convoyeurs, chariots élévateurs, élévateurs à godets et plates-formes de forage pétrolier, avec une résistance améliorée, une meilleure résistance à l'usure, une capacité de charge accrue et un pas adapté aux exigences industrielles modernes.

Comment choisir l'entraînement par chaîne adapté

Le choix de l'entraînement par chaîne correct nécessite d'évaluer les besoins de l'application afin d'éliminer les options inadaptées. Les facteurs clés à prendre en compte sont les suivants :

1. Charge

Déterminez la puissance à transmettre – la chaîne doit être capable de supporter la puissance générée par le moteur principal. Des calculs précis sont essentiels pour la sécurité, et un facteur de sécurité suffisant est recommandé.

2. Vitesse de la chaîne

Tous les entraînements par chaîne ne fonctionnent pas à haute vitesse ; certains sont conçus pour fonctionner à basse vitesse. Calculez la vitesse requise et assurez-vous qu'elle se situe dans la plage recommandée pour la chaîne afin de réduire les options.

3. Configuration des arbres

La plupart des entraînements par chaîne ne fonctionnent qu'avec des arbres parallèles. Si les arbres ne sont pas alignés, un entraînement par engrenages peut être une meilleure alternative.

4. Distance centrale entre les arbres

La distance centrale entre les arbres devrait être de 30 à 50 fois le pas de la chaîne. En outre, assurez-vous d'un arc de contact minimum de 120° sur la roue dentée la plus petite ; si celle-ci possède peu de dents, au moins cinq d'entre elles doivent être en contact avec la chaîne à tout moment.

5. Environnement de fonctionnement

L'environnement détermine la résistance nécessaire de la chaîne à l'humidité, à la saleté, aux abrasifs, à la corrosion et aux températures élevées. Il influence également les vibrations, le niveau de bruit et la résistance à la fatigue. Par exemple, les chaînes à dents inversées (chaînes silencieuses) sont préférées dans les zones sensibles au bruit.

6. Lubrification

La plupart des transmissions par chaîne nécessitent une lubrification afin d'augmenter leur durée de vie. Le type et la taille de la chaîne, la charge et la vitesse déterminent la méthode de lubrification (manuelle, par goutte-à-goutte, bain d'huile ou lubrification forcée). Des chaînes auto-lubrifiantes sont disponibles : elles utilisent des douilles en plastique ou en métal fritté imprégné d'huile, assurant une lubrification continue sans entretien externe.

Avantages des transmissions par chaîne

Peut transmettre un couple sur de longues distances.
Aucun glissement (contrairement aux courroies), assurant une performance constante.
Plus compact que les entraînements par courroie, s'adaptant dans des espaces relativement restreints.
Un seul entraînement par chaîne peut alimenter plusieurs arbres.
Polyvalent, fonctionne à haute température et dans divers environnements (secs, humides, abrasifs, corrosifs, etc.).
Système à faible frottement, garantissant une haute efficacité mécanique.

Inconvénients des entraînements par chaîne

Ne peut pas être utilisé avec des arbres non parallèles.
Sensible au bruit et aux vibrations pendant le fonctionnement.
Un dérèglement peut provoquer un glissement de la chaîne.
Certains modèles nécessitent une lubrification continue.
Nécessitent généralement un boîtier de protection.
Un réglage périodique (par exemple, à l'aide de galets tendeurs) est nécessaire pour maintenir les performances.

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