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Conception de systèmes mécaniques et technologies 1 et technologies
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Conception de systèmes mécaniques
et technologies
1
et technologies
OBJECTIFS DU MODULE
Approfondir et maîtriser les concepts nécessaires à l’étude
des systèmes mécaniques
Approfondir et maîtriser les concepts nécessaires à l’étude
des systèmes mécaniques
Conception de systèmes mécaniques et technologies
DESCRIPTION DU CONTENU
Assemblage des pièces - Liaison encastrementAssemblage des pièces - Liaison encastrement
Guidage en rotation, Etude des roulementsGuidage en rotation, Etude des roulements
Guidage en translationGuidage en translation
Transformation de mouvement par liaison hélicoïdaleTransformation de mouvement par liaison hélicoïdale
2Transmission de mouvementTransmission de mouvement
On appelle système mécanique un ensemble organisé de pièces reliées
par des liaisons et destiné à remplir une fonction bien déterminée.
I. Définition
Exemple: Vé réglable
II. Fonction globale:
La fonctions principale correspond
au service rendu par le système mécanique
en vue de répondre à un besoin
3
Ce système est utilisé pour la
mise en position des pièces cylindriques
pendant les opérations d’usinage où de
métrologie. L’axe du cylindre est positionné
horizontalement par rapport à la table de la
machine outil (marbre) et peut nécessiter
un positionnement en hauteur réglable.
en vue de répondre à un besoin
5
41
4
62
37
8
PRESENTATION DES LIAISONS DANS LA BUTEE REGLABLE
1. Liaison glissière
a. Liaison glissière entre le vé et le bâti
BLOC 2
5
2 3
1
BLOC 1
5
5
8
BLOC 1={1,2,3,8}
Montage
des pièces Cinématique
de la liaison
6
4
BASE
BATI
b. Liaison glissière entre le coulisseau et le bâti
1
7
7
COULISSEAU={4,7}
Montage
des pièces Cinématique
de la liaison
8
COULISSEAU
COULISSEAU={4,7} Cinématique
de la liaison
3. Liaison appui-plan entre la base 4 et le vé 5
9
COULISSEAU
5
4. Liaison pivot entre la base 4 et la vis de manœuvre
4
COULISSEAU
7
6
VIS DE MANŒUVRE
10
Montage
des pièces Cinématique
de la liaison
11
4. Liaison hélicoïdale
VIS DE MANŒUVRE
62 31
BATI
Cinématique
12
8
BLOC 1={1,2,3,8}
Cinématique
de la liaison
4. Liaison encastrement (complète)
2 3
1
BATI
13
2 3
8
BLOC 1={1,2,3,8}
GRAPHE DE LIAISONS
Le graphe de liaisons d’un
mécanisme est construit de la
façon suivante :
Toute les pièces qui sont liées
par une liaison complète
représente la même classe
d’équivalence.
Par exemple : {1}={1, 5, 2, 3 }
L51
L61
L415
1
6
14
La pièce est représentée par un
sommet (cercle numéroté)
La liaison est représentée par
un arc noté Lij
L15 : Liaison glissière d’axe y
L54 : Liaison appui-plan de normale y1
L41 : Liaison glissière d’axe x
L45L46 4
L46 : Liaison pivot d’axe x
L61 : Liaison hélicoïdale d’axe x
L
SCHEMA CINEMATIQUE
L15 : Liaison glissière d’axe x
L54 : Liaison appui-plan de normale x1
L41 : Liaison glissière d’axe y
L46 : Liaison pivot d’axe y
L61 : Liaison hélicoïdale d’axe y
L61
L51
L41
L46L45
15
Assemblage des pièces
Liaison encastrement
16
Liaison encastrement
Liaison encastrement Schéma cinématique
plan
Schéma
cinématique plan
Schématisation
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Torseur cinématique
de la liaison
Torseur cinématique
de la liaison
{ }( )
( )zyxO
zyxO
Z
Y
X
,,,11
11
11
,,,21
1
1
N
M
L
=→τ{ }( )
( )zyxO
zyxO
V
,,,
,,,21
1
1
0 0
0 0
0 0
=
17
Surfaces
prépondérantes
cylindriques
Surfaces
prépondérantes
planes
Surfaces
prépondérantes
d’autres types
Surfaces
prépondérantes
coniques
Classification de la liaison encastrement
Démontable
cylindriquesplanes d’autres typesconiques
Assemblage
par soudage
Assemblage
par collage
Assemblage
par rivetage
Assemblage
par frettage
Non
démontable
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LIAISON ENCASTREMENT DE TYPE DEMENTABLE
19
Tx, Tz, Ry sont supprimées par adhérence (due à
l'action de l'organe de serrage).
Cas 1 : Pas de surface auxiliaire : Cric Hydraulique
Surfaces prépondérantes planes
Ty, Rx, Rz sont supprimées par obstacle (Liaison
appui plan).
20
Ty, Tz, Rx, Ry, Rz sont supprimées par
obstacles (Liaison glissière)
Cas 2 : surface auxiliaire plane perpendiculaire au plan de contact
Tx, est supprimée par adhérence du fait de
l'action des vis de serrage
21
Mise en position par surfaces de contact planes et maintien en position
par vis.
Mise en position obtenue par liaison glissière réalisée entre forme
parallélipédique de 1 et la rainure de 2. Le maintient en position est assurée
par le serrage de 1 contre la base de la tête du vis 3 et la surface de 2
(système vis écrou).
22
Tx, Tz sont éliminées le centrage
court (Liaison linéaire annulaire)
Cas 3 : surface auxiliaire cylindrique : centrage court
associé à un appui plan Sans positionnement angulaire
Ty, Rx et Rz sont supprimées par le
contact appui plan.
Ry est éliminée par l’adhérence
(serrage des vis)
Le positionnement angulaire du
carter par rapport au couvercle est
imprécis du fait du jeux qui existe
entre les vis de serrage et leentre les vis de serrage et le
couvercle.
23
Tx, Tz sont éliminées le centrage court
(Liaison linéaire annulaire)
Cas 4 : surface auxiliaire cylindrique : centrage court
associé à un appui plan avec positionnement angulaire
Ty, Rx et Rz sont supprimées par le
contact appui plan.
Ry est éliminée par l’adhérence (serrage
des vis)
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Cas 1 : encastrement sans positionnement angulaire
Surfaces prépondérantes cylindriques
Cas 1.1 : Tampons tangents:
le positionnement de 1 par
rapport à 2 est obtenu par les surfaces de
contact cylindriques. La vis 3 a pour rôle
le rapprochement des deux surfaces
inclinées du vé réalisée en 2 parties afin
coincer par adhérence la pièce 4 contre 5
Perceuse à colonne
Sous l'action de serrage due à la vis 5, les tampons tangents 1 et 4 viennent exercer
un effort au contact de l'arbre 2 et par adhérence bloquent la tête 3 sur la colonne.25
Perceuse à colonne
Sous l'action de serrage due à la vis, le tampon vient
exercer un effort au contact de l'arbre. Le contact
n'ayant lieu que d'un seul côté, l'adhérence est moins
grande que dans la situation 1.1 (deux tampons au
contact de l'arbre). Pour des raisons de montage, le
rayon de l'entaille dans le tampon est légèrement
supérieur au diamètre de la colonne, ce qui
contrairement au cas 1.1 (deux tampons tangents),
conduit à un risque de coincement du tampon.
Cas 1.2 : Tampon entaillé :
26
La fente réalisée
dans le collier (et
dans la bague
d'adaptation) lui
donne une
certaine
élasticité. Sous
l'action de
Cas 1.3 : Pincement :
le positionnement de 1 par
Perceuse à colonne
l'action de
serrage due à la
vis la pièce se
déforme et vient
serrer la colonne
de perceuse.
L'immobilisation
est obtenue par
adhérence, sans
positionnement
angulaire
27
le positionnement de 1 par
rapport à 2 est obtenu par les surfaces
de contact cylindriques. La vis 3 a pour
rôle le rapprochement des deux surface
de la fente et par conséquent la
création d’une adhérence nécessaire
pour le maintien par pincement de 2/3
Le fonctionnement de cette bride pneumatique
impose que le corps de vérin soit articulé sur la
platine. Le pivot est réalisé par deux axes
d'articulation immobilisés dans la platine.
L'encastrement est réalisé grâce à des vis de
pression sans tête, à empreinte hexagonale
creuse et à bout.
Cas 1.4 : Vis de pression : Vérin de serrage à piston articulé
28
Le mouvement de translation suivant l'axe
est supprimé par adhérence due à l'effort
exercé par la vis de pression à téton. Cette
vis assure aussi le maintien en position.
Cas 2 : encastrement avec positionnement angulaire
Cas 2.1: Vis de pression à téton
29
Tous les mouvements possibles sont supprimés
par obstacles. Le positionnement suivant l'axe est
réalisé par l'épaulement et la rotation autour de
l'axe interdite par la clavette. Le maintien en
position est assuré par l'arrêt axial qui peut être un
écrou, une vis, un anneau élastique, ... Il existe
plusieurs formes de clavettes que l'on peut
consulter dans le chapitre "Composants standard /
Composants de type obstacle" .
Cas 2.2: Clavette et arrêt axial
Composants de type obstacle" .
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Autre type d’arrêts axiaux
La mise en place d'un circlips se
Arrêt axial par circlipse (anneau élastique)
La mise en place d'un circlips se
fait après ouverture de l'anneau à
l'aide d'une pince spéciale (voir le
vidéo).
Lorsque le diamètre est
faible (généralement
inférieur à 25 mm) on
peut utiliser des
anneaux élastique de
type "truac" dont le
montage se fait
radialement.
Arrêt axial par circlipse
De type truac
31
Liaison glissière obtenue par réalisation en premier d’une
liaison glissière entre l’arbre 4 et la poulie 2 (liaison
réalisée par clavette 3 et rainure) puis l’élimination de la
translation autorisée par cette liaison glissière par l’appuie
de 2 sur l’épaulement réalisé sur 4 d’un coté et la circlips
1 logé sur la rainure circulaire réalisée sur 4 et la face
plane de 2 d’un autre coté.
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Nota : Le principe est le même que la liaison complète
précédente, seulement la liaison glissière obtenue par clavette est
réalisée ici par les cannelures afin de transmettre un couple plus
important
Tous les mouvements possibles sont supprimés
par obstacle.
La translation selon l'axe est supprimée par
l'épaulement et la rotation autour du même axe
interdite par les cannelures.
Le maintien en position est assuré par la vis (ou
l'écrou) vissée en bout d'arbre
Cas 2.3 : cannelure et vis en bout d'arbre
l'écrou) vissée en bout d'arbre
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La goupille montée à force dans le trou percé supprime,
par obstacle, les mouvements relatifs possibles. Elle
assure le maintien en position.
Les goupilles peuvent être de différents types (cylindriques,
coniques, fendues, ...). L'utilisation de goupilles élastiques
de type "Mécanindus" permet un démontage et un
remontage aisé.
Cas 2.4 : goupille transversale: Perceuse à colonne
Si le couple à transmettre s'avère trop important, on peut monter deux goupilles
élastiques l'une dans l'autre. Le montage est alors dit "composé".élastiques l'une dans l'autre. Le montage est alors dit "composé".
Dans les différents cas, les dimensions du trou de perçage sont précisées dans
les catalogues ou bases de données informatiques des industriels.
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goupille transversale : Encastrement d’un pignon sur un arbre
35
dans cet exemple la liaison glissière est obtenue par l’association de
la liaison pivot-glissant obtenue entre l’arbre et 1 et le moyeu 3. les
mouvements de translation et de rotation autorisés, par la liaison pivot-glissant
réalisée, sont éliminés par la goupille fondue 2 logée serrée dans les trous
réalisés orthogonalement à l’axe sur 1 et 3.
Cas 2.5 : Autre type de construction
Goupille "entre cuir et chair »
Dans le réducteur FDA utilisé
dans un ouvre portail un des
pignons est bloqué en rotation par
deux goupilles cylindriques se
logeant parallèlement à l'axe dans
chacune des deux pièces. Ce
type de montage illustré par la
figure ci-contre est dit "entre cuir
et chair".
Dans ce type de
solution, l'axe de la
goupille est
positionné tangent à
l'arbre mais
perpendiculairement
à son axe.
Goupille tangente
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Mise en position par surfaces de contact cylindrique et maintien en
position par vis à bout pointu.
dans cet exemple la liaison glissière est obtenue par l’association de
la liaison pivot-glissant et l’arrêt en translation et en rotation suivant l’axe est
assuré par la vis à bout pointu.
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Les assemblages avec surfaces prépondérantes
coniques utilisent le principe de l'adhérence grâce
à des géométries de faible conicité. Ces dernières
permettent de transmettre un couple important
bien que les efforts axiaux de blocage soient
limités. La conicité est telle que le coincement est
faible (démontage possible).
Cas 1 : encastrement sans positionnement angulaire
Surfaces prépondérantes coniques
Les assemblages avec surfacesLes assemblages avec surfaces
prépondérantes coniques
utilisent le principe de
l'adhérence grâce à des
géométries de faible conicité.
Ces dernières permettent de
transmettre un couple important
bien que les efforts axiaux de
blocage soient limités. La
conicité est telle que le
coincement est faible
(démontage possible).38
Lorsque le couple à
transmettre devient important,
ou que le positionnement
angulaire du moyeu sur l'arbre
doit être précis, on positionne
une clavette dans la partie
conique de l'arbre et du
moyeu. On peut utiliser une
clavette disque ou une clavette
parallèle, cette dernière étant
plus adaptée aux couples
importants.
Cas 2 : encastrement avec positionnement angulaire
importants.
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1. Mise en position : Surfaces de
contact conique + clavette disque 4
logée respectivement sur la rainure
semi-circulaire réalisée sur 5 et la
rainure de rectangulaire exécutée
sur la poulie 2.
2. Maintien en position : Rondelle (2)
et écrou (1) .
Mise en position par surfaces conique et maintient en position par
adhérence
Cette liaison démontable est réalisée par montages des deux
surfaces coniques male et femelle réalisées respectivement sur le
foret 1 et le porte foret 2. la liaison complète est obtenue par
coincement par adhérence des deux surfaces arrivants au plan de
jauge.
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Cas 1 : à partir d'un carré (ou d'un autre polygone régulier)
Assemblages autres surfaces prépondérantes
Le volant de manoeuvre possède
une forme de section carré qui se
positionne sur un carré de la vis de
manoeuvre. Le positionnement
axial est obtenu sur l'arbre par
l'épaulement en bout du carré. Le
maintien en position est réalisé par
l'assemblage fileté avec écrou et
vis de
manœuvre
de vanne
l'assemblage fileté avec écrou et
rondelle.
L'encastrement avec ce type de
forme permet de transmettre un
couple important mais la réalisation
du trou de section carré est d'une
précision moyenne pour les pièces
mécaniques moulée (robinetterie)
ou d'un coût élevé pour les pièces
mécaniques aux dimensions très
précises.
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Cas 2 : Assemblage par dentelure
Dans le véhicule "Kangoo" de Renault, la
poignée de commande du levage des vitres
avant est montée sur un axe dentelé
métallique. L'encastrement est obtenu grâce à
la contribution d'une forme intérieure de la
poignée en matériau plastique qui vient se
loger (par clipsage ) dans la gorge de l'axe de
manoeuvre.manoeuvre.
42
Dans le cas de commande à faible couple
à transmettre, on trouve des solutions
avec méplat et vis de pression (domaine
de l'électronique domestique par
exemple).
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Il est souvent utile de combiner le collage avec des méthodes
d'assemblage plus classiques, afin de réaliser la transmission de
charges plus importantes et d'éviter la corrosion de contact due
aux vibrations.
Les cannelures, clavettes et autres dispositifs d'entraînement
positif sont exposés à la corrosion par contact en raison du jeu
inhérent à ce type de conception. Les adhésifs de fixation
ASSEMBLAGES NON DEMENTABLES
Collage des pièces à surfaces prépondérantes cylindriques
Assemblage par collage
inhérent à ce type de conception. Les adhésifs de fixation
comblent tous les interstices, en polymérisant ils empêchent tout
mouvement entre les deux pièces augmentant ainsi la capacité
de charge à long terme.
La capacité de charge axiale de l'adhésif peut permettre, dans
certains cas, la suppression des dispositifs de fixation axiale tels
que circlips, bagues d'arrêt ou goupilles. Une des situations les
plus courrantes est celle correspondant au collage des
roulements. En pratique, il devient possible d'améliorer les
assemblages existants et de réaliser de nouvelles conceptions
plus compactes, plus légères et moins coûteuses.
Collage de
pignons de boite
de vitesses
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Procédé de frittage
Le frettage est une opération qui réalise un emmanchement forcé de pièces cylindriques. Il
doit permettre la transmission d'un couple ou d'un effort axial uniquement par serrage d'une
pièce sur l'autre. Il offre l'avantage d'éviter les entailles dans l'arbre et le moyeu, donc de
réduire les concentrations de contraintes dues à ces formes.
Le diamètre de l'arbre étant supérieur à celui de l'alésage, la pénétration dans le moyeu se
fait mécaniquement et l'encastrement est réalisé par déformation locale et adhérence. Si
l'action mécanique à transmettre est faible, une frappe au maillet ou un effort continu à la
presse permettent la pénétration. Si l'action mécanique à transmettre est élevée, on peut
refroidir l'arbre par trempage dans un gaz liquéfié (azote ou gaz carbonique à une
température de l'ordre de - 180°) puis réaliser le montage à la presse dans le moyeu qui, le
cas échéant, aura pu être dilaté par chauffage dans un four ou dans un bain d'huile.
Le coussinet autolubrifiant qui permet le guidage de la
tige de vérin est monté fretté par emmanchement à
froid à la presse. Ces coussinets, réalisés par frittage,
sont le plus souvent en bronze (type BT25) ou en
alliage ferreux (type FP15). L'alésage qui les reçoit,
lors du montage à force, est de type H7. Après
frettage le diamètre intérieur du coussinet s'est
légèrement modifié et la tige de piston devra être
calibrée à une valeur h8 pour assurer un
fonctionnement satisfaisant.
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Formes des pièces frittées
Lorsque cela est
Au droit de l'assemblage, le frettage crée des contraintes dont on doit veiller, par
un choix judicieux de formes, à ce qu'elles ne soient pas supérieures à celles qui
résulteraient des accidents de formes (rainures de clavettes, trous de goupilles,
cannelures). Les recommandations qui suivent sont donc à prendre en compte
dans la phase de conception détaillée.
Lorsqu'un démontage éventuel doit
être prévu, choisir une dispositionLorsque cela est
possible, augmenter
d'environ 10% le
diamètre à l'endroit
du frettage et
augmenter
largement le rayon
de raccordement r.
Prévoir dans le moyeu un rayon
d'entrée ou un chanfrein.
Le frettage créant des contraintes
importantes au droit des faces du moyeu, il
faut choisir des formes permettant de limiter
les contraintes aux deux extrémités du
frettage par création d'évasements ou de
gorges de déconcentration de contraintes.
être prévu, choisir une disposition
constructive qui fasse déborder le
moyeu du coté du démontage.
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Application 1
Montage des coussinets
pour guidage en rotation Montage des roulements
Application 2
Bague simpleBague épaullée
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Solution 10: liaison complète obtenue par rivetage
La liaison compléte réalisée par rivetage est
une liaison indémontable. Elle est réalisée entre deux
pièces au moyen d’un élément intermidiaire appelé
rivet fabriqué en métaux malléables, à savoir le cuivre,
le léton, les aliages d’aluminium et autres, de telle
sorte à assurer une déformation facile , par
refoulement ou expansion de la matière, de son
extrimité libre.
48
48
Le mécanisme de réalisation de sertissage et le même que celui de
rivetage (expansion ou refoulement de la mtière malléable) sauf que la liaison ici
est réalisée d’une façon directe entre les deux pièces concernée (sans élément
intermidiaire).
Solution 10: liaison complète obtenue par sertissage
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Souder :C’est assembler de façon permanente deux ou
plusieurs pièces, tout en assurant entre elles la
continuité de matière.
Assemblage par soudage
Soudage autogène :Les pièces à assembler, de même nature ou de
composition voisine, participent à la constitutioncomposition voisine, participent à la constitution
du joint ou du cordon de soudure. L’assemblage
est dit homogène, c’est-à-dire fait du même
métal.
Brasage et soudobrasage :L’assemblage est hétérogène, la formation du
cordon de soudure est assurée par la seule
intervention du métal d’apport qui agit comme
une colle. La température de fusion du métal
d’apport doit être inférieure à celles des métaux
à souder.
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Représentation Représentation des assemblages mécanodes assemblages mécano--soudéssoudés
Vue de face – Vue de dessus Représentation simplifiée et symbolique des
assemblages mécano-soudés
Vue de face – Vue de gauche
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53
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Application de la conception MécanoApplication de la conception Mécano--soudée : Ensacheuse de grainssoudée : Ensacheuse de grains
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