Dans les horloges et les montres mécaniques, l'échappement est un mécanisme placé entre la source d'énergie (ressort, poids) et le résonateur (pendule, balancier-spiral).. C'est le mécanisme qui provoque le « battement » sonore (tic-tac) de ces systèmes mécaniques, parce que l'énergie qui y est dissipée l'est normalement sous forme de chocs et d'ondes sonores.
Dans l'histoire de la technologie, l'échappement est l'invention clé qui a rendu possible l'horloge entièrement mécanique. L'invention dans l'Europe du du premier échappement entièrement mécanique, l'échappement à verge, a amorcé un changement dans les méthodes de chronométrage, qui passèrent de processus continus, tels que l'écoulement de l'eau dans les horloges à eau, aux processus oscillatoires répétitifs, tels que le balancement des pendules, ce qui donne plus de précision.
Bref historique Le Chinois Yi Xing met au point la première horloge à échappement en 725. Cette horloge fait tourner une sphère armillaire grâce à un mécanisme alimenté par de l'eau. Bien plus tard, au , Su Song conçoit une nouvelle horloge astronomique hydraulique qui utilise l'échappement de Yi Xing.
Le premier échappement à être utilisé dans une horloge à poids. est l'échappement à roue de rencontre (ou échappement à verge) couplé à un régulateur à foliot. Cet échappement est utilisé sur la plus ancienne horloge mécanique connue du monde occidental, celle du prieuré de Dunstable. Elle est datée de 1283 et contient un échappement à recul.
La principale amélioration vient d'Angleterre : George Graham invente en 1715 le mécanisme à ancre, encore utilisé sur nombre d'horloges du . On parle d'échappement à repos frottant.
Après de nombreuses améliorations, le progrès vient encore d'Angleterre : Thomas Mudge sépare l'ancre du pendule pour créer l'ancre libre. Le mécanisme est très intéressant pour les résonateurs à balanciers circulaires. L'échappement n'est en contact avec le résonateur que pendant un court instant. On parle alors d'échappement libre. En réalité, ce qui est libre, ce n'est pas l'échappement mais plutôt le résonateur. Les dispositifs utilisant ce principe seront nombreux, et étonnamment ingénieux. Le problème à résoudre était de taille, car la navigation en mer demandait des chronomètres précis pour déterminer la longitude. L'habileté des créateurs était fortement aiguillonnée par de belles récompenses et un prestige considérable.
En France, Pierre-Augustin Caron de Beaumarchais invente en 1753, un nouveau mécanisme d'échappement, dit « à hampe » ou « à double virgule », invention que lui dispute l'horloger du Roi Jean-André Lepaute. Beaumarchais doit faire appel à l'Académie des sciences pour que lui soit reconnue la propriété de l'invention. Quelques années plus tard, en 1816, l'horloger Louis Moinet réalise un Compteur de Tierces., lequel voit son échappement cadencé à par heure, créant de facto le premier échappement haute fréquence de l'horlogerie.
Par la suite, des systèmes ingénieux ont dû être trouvés pour rendre les montres portables, en particulier les sécurités en cas de chocs.
Généralités
Fonctions L'échappement a une double fonction : D'une part, il impose au mécanisme le rythme propre du résonateur, celui par exemple des oscillations du balancier-spiral d'une montre, ou du pendule d'une horloge. D'autre part, il délivre à ce même résonateur l'énergie nécessaire à son fonctionnement, compensant les pertes d’énergie de celui-ci par la délivrance d'une énergie d'appoint à chaque battement, prélevée sur la source d'énergie du système (ressort, poids).
Le principal enjeu d'un échappement est de rendre indépendants le rythme propre du résonateur — qui doit rester constant —, et le couple transmis par la source d'énergie du système — qui en mécanique est généralement variable. Concernant les qualités métrologiques d'un appareil de mesure, satisfaire cet enjeu permet d'obtenir des chronomètres justes.
L'enjeu secondaire d'un échappement est de remplir cette fonction en minimisant le prélèvement énergétique de la fonction sur la source d'énergie du système, ce qui se réalise en minimisant les frottements et les chocs, et intuitivement, en réalisant un « tic-tac » le moins bruyant possible.
L'échappement est couplé au résonateur. Il interagit avec celui-ci une ou deux fois par période d'oscillation. L'angle parcouru par le résonateur pendant l'interaction est appelé angle de levée. Le reste du parcours du résonateur est appelé angle supplémentaire ou arc supplémentaire.
Pendant l'angle supplémentaire, le résonateur peut être en contact avec l'échappement (échappement à repos frottant) ou sans contact (échappement libre). Pendant l'angle de levée, l'échappement exécute deux phases principales : le dégagement (ou comptage) et l'impulsion (ou entretien).
Le dégagement Le dégagement permet de libérer le rouage qui va faire tourner les aiguilles. C'est la fonction de comptage.Le comptage est rythmé par la période de l'oscillateur, ceci permet de cadencer la vitesse de rotation des aiguilles.Le dégagement permet donc le transfert de l'information temporelle du résonateur vers les aiguilles, au travers du rouage.
L'impulsion L'impulsion permet de redonner un peu d'énergie au résonateur. C'est la fonction d'entretien des oscillations.L'amplitude des oscillations du résonateur a tendance à diminuer avec le temps à cause des frottements et de l'énergie dépensée pendant la phase de dégagement. L'impulsion essaie de maintenir l'amplitude des oscillations à un niveau constant.L'impulsion permet donc le transfert de l'énergie du moteur (barillet ou poids) vers le résonateur, au travers du rouage.
On trouvera le fonctionnement détaillé de plusieurs types d'échappements éprouvés dans le livre Échappements et moteurs pas à pas, ainsi que de nombreux échappements anciens et modernes dans l'excellent livre Théorie des échappements.
Types d'échappements
Il existe différentes manières de classer les échappements..
Nous les classerons ici en fonction des conditions dans lesquelles le résonateur effectue l'angle de levée et l'angle supplémentaire : Échappement à recul Échappement à repos frottant Échappement libre
Dans l'échappement à recul, la roue d'échappement recule pendant toute la phase ascendante du résonateur. Elle avance pendant la phase descendante du résonateur. L'échappement à recul ne se rencontre que sur les horloges anciennes, en général pourvues d'un foliot ou d'un pendule.Exemple : l'échappement à roue de rencontre.
Dans l'échappement à repos frottant, la roue d'échappement est en contact quasi permanent avec le résonateur, sans toutefois se déplacer. Ce n'est que pendant le court instant de l'impulsion que la roue avance.Exemple : l'échappement à cylindre, l'échappement Graham
Dans l'échappement libre, l'échappement n'est en contact avec le résonateur que pendant l'angle de levée pour effectuer les phases de dégagement et d'impulsion (voir ci-dessous). Le reste du temps le résonateur est libre. Ce type d'échappement réclame une pièce supplémentaire, appelée ancre, venant s'insérer entre la roue d'échappement et l'oscillateur.Exemple : l'échappement à ancre suisse, l'échappement à détente
Classement des échappements Il existe de nombreuses façons de classer les échappements. Nous avons choisi ici de les classer par leur mode d'utilisation, c'est-à-dire dans les montres ou dans les horloges, d'utilisation courante ou rare.Même si certains échappements pourraient être utilisés aussi bien dans une horloge que dans une montre, comme l'échappement à ancre, la plupart d'entre eux sont utilisés, soit dans l'un, soit dans l'autre.
Échappements pour horloges et pendules
Échappement à roue de rencontre (1558)
En 1558, la régulation de l'horloge astronomique de la cathédrale Notre-Dame de Saint-Omer était assurée par un échappement à roue de rencontre, un axe à palettes surmonté d'un foliot et de deux régules ou de deux coupelles. L’entraînement du mécanisme était garanti par un poids —originellement une couleuvrine de — suspendu à un câble enroulé sur un tambour.
Ce système a été pendant le seul échappement des horloges et des montres. Dans les horloges et les montres à ressort, il fallait une fusée pour uniformiser la force du ressort moteur.
Le système « roue de rencontre et foliot » n'a jamais permis d'atteindre une bonne régularité de marche, et ceci malgré le réglage des régules ou des coupelles, permettant d'ajuster l'inertie du foliot. Les erreurs de marche restaient de l'ordre d'une heure par jour, mais à cette époque, les horloges n'avaient qu'une aiguille qui indiquait l'heure. Elles n'avaient pas d'aiguille pour l'affichage des minutes.
Fonctionnement
Le principe de fonctionnement est le suivant : devant une roue dentée appelée roue de rencontre (roue à denture frontale ressemblant à celle d'une scie cloche), un arbre, d'axe perpendiculaire à celui de la roue, porte un volant d'inertie appelé foliot, ainsi que deux palettes travaillant tour-à-tour sur deux dents opposées de la roue de rencontre. Une dent de la roue de rencontre pousse la palette supérieure qui fait tourner le foliot. Arrivée au bout de la palette, la dent s'échappe et la roue de rencontre devient libre. La roue tourne alors rapidement jusqu'à ce qu'une autre dent, opposée à la première, tombe sur la palette inférieure qui arrive en sens inverse. Cette autre dent devient la dent active. Elle freine alors le foliot en appuyant sur la palette inférieure jusqu'à l'arrêt complet du foliot, puis elle redémarre le foliot en sens inverse. Arrivée au bout de la palette inférieure, la dent active s'échappe et une troisième dent chute sur la palette supérieure. Le processus recommence alors sur la palette supérieure.
Le foliot qui ne fait pas directement partie de l'échappement, est constitué d'une règle ayant à chacun de ses deux bouts, une masse ou régule. Les régules peuvent coulisser sur la règle de manière à modifier l'inertie du foliot. Cette inertie ajustable permet de régler la période d'oscillation du système.
Les régules peuvent être remplacées par des coupelles dans lesquelles on ajoutera plus ou moins de petits poids pour régler la période d'oscillation.
Variante pour régulateur à pendule
En 1657, à la suite des travaux de Christian Huygens, le foliot est remplacé par un pendule, ce qui améliore notablement la précision. La roue de rencontre et la verge sont tournées de 90°. La période des oscillations est principalement déterminée par la fréquence propre du pendule. Ce dernier reçoit par la palette (à l'avant, rouge) l'énergie de la roue de rencontre (). C'est alors l'autre palette (à l'arrière, bleue) qui rentre en contact (). Le balancier poursuit sa course, ce qui fait tourner la roue de rencontre en sens inverse (). Arrivé à son faîte, le pendule repart dans l'autre sens et fourni l'impulsion par l'intermédiaire de la palette (arrière, bleue) (), puis entre en contact avec la palette (avant, rouge) () tout en poursuivant son oscillation jusqu'à son amplitude maximum ().
Échappement à ancre (1657)
Inventé vers 1657 par Robert Hooke, l'échappement à ancre (voir l'animation à droite) a rapidement remplacé le foliot pour devenir l'échappement standard utilisé dans les horloges à pendule jusqu'au . Son avantage est qu'il réduit l'amplitude de balancement du pendule à quelque 3–6°, rendant le pendule presque isochrone et permettant l'utilisation de balanciers plus longs et plus lents, qui utilisaient moins d'énergie.
Ses principales caractéristiques visuelles sont que l'ancre est asymétrique, que la roue d'échappement a ses pointes dirigées vers l'arrière par rapport au sens de la marche, et qu'elle subit une période de recul entre chaque battement.
L'échappement a augmenté la précision des horloges à pendule à un tel degré que l'aiguille des minutes a été ajoutée au cadran de l'horloge à la fin des années 1600 (avant cela, les horloges n'avaient qu'une aiguille des heures).