Un mécanisme d'horlogerie est l'organe ou l' fondamental d'un instrument horloger (horloge, pendule, montre, etc.). Il en assure la fonction principale qui est de « donner l'heure ». Ce mécanisme résulte d'un assemblage mécanique de pièces dont certaines peuvent avoir un mouvement par rapport aux autres. Désigné comme mécanisme primaire, il comprend alors d'autres mécanismes plus élémentaires, de niveaux inférieurs, tels l'élément moteur, le rouage, l'échappement, etc.
Ce sont les progrès des différents mécanismes d'horlogerie qui ont permis l'évolution de la science horlogère. Cette pratique est inscrite à l'inventaire du patrimoine culturel immatériel en France depuis 2018.
Constitution d'un instrument horloger Les premières véritables horloges entièrement mécaniques datent de la fin du . Dès cette époque, la première des finalitésOn dirait aujourd'hui la « fonction principale » de l'horloge est de « donner l'heure » : soit par un signal sonore : sonnerie de cloche(s) par exemple, notamment sur les premières horloges « aveugles » dépourvues de cadrans ; soit par une indication visuelle : aiguille(s) et cadran ; soit en associant les deux types d'information. Pour réaliser cette fonction de service « donner l'heure » la structure de base de l'horloge restera sensiblement identique des siècles durant.
Une analyse technique sommaire de l'instrument permet de visualiser son agencement et de fixer le vocabulaire de référence employéLe vocabulaire horloger n'est pas normalisé. D'un auteur à l'autre, et suivant l'Histoire, la désignation des éléments constitutifs d'une horloge peut varier quelque peu. Le vocabulaire de base trouvera ses références chez Emmanuel Poulle, historien des sciences du Moyen Âge, ayant participé à l'analyse et à la reconstitution de l'horloge astronomique de Bourges, au vocabulaire de Montres et horloges de chez Gründ ainsi que dans le Dictionnaire professionnel illustré de l’horlogerie et d'autres ouvrages, tous cités en bibliographie..
800px|vignette|centré| Analyse du mécanisme d'une horloge à foliot du : Organigramme technique.
Les éléments constitutifs du mécanisme qui correspondent à une fonction technique comprennent : le mouvement : dispositif qui regroupe l'ensemble des mécanismes élémentaires assurant le mouvement régulier de sortie pour donner l'heure voulue D'après l'ISO, le mouvement est un dispositif qui produit, entretient et traite un phénomène périodique et susceptible de compter le temps. Il peut comporter des sous-ensembles., soit : le : dispositif qui transforme l'énergie emmagasinée d'un poids ou d'un ressort en un mouvement « non uniforme » mais nécessaire au système ; les rouages : ensemble d'engrenages transmettant le couple moteur et le mouvement de l'organe moteur vers les autres éléments du système. On peut distinguer : le rouage des heures qui va transmettre le mouvement vers l'échappement participant à la régularisation du mouvement transmis vers les aiguilles indicatrices ; d'autres rouages : rouage de sonnerie, rouages de complications, etc. l' oscillateur (appelé régulateur dans l'image ci-dessus) : ensemble transformant le mouvement « non uniforme » donné par le moteur en un mouvement dit « régulier » du système. Il comprend : l'échappement constitué d'une roue particulière, la roue d'échappement, lançant et arrêtant alternativement un élément adéquat (verge ou ancre) qui est lié à l'oscillateur ; le résonateur (appelé oscillateur dans l'image ci-dessus), sorte de volant d'inertie couplé à un ressort-spiral, assure la régularité et la périodicité du mouvement alternatif de l'échappement ; la cage (ou bâti) : elle reçoit et relie les différents éléments constituant le mouvement. Sur cette ossature viennent aussi se greffer : le cadran devant lequel les aiguilles vont afficher l'heure ; un éventuel mécanisme de sonnerie plus ou moins complexe en fonction du signal sonore attendu L'enveloppe de l'instrument (boîte, buffet, etc.) qui est un élément n'intervenant pas directement dans la fonction « donner l'heure » n'est pas pris en considération ici..
Les principaux éléments seront abordés dans l'ordre de leur présentation en suivant succinctement leur évolution.
Le moteur Les premières horloges sont à poids. Connu depuis l'Antiquité, ce type de moteur sera utilisé au Moyen Âge dans des mécanismes de sonnerie d'horloges à eau. Il est principalement composé d'un poids accroché à une corde enroulée sur un tambour lié au rouage.
La fonction de ce moteur est d'emmagasiner de l'énergie potentielle lors du remontage du poids puis de la restituer lors de sa descente sous forme d'énergie cinétique : le couple moteur créé alors va transmettre sa force motrice au rouage.
Horloge à poids Le poids Il est à l'origine en pierre, matériau économique pouvant être travaillé facilement. Sa masse volumique est de l'ordre de . Utilisé pendant plusieurs siècles, notamment dans les horloges d'édifices, il sera remplacé, dans les horloges miniaturisées telles les horloges murales, pendules à poids, comtoises, par des poids en fonte, acier, plomb, parfois en argent dont les masses volumiques sont bien supérieures (3 à 4 fois plus) donc de moindre encombrement.
Le filin À l'origine simple corde reliant le poids au tambour, il sera remplacé au par un câble en acier. Dans les horloges miniaturisées, cordelettes, cordes en boyau et chaînettes seront plus adaptées.
Le tambour vignette|250 px|Tambour et filin. Le cylindre se caractérise par son diamètre et sa longueur. le diamètre autour duquel s'enroule la corde doit être compatible avec l'effort à transmettre au rouage : dans les premières horloges d'édifices, les frottements à vaincre étaient importants, d'où des poids de plusieurs dizaines ou même de centaines de kilogrammesÀ titre d'exemple, le poids moteur de l'horloge (1920) de l'église saint-Thomas, à Stadtbredimus au Luxembourg, pèse ; enroulés sur des tambours de fort diamètre ; la longueur doit permettre l'enroulement de la corde sur une seule ligne, de telle sorte que ses spires ne se chevauchent pas, ceci pour obtenir une force motrice constante.
vignette|gauche|200 px|Réveil à poids et contrepoids, jaune : heures ; rouge : sonnerie.
Diamètre et longueur sont en relation directe avec la fréquence de remontage. Par exemple, si on a un tambour de de diamètre qui fait un tour à l'heure avec une corde de de diamètre, et que l'on veuille n'effectuer qu'un remontage par 24 heures, la longueur du tambour doit être de plus de et celle de la corde devra être de . Cette contrainte de longueur de corde explique en partie l'emplacement en hauteur des horloges d'édifices et le service à temps plein d'un « gouverneur de l'horloge » chargé du remontage et de l'entretien.
Pour gagner en longueur sur la course du filin, il était bien sûr possible d'augmenter la fréquence du remontage ou « d'utiliser une poulie réduisant la trajectoire du poids par moitié, mais exigeant [parfois] la présence d'un second poids ». ; le poids moteur doit alors être multiplié par deux pour obtenir le même effet. Au , le remontage du poids sera automatisé. Il en est ainsi par exemple pour l'horloge astronomique de Bourges, automatisation datant de 1994.
Dans les horloges miniaturisées de l'époque moderne, telles les comtoises, les poids moteur du mouvement et de la sonnerie sont parfois liés aux rouages par des poulies à gorge et non par des tambours. Le système impose alors un contrepoids pour maintenir la cordelette dans la gorge de la poulie.
Le remontage des poids, quelle que soit la solution envisagée pour entraîner le rouage, nécessite un petit mécanisme - bien souvent à cliquet - qui permette le mouvement de l'organe moteur dans un sens seulement, le sens du remontage. L'effort manuel de remontage est transmis au système soit par l'intermédiaire d'un cabestan lié au tambour dans les premières horloges ou d'une manivelle. Pour les poids les plus faibles, dans les comtoises par exemple, une clef pourra suffire ; dans le système à poulie, l'action de remontage s'effectuera en agissant sur le contrepoids.
Horloges à ressort Dès avant le apparait le ressort moteur qui va permettre la miniaturisation de l'horloge. Ce ressort est enroulé à l'intérieur d'une boîte, le barillet. Lors de sa détente, il va transmettre indirectement la force motrice au rouage.
Le ressort moteur Ce ressort de type « spirale plat » à l'origine en acier trempé, revenu, bleui, sera plus tard en acier traité à haute limite élastique du type allié au cobalt (Co), au chrome (Cr) ou au nickel (Ni). Il est calculé pour une fréquence de remontage de 24 heures au minimum. Dans ses premières utilisations, la force motrice engendrée n'est pas constante, elle décroit de façon irrégulière au fur et à mesure du désarmage.. Pour pallier cet inconvénient on emploiera une « fusée » attenante au barillet.
Le barillet Dans les montres modernes, le barillet est une « roue formée d'un disque circulaire denté et d'une boîte cylindrique fermée par un couvercle. Il tourne librement sur un arbre et contient le ressort moteur, accroché par sa spire extérieure au barillet, et à l'arbre par sa spire intérieure. Le barillet engrène avec le premier pignon du rouage de la montre ; il tourne lentement et son angle de rotation à l'heure varie entre un neuvième et un sixième de tour.. » ;
Dans les anciens mécanismes avec fusée utilisés jusqu'au début du , le barillet était lisse. La fusée, bobine de forme conique recevait une corde en boyau - ou, au , une chaînette en acier - qui s'enroulait dans un sillon hélicoïdal sur sa périphérie. Cette corde entourait le barillet lisse et le reliait à la fusée. « Grâce à cela, on obtenait un couple moteur plus constant : la traction de la corde s'exerçait sur le plus petit diamètre de la fusée au début du désarmage, sur le plus grand lorsque le ressort était presque détendu. ». La fabrication des ressorts s'améliorant, on se dispensa de ce système de fusée et, on améliora encore, grâce à l'arrêtage, la constance de transmission de la force motrice en limitant la course du ressort à sa phase de détente optimale.
On peut signaler, un autre mécanisme employé avant l'apparition de la fusée par les horlogers allemands, le stackfreed ; voir aussi , qui freine le mouvement du ressort. Son inconvénient était sa consommation d'énergie motrice lors du freinage..
vignette|centré|Stackfreed
Les rouages Les rouages sont des trains d'engrenages transmettant le couple moteur et le mouvement de l'organe moteur vers d'autres éléments du mécanismePour les engrenages, voir la définition et les différents types dans ..
Un engrenage est constitué d'une roue et d'un pignon montés sur des axes différents ; si un pignon et une roue sont montés sur un même axe, on pourra parler de mobile.
Les engrenages étaient connus depuis l'Antiquité. La célèbre machine d'Anticythère datée de l'an 87 av. J.-C. en est le témoin ; des engrenages à denture triangulaire s'intégraient déjà dans ce mécanisme complexe comportant même un train différentiel. En horlogerie, la denture des roues peut être de différents types ; sur les engrenages des horloges d'édifices, le profil est passé d'une forme triangulaire à d'autres plus élaborées, déterminées par tâtonnement puis, aux , à des profils plus scientifiques : le profil épicycloïdal et le profil en développante de cercle permettant une transmission par roulement, donc sans glissement et théoriquement sans frottement.
300px|vignette|centré|Profil épicycloïdal de denture.
Chaque élément de rouage est fabriqué à partir de matériaux spécifiques : La roue La roue est l'élément dont le diamètre est le plus important. À l'origine en fer, puis en acier, ces métaux ont souvent été remplacés par du laiton ou mieux du bronze, alliages moins oxydables et de moindre frottement. Le pignon