Découvrir le système objet de l étude. Utiliser un logiciel de simulation

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1 Lycée PE MARTIN TP N 6 durée : 2h CENTRE D INTERET : CI.5 : transmission de puissance, transformation de mouvement MECANISME D ESSUIE GLACE BOSCH TP de découverte. Application - mise en œuvre de savoirs/savoir-faire. Recherche et validation de solutions. Evaluation. THEMATIQUES : E15 : Mouvements de solides plan/plan E17 : Simulation du comportement mécanique d un système COMPETENCES ATTENDUES: Utilisation du logiciel Motion Works concepts de trajectoire vitesses principe de transformation de mouvement PROBLEMATIQUE : On se propose : - d illustrer la performance du mécanisme en terme de balayage par la recherche des trajectoires des points hauts et bas du balai d essuie glace. - de déterminer la fréquence maximale de rotation du moteur électrique - de vérifier qu en tous points du balai la vitesse maximale ne dépasse pas environ 6,5 m/s, vitesse critique garantissant un essuyage convenable de la vitre. CONDITIONS DE DEROULEMENT DE L ACTIVITE : Phases de travail A : Mise en situation B : Etude de la problématique Objectif Découvrir le système objet de l étude Utiliser un logiciel de simulation Activité Lire le dessin d ensemble du mécanisme et établir le schéma cinématique Utiliser SW et MW et déterminer les trajectoires de points C : Synthèse Analyser les résultats fournis par le logiciel Déterminer la fréquence moteur pour respecter le cahier des charges RESSOURCES DOCUMENTAIRES, LOGICIELS ET MATERIELS : Ordinateur équipé des logiciels SW et MW + maquette numérique bride hydraulique. Du Dossier Technique (DT) du système. TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 1/12

2 A : MISE EN SITUATION Les essuies glaces pour automobiles ont subi des évolutions continues sur le plan des constituants et des matériaux. Plusieurs sociétés spécialisées dans l équipement automobile se partagent cet important marché. Outre le conventionnel double essuie glace à rotation du balai et l essuie glace simple qui avait équipé par exemple les berline haut de gamme de la marque Citroën, un nouveau produit conçu et développé par la société Bosch pour les automobiles Mercedes à fait son apparition depuis déjà quelques années sur le marché. Le constructeur annonce un balayage de 86% de la surface du pare brise. Sur le système, le moteur électrique entraîne la biellette d entrée 6 par l intermédiaire de la manivelle 7. Balayage : Le mouvement est transmis au balancier 10 par les biellette 9 et 11. Le balancier 10 entraîne en rotation le boîtier mobil 2. Le porte balai 5 a donc un mouvement qui résulte de la rotation de 2 et permet le balayage. Allongement du bras La rotation du balancier 2 entraîne le pignon 3. Ce dernier est engrené sur le secteur denté 15. Par l intermédiaire de la biellette 4 le mouvement de rotation 2/1 est transformé en mouvement de translation alternée de 5/2 et permet ainsi l allongement du bras. 1/ Identification de la géométrie : Faites fonctionner le système réel et observer le mouvement des différentes pièces. Colorier sur le dessin ( document DR1) les pièces principales 1 Compléter le schéma cinématique ( document DR2) concernant le balayage (rotation simple du porte balais) 2 Compléter le schéma cinématique ( document DR2) concernant l allongement du bras lors de la rotation du porte-balais Dans la suite du TP on utilisera les notations suivantes avec le mécanisme très simplifié: n 1 = bras d entraînement balais 2 n 2 = pignon d entraînement 3 n 3 = biellette d entraînement 6 n 4 = biellette entrée moteur 7 n 5 = biellette entraînement 4 n 6 = porte-balais 5 TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 2/12

3 B : ETUDE DE LA PROBLEMATIQUE Cahier des charges : augmenter la surface balayée 1/ Etude des trajectoires des points haut et bas de l essuie-glace. Cette étude se fera avec l aide du logiciel de simulation MotionWorks interfacé au modeleur volumique SolidWorks (avec la maquette numérique très simplifiée du mécanisme). Finalité : calculer le gain de surface balayée grâce à l allongement du bras 1.1 Mise en œuvre de la session de travail : Allumer le micro et lancer SolidWorks Ouvrir dans le répertoire élèves le fichier assemblage «essuie glace Bosch» Cliquer ensuite sur l icône MotionWorks et les liaisons déclarées apparaissent. Si l icône n apparaît pas faites outils compléments cochez MotionWorks 1.2 Lecture des différentes liaisons : Compléter le tableau récapitulatif des liaisons MW sur le document DR2 Comparer les liaisons trouvées avec celles que vous avez défini sur le schéma cinématique DR2. Normalement 2 liaisons diffèrent : ceci pour enlever les degrés d hyperstatisme et permettre au logiciel de fonctionner (pouvoir faire les calculs) 1.3 Déclaration des points M et N (extrémités de l essuie-glace) Afin de faire calculer au logiciel les paramètres de mouvement des deux extrémités du balai, il faut créer les deux points M et N, pour cela : Faire un zoom de l extrémité inférieure du balai. Zoom extrémité Cliquer sur «ajout de repère». Puis sélectionner le point extrême du balai. Choisir ensuite appliquer Procéder de la même manière pour l extrémité supérieure du balai. Vous devez voir apparaître dans l arbre de création MW sous balai d essuie-glace les 2 «pointer». Les numéros donnés n ont pas d importance, mais :6 = pièce n 6 Motion works et 1 = premier «pointer» sur cette pièce. TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 3/12

4 1.4 Pilotage de la liaison d entrée : Cliquer sur la liaison pivot entre le corps 1 et la biellette entrée 7 qui sera considérée comme «motrice». Bouton droit de la souris puis sélectionner propriétés. Il apparaît alors une nouvelle fenêtre : Cliquer sur Mouv. Imposé, puis cocher la case. Cliquer sur constant puis cocher la case. Sélectionner la vitesse de rotation puis rentrer dans la case sa valeur pour 10 tr/min en rd/s : en rd/s. Cliquer sur appliquer. Donner un temps de cycle de 6 s ( pour faire un balayage complet ) et 300 images. 1.5 Calculs : Lancer le calcul avec les fonctions suivantes : - Revenir à la position initiale - Arrêter - Lancer - En boucle. - Pour revenir au mode de construction il faut impérativement cliquer sur : TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 4/12

5 1.6 Exploitation des résultats de la simulation : Recherche des trajectoires de M et N de 5/1: On suppose que le balai a une longueur de 600 mm et qu il est positionné (comme sur le croquis ci-contre) à l extrémité du porte- balai 5 et dans son prolongement. Pour demander les trajectoires T M 5/1 et T N 5/1, il faut : Sélectionner le pointer 6.1 puis bouton droit pour sélectionner propriétés. La fenêtre graphique apparaît alors : Cliquer cinématique puis cocher Afficher la trajectoire et Sortie numérique Procéder de la même manière pour sa vitesse mais donner une échelle de tracé de 0.3 Cliquer sur appliquer puis lancer un simulation. Observez le résultat obtenu. Recommencer l opération avec le point N ( Attention échelle de vitesses 0.1). Recherche des trajectoires de M et N de 2/1 (rotation): Après avoir recherché la nature de la liaison entre 1 et 2, définir sur DR2 les trajectoires de T M2/1 et T N2/1 ( les comparer avec celle du système réel ) Commenter sur le document réponse DR2 la trajectoire T N 5/1 et conclure quant à l efficacité du mécanisme de balayage. Dans la partie «pour aller plus loin» vous calculerez le gain en % TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 5/12

6 B : SYNTHESE 1/ Recherche vitesse de rotation maxi moteur à l aide de la simulation MotionWorks. Les calculs ayant déjà été fait avec N moteur = 10 tr/mn, il suffira d aller chercher dans le grapheur les résultats numériques de la valeur de la norme de la vitesse de M pour la position donnée. Pour cela : sélectionner «grapheur» Lancer le calcul Cocher la norme de la vitesse de M (1 er «pointer») et celle de N(2 ème «pointer») Attention : v_prt6.1 =vitesse absolue La courbe apparaît. Chercher la vitesse maximale de M ou de N d un point de l essuie-glace Trouver la valeur maximal de V N5/1 pour Nm = 10tr/min et la comparer à celle du cahier des charges (Vmax=6.5m/s). Conclusion. En modifiant les paramètres cinématiques de la liaison motrice (par exemple 20tr/min puis 30tr/min ), trouver par essais puis déduction la valeur maximal de Nm permettant de répondre au cahier des charges Déterminer la cadence maxi de l essuie-glace en coup par seconde. Aller sur la maquette vérifier que le Cahier des charges est respecté Pour aller plus loin Calcul du gain de surface balayée * Dans le grapheur faites apparaître les courbes de position N dans le mouvement de 5/1 (pointer 6 :1) et aussi dans le mouvement de 2/1 (trajectoire de cercle) Pour le deuxième mouvement il faut rajouter un pointeur sur le solide 2 (les points d accrochage sont déjà prédéfinis. (cacher le solide 5 pour faciliter la vision des points) θ 3 *Faites aussi apparaître la position angulaire du mouvement de 2/1 car on en aura besoin θ 2 Temps Position N 5/1 p_ptr[6.2](m) Position N 2/1 p_ptr[1.2](m) Position angulaire p[1.1](rad) * Ensuite dans le grapheur cliquer avec le bouton droit sur la courbe et sauvez valeurs sous un fichier texte. * A l aide d un tableur ouvrez ce fichier texte : un tableau de valeurs apparaît et va vous permettre de calculer les surfaces balayées sachant que la surface d un secteur s1 = 1 2 (θ 2 - θ 1 ) R1*R2 Il suffit de calculer les surfaces de chaque secteur et de les additionner R 1 R 4 R 3 R 2 θ 1 θ 4 TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 6/12

7 * Calculez le gain DR1 TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 7/12

8 A Mise en situation Classe de T S Sciences de l Ingénieur 1/ Identification de la géométrie : 1 Schéma du balayage 2 Schéma allongement du bras DR (ou 2) B : ETUDE DE LA PROBLEMATIQUE B 1.2 Récapitulatif des liaisons Centre de la liaison Nature de la liaison Entre les pièces 1 ère 2 ème B 1.6 Nature des trajectoires : - T M2/1 : - T N2/1 : Commentaire sur T N5/1 : Conclusion quant à l efficacité de balayage : 1. Valeur maximale calculée par la simulation : C : SYNTHESE N moteur (tr/min) V N5/1 max (m/s) Résultats : Nm max = Fréquence réelle : Conclusion : TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 8/12

9 Travail maison RECHERCHE DE LA VITESSE D UN POINT DU BALAI DANS UNE POSITION DONNEE On cherche à déterminer V M5/1. La loi de composition des vitesses d un solide permet donc d écrire : V M5/1 = V M5/2 + V M2/1 Nous allons donc rechercher successivement les deux composantes de V M5/1 ( Les tracés seront réalisés sur le document DR2, 2.1 Sachant que le balai à une fréquence de 56 coups à la minute et que la manivelle à une longueur de 29 mm, déterminer : La fréquence rotation du moteur en tr/mn ; La norme de V K7/1 Tracer cette vitesse dur DR2 à l échelle proposée ( 1 mm pour 20 mm/s ). 2.2 Justifier les égalités suivantes : V K7/1 = V K6/1 et que V B6/1 = V B2/1 2.3 Quelle est la nature du mouvement de 2/1? En déduire et tracer le support de V B2/1 2.4 En appliquant le théorème de l équiprojectivité des vecteurs vitesses de deux points d un solide : Déterminer V B2/1. En déduire V C2/1, V I2/1 et V M2/1 première composante de V M5/ Le pignon 3 roule sans glisser sur la roue 1 en I ( V I3/1 = 0 ). En déduire à l aide d une loi de composition des vecteurs vitesses, la relation liant V I3/2 et V I1/2. Mettre en place sur la figure le vecteur V I3/ Quelle est la nature du mouvement de 3/2? En déduire et tracer le support de V D3/2. Connaissant V I3/2 déterminer par la loi de distribution des vecteurs vitesses V D3/ Quelle est la nature du mouvement de 5/2? En déduire et tracer le support de V E5/ Justifier les égalités suivantes : V D3/2 = V D4/2 et V E4/2 = V E5/ En appliquant le théorème de l équiprojectivité entre les points D et E du solide 4 dans son mouvement par rapport à 2 : TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 9/12

10 Déterminer V M5/2 ( seconde composante de V M5/1 ) 2.10 Déterminer V M5/1 Remarque : On aurait de même déterminer la vitesse de tout autre point du balai, en particulier N..1 Fréquence de rotation ω = Vitesse de K : V K7/1 =.2 Justification de : - V K7/1 = V K6/1 : - V B6/1 = V B2/1 :.3 Mouvement de 2/1.4 Résultats : V C2/1 = V I2/1 = V M2/1 =.5 Relation liant V I3/1 et V I1/2.6 Mouvement de 3/2 : Résultats : V D3/2 =.7 Mouvement de 5/2 :.8 Justifier les égalités : - V D3/2 = V D4/2 : - V E4/2 = V E5/2 :.9 Résultats : V E5/2 = V M5/2 =.10 Résultats : V M5/1 = TS-TP-mercedes(d) Essuie-glace Page 10/12

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