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I. Nature de l’énergie :

Pour réaliser une action, la majorité des systèmes utilisent de l’énergie électrique (qui est très répandue) Ou de l’énergie pneumatique (sous forme d’air comprimé utilisé dans les systèmes industriels).

1°) L’énergie pneumatique

La Pression notée P et exprimée en Pascal (Pa), ou en Bar (bar). C’est une force appliquée sur une

: se caractérise par deux grandeurs ; Le débit noté Q et exprimé en m3/s

surface;

Avec 1 Pa = 1 N/m² et 1 bar = 105 N/m² = 105 Pa = 1 daN/cm²

La puissance pneumatique (Ppneu) s’exprime en Watt (W):

2°) L’énergie électrique :

La puissance électrique (Pélec) s’exprime en Watt (W) :

3°)

se caractérise par deux grandeurs ; La Tension notée U et exprimée en Volt (V) L’intensité notée I et exprimée en Ampère (A)

La puissance mécanique de translation (Pméca) s’exprime en Watt (W) :

L’énergie mécanique : a) L’ENERGIE MECANIQUE DE TRANSLATION : se caractérise par deux grandeurs ; La vitesse de translation notée V et exprimée en mètres par seconde (m/s) La force motrice du déplacement notée F et exprimée en Newtons (N)

b) L’ENERGIE MECANIQUE DE ROTATION : se caractérise par deux grandeurs : La vitesse de rotation notée ω et exprimée en radians par seconde (rd/s) ;

Le couple moteur de la rotation notée C et exprimée en Newtons×mètres (N.m)

La puissance mécanique de rotation (Pméca) s’exprime en Watt (W) :

Remarque : Il existe d’autres types d’énergie ; l’énergie hydraulique sous forme d’huile comprimé ; l’énergie calorifique sous forme de chaleur

Ainsi un élément qui absorbe une puissance Pe à son entrée et fournit une Puissance de sortie Ps

RENDEMENT :

Lors de la transformation de l’énergie (d’une forme à une autre) on aura toujours des pertes d’énergie

a un rendement η = (η < 1 car Pe = Ps + Pertes)

Pour assurer des fonctions de service, beaucoup de produits utilisent une chaîne d’énergie qui apporte la quantité et La forme d’énergie au bon moment pour réaliser l’action désirée

Force en Newton: N

N

S

F P =

Pméca = C x ω Watt N. m rd/s

60 2.π.N ω =

Vitesse de rotation en tr/min

ALIMENTER TRANSMETTRE

Type d’énergie Energie électrique Ou pneumatique

Energie distribuée Energie mécanique Energie disponible pour réaliser l’action

DISTRIBUER CONVERTIR

Chaîne d’énergie

Ppneu = Q x P Watt m3/s Pascal

Pélec = U x I Watt Volt Ampère

Pméca = F x V Watt Newton m/s

Ps PE

Energie d’entrée (Pe) Pertes d énergies

Transformer l’énergie

Elément

Présence d’ordre

Surface ( m2)

Energie de sortie (Ps)

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II. LA FONCTION ALIMENTER : 1°)

• L’énergie hydraulique de l’eau des barrages

Alimenter un produit en énergie électrique :

À l’aide des « prises de courant » raccordées par des conducteurs au réseau d’alimentation en courant alternatif Les sources principales d’énergie électrique sont des centrales qui utilisent:

• L’énergie Thermique classique: combustion de fuel, de charbon • L’énergie thermique nucléaire : Fission de l’uranium 235 • L’énergie éolienne : exploitation de la force du vent

Pour produire de l’énergie électrique, une turbine (une hélice) est entraînée en rotation par un débit d’eau (dans une centrale hydraulique), de la vapeur (dans une centrale thermique) ou du vent (dans une centrale éolienne), entraîne en rotation un alternateur qui produit l’électricité. A la sortie des centrales des transformateurs élèvent la tension pour transporter l’énergie électrique A l’approche du point de consommation l’énergie électrique est abaissée et distribuée sous forme d’un réseau (triphasé + Neutre: pour application industrielle. Phase + Neutre: pour application domestique)

Raccordement au secteur

Ph1

Ph2

Ph3

N

380v

380v

380v 220v

220v 220v

Réseau triphasé

Centrale thermique

Centrale thermique nucléaire

Centrale hydraulique

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À l’aide d’alimentation autonome qui stocke l’énergie électrique dans : Des piles

: non rechargeables Des batteries

que les piles puisqu’ils sont rechargeables ou piles rechargeable plus économiques

À l’aide d’alimentation locale Des cellules photovoltaïques des batteries pour alimenter des produit a faible consommation.

qui assurent la recharge

Une éolienne

de petite puissance peut constituée une alimentation autonome

Air comprimé p > p atm

Compresseur d’air + Réservoir d’air

Transformer et stocker

Contrôle des seuils de pression

Air ambiant p = p atm

Ordre de marche

Batterie d’automobile

Cellules photovoltaïques

Onduleur

Eclairage

Électroménager Régulateur

Batteries

Éolienne

Pile rechargeable

Pile non rechargeable

Exemple d’alimentation locale

Multiplicateur

Hélice

Production de l’énergie Pneumatique

Symbole :

Source d’énergie pneumatique

Le FILTRE élimine les impuretés

Le MANO-REGULATEUR permet de régler la pression

Le LUBRIFICATEUR Pulvérise des gouttes d’huile pour graisser les éléments mobiles

Ensemble de conditionnement

Production de l’énergie pneumatique

Alternateur

2°) Alimenter un produit en énergie pneumatique :

À l’aide d’un compresseur d’air + réservoir d’air, un ensemble de conditionnement et un réseau d’alimentation pour acheminer l’air sous pression aux systèmes

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III. LA FONCTION CONVERTIR :

1°)

Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique :

a) MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT CONTINU Il transforme l’énergie électrique à courant continu en énergie mécanique de rotation

Symbole :

b) MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT ALTERNATIF Il transforme l’énergie électrique alternative en énergie mécanique de rotation

Symbole :

c) MOTEUR PAS A PAS :

Il est très utilisé dans les appareils électroniques : imprimantes ; photocopieuse ; scanner . . .

Symbole :

Moteur alternatif triphasé (Utilisé dans le domaine industriel) Moteur à courant alternatif

Moteur alternatif monophasé (Très utilisé dans les appareils domestiques)

M ∼

M

Moteur à courant continu

M

Energie Électrique

(I , U )

Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique de rotation

Energie mécanique de rotation

(C , ω )

Moteur électrique

Pertes (chaleur)

Moteur à courant continu

Moteur pas à pas

Structure d’un moteur à courant continu

Moteur pas à pas

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2°) Convertir l’énergie pneumatique en énergie mécanique :

a) VERIN PNEUMATIQUE

On distingue principalement deux types de vérin : Double effet et simple effet

a- 1 ) VERIN DOUBLE EFFET Dans un vérin double effet; l'air comprimé alimente les deux chambres alternativement.

Un système que nous étudieront ultérieurement permet de vider une chambre pendant que l'autre se remplit.

Fonctionnement

Energie mécanique de translation

(F, V)

Chambre avant reliée à la source de pression

Chambre arrière reliée à l’échappement

Chambre arrière reliée à l’échappement

Chambre avant reliée à la source de pression

Pour rentrer la tige Pour sortir la tige

Vérin standard

Orifice arrière

Chambre arrière Chambre avant

Orifice avant

Tige

Corps

Orifice avant

Orifice arrière

Piston

Piston

Orifice arrière

Tige Mini vérin

Symbole :

Energie pneumatique

(P, Q)

Convertir l’énergie pneumatique en énergie

mécanique de translation

Vérin pneumatique

Pertes (chaleur)

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a- 2) VERIN SIMPLE EFFET

Dans un vérin simple effet l'air comprimé alimente seulement une chambre et produit une force dans un seul sens. Le retour en position initiale s'effectue sous l'action d'un ressort.

Fonctionnement

F : effort de la tige en Newton (N).

P : pression du fluide en Pascal (Pa). 1 bar = 1.10 +5 Pa

S : surface utile du piston (m2)

Force de traction (Ftraction)

Un vérin double effet produit un effort dans les deux sens (sortie de la tige et rentrée de la tige).

Relation effort- pression Chambre avant reliée à la source de pression

Chambre arrière reliée à l’échappement

Chambre avant reliée à l’échappement

Chambre arrière reliée à la source de pression

Symbole

Vérin simple effet Tige sortante

Vérin simple effet Tige rentrante

Piston

Chambre arrière Chambre avant

Orifice

Ressort de rappel

Force de pousseé (Fpoussée)

Chambre arrière reliée à l’échappement

Chambre arrière reliée à la source de pression

Retour sans force Sous l’action du ressort

Surfaces utiles du piston subissant la pression sont différentes côté avant et côté arrière

Surface utile arrière Sarrière

Sarrière = π . R2 = π . D2/4 Fpoussée = P . Sarrière

Diamètre Dpiston Diamètre dtige Diamètre Dpiston

Surface utile avant Savant Savant = π . ( R2 - r2 ) = π . (D2 - d2 ) /4 Ftraction = P . Savant

Force de poussée (Fpoussée)

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b) VERIN ROTATIF

C) GENERATEUR DE VIDE :

Symbole :

Perceuse : visseuse - dévisseuse Utilisant un Vérin rotatif

Vérin rotatif

Energie pneumatique

(p, q)

Convertir l’énergie pneumatique en énergie mécanique de rotation

Energie mécanique de rotation

(C, ωs)

Vérin rotatif

Moteur pneumatique

Structure d’un vérin simple effet et double effet

Alimentation en air comprimé

Vers l’échappement

Principe d’un vérin rotatif

Pertes (chaleur)

Générateur de vide

Energie pneumatique

(p, q)

Convertir l’énergie pneumatique (p>patm) en énergie pneumatique (p<patm)

Energie pneumatique

(p, q)

Pertes (chaleur)

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IV.

1°)

Le contacteur électrique

Le contacteur permet : d’établir ou interrompre un fort courant électrique ainsi que : La commande à distance d’un circuit électrique sans effort manuel, L’automatisation des machines de production et l’amélioration de la sécurité de fonctionnement.

Principe effet Venturi L’air comprimé, en passant dans l’étranglement prévu à l'intérieur provoque une accélération du flux d'air qui provoque une dépression qui aspire l’air dans l’espace étanche ventouse - objet la ventouse

Un contacteur électromagnétique est constitué par : * Un électro-aimant (bobine + noyau de fer) qui attire des contacts mobiles lorsqu’il reçoit un courant de la partie commande. * Plusieurs contacts à établissement du circuit (contacts de puissance)

Symbole

Contacteur

Contacteur Fonctionnement

Symbole

LA FONCTION DISTRIBUER :

Générateur de vide

Air aspiré objet

= Air comprimé + Air aspiré

Ordres de commande

Contacteur électromagnétique

énergie électrique disponible

(U, I )

énergie électrique distribuée

(U, I)

Distribuer l’énergie électrique

Pertes (chaleur)

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2°)

Distributeur électropneumatique :

Ils permettent d'alimenter les vérins pneumatiques vus précédemment. a) DISTRIBUTEUR 5/2 (pour vérin double effet) Il possède :

* 5 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 2 pour l'utilisation (Vers vérin), 2 pour l'échappement * 2 positions : 1 de repos, 1 de travail

Energie pneumatique en provenance du compresseur

(p, q)

Energie pneumatique distribuée

(p, q)

La bobine ne reçoit pas l’ordre de commande (elle n’est pas alimentée) tous les contacts sont ouverts ; le moteur n’est pas alimenté

La bobine reçoit l’ordre de commande (elle est alimentée) tous les contacts sont fermés ; le moteur est alimenté

Tiroir

Orifices Commande manuel

Constitution

Position de repos Position de travail

Commande manuelle

Commande manuelle

Source de pression

échappement

Vers vérin

1

2 4

3 5

Distributeur 5/ 2

éc

Ordre de commande électrique

Distributeur

Distribuer l’énergie pneumatique Pertes (chaleur)

Distributeur 5/2

Symbole

2 cases ⇔ 2 positions

Té d’obturation 2 orifices d’échappement

Orifice relié à la source de pression

Voie de circulation Le sens est indiqué par la flèche

2 orifices d’utilisation Vers vérin

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Il possède : * 4 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 1 pour l'utilisation (Vers vérin),

2 pour l'échappement * 2 positions : 1 de repos, 1 de travail

Commande du distributeur A chaque position du tiroir est associée une commande qui peut être un électro-aimant, un ressort, ...

b) DISTRIBUTEUR 4/2 (pour vérin double effet)

Symbole :

Si le distributeur possède une commande de chaque coté il est dit bistable (a deux positions stables lors qu’il n’y a pas d’ordre de commande)

Commande par ressort Commande par électro-aimant Si le distributeur possède une seule commande d'un coté et un ressort de l'autre il est dit monostable (a une position stable commandée par le ressort lors qu’il n’y a pas d’ordre de commande)

Distributeur 5/2 bistable

Position commandée par Un ressort (position stable)

Position commandée par Un électro-aimant

Distributeur 5/2 monostable

La position du tiroir permet d’orienter la circulation du fluide dans le distributeur.

Position 2

Source de pression échappement

écha

Fonctionnement

Position 1

Source de pression échappement

Principe de fonctionnement d’un distributeur 5/2

Distributeur 4/2

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Il possède :

* 3 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 1 pour l'utilisation (Vers vérin), 1 pour l'échappement

* 2 positions : 1 de repos, 1 de travail Fonctionnement : Le pilotage des distributeurs est réalisé par des commandes pneumatiques, électriques, manuelles ou mécaniques.

Type de pilotage les plus courants :

c) DISTRIBUTEUR 3/2 (pour vérin simple effet)

Symbole :

Commande manuelle

BP levier galet ressort pression bobine électrovanne

Commande électrique

Commande pneumatique Commande mécanique

Distributeur 3/2

Position1 Position2

Fonctionnement

Position 1 Position 2

d) EXEMPLES D’UTILISATION DE VERINS

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V. LA FONCTION TRANSMETTRE : Transmettre l’énergie mécanique consiste à : Adapter l’énergie mécanique ou Transformer l’énergie mécanique

1°) Adapter l’énergie mécanique

a) ENGRENAGES CYLINDRIQUES A DENTURES DROITES Rapport de réduction

Le rapport de réduction est fonction du Nombre de dents des roues de l’engrenage.

b) POULIES COURROIE

Le rapport de réduction est fonction des diamètres des poulies

Symbole ∅ D entrée

∅ D sortie

Z entrée Dents

Zsortie Dents

Rapport de réduction

ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue

ω sortie ω entrée

N sortie N entrée

Z entrée Z sortie

D entrée D sortie = = = r =

ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue Z : Nombre de dents d’une roue

Poulie d’entée

Symbole :

Poulie de sortie

Courroie

Poulie d’entée ( diamètre D sortie)

Poulie de sortie (Diamètre D entrée)

Transmettre l’énergie mécanique

Adapter l’énergie

mécanique

Transformer l’énergie

mécanique

On adapte l’énergie mécanique lorsqu’on modifie ses caractéristiques. Exemple : réduction de la vitesse de rotation

On transforme l’énergie mécanique lorsque l’on modifie la nature du mouvement.

Exemple : Rotation Translation

ω sortie ω entrée

N sortie N entrée

D entrée D sortie = = r =

Engrenages cylindriques

Système poulies courroie

Energie mécanique de rotation

(Ce, ωe)

Energie mécanique de rotation

(Cs, ωs)

Pertes (chaleur)

Energie mécanique de rotation

(Cs, ωs)

Energie mécanique de rotation

(Ce, ωe)

Pertes (chaleur)

Adapter l’énergie mécanique de rotation

Adapter l’énergie mécanique de rotation

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c) ROUE ET VIS SANS FIN Le rapport de réduction est fonction du nombre de filets de la vis sans fin et du nombre de dents de la roue dentée.

d) ENGRENAGES CONIQUES DENTURES DROITES

Rapport de réduction ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue

2°) Transformer l’énergie mécanique

a) SYSTEME A LEVIER

b) SYSTEME VIS ECROU

ω sortie ω entrée

N sortie N entrée

Z entrée Z sortie

D entrée D sortie = = = r =

Déplacement (m) Pas (m) Nombre de tours (tour)

θ p =d

Levier

Rapport de réduction

ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue Z vis : Nombre de filets du vis ; Z roue : Nombre de dents de la roue

ω sortie ω entrée

N roue N vis

Z vis Z roue = = r =

N entrée

N sortie

Z sortie

Z entrée

Symbole :

Le rapport de réduction est fonction des Nombre de dents des roues de l’engrenage

Vis sans fin

Symbole : Symbole :

Z vis nombre de filets

Z roue Dents

Système roue et vis sans fin

Engrenages coniques

Energie mécanique de rotation

(Cs, ωs)

Energie mécanique de rotation

(Ce, ωe)

Pertes (chaleur)

Système à levier

Système vis écrou

Energie mécanique de translation

(FS, Vs)

Energie mécanique de rotation

(Ce, ωe)

Transformer l’énergie mécanique de rotation en

énergie mécanique de translation Pertes (chaleur)

Energie mécanique de rotation

.

(ωS, Cs)

Energie mécanique de translation

(Ve, Fe)

Transformer l’énergie mécanique de translation en

énergie mécanique de rotation Pertes (chaleur)

Energie mécanique de rotation

(Cs, ωs)

Energie mécanique de rotation

(Ce, ωe)

Pertes (chaleur)

Adapter l’énergie mécanique de rotation

Adapter l’énergie mécanique de rotation

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c) POULIES- COURROIE (TAPIS ROULANT)

d) SYSTEME BIELLE MANIVELLE

d) PIGNON CRAIMALLAIRE

Energie mécanique de translation Alternative

(Vs, Fs)

Energie mécanique de translation

(Vs, Fs)

Energie mécanique de rotation

(ωe, Ce)

Transformer l’énergie mécanique de rotation en

énergie mécanique de translation alternative

D = 2 . e

Energie mécanique de rotation

(ωE, Ce)

Transformer l’énergie mécanique de rotation en

énergie mécanique de translation

Système vis écrou

Cylindre

Manivelle

Piston Bielle

Energie mécanique de translation

(Vs, FS)

Energie mécanique de rotation

Transformer l’énergie mécanique de rotation en

énergie mécanique de translation Pertes (chaleur)

Pertes (chaleur)

Système vis écrou

Pertes (chaleur)

Système vis écrou