I. Nature de l énergie :

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1 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 : se caractérise par deux grandeurs ; Le débit noté Q et exprimé en m 3 /s La Pression notée P et exprimée en Pascal (Pa), ou en Bar (bar). C est une force appliquée sur une Force en Newton: N surface; P F = S N Surface ( m 2 ) Avec 1 Pa = 1 N/m² et 1 bar = 10 5 N/m² = 10 5 Pa = 1 dan/cm² La puissance pneumatique (P pneu ) s exprime en Watt (W): 2 ) L énergie électrique : 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 électrique (P élec ) s exprime en Watt (W) : 3 ) 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) La puissance mécanique de translation (P méca ) s exprime en Watt (W) : b) L ENERGIE MECANIQUE DE ROTATION : se caractérise par deux grandeurs : La vitesse notée ω et exprimée en radians par seconde (rd/s) ; ω 2.π.N = 60 Le couple moteur de la rotation notée C et exprimée en Newtons mètres (N.m) La puissance mécanique (P méca ) 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 RENDEMENT : P pneu = Q x P Watt m 3 /s Pascal P élec = U x I Watt Volt Ampère P méca = F x V Watt Newton m/s P méca = C x ω Watt N. m rd/s Lors de la transformation de l énergie (d une forme à une autre) on aura toujours des pertes d énergie Ainsi un élément qui absorbe une puissance Pe à son entrée et fournit une Puissance de sortie Ps a un rendement η = Ps (η < 1 car Pe = Ps + Pertes) PE Energie de sortie (Ps) Energie d entrée (Pe) Transformer l énergie Pertes d énergies Elément 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 Vitesse en tr/min Type d énergie Energie électrique Ou pneumatique Présence d ordre Energie distribuée Energie disponible pour réaliser l action ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE Chaîne d énergie Proposé par MADAK Page 1/29

2 II. LA FONCTION ALIMENTER : 1 ) 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 hydraulique de l eau des barrages L énergie Thermique classique: combustion de fuel, de charbon Raccordement au secteur 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) Ph1 Ph2 Ph3 N 380v 380v 380v 220v Réseau triphasé 220v 220v Centrale hydraulique Centrale thermique Centrale thermique nucléaire Proposé par MADAK Page 2/29

3 À l aide d alimentation autonome qui stocke l énergie électrique dans : Des piles : non rechargeables Des batteries ou piles rechargeable plus économiques que les piles puisqu ils sont rechargeables À l aide d alimentation locale Pile non rechargeable Des cellules photovoltaïques qui assurent la recharge Pile rechargeable des batteries pour alimenter des produit a faible consommation. Batterie d automobile Une éolienne de petite puissance peut constituée une alimentation autonome Hélice Multiplicateur Cellules photovoltaïques Alternateur Eclairage Éolienne Électroménager Régulateur Onduleur Batteries Contrôle des seuils de pression Air ambiant p = p atm Transformer et stocker Compresseur d air + Réservoir d air Exemple d alimentation locale 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 Le FILTRE élimine les impuretés Air comprimé p > p atm Ordre de marche Le MANO-REGULATEUR permet de régler la pression Ensemble de conditionnement Le LUBRIFICATEUR Pulvérise des gouttes d huile pour graisser les éléments mobiles Source d énergie pneumatique Production de l énergie Pneumatique Production de l énergie pneumatique Proposé par MADAK Page 3/29

4 III. LA FONCTION CONVERTIR : 1 ) Convertir l énergie électrique en énergie mécanique : Energie Électrique (I, U) Convertir l énergie électrique en énergie mécanique (C, ω ) Moteur électrique a) MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT CONTINU Il transforme l énergie électrique à courant continu en énergie mécanique M Moteur à courant continu Moteur à courant continu b) MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT ALTERNATIF Il transforme l énergie électrique alternative en énergie mécanique M Moteur alternatif triphasé (Utilisé dans le domaine industriel) c) MOTEUR PAS A PAS : Moteur alternatif monophasé (Très utilisé dans les appareils domestiques) Moteur à courant alternatif Il est très utilisé dans les appareils électroniques : imprimantes ; photocopieuse ; scanner... M Moteur pas à pas Moteur pas à pas Structure d un moteur à courant continu Proposé par MADAK Page 4/29

5 2 ) Convertir l énergie pneumatique en énergie mécanique : a) VERIN PNEUMATIQUE Energie pneumatique (P, Q) Convertir l énergie pneumatique en énergie mécanique de translation de translation (F, V) Vérin 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. Orifice arrière Tige Orifice arrière Orifice avant Mini vérin Piston Orifice arrière Vérin standard Orifice avant Corps Piston Tige Chambre avant Chambre arrière Fonctionnement Chambre arrière reliée à l échappement Chambre avant reliée à la source de pression Chambre avant reliée à la source de pression Chambre arrière reliée à l échappement Pour rentrer la tige Pour sortir la tige Proposé par MADAK Page 5/29

6 Un vérin double effet produit un effort dans les deux sens (sortie de la tige et rentrée de la tige). Relation effort- pression Chambre arrière reliée à la source de pression Chambre avant reliée à l échappement Chambre arrière reliée à l échappement Chambre avant reliée à la source de pression Force de poussée (Fpoussée) Force de traction (Ftraction) Diamètre D piston Diamètre D piston Surfaces utiles du piston subissant la pression sont différentes côté avant et côté arrière Diamètre d tige Surface utile arrière S arrière S arrière = π. R 2 = π. D 2 /4 F poussée = P. S arrière Surface utile avant S avant S avant = π. ( R 2 - r 2 ) = π. (D 2 - d 2 ) /4 F traction = P. S avant F : effort de la tige en Newton (N). P : pression du fluide en Pascal (Pa). 1 bar = Pa S : surface utile du piston (m2) 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. Symbole Vérin simple effet Tige sortante Ressort de rappel Orifice Piston Vérin simple effet Tige rentrante Fonctionnement Chambre arrière reliée à la source de pression Force de pousseé (Fpoussée) Chambre avant Chambre arrière reliée à l échappement Chambre arrière Retour sans force Sous l action du ressort Proposé par MADAK Page 6/29

7 Structure d un vérin simple effet et double effet b) VERIN ROTATIF Energie pneumatique (p, q) Convertir l énergie pneumatique en énergie mécanique (C, ωs) Vérin rotatif Vérin rotatif Moteur pneumatique Perceuse : visseuse - dévisseuse Utilisant un Vérin rotatif Alimentation en air comprimé Vers l échappement Principe d un vérin rotatif C) GENERATEUR DE VIDE : Energie pneumatique (p, q) Convertir l énergie pneumatique (p>p atm ) en énergie pneumatique (p<p atm ) Energie pneumatique (p, q) Générateur de vide Proposé par MADAK Page 7/29

8 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 = Air comprimé + Air aspiré Générateur de vide Air aspiré objet Symbole IV. LA FONCTION DISTRIBUER : 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. Ordres de commande énergie électrique disponible (U, I) Distribuer l énergie électrique énergie électrique distribuée (U, I) Symbole Contacteur électromagnétique Fonctionnement Contacteur Contacteur 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) Proposé par MADAK Page 8/29

9 Position de repos Position de travail 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 2 ) Distributeur électropneumatique : Energie pneumatique en provenance du compresseur (p, q) Ordre de commande électrique Distribuer l énergie pneumatique Energie pneumatique distribuée (p, q) Distributeur 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 Constitution Tiroir Commande manuelle Vers vérin 2 4 Commande manuelle 3 é échappement 5 1 c Source de pression Commande manuel Orifices Distributeur 5/2 Symbole 2 cases 2 positions Té d obturation 2 orifices d utilisation Vers vérin Voie de circulation Le sens est indiqué par la flèche 2 orifices d échappement Orifice relié à la source de pression Distributeur 5/2 Proposé par MADAK Page 9/29

10 La position du tiroir permet d orienter la circulation du fluide dans le distributeur. Position 1 Position 2 é c h a Source de pression échappement Fonctionnement échappement Source de pression Principe de fonctionnement d un distributeur 5/2 Commande du distributeur A chaque position du tiroir est associée une commande qui peut être un électro-aimant, un ressort,... Commande par ressort 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) Commande par électro-aimant 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) Position commandée par Un ressort (position stable) Distributeur 5/2 monostable Position commandée par Un électro-aimant Distributeur 5/2 bistable b) DISTRIBUTEUR 4/2 (pour vérin double effet) 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 Distributeur 4/2 Proposé par MADAK Page 10/29

11 Fonctionnement Position 1 Position 2 c) DISTRIBUTEUR 3/2 (pour vérin simple effet) 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 : Position1 Distributeur 3/2 Position2 Le pilotage des distributeurs est réalisé par des commandes pneumatiques, électriques, manuelles ou mécaniques. Type de pilotage les plus courants : Commande Commande manuelle Commande mécanique pneumatique Commande électrique BP levier galet ressort pression bobine électrovanne d) EXEMPLES D UTILISATION DE VERINS Proposé par MADAK Page 11/29

12 V. LA FONCTION TRANSMETTRE : Transmettre l énergie mécanique consiste à : Adapter l énergie mécanique ou Transformer l énergie mécanique 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 On transforme l énergie mécanique lorsque l on modifie la nature du mouvement. Exemple : Rotation Translation 1 ) Adapter l énergie mécanique a) ENGRENAGES CYLINDRIQUES A DENTURES DROITES (Ce, ωe) Adapter l énergie mécanique (Cs, ωs) Rapport de réduction r = ω sortie ω entrée N sortie N entrée Engrenages cylindriques D entrée = = = D sortie Z entrée Z sortie ω : Vitesse angulaire d une roue en rad/s N : Vitesse d une roue en tr/min D : Diamètre d une roue Z : Nombre de dents d une roue Symbole D sortie D entrée Zsortie Dents Z entrée Dents Le rapport de réduction est fonction du Nombre de dents des roues de l engrenage. b) POULIES COURROIE (Ce, ωe) Adapter l énergie mécanique (Cs, ωs) Poulie de sortie (Diamètre D entrée) Système poulies courroie Poulie d entée ( diamètre D sortie) Rapport de réduction r = ω sortie ω entrée N sortie = = N entrée D entrée D sortie ω : Vitesse angulaire d une roue en rad/s N : Vitesse d une roue en tr/min D : Diamètre d une roue Courroie Poulie de sortie Le rapport de réduction est fonction des diamètres des poulies Poulie d entée Proposé par MADAK Page 12/29

13 c) ROUE ET VIS SANS FIN (Ce, ωe) Système roue et vis sans fin Rapport de réduction ω sortie N roue Z vis r = = = ω entrée Adapter l énergie mécanique N vis Z roue de rotation (Cs, ωs) ω : Vitesse angulaire d une roue en rad/s N : Vitesse 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 Z vis nombre de filets Vis sans fin Z roue Dents 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 (Ce, ωe) Adapter l énergie mécanique (Cs, ωs) Engrenages coniques Rapport de réduction ω sortie N sortie D entrée r = = = = ω entrée N entrée D sortie ω : Vitesse angulaire d une roue en rad/s N : Vitesse d une roue en tr/min D : Diamètre d une roue Z entrée Z sortie N entrée Le rapport de réduction est fonction des Nombre de dents des roues de l engrenage N sortie Z entrée Z sortie 2 ) Transformer l énergie mécanique a) SYSTEME A LEVIER Transformer l énergie de translation mécanique de translation en énergie mécanique de (Ve, Fe) rotation. (ωs, Cs) Levier b) SYSTEME VIS ECROU (Ce, ωe) Système à levier Transformer l énergie mécanique en énergie mécanique de translation de translation (FS, Vs) Système vis écrou d = p θ Déplacement (m) Pas (m) Nombre de tours (tour) Proposé par MADAK Page 13/29

14 c) POULIES- COURROIE (TAPIS ROULANT) Transformer l énergie de translation mécanique en (Vs, FS) énergie mécanique de translation Système vis écrou d) SYSTEME BIELLE MANIVELLE (ωe, Ce) Transformer l énergie mécanique en énergie mécanique de translation alternative de translation Alternative (Vs, Fs) Système vis écrou Cylindre Piston Bielle Manivelle d) PIGNON CRAIMALLAIRE (ωe, Ce) Transformer l énergie mécanique en énergie mécanique de translation D = 2. e de translation (Vs, Fs) Système vis écrou Proposé par MADAK Page 14/29