Fabriquer des engrenages

En une phrase

Tailler des roues dentées en bois ou en fer qui s’emboîtent pour transmettre un mouvement rotatif d’un axe à un autre, en changeant la vitesse ou la force — le fondement de toute mécanique.

Comment ça marche

Qu’est-ce que c’est ?

Un engrenage est un roue munie de dents qui s’emboîte avec une autre roue dentée. Quand une roue tourne, ses dents poussent les dents de l’autre roue, qui tourne à son tour. Les engrenages permettent de transmettre un mouvement rotatif d’un endroit à un autre, de changer la vitesse de rotation, et de changer la force (le couple).

Sans engrenages, pas de moulins, pas d’horloges, pas de machines. L’engrenage est la brique de base de toute mécanique. Les Grecs, les Chinois et les Romains fabriquaient déjà des engrenages en bois et en bronze il y a plus de 2000 ans.

Le principe de base : quand une petite roue dentée s’emboîte dans une grande roue dentée, la petite roue tourne plus vite que la grande, mais avec moins de force. Inversement, la grande roue tourne plus lentement mais avec plus de force. C’est le rapport de transmission.

Les types d’engrenages :

• Roue dentée droite : dents parallèles à l’axe de rotation. Le type le plus simple et le plus courant. Utilisé dans les moulins, les horloges, les machines simples.
• Lanterneau : deux disques reliés par des barreaux cylindriques. Ressemble à une petite lanterne. Utilisé comme petite roue dans les moulins à eau. Plus facile à fabriquer qu’une roue dentée.
• Roue et vis sans fin : une vis qui entraîne une roue dentée. Réduction de vitesse très importante dans un petit espace. Utilisé dans les treuils et les moulins.
• Engrenage conique : dents inclinées pour transmettre le mouvement entre deux axes perpendiculaires. Utilisé dans les moulins à eau (axe horizontal de la roue vers axe vertical de la meule).

Où les fabriquer ?

Les engrenages en bois sont les plus accessibles. Ils nécessitent du bois dur, des outils de coupe (scie, ciseau à bois), et du temps. Les engrenages en fer sont plus résistants mais nécessitent une forge. Voir Forger des outils en fer.

Comment les utiliser ?

Un engrenage seul ne sert à rien. Il faut au moins deux roues dentées qui s’emboîtent. L’engrenage est toujours une partie d’un système mécanique plus grand : moulin, horloge, treuil, machine.

Étapes détaillées

Étape 1 : Calculer les dimensions

1. Définir le rapport de transmission voulu. Le rapport de transmission, c’est le nombre de tours de la roue menée pour un tour de la roue menante. Par exemple : si une grande roue de 60 dents entraîne une petite roue de 10 dents, la petite roue fait 6 tours pour 1 tour de la grande. Le rapport est 6:1 (la petite tourne 6 fois plus vite).

2. Choisir le module (la taille des dents). Le module, c’est la taille d’une dent. Plus le module est grand, plus les dents sont grosses et solides, mais plus l’engrenage est encombrant. Pour un moulin à eau (forces importantes), choisir un module de 2 à 4 cm. Pour une horloge (forces faibles, précision nécessaire), choisir un module de 3 à 5 mm.

Règle fondamentale : deux roues qui s’engrènent doivent avoir le MÊME module (la même taille de dent). La formule : Diamètre = Module x Nombre de dents.

3. Calculer le diamètre des roues. Pour une roue de 40 dents avec un module de 2 cm : Diamètre = 2 x 40 = 80 cm. Pour une roue de 10 dents avec le même module : Diamètre = 2 x 10 = 20 cm.

Étape 2 : Fabriquer une roue dentée en bois

C’est la méthode la plus accessible. On utilise du bois dur (chêne, cornouiller, frêne).

4. Sélectionner le bois. Choisir une planche ou un rondin de bois dur bien sec, sans noeuds, sans fissures. Le chêne est idéal. Le cornouiller est encore plus dur et parfait pour les petites dents. Le frêne est flexible et résistant aux chocs.

5. Tracer le cercle. Sur la face de la planche, tracer un cercle du diamètre calculé à l’étape 1. Utiliser un compas (deux bâtons reliés par une ficelle) ou une corde fixée au centre. Tracer le cercle au charbon de bois ou à l’encoche.

6. Tracer les dents. Diviser le cercle en autant de parties qu’il y a de dents. Pour 20 dents, diviser le cercle en 20 parties égales. Méthode simple : tracer un diamètre, puis un second diamètre perpendiculaire. On obtient 4 quarts. Diviser chaque quart en 5 parties égales (pour 20 dents). Tracer les dents comme des rectangles qui dépassent du cercle.

7. Découper la roue. Scier le contour extérieur des dents avec une scie à main. Le bois entre les dents est enlevé au ciseau à bois. Pour chaque espace entre deux dents, faire deux coupes parallèles à la scie, puis dégager le bois au ciseau. Prendre son temps — chaque dent doit avoir la même largeur et le même espacement.

8. Creuser le trou central. Le trou central (alsage) reçoit l’axe. Il doit être parfaitement centré et ajusté au diamètre de l’axe. Pour un axe en bois de 5 cm de diamètre, creuser un trou de 5 cm. Pour un axe en fer, un trou de même diamètre.

9. Tailler la clé (carré). Pour que l’axe entraîne la roue sans glisser, tailler l’extrémité de l’axe en carré (en forme de coin) et creuser un trou carré correspondant dans la roue. C’est la clavetage. Alternativement, percer un trou à travers la roue et l’axe et y insérer une cheville en fer ou en bois dur.

10. Ajuster et lisser. Régler chaque dent au ciseau pour qu’elle s’engage facilement dans les dents de la roue opposée. Les dents ne doivent ni forcer ni claquer. Un engrenage bien ajusté tourne librement avec un léger crénelage sourd.

Étape 3 : Fabriquer un lanterneau

Le lanterneau est plus facile à fabriquer qu’une roue dentée. Il est utilisé comme petite roue dans les moulins.

11. Couper deux disques. Scier deux disques de bois dur de 8 à 15 cm de diamètre, de 2 à 3 cm d’épaisseur. Percer le trou central pour l’axe.

12. Espacer les disques. Placer les deux disques sur l’axe, espacés de 8 à 15 cm (la longueur des barreaux). Fixer les disques sur l’axe avec des chevilles.

13. Insérer les barreaux. Entre les deux disques, insérer 8 à 12 barreaux cylindriques en bois dur (cornouiller, chêne) de 1,5 à 2,5 cm de diamètre. Les barreaux sont les “dents” du lanterneau. Les emboîter dans des trous percés à travers les deux disques. Coller avec de la colle si nécessaire.

14. Ajuster. Le lanterneau s’engrène avec une roue dentée classique. Les barreaux s’insèrent entre les dents de la grande roue. Ajuster l’espacement pour un engagement libre.

Étape 4 : Fabriquer des engrenages en fer

Pour les applications nécessitant plus de résistance (machines lourdes, armes).

15. Forger un disque de fer. Voir Forger des outils en fer. Partir d’une plaque de fer de l’épaisseur souhaitée (3 à 8 mm pour un engrenage de machine). Chauffer à rouge et découper au marteau et au ciseau.

16. Tracer et découper les dents. Utiliser la même méthode de traçage que pour le bois, mais avec un burin en fer et un marteau. Marquer chaque dent au burin, puis découper les espaces à la scie à métaux (si on en a une) ou au burin et au marteau.

17. Percer le trou central. Avec un foret en fer (si disponible) ou en perçant un trou à la drille (perceuse à main avec un foret forgé). Voir Forger des outils en fer pour les forets.

18. Tremper. Chauffer l’engrenage à rouge cerise et le tremper dans l’eau ou l’huile pour durcir la surface des dents. Cela augmente considérablement la durée de vie.

Étape 5 : Assembler un système d’engrenages

19. Installer les axes. Chaque engrenage tourne sur un axe. Les axes sont en bois dur ou en fer, montés sur des paliers (supports) fixés dans un bâti en bois massif. Les paliers peuvent être en pierre percée, en bois avec un trou, ou en fer forgé en forme de U.

20. Régler l’entraxe. La distance entre les axes de deux roues qui s’engrènent doit être précise. Trop près : les dents coincent. Trop loin : les dents sautent et l’engrenage claque. L’entraxe idéal = (Diamètre de la grande roue + Diamètre de la petite roue) / 2.

21. Lubrifier. Graisser les axes et les dents avec de la graisse animale ou de l’huile végétale. La lubrification réduit les frottements, le bruit et l’usure. Relubrifier toutes les semaines pour un moulin, tous les mois pour une horloge.

22. Tester. Tourner la roue menante à la main. L’engrenage doit tourner librement, sans forcer ni claquer. Si ça coince, agrandir légèrement l’entraxe. Si ça claque, le réduire.

Variations par climat et matériaux

• Bois dur tempéré (chêne, frêne, orme) : les meilleurs bois pour les engrenages. Le chêne est dur et résistant. Le frêne est flexible. L’orme ne se fend pas et résiste à l’humidité.
• Bois tropical (teck, ébène, iroko) : extrêmement durs et résistants aux insectes et à l’humidité. Parfaits pour les engrenages en climat humide.
• Bambou : en climat tropical, le bambou peut servir à fabriquer des lanternes. Les barreaux de bambou sont naturellement cylindriques et très résistants.
• Os et corne : en l’absence de bois de qualité, l’os et la corne d’animaux peuvent faire des dents d’engrenage très résistantes. L’os se travaille comme le bois mais est plus cassant.
• Pierre : les engrenages en pierre sont possibles mais difficiles à tailler. Utile pour les moulins où les meules sont déjà en pierre.
• Cuir et corde : pour les transmissions par courroie (pas des engrenages à dents, mais une alternative). Une courroie en cuir ou en corde relie deux poulies et transmet le mouvement. Plus simple mais moins précis que les engrenages dentés.

Pièges et erreurs courantes

• Les dents ne s’engrènent pas : le module (taille des dents) n’est pas le même sur les deux roues, ou l’entraxe est mauvais. Vérifier les calculs et reprendre le traçage.
• Les dents se cassent : le bois est trop tendre, les dents sont trop fines, ou la charge est trop lourde. Utiliser du bois plus dur, épaissir les dents, ou réduire la charge. Les dents de cornouiller ou de chêne sont les plus résistantes.
• L’engrenage claque ou grince : l’entraxe est trop grand (les dents sautent) ou les dents sont mal taillées (trop larges, pas assez creusées). Ajuster.
• Les axes s’usent trop vite : les paliers ne sont pas lubrifiés. Graisser régulièrement. Si les paliers sont en bois, les remplacer par des paliers en pierre (creusés en cuvette et graissés) ou en fer.
• L’axe tourne dans le vide : l’axe n’est pas claveté (fixé) à la roue. Ajouter une clavette (carré en fer ou en bois enfoncé dans l’axe et la roue) et une cheville.
• Les engrenages sont trop embouteillés : dans un système à plusieurs étages, les roues se gênent mutuellement. Laisser suffisamment d’espace entre les étages. Prévoir un bâti solide et spacieux.
• La roue est de travers : l’axe n’est pas perpendiculaire à la roue. Utiliser un angle droit en bois pour vérifier l’équerrage. Une roue de travers use les dents d’un seul côté et finit par se bloquer.

Une fois que vous savez faire ça, vous pouvez débloquer

• “Construire un moulin à eau” — transmission de la force de l’eau à la meule
• “Construire un moulin à vent” — transmission de la force du vent
• Horlogerie primitive — horloges à engrenages pour mesurer le temps
• Machines-outils — tour, perceuse, scie mécanique actionnées par engrenages
• Treuils et systèmes de levage — multiplier la force pour soulever des charges lourdes
• Mécanismes d’automate — mouvements complexes programmés par engrenages

Notes

• Les engrenages en bois ont été utilisés pendant des millénaires. Les moulins à eau médiévaux utilisaient exclusivement des engrenages en bois de chêne. Un engrenage en bois bien taillé et bien lubrifié peut durer 10 à 20 ans.
• Le rapport de transmission est la clé de tout système d’engrenages. Pour multiplier la force, la roue menante doit être plus petite que la roue menée. Pour multiplier la vitesse, c’est l’inverse.
• Les engrenages hélicoïdaux (dents inclinées) sont plus silencieux et plus doux que les engrenages droits, mais beaucoup plus difficiles à tailler. Se contenter d’engrenages droits pour commencer.
• La lubrification est essentielle. Un engrenage non lubrifié s’use 10 fois plus vite et fait un bruit insupportable. La graisse animale est le meilleur lubrifiant naturel.
• Le mécanisme d’Anticythère (Grèce, environ -100) est la plus ancienne machine à engrenages connue. Il contenait plus de 30 engrenages en bronze et calculait les positions des astres.

Ressources externes

• The Engineering Toolbox — tables de référence pour les calculs de résistance des matériaux, d’engrenages et de mécanique
• Kiwix + Wikipedia hors-ligne — articles détaillés sur les engrenages, les mécanismes et l’histoire de l’horlogerie
• FreeCAD — logiciel open source de CAO pour concevoir des engrenages et des systèmes mécaniques en 3D
• Open Source Ecology — GVCS — plans open source pour machines industrielles incluant des engrenages