TP 5-4 : Affolement de soupape

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1 Sciences Industrielles de l Ingénieur CPGE - Saint Stanislas - Nantes TP 5-4 : Affolement de soupape Description du mécanisme Ce TP a pour but d expliquer pourquoi la force du ressort de rappel d une soupape d un moteur thermique est importante (parfois plus de 1000 N), d étudier l usure de la came et de justifier des recherches faites par certains constructeurs pour développer des distributions pneumatiques. La commande de soupape d admission d un moteur à combustion interne 4 temps est dessinée ci-contre. La masse de l ensemble {E} = {2,3} formé des pièces en translation est m = 150 g. L action du ressort sur {E} est une force F R dont l intensité varie proportionnellement à la position de la soupape. La levée de soupape (course de la soupape) est de d = 9 mm. Le cycle de fonctionnement du mécanisme est le suivant: Position 1 Position 2 Position 3 Position 4 Position 5 Came à 0 Came à 15 Came à 60 Came à 105 Came à 120 Vilebrequin à -30 Vilebrequin à 0 Vilebrequin à 90 Vilebrequin à 180 Vilebrequin à 210 fermée (x = 0), sa vitesse est nulle. C est le début de l ouverture. ouverte au quart ( x = d/4 ), et elle a atteint sa vitesse maximale d ouverture ouverte au maximum (x = d) et sa vitesse est nulle. ouverte au quart ( x = d/4 ),, et elle a atteint sa vitesse maximale de fermeture fermée (x = 0), sa vitesse est nulle. C est la fin de la fermeture. d/4 d/4 d V Max V Max Affolement de soupape.docx page 1/3

2 Sciences Industrielles de l Ingénieur CPGE - Saint Stanislas - Nantes 1- Etude cinématique du mouvement de la soupape Le but de cette partie est de déterminer les accélérations subies par la soupape. Du fait de la forme de la came, le mouvement de cette soupape entre le début de son ouverture et la fin de sa fermeture peut se décomposer en quatre phases: 1 ière phase : entre les positions 1 et 2 : accélérée (accélération positive) par la came. 2 ième phase : entre les positions 2 et 3 : ralentie (accélération négative) par le ressort. 3 ième phase : entre les positions 3 et 4 : accélérée (accélération négative) par le ressort. 4 ième phase : entre les positions 4 et 5 : la soupape est ralentie (accélération positive) par la came. Hypothèse : Chacune des quatre phases d accélérations et de décélérations est un mouvement de translation uniformément varié. On en déduit le mouvement de la soupape d admission qui est défini par le diagramme des vitesses cidessous : diagramme des vitesses de la soupape en fonction de l angle θ que fait la came. Sachant que θ = 0 correspond au début de l ouverture de la soupape (Position 1). Vmax V θ -Vmax 1.1- Pour un moteur 4 temps la fréquence de rotation du moteur est le double de celle de l arbre à cames. On en déduit la période de rotation de l arbre à came à : tr/min T = 80 ms tr/min T = 37,5 ms tr/min T = 24 ms On en déduit à tr/min les temps T 1 et T 2 nécessaires pour que l arbre à came parcours 15 et 45. Ces durées T 1 et T 2 correspondant aux durées des phases 1 et 2 : T 1 = 1,5625 ms T 2 = 4,6875 ms. Calculer pour N m = tr/min, V Max la vitesse maximale atteinte par la soupape et les accélérations γ 1 et γ 2 de la soupape durant les phases 1 et 2. Affolement de soupape.docx page 2/3

3 Sciences Industrielles de l Ingénieur CPGE - Saint Stanislas - Nantes 1.2- Retrouver les résultats à l aide du logiciel «Méca3D». Pour cela on réalisera en s aidant du dossier technique les étapes suivantes : Copier le dossier «Came» situé dans le dossier de votre classe dans votre propre dossier. Puis ouvrir avec «Solidworks» le fichier «Affollement de soupape» Réaliser avec le logiciel «Méca3D» la modélisation cinématique du mécanisme (Liaisons à réaliser : Glissière, Pivot et Came). Voir procédures A, B, C et D du dossier technique Effectuer des calculs cinématiques pour un tour de la came. Voir procédure E. Puis visualiser la simulation Voir procédure M Imprimer la courbe de l accélération. Voir procédures F et G Comparer ces résultats avec ceux obtenus à la question 1.1. Conclure sur l hypothèse faite à la page précédente pour faire le calcul à la main. 2- Etude dynamique du mouvement de la soupape Le but de cette partie est de déterminer l effort minimal de contact entre la came et la soupape. Hypothèses : Les deux ressorts 5 et 6 sont équivalent à un seul ressort de rappel de la soupape dont la longueur à vide est de L 0 = 42,5 mm et la raideur de k = 16 N/mm. Le moteur tourne à tr/min donc la came à tr/min A l aide du logiciel «Méca3D». Tracer l effort de contact entre la came et la soupape en fonction de la position angulaire de la came. Pour cela vous suivrez la procédure ci-dessous. Libérer le contact Came Soupape. Voir procédure H Ajouter l effort du ressort. Voir procédure I Modifier la masse de la soupape. Voir procédure J Effectuer des calculs dynamique pour un tour de la came. Voir procédure K Imprimer la courbe de l effort de la came sur la soupape. Voir procédures L et G 2.2- A l aide du logiciel «Méca3D» faire deux autres études dynamiques pour des fréquences de rotation du moteur de et tr/min (vitesse de rotation de la came de 750 et tr/min). Imprimer les courbes d effort de la came sur la soupape. Puis conclure en disant où à lieu l usure de la came à bas et à haut régime Refaire une étude pour une fréquence de rotation du moteur de tr/min (vitesse de rotation de la came de tr/min) et un ressort moins puissant d une raideur de 4N/mm. Que se passe-t-il? Affolement de soupape.docx page 3/3

4 Procédures Méca 3D : 1/4 B- Suppression d une liaison 1 à 2 : Suppression d une liaison. C- Modification d une liaison : Sélection de la liaison. 4 à 5 : Choix du type de liaison. 6 à 8 : Choix des pièces de la liaison. 9 à 11 : Définition du centre et de l orientation de la liaison. Remarque : L orientation et le centre de la liaison peuvent d être définis par : Entrée des coordonnées au clavier ; Choix de contraintes d assemblages ; Où choix d entités géométriques. A- Modélisation automatique du mécanisme 1 : Affichage de l arbre de construction du modèle mécanique. 2 à 3 : Définition automatique des classes d équivalence et liaisons. Remarque :. La modélisation automatique se base sur les sous assemblages pour définir les classes d équivalence. Ici nous n en avons pas. Ayant trois pièces on a donc trois classes d équivalence. Pour les liaisons le logiciel les choisit en fonction des contraintes d assemblage du mécanisme. D- Création d une liaison 1 à 4 : Choix du type de liaison 5 à 9 : Choix des pièces de la liaison. 10 à 13 : Définition du centre et de l orientation de la liaison. Remarque : Pour définir une liaison de type came, il est important de sélectionner les pièces et les surfaces définissant le poussoir et le profil de la came dans l ordre suivant : En premier le poussoir (Soupape) et ensuite la came.

5 F- Définition d une courbe 1 à 3 : Ouverture de la boite de dialogue de définition d une courbe paramétrée 4 à 7 : Choix des valeurs en abscisse. 8 à 11 : Choix des valeurs en ordonnée. 12 : Sortie de la boîte de dialogue et ajout de la courbe dans l arbre de construction de Méca 3D. Remarque : Une fois la courbe ajoutée elle sera remise à jour à chaque calcul. Elle peut être renommée en cliquant deux fois dessus (lentement). Procédures Méca 3D : 2/4 E- Calculs de cinématique 1 à 3 : Ouverture des boîtes de dialogue du calcul et d analyse du mécanisme (hyperstatisme, mobilité) 5 à 6 : Pilotage des liaisons. (Il y a autant de pilotages qu il y a de mobilités) 7 : Choix du type d étude. 8 à 9 : Définition de la durée de l étude (Une période pour que la came fasse un tour) et du nombre de point de calcul 720 Points pour un point tous les 0,5. 10 à 11 : Calculs et sortie des calculs. G- Affichage et impression d une courbe définie. 1 à 2 : Affichage de la courbe. 3 à 7 : Modification de la courbe (Ici de l unité de l abscisse : position angulaire de la came en degrés) 8 à 10 : Impression de la courbe 11 : Sortie de la boite de dialogue de la courbe Remarque : À gauche apparaissent les valeurs des abscisses et ordonnées pour tous les points de calcul.

6 Procédures Méca 3D : 3/4 H- Libération du contact entre la came et la soupape 1 à 4 : Retour aux paramètres et propriétés de la liaison. 5 à 8 : Libération du contact Came/Soupape et entrée du coefficient de restitution et de la vitesse limite de rebond. 9 : Sortie de la boîte de dialoque Remarque : le coefficient de restitution est le rapport entre les vitesses avant et après un choc. I- Mise en place de l effort du ressort. 1 : Affichage en mode filaire 2 à 5 : Mise en place et choix du type d effort. 6 à 9 : Choix du nom et des pièces sur lesquelles est ancré le ressort. 10 à 13 : Définition des points d ancrage du ressort et de ses caractéristiques mécanique (k et L 0 ) 14 à 18 : Définition de l affichage du ressort. (Ceci est absolument sans influence sur le calcul). 19 à 21 : Sortie et retour à l affichage en mode ombré. J- Modification de la masse de la Soupape 1 à 2 : Ouverture de la boite de dialogue des caractéristiques de la pièce. 3 à 4 : Désactivation du calcul automatique des caractéristiques cinétique de la pièce. 5 à 7 : Entrée de la masse de la pièce. Remarque : Les caractéristiques cinétiques sont calculées automatiquement à partir de la masse volumique de la pièce définie dans «Solidworks».

7 Procédures Méca 3D : 4/4 K- Calculs de dynamique 1 à 3 : Accès aux caractéristiques de l étude. 4 : Modification du type d étude 5 à 6 : Calcul et sortie de la boîte de dialogue L- Définition d une courbe 1 à 3 : Ouverture de la boite de dialogue de définition d une courbe paramétrée 4 à 7 : Choix des valeurs en abscisse. 8 à 11 : Choix des valeurs en ordonnée. 12 : Sortie de la boîte de dialogue et ajout de la courbe dans l arbre de construction de Méca 3D. Remarque : Une fois la courbe ajoutée elle sera remise à jour à chaque calcul. Elle peut être renommée en cliquant deux fois dessus (lentement). M- Visualisation de la cinématique du mouvement 1 à 2 : Accès à la boite de dialogue de simulation 3 à 5 : Simulation et fermeture