Roues de friction

Ce document présente les principes fondamentaux des roues de friction, un système mécanique utilisé pour transmettre un mouvement de rotation entre deux arbres rapprochés. Il s'adresse aux étudiants en mécanique ou génie mécanique souhaitant comprendre le fonctionnement, les conditions d'utilisation, les rapports de vitesses, le couple transmissible ainsi que les différentes réalisations pratiques de ce dispositif.

Fonction des roues de friction

Les roues de friction servent à transmettre, par adhérence, un mouvement de rotation entre deux arbres proches. Les axes des roues peuvent être parallèles ou perpendiculaires, ce qui permet une certaine flexibilité dans leur utilisation.

Conditions de fonctionnement

Pour que la transmission par roues de friction soit effective, deux conditions principales doivent être respectées :

• Le coefficient de frottement entre les deux roues doit être suffisamment élevé.
• La force pressante entre les roues, qui crée l’adhérence, doit être assez importante pour éviter le glissement.

Voici quelques valeurs typiques du coefficient de frottement f entre différents matériaux à sec :

• Fonte sur fonte : 0,1 à 0,15
• Fonte sur papier : 0,15 à 0,2
• Fonte sur férodo : 0,25
• Fonte sur cuir : 0,20 à 0,30
• Fonte sur bois : 0,20 à 0,40

Avantages :

• Fonctionnement silencieux
• Réalisation simple
• Possibilité d’obtenir un grand rapport de vitesse
• Le système peut servir de limiteur de couple grâce au glissement contrôlé en cas de variation brusque du couple résistant

Inconvénients :

• Efforts importants sur les paliers, entraînant une usure accrue
• Transmission de faible puissance

Rapports des vitesses, des couples et des puissances

Considérons deux roues de friction numérotées (1) et (2) avec des rayons R1 et R2, et des vitesses angulaires ω1 et ω2.

Axes parallèles

En supposant la condition de roulement sans glissement en un point de contact I, on a :

ω2 / ω1 = R1 / R2

Les puissances transmises sont égales :

P1 = P2

Les couples C1 et C2 sont liés par :

C2 / C1 = R2 / R1

Axes perpendiculaires

Les relations sont similaires mais adaptées à la géométrie perpendiculaire des axes.

Couple transmissible

Le couple maximum transmissible par la roue réceptrice est lié à l’effort tangentiel T appliqué au rayon R2. À la limite du glissement, on a :

T = f × F

où :

• f est le coefficient d’adhérence (coefficient de frottement)
• F est l’effort pressant entre les roues

Le couple maximum transmis est donc :

Cmax = f × F × R2

Pour augmenter la puissance transmissible, on peut :

• Augmenter l’effort pressant F
• Augmenter le coefficient de frottement f
• Augmenter le rayon des roues (moins intéressant en pratique)

Exemple de calcul

Soit deux roues de friction avec :

• R2 = 0,1 m
• F = 200 N
• f = 0,25 (fonte sur férodo)

Le couple maximum transmissible est :

Cmax = 0,25 × 200 × 0,1 = 5 N·m

Réalisations pratiques

Les roues de friction sont principalement utilisées dans des transmissions à faible puissance, comme dans les petits appareils portables (exemple : Walkman) ou dans des variateurs de vitesse.

Composition du système

Un système de roues de friction se compose généralement :

• Soit de deux roues de friction
• Soit d’un plateau en fonte et d’un pignon appelé « galet », dont la surface frottante est en bois, cuir, férodo ou aggloméré de liège

Ces matériaux sont souvent présentés sous forme de rondelles empilées et serrées.

Pignons cylindriques

Les pignons cylindriques sont formés de rondelles pressées les unes contre les autres et maintenues par des bagues filetées ou par des boulons munis de rondelles élastiques.

Dans certains systèmes, le galet est légèrement bombé pour :

• Permettre la variation du rapport des vitesses
• Améliorer le contact entre les surfaces

Un modèle économique utilise un galet cylindrique avec garniture en férodo, mais il est moins résistant, avec une charge réduite de moitié et une vitesse périphérique limitée à 10-20 m/s.

L’emploi de deux galets intermédiaires placés en coin permet de :

• Maintenir les arbres fixes
• Multiplier par deux l’effort tangentiel transmis

Pignons coniques

Pour des axes perpendiculaires, un galet conique augmente la zone de contact, ce qui réduit la pression de contact et l’usure. Cela évite aussi le glissement entre le galet et le plateau le long de la ligne de contact, problème fréquent avec un galet cylindrique non bombé.

Roues à coin

L’utilisation de roues à coin permet de réduire l’effort normal N, puisque l’effort tangentiel est proportionnel à (N1 + N2). Cependant, la transmission devient moins correcte à cause de l’inégalité des rapports de vitesses en différents points du contact.

Une forme courbe des génératrices peut atténuer cet inconvénient.

Dans certains mécanismes, le galet, formé de deux plateaux, est moteur et peut être écarté pour débrayer sans arrêter le galet. Une vis limite le rapprochement des flasques pour contrôler ce mouvement.

Roues à rainures multiples

Pour augmenter la puissance transmise, on utilise des roues à rainures multiples qui permettent de limiter la pression aux points de contact.

Glossaire des termes clés

• Roues de friction : Système mécanique transmettant un mouvement par adhérence entre deux roues en contact.
• Coefficient de frottement (f) : Grandeur sans dimension caractérisant l’adhérence entre deux surfaces.
• Effort pressant (F) : Force normale appliquée entre deux roues pour assurer l’adhérence.
• Couple (C) : Moment de force transmis par une roue, égal à l’effort tangentiel multiplié par le rayon.
• Effort tangentiel (T) : Force exercée tangentiellement à la roue, responsable de la transmission du couple.
• Galet : Pignon ou roue de friction, souvent avec une surface frottante en matériaux spécifiques.
• Rainures multiples : Disposition de plusieurs rainures sur une roue pour répartir la charge et augmenter la puissance transmise.
• Roues à coin : Roues dont la forme permet de réduire l’effort normal mais avec des limitations sur la régularité de la transmission.

Points clés à retenir

• Les roues de friction transmettent un mouvement par adhérence entre deux arbres proches, avec axes parallèles ou perpendiculaires.
• La transmission efficace dépend du coefficient de frottement et de la force pressante entre les roues.
• Le couple maximum transmissible est donné par Cmax = f × F × R2.
• Les roues de friction sont adaptées aux faibles puissances et peuvent servir de limiteurs de couple.
• Différents types de roues (cylindriques, coniques, à coin, à rainures multiples) permettent d’adapter la transmission selon les besoins.
• La conception des galets (bombés, coniques) améliore la qualité du contact et réduit l’usure.