Huit choses qu'un anneau de dents sait faire

La nymphe d'un petit fulgore porte une bande de dents d'engrenage imbriquées au sommet de chaque patte arrière, avec 10 à 12 dents effilées sur une bande d'environ 400 micromètres. Les engrenages verrouillent les deux pattes pour qu'elles se déclenchent à une fraction de milliseconde l'une de l'autre, lançant le saut bien droit au lieu d'une vrille. Décrits par Burrows et Sutton dans Science en 2013, ce sont les premiers véritables engrenages fonctionnels trouvés dans la nature, et ils disparaissent à la mue finale vers l'âge adulte.

La plupart des dents d'engrenage modernes suivent une courbe en développante, la forme tracée par une corde tendue qu'on déroule d'un cercle. Cette géométrie maintient la force de contact alignée sur une seule droite, si bien que l'engrenage mené tourne à un rapport de vitesse parfaitement constant pendant tout l'engrènement, sans à-coups. Un bonus : le rapport tient même si les deux engrenages sont un peu trop écartés, ce qui pardonne les erreurs de fabrication. Le profil remonte à Leonhard Euler, au XVIIIe siècle.

Un engrenage hélicoïdal simple, aux dents taillées en biais, tourne en douceur et sans bruit, mais ce biais pousse l'arbre de côté le long de son axe, une force que les roulements doivent encaisser. Un engrenage à chevrons accole deux biais de sens opposés, formant un V. Chaque moitié pousse l'arbre dans le sens inverse, si bien que les forces axiales s'annulent presque entièrement, supprimant le besoin de lourds roulements de butée tout en gardant l'engrènement doux et progressif des dents.

Un réducteur à onde de déformation comporte une fine coupelle d'acier dont les dents extérieures sont écrasées en ovale par un moyeu tournant à l'intérieur, de sorte qu'elles s'engrènent avec une couronne extérieure rigide en deux points seulement. Comme la coupelle déformable a deux dents de moins que la couronne, un tour complet du moyeu ne recule la coupelle que de ces deux dents, donnant des réductions à un étage d'environ 30:1 à 320:1 avec un jeu quasi nul. C'est cette précision qui lui fait animer les articulations de robots et voler sur le rover lunaire de 1971.

Dans un train planétaire, plusieurs petits engrenages tournent autour d'un planétaire central, à l'intérieur d'une couronne dentée. En général, trois satellites ou plus s'engrènent à la fois, si bien que chacun ne porte qu'une fraction du couple, ce qui permet à un ensemble compact d'encaisser bien plus de puissance qu'une seule paire d'engrenages de sa taille. Empiler les étages multiplie la réduction au-delà de 100:1 tout en gardant l'entrée et la sortie sur le même axe, et c'est pourquoi on les trouve dans les perceuses sans fil, les boîtes de vitesses et les moyeux d'éoliennes.

Si deux engrenages qui s'engrènent ont des nombres de dents partageant un facteur commun, ce sont toujours les mêmes dents qui se rencontrent, de sorte qu'une dent rugueuse ou ébréchée martèle ses partenaires et l'usure se concentre. Choisir des nombres de dents sans facteur commun, souvent un nombre premier, fait que chaque dent finit par rencontrer toutes les dents de l'autre engrenage avant que le motif ne se répète. Cette conception à dent baladeuse répartit le contact et l'usure sur tout l'ensemble, prolongeant discrètement la vie des transmissions lourdes.

Avant le métal usiné, les grands engrenages de moulin tournaient sur des dents en bois, des chevilles enfoncées une à une dans la jante d'une roue. On privilégiait les bois durs et à grain fin comme le charme, l'érable ou le pommier : assez solides pour porter la charge, silencieux contre une pièce en fer et un peu autolubrifiants une fois cirés. Mieux encore, une seule dent usée ou cassée pouvait être chassée et remplacée plutôt que de mettre au rebut la roue entière, si bien que certains trains d'engrenages en bois tournent depuis bien plus d'un siècle.