Il existe de nombreuses différences entre les transmissions jumelées traditionnelles à crémaillère et pignon, les conceptions à pignon divisé et les systèmes à pignon à rouleaux.

De l'aérospatiale à l'usinage, en passant par la découpe du verre, le médical et bien d'autres secteurs, les processus de fabrication reposent sur un contrôle de mouvement fiable. Différents systèmes d'entraînement linéaire à servocommande assurent la vitesse et la précision requises par ces applications.
Une configuration courante associe des servocommandes à un système pignon-crémaillère classique. Ce dernier peut nécessiter un jeu entre la crémaillère et les dents de la roue dentée afin d'éviter les blocages et l'usure excessive. Par ailleurs, des variations environnementales (comme un écart de température de 10 °C) peuvent bloquer le système en raison de la dilatation des dents de la roue dentée. En outre, ce jeu engendre un jeu angulaire, synonyme d'erreur.

Problèmes de dégagement dans les pignons doubles et divisés
Pour les applications de précision, une solution typique aux problèmes de jeu consiste à ajouter un deuxième pignon qui tire dans l'autre sens — contre le premier système, pour servir de contrôle.

Une variante de ce concept consiste à utiliser un pignon divisé. Dans ce cas, le pignon est coupé en deux latéralement, un ressort étant placé entre les deux moitiés. Lorsque le pignon divisé se déplace le long d'une crémaillère, une moitié appuie sur un côté d'une dent de la crémaillère et l'autre moitié sur la dent suivante. Ainsi, un système à pignon divisé élimine le jeu et les erreurs.

Ici, comme seule la moitié du pignon effectue le travail (l'autre moitié servant à la commande), la capacité de couple est limitée. De plus, la dynamique de la transmission devant vaincre la force du ressort, des pertes de mouvement apparaissent, diminuant le rendement global. Lors des accélérations, le ressort peut également se détendre légèrement, dégradant la précision du mouvement. Enfin, lorsque le pignon est à l'arrêt pour une opération telle que le perçage, le système de ressorts peut fléchir légèrement au lieu de rester rigide.

Une autre solution pour réduire le jeu consiste à utiliser un système à double pignon. Dans ce système, deux pignons distincts se déplacent sur la même crémaillère. Ils fonctionnent en tandem : le pignon maître assure le positionnement, tandis que le pignon esclave compense le jeu. Généralement, les pignons sont commandés électroniquement, ce qui garantit la précision et permet d'ajuster les paramètres de commande pour compenser l'usure du système.

Quel est le problème ? Les systèmes à double pignon peuvent s'avérer coûteux, car les concepteurs doivent généralement acquérir un deuxième moteur, un deuxième pignon et un deuxième réducteur. L'encombrement est également accru : un deuxième moteur nécessite une plus grande longueur pour assurer la transmission. Par exemple, si l'utilisateur souhaite que le système de commande de mouvement effectue un mouvement de va-et-vient d'un mètre, une longueur de crémaillère de 1,2 ou 1,3 m est requise pour loger le deuxième pignon, qui se trouve à 200 à 300 mm derrière le premier. Enfin, le coût d'alimentation de deux moteurs est considérable sur un cycle de vie typique de cinq à dix ans.

Le fonctionnement sans jeu des entraînements à pignon à rouleaux convient aux applications à longue course, comme cette fraiseuse.
Autre option : pignons à rouleaux
La technologie des pignons à rouleaux comprend un pignon composé de rouleaux montés sur roulements qui s'engrènent avec une crémaillère à profil de dent personnalisé. Deux rouleaux ou plus sont en contact permanent avec les dents de la crémaillère, offrant ainsi une précision supérieure aux systèmes à pignon divisé et à pignon unique. En résumé, chaque rouleau aborde chaque face de dent tangentiellement, puis roule le long de cette face pour un fonctionnement à faible frottement et un rendement supérieur à 99 % lors de la conversion d'un mouvement rotatif en mouvement linéaire.

Le pignon à rouleaux est composé de rouleaux supportés par des roulements qui s'engrènent avec un profil de dent personnalisé.
Ce système ne comporte aucun ressort susceptible de s'affaisser et de nuire à la précision, et aucune perte d'efficacité n'est engendrée par la nécessité de vaincre la force d'un ressort. De plus, le mouvement à rouleaux ne requiert aucun jeu, éliminant ainsi le jeu mécanique et les erreurs. À l'inverse, dans un système pignon-crémaillère traditionnel, une dent du pignon doit prendre appui sur un côté d'une dent de la crémaillère et se déplacer instantanément sur le côté opposé.

Un pignon à rouleaux encadre simultanément plusieurs dents, chevauchant une dent et assurant le dégagement avec une autre. Aucun second pignon n'est nécessaire pour compenser le premier ; un seul pignon transmet avec précision le couple requis.

Les systèmes à pignons à rouleaux prolongent la durée de vie et réduisent la maintenance. Pour les applications à faible vitesse, ils peuvent fonctionner sans lubrification. Contrairement aux crémaillères traditionnelles qui s'usent et nécessitent une compensation pour la précision de positionnement et le couple, les pignons à rouleaux garantissent une précision constante. Le remplacement des pignons est périodique, mais comparé aux systèmes à pignons jumelés, le coût total de remplacement d'un système à pignons à rouleaux est inférieur.

Exemples d'application
Prenons l'exemple de la production de grands panneaux de fuselage d'avion. Cette application peut nécessiter une grande course et une haute précision sur des machines à portique. Les entraînements par pignon à rouleaux assurent un positionnement linéaire précis sur ces grandes distances.

En revanche, la précision de positionnement des systèmes à crémaillère traditionnels peut s'avérer insuffisante en raison des contraintes de jeu ; un jeu minimal garantit la précision sur de courtes courses, mais la conception peut être coûteuse à fabriquer et à installer sur de longues distances. Un système à double pignon (avec deux pignons précontraints l'un contre l'autre) peut également être utilisé, mais il est onéreux et ne permet généralement pas non plus de compenser les variations de jeu sur de longues distances.

Une autre application courante du système à double pignon consiste à positionner la tête de coupe d'une fraiseuse à fibre de verre. Bien que la transmission à double pignon puisse initialement bien fonctionner dans cette application, la combinaison de la poussière de fibre de verre et du frottement constant généré par le pignon opposé peut entraîner une usure prématurée. L'utilisation d'un système à pignon à rouleaux, qui exploite le roulement plutôt que le glissement, permet d'augmenter la durée de vie de 300 % ou plus.

Une version rotative du système pignon-rouleau permet également d'effectuer un positionnement multi-axes. Dans ce cas, plusieurs pignons (tous indépendants) sont montés sur une seule roue dentée. Cette conception est plus compacte que les entraînements à double pignon parfois utilisés dans ces applications.