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Un mécanisme d'horlogerie est l'organe ou l'élément 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.
Les savoir-faire de la mécanique horlogère *
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_Mechanical_clock_dating_from_1500.jpg) Mécanisme d'une horloge d'édifice daté de 1500, modifié avec un balancier rapporté après l'an 1670. | ||
| Domaine | Savoir-faire | |
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| Lieu d'inventaire | France | |
| * Descriptif officiel Ministère de la Culture (France) | ||
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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.
Les premières véritables horloges entièrement mécaniques datent de la fin du XIIIe siècle. Dès cette époque, la première des finalités[N 1] de l'horloge est de « donner l'heure » :
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 employé[N 2].
Les éléments constitutifs du mécanisme qui correspondent à une fonction technique comprennent :
Les principaux éléments seront abordés dans l'ordre de leur présentation en suivant succinctement leur évolution.
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.
Il est à l'origine en pierre, matériau économique pouvant être travaillé facilement. Sa masse volumique est de l'ordre de 2 500 kg/m3. 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.
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À l'origine simple corde reliant le poids au tambour, il sera remplacé au XIXe siècle par un câble en acier. Dans les horloges miniaturisées, cordelettes, cordes en boyau et chaînettes seront plus adaptées[1].
Le cylindre se caractérise par son diamètre et sa longueur.
Diamètre et longueur sont en relation directe avec la fréquence de remontage. Par exemple, si on a un tambour de 30 cm de diamètre qui fait un tour à l'heure avec une corde de 3 cm de diamètre, et que l'on veuille n'effectuer qu'un remontage par 24 heures, la longueur du tambour doit être de plus de 72 cm et celle de la corde devra être de 25 mètres. 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 »[1] ; le poids moteur doit alors être multiplié par deux pour obtenir le même effet.
Au XXe siècle, le remontage du poids sera automatisé. Il en est ainsi par exemple pour l'horloge astronomique de Bourges, automatisation datant de 1994[3].
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.
Dès avant le XVe siècle 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.
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[4],[5].
Dans ses premières utilisations, la force motrice engendrée n'est pas constante, elle décroit de façon irrégulière au fur et à mesure du désarmage[6]. Pour pallier cet inconvénient on emploiera une « fusée » attenante au barillet.
On peut signaler, un autre mécanisme employé avant l'apparition de la fusée par les horlogers allemands, le stackfreed[10], qui freine le mouvement du ressort. Son inconvénient était sa consommation d'énergie motrice lors du freinage[11].
Les rouages sont des trains d'engrenages transmettant le couple moteur et le mouvement de l'organe moteur vers d'autres éléments du mécanisme[12].
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[13].
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 XVIIe et XVIIIe siècles, 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[14].
Chaque élément de rouage est fabriqué à partir de matériaux spécifiques :
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.
C'est la désignation de la roue de petit diamètre dans un engrenage. Il tourne plus rapidement que la roue. De ce fait, il a tendance à s'user plus rapidement. Les pignons ont donc été réalisés, le plus souvent, en fer puis en acier traité pour pallier cette usure. Il existe une exception à l'usage des matériaux précités : les engrenages en bois des horloges fabriquées en Forêt-Noire et parfois en Espagne.
En horlogerie, les rapports d'engrènement sont importants : par exemple, entre l'affichage des heures et des secondes il y a un rapport à obtenir de 1 / 3600. Ceci implique la construction de pignons avec le moins de dents possible (pour les dents des pignons, la profession dit aussi des ailes).
les axes, dits « arbres » pour des axes de fort diamètre par rapport à leur longueur, reçoivent la pignonnerie. Les matériaux employés à travers les époques sont passés du fer aux aciers traités pour des raisons évidentes de résistance. Leurs extrémités cylindriques ou en forme de pivots[16] sont supportés par des paliers ou coussinets intégrés dans la structure de la cage.
Les premières horloges, au mécanisme simple, ne comportaient qu'un « rouage des heures ».
Aux extrémité de ce rouage se trouvaient :
Dans les horloges plus modernes et les montres, le rouage de base est le « rouage des minutes » ; il transmet le mouvement à la minuterie[17], rouage secondaire placé sous le cadran, qui communique la rotation du pignon des minutes à l'aiguille des heures.
Dans un train d'engrenages simple, le rapport de transmission[18] est égal au produit des nombres de dents des roues menantes divisé par celui des roues menées.
Avec :
Dans la minuterie de l'horloge d'Huygens, reprise par Bion (voir ci-avant), qui communique la rotation du pignon des minutes à l'aiguille des heures on a :
Le rapport de transmission est de (30 x 6) / (30 x 72) soit 1/12 ce qui correspond bien au fait que l'aiguille des heures fait un tour de cadran quand l'aiguille des minutes en fait douze.
Dans le mouvement, d'autres rouages peuvent intervenir, notamment dans les instruments horlogers à complication : horloges, pendules, montres où sont affichées d'autres indications que les heures, minutes et secondes, soit par exemple le quantième, le mouvement diurne du Soleil, les phases de la Lune, le zodiaque, etc.
Le rouage de sonnerie, autre rouage particulier, sera intégré, plus loin, dans le mécanisme de sonnerie.
Le mouvement d'un mécanisme d'horlogerie simple comme une horloge à poids, comporte trois éléments : le moteur, le rouage et le régulateur[19],[1].
Sans régulateur, la descente du poids moteur est un mouvement rectiligne uniformément accéléré. Il sera transmis au rouage sous forme de mouvement circulaire uniformément accéléré, mouvement ne convenant pas à l'indication régulière des heures.
La fonction « régulateur » va rendre le mouvement du rouage périodique et assez régulier pour être considéré, à l'œil comme circulaire uniforme. Ce sera l'invention qui correspondra à la naissance de l'horloge mécanique à l'aube du XIVe siècle.
La régularisation du mouvement est obtenue à partir de deux éléments intimement liés : l'échappement et l'oscillateur[20],[21] qui ont évolué conjointement.
C'est le premier régulateur reconnu, décrit pour la première fois en 1385[22] et employé durant plus de six siècles. Il est composé de trois éléments :
La précision de ce type de régulateur, suivant les auteurs, était de l'ordre d'une demi-heure à une heure par jour[24],[25]. Cependant, cette variabilité n'a jamais été constatée par mesurage [N 6].
Le mécanisme d'échappement peut être considéré, pour étude, comme constitué de :
« Il y a autant d'échappements que d'horlogers célèbres ! » s'exclamait déjà Jean-André Lepaute en 1755. Celui de Louis Moinet, inventé en 1816 et aujourd'hui toujours fonctionnel et préservé à Saint-Blaise (NE), battait à 216'000 vibrations par heure, faisant de Louis Moinet l'inventeur de la Haute Fréquence en matière d'échappement.
Il en est dénombré aujourd'hui plus de 2 500 qui peuvent être regroupés par familles. On peut citer : l'échappement à verge, décrit ci-avant, qui s'adaptera à différents types d'oscillateurs, l'échappement à ancre, à cylindre, à leviers, à chevilles, etc.[26],[27],[28].
Il n'existe que trois types d'oscillateurs ou organes régulateurs : le foliot, le pendule, et le balancier.
Il en existe une dizaine de variétés[31].
Comme son nom l'évoque, elle « enferme » l'ensemble du mécanisme des différents types d'instruments horlogers.
Sur les premières horloges, qu'elles soient d'intérieur ou d'édifices, sa structure, de forme généralement parallélépipédique, est constituée d'un assemblage de barres de fer reliées par des coins, sorte de clavettes pentées. Plus tard, ces coins seront remplacés par des chevilles et des boulons, mais ce type de squelette perdurera jusqu'au XIXe siècle pour les horloges d'édifices. Tardivement, à la même époque, la cage se transformera en bâti de fonte pour les horloges de clocher dites horizontales.
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Le laiton remplacera avantageusement le fer dans les horloges miniaturisées, qu'elles soient d'intérieur ou de voyage. La structure de ces dernières résultera d'un assemblage de Platines reliées par des piliers[32] ; de forme carrée, hexagonale, elle sera aussi adaptée à la conformation circulaire des montres.
Une des fonctions de la cage est de supporter les axes des mobiles à leurs extrémités.
À l'origine, ce n'était que de simples trous percés dans les platines ou les piliers, trous dont la forme était parfois carrée, dans les horloges de clocher. Des éléments rapportés, paliers ou coussinets[33], amélioreront la fonction guidage des axes. Plus précis, adaptés à la lubrification, notamment par les huiliers[34], ils seront interchangeables. D'abord en acier ou en bronze, ils seront remplacés à certains endroits des montres, par des « pierres[35] », dès le XVIIIe siècle. Ce seront des pierres naturelles (grenat, agate, diamant) ou synthétiques (corindon, rubis), matières qui réduisent le frottement et diminuent ainsi l'usure des surfaces en contact[36].
Cadran et aiguilles sont des indicateurs. Ils permettent de remplir la fonction principale d'un instrument horloger : « donner l'heure ».
Ils sont souvent présentés conjointement dans un cadre descriptif et artistique concernant un style d'horloge ou de montre. Ici, ne sera développé que l'aspect historique de ces deux éléments.
Les premières horloges sont aveugles, c'est-à-dire qu'elles ne présentent ni cadran, ni aiguille ; elles sonnent tout simplement. Cette information sonore, qui n'intervient qu'une fois par heure, à l'« heure sonnante », sera vite complémentée par un affichage en continu, tout d'abord en plaçant un index fixe devant la roue graduée des heures, puis grâce au couple cadran-aiguille. Le cadran, solidaire de la cage ou en avant de celle-ci, comporte alors 24 divisions horaires et l'aiguille est unique. Cette aiguille, fixée à l'extrémité du rouage des heures n'a pas de sens de rotation fixé, elle peut tourner dans le sens horaire ou dans le sens rétrograde. Tout ceci ayant lieu avant les années 1400[37].
L'évolution des cadrans d'horloges se traduira d'abord par un affichage sur deux fois douze heures, limitant ainsi le nombre de sonneries, puis par un tour de cadran de douze heures, et même de six heures en Italie.
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Le couple cadran-aiguille, en plus d'indiquer l'heure, pourra fournir d'autres informations correspondant aux diverses complications de l'horloge (course du Soleil, de la Lune, etc.). Cet affichage multiple sera le fait des horloges astronomiques, dès le XVe siècle.
L'aiguille des heures verra l'apparition de sa petite sœur, l'aiguille des minutes, avant la fin du XVIe siècle, sur un cadran auxiliaire[N 7]. Elle rejoindra, après avoir changé de taille, l'aiguille des heures au centre du cadran à la fin du XVIIe siècle, fait de l'horloger anglais Daniel Quare, en 1686[N 8]. Il est intéressant de signaler ici que sur le tour du cadran, « l'intervalle « heure » est [théoriquement] divisé en quatre pour les horloges à une aiguille, en cinq pour les horloges à deux aiguilles[38]. »
À la fin du XVIe siècle, Tycho Brahe possédait des horloges qui indiquaient la seconde de temps. L'une d'entre elles avait une roue de 1200 dents sur un diamètre de deux coudées (environ 80 cm)[39], mais il n'était guère content de leur exactitude ; plus tard, l'aiguille des secondes fera son apparition, probablement du fait de la mise en application du pendule par Huygens vers 1660-1673 et des besoins en astronomie : dans les années 1670-1680, en France, les astronomes tels Jean Picard, Jean Richer, Dominique Cassini se servent d'horloges à pendule dont l'exactitude est donnée pour quelques secondes de temps par 24 heures. La lecture se fera d'abord au pendule, en 1671, puis sur un cadran secondaire avant 1709[40] et, pour finir, la trotteuse rejoindra le centre du cadran en 1730[41].
Une autre aiguille pourra, dès cette époque, indiquer les quantièmes.
L'affichage considéré ici est analogique. Dans la seconde moitié du XXe siècle un autre type d'indicateur verra le jour, l'affichage numérique où les aiguilles disparaîtront du cadran qui ne servira plus alors que de cadre.
Les premières horloges étaient « sonnantes » exclusivement. Elles indiquaient une heure particulière, l'heure du lever par exemple dans les communautés religieuses. Quelques décennies plus tard, l'innovation fut de sonner toutes les heures avec un nombre de coups correspondant à l'heure donnée par le mécanisme horaire. Les progrès, liés aux besoins des utilisateurs apportèrent des complications à la sonnerie de base.
On distinguera donc essentiellement les mécanismes suivants :
Quelle que soit la sonnerie envisagée, c'est le rouage des heures qui est appelé à déclencher le rouage de la sonnerie.
C'est le plus simple et le plus ancien type de sonnerie. Malheureusement les sources sont pratiquement inexistantes avant le XVIe siècle [N 9].
Le mécanisme de la sonnerie (en jaune sur la figure) vient se greffer sur la cage de l'horloge de telle sorte que le rouage des heures de l'horloge puisse déclencher le mécanisme. Ce dernier comporte un poids moteur et un échappement à verge qui va agir sur un marteau de sonnerie.
Le système d'échappement n'est pas équilibré, le poids moteur est déterminé par tâtonnement pour que le mouvement ne soit pas trop accéléré.
Si l'on dispose n piges sur la roue dite des heures, le déclenchement pourra intervenir plusieurs fois, à la condition de remonter le poids moteur.
Ce mécanisme de sonnerie de réveil est emprunté à l'Encyclopédie de Diderot et d'Alembert, 1763[42].
Commentaires sommaires :
Elle est liée à l'invention du comptage des coups. La première horloge qui frappa les heures est l'horloge de Milan, datée de 1336[44] ; il ne semble pas exister de documentation technique la concernant. Un des premiers témoins subsistants de ce type de mécanisme est visible sur l'horloge de la cathédrale de Salisbury, datée de 1386 (voir plus bas).
Elle est commandée par une roue munie d'encoches dont l'espacement règle le nombre de coups frappés.
Comme pour le mécanisme de réveil, la sonnerie des heures vient se greffer sur la cage de l'horloge, en parallèle avec le mouvement, de telle sorte que le rouage des « heures » de l'horloge puisse déclencher le mécanisme par l'intermédiaire de la chaussée[45] agissant sur un levier de déclenchement. Ce mécanisme de sonnerie est composé des mêmes éléments que le mécanisme du mouvement, soit un moteur, un rouage, un régulateur :
Ce type de sonnerie peut « décompter » (sonner faux, soit sans correspondance avec l'affichage) lorsqu'on manœuvre les aiguilles[51]. La roue de compte sera utilisée jusqu'aux années 1720. Plus tard apparaîtra le chaperon, ayant la même forme et la même fonction, mais dont la conduite sera différente (fixation sur l'arbre de barillet)[52].
C'est une sonnerie dans laquelle le nombre de coups frappés est réglé soit par la position d'un râteau dont les dents actionnent la levée du marteau. Sur les horloges comtoises, le râteau est remplacé par une crémaillère. Ces deux types de sonnerie ne décomptent pas.
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La sonnerie à râteau est déclenchée comme la sonnerie à roue de compte : la chaussée liée à la roue des minutes va agir toutes les heures par l'intermédiaire d'une goupille sur le levier de déclenchement bc. Ce dernier va, entre autres, soulever l'esse[53] d solidaire de la petite détente a qui va libérer la roue d'arrêt ; le mécanisme de sonnerie entre alors en action.
La sonnerie des heures est obtenue à partir d'une came, appelée limaçon[54], centrée et orientée sur la roue des heures. Les douze heures à sonner correspondent aux douze secteurs de cette came, en relation avec la position de l'aiguille des heures ; ainsi la sonnerie asservie à l'aiguille des heures ne décompte-t-elle pas. Sur cette came, le palpeur g va permettre la descente du râteau à la libération de ce dernier par l'effacement de l'esse simultanément avec la libération de la roue d'arrêt : en position I sur le limaçon, le râteau descend d'une dent, en position III il descend de trois dents… jusqu'à douze dents en position XII. La descente de X dents va permettre de frapper X coups à l'heure X.
C'est la levée de râteau ou virgule[55] s sur la roue d'arrêt qui va relever à chaque tour le râteau d'une dent et qui va commander la frappe d'un coup du marteau (mécanisme non représenté). Lorsque le râteau est entièrement relevé, le levier bc étant descendu, l'esse bascule, arrête le râteau en position haute initiale et le levier a bloque la roue d'arrêt par sa goupille h.
Sur les comtoises, le râteau est remplacé par une crémaillère ; un site particulier décrit bien le mécanisme de sonnerie dans sa totalité avec ses illustrations[56].
« Cette sonnerie nous vient d’Angleterre, elle fut adaptée aux montres par messieurs Edouard BARLOW et Daniel QUARE. En France, c’est Honoré PONS qui dépose un brevet pour la « sonnerie à râteau pour les pendules de Paris » en 1829 »[57].
Elles concernent des indicateurs particuliers ou des sonneries sophistiquées.
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