Roue dentée — Wikipédia

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Les roues dentées sont, avec les axes, les éléments constitutifs des engrenages. Un engrenage en comprend au moins deux ; celle qui a le moins de dents est appelée plus spécifiquement pignon.

Les plus anciennes mentions de roues dentées apparaissent en Chine, sans doute au IV^e siècle av. J.-C. Elles sont aussi connues dans la Grèce antique et à Rome, en Al-Andalus puis dans l'Ouest de l'Europe^[1].

La plus grande roue dentée connue en 2022, utilisée dans une mine de cuivre en Chine, a un diamètre de 13,2 m et pèse 73,5 t. La plus petite a un diamètre d'un nanomètre^[1].

D'un point de vue du mouvement (cinématique), les deux caractéristiques importantes d'une roue dentée sont le nombre de dents ${\displaystyle z}$ et le rayon ${\displaystyle r}$. Ces caractéristiques permettent de définir, dans un engrenage, le rapport des vitesses angulaires entre les deux roues dentées formant l'engrenage.

Le problème est de savoir où prendre le rayon : en haut, au milieu ou en bas des dents ? Pour une roue dentée, on définit en fait quatre cercles^{[N 1]} (centrés sur l'axe de la roue). Les trois premiers sont relatifs aux dimensions de la roue elle-même :

• le cercle de pied, qui est le cercle passant par la base des dents ;
• le cercle de tête, qui passe par le sommet des dents ;
• le cercle primitif : ce cercle représente le diamètre de la roue de friction^[2]. Dans un engrenage, les cercles primitifs des deux roues dentées ont la même vitesse tangentielle. Le cercle primitif passe à peu près au milieu des dents ;

Enfin, le cercle de base est celui qui sert à générer le profil des dents (les dents sont des développantes de ce cercle)^[2].

Pour qu'un engrenage puisse fonctionner, il faut que les dents des deux roues soient de mêmes dimensions : il faut qu'elles aient le même écartement, pour que les vitesses tangentielles puissent coïncider à un endroit. Lorsque les roues sont en prise, on a donc un point situé sur la droite reliant les deux axes des roues, et qui se situe à égale distance des cercles de pied. Les cercles primitifs sont les cercles tangents en ce point.

On définit une valeur appelée « module » et notée ${\displaystyle m}$ qui caractérise la géométrie de la dent. Le module dépend du cercle primitif et du nombre de dents. Plus le module est important, plus les dents sont « grosses » et donc plus elles sont résistantes.

${\displaystyle m={\frac {D_{p}}{z}}}$, avec ${\displaystyle D_{p}}$ le diamètre du cercle primitif et ${\displaystyle z}$ le nombre de dents.

Dans le cas de roues dentées normalisées dont l'angle de pression^{[N 2]} ${\displaystyle \alpha }$ est de 20°, la forme des dents est normalisée (le profil et les proportions entre la hauteur et la largeur). Avec ${\displaystyle m}$ le module, qui caractérise entièrement la géométrie de la dent :

• la largeur de la dent au niveau du cercle primitif est ${\displaystyle {\frac {{\pi }*{m}}{2}}}$ ;
• la hauteur de la dent est ${\displaystyle {2,25}*{m}}$ ;
• si ${\displaystyle h}$ est la hauteur d'une dent, le cercle primitif est à ${\displaystyle {0,56}*{h}}$ du bas de la dent (cercle de pied) et à ${\displaystyle {0,44}*{h}}$ du sommet (cercle de tête).

Le module représente de fait :

• le diamètre du cercle primitif (ou diamètre primitif) divisé par le nombre de dents : ${\displaystyle m={\frac {D_{p}}{z}}}$ ;
• la hauteur des dents divisée par 2,25 : ${\displaystyle m={\frac {h}{2,25}}}$.

La donnée de ${\displaystyle m}$ et de ${\displaystyle z}$ caractérise la roue dentée normalisée d'un point de vue cinématique.

• diamètre primitif ${\displaystyle d=mz}$
• pas ${\displaystyle p={\frac {m}{\pi }}}$
• saillie ${\displaystyle h_{a}=m}$
• creux ${\displaystyle h_{f}=1,25*m}$
• hauteur de dents ${\displaystyle h=h_{a}+h_{f}=2,25*m}$
• diamètre de tête ${\displaystyle d_{a}=d+2h_{a}=d+2m}$
• diamètre de pied ${\displaystyle d_{f}=d-2h_{f}=d-2,5m}$
• diamètre de base ${\displaystyle d_{b}=d\cos \alpha }$

Dans le cas d'une denture hélicoïdale, on distingue le module réel du module apparent :

• le module réel ${\displaystyle m_{n}}$ correspond à une coupe droite de la dent, une coupe par un plan perpendiculaire aux arêtes ;
• le module apparent ${\displaystyle m_{t}}$ correspond à une coupe par un plan perpendiculaire à l'axe de la roue.

Si l'on appelle ${\displaystyle \beta }$ l'inclinaison de l'hélice, on a :

${\displaystyle m_{t}={\frac {m_{n}}{\cos {\beta }}}}$

On a donc :

• diamètre primitif : ${\displaystyle d=m_{t}*z}$ ;
• diamètre de tête : ${\displaystyle d_{a}=d+2m_{n}}$ ;

Des roues non circulaires existent aussi. Alors que les roues circulaires visent à optimiser le couple transmis à un autre élément de l'engrenage avec un minimum de bruit et une efficacité mécanique maximale, les roues non circulaires permettent de faire varier des rapports, de provoquer des oscillations ou des effets non linéaires. Les possibilités ne sont limitées que par l'inventivité du concepteur et les contraintes techniques. On les rencontre dans les machines produisant du textile, les potentiomètres, les transmissions à variation continue et aussi certains plateaux utilisés dans le cyclisme.

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