BACCALAURÉAT SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES. Spécialité génie électronique. Session Étude d un Système Technique Industriel

Transcription

1 BACCALAURÉAT SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES Spécialité génie électronique Étude des Systèmes Techniques Industriels LÈVE PATIENT «SAMLIGHT» Construction Mécanique Durée Conseillée : 1h30 Lecture du sujet : Partie 3 : Partie 4 : Partie 5 : 15 min 30 min 20 min 25 min Construction Mécanique

2 SUJET 1. Objectif : L objectif de l analyse mécanique consiste à choisir un moteur pour le lève patient. Pour cela on se propose de faire son choix à partir de : - la vitesse maximale de levage d une personne (étude cinématique), - la charge maximale que doit pouvoir soulever le lève patient (étude statique), - la transformation et réduction de mouvement implanté dans la motorisation (étude énergétique). 2. Le système lève patient SAMLIGHT 2.1 Présentation : Le lève patient "SAMLIGHT" permet de lever un malade sanglé au palonnier à l'aide d'un vérin électrique. Ce vérin est alimenté soit par batteries, soit sur le secteur. Capteur de force Palonnier B D Le vérin électrique permet de fournir l'énergie nécessaire à la levée du malade. Il est actionné par un moteur à courant continu M1. La flèche 3 est en liaison pivot (O, z r ) avec le châssis 0. Le vérin est monté en liaison pivot (A, z r ) avec la flèche 3 et en liaison pivot (C, z r ) avec le châssis 0. Flèche 3 O A x r Vérin électrique y r Châssis 0 C z r La flèche 3 est en liaison pivot (B, z r ) avec le capteur de force. Le capteur de force est en liaison pivot (D, z r ) avec le palonnier. 2.2 La motorisation du système (page BAN1) Le vérin électrique permet de fournir l'énergie nécessaire à la levée du malade. Il est actionné par un moteur à courant continu M1. L adaptation de l énergie et du mouvement est obtenue par deux systèmes mécaniques incorporés au vérin (voir coupe BB) sur le plan (page BAN1). - un premier adaptateur à engrenages formé par la vis sans fin 2, les pignons doubles (3a, 3b), (4a, 4b) et le pignon 5, qui entraîne en rotation la vis 10 autour de l'axe x r. - un deuxième adaptateur, mécanisme vis 10 - écrou 11 qui permet de transformer l'énergie mécanique de rotation autour de l'axe x r en une énergie mécanique de translation suivant le même axe. Sujet Construction Mécanique Page B1 sur 5

3 Modélisation numérique de la motorisation x Transformation de mouvement Vis 10 Écrou 11 Réducteur 3 5 4b Moteur M1 Réducteur 2 4a 3b Réducteur 1 3a 2 Schématisation cinématique de la motorisation a 3b 4b 3a Sujet Construction Mécanique Page B2 sur 5

4 3. Étude cinématique But Déterminer la vitesse de sortie de la tige du vérin électrique en fonction de la vitesse maximale de levage du patient. Données - Vitesse de la flèche 3 par rapport au châssis 0 au point B, V r B3 / 0 = 8 mm/s. - OA = 265 mm. - OB = 1088 mm. Hypothèses - On se place dans la position donnée page BR1. - On considère le calcul effectué en régime établi Étude de la flèche 3 Q 1. Donner le mouvement de la flèche 3 par rapport au châssis 0. Q 2. Justifier la direction de V r B3/0. Q 3. Justifier puis tracer le support de V r A3/0 (page BR1). Q 4. A l aide d un champ des vitesses ou bien en calculant ω 3/0, donner V r A3 / Étude du vérin (1 + 2) Quel que soit le résultat trouvé précédemment, prendre : V r A3 / 0 = 2 mm/s. Q 5. Justifier que V r A3/0 = V r A2/0. Q 6. Donner le mouvement du corps du vérin 1 par rapport au châssis 0. Q 7. En déduire la direction de la vitesse V r A1/0 et la tracer (page BR1). Q 8. Donner le mouvement de la tige du vérin 2 par rapport au corps du vérin 1. Q 9. Q 10. En déduire la direction de la vitesse V r A2/1 et la tracer (page BR1). Écrire la relation de composition des vitesses au point A entre les pièces (0, 1, 2) à partir de V r A2/0. Q 11. Sur le document réponse, tracer la composition des vitesses et donner V r A2 / 1. Sujet Construction Mécanique Page B3 sur 5

5 4. Étude Statique But Déterminer la charge maximale en bout de tige de vérin en fonction de la charge que doit pouvoir soulever le lève patient. Q 12. Données - Charge maximalem en bout de flèche 3 point B : 170 kg - OA = 239 r x r y - OB = 982 r x r y Hypothèses - On se place dans la position donnée page BR2. - Les liaisons sont supposées parfaites et les solides indéformables. - On considère : P r Max = 1700 N Étude de la charge Donner l expression du poids (noté P Max ) à soulever en Newton en fonction de la charge maximale. Q 13. Sur la page BR2, tracer P r Max : P r Max = P r Max y r Étude de la flèche 3 On isole la flèche 3. Celle ci est soumise à trois actions : Nom Point d application Direction (sens) Norme (Newton) P r Max B Verticale descendante 1700 A r 2 3 A Verticale? O r 0 3 O?? L application du principe fondamental de la statique (P. F. S.), nous permet 2 résolutions analytiques : - Une résolution vectorielle en O : utilisation de la relation de transfert de moment : r M O r r r v ( A2 3) = MA( A2 3) + OA R2 3 - Une résolution par le calcul des moments en O : utilisation de la relation r r ( A ) = A d M O. 2 3 ± 2 3 support de A r 2 3). avec A r 2 3 (effort) et d (distance, perpendiculaire, de O au Q 14. Faire le choix d une résolution, citer le principe fondamental de la statique adapté, et l appliquer afin de déduire l action A r 2 3. Sujet Construction Mécanique Page B4 sur 5

6 5. Étude énergétique (page B1, B2 et BAN1) But Déterminer les caractéristiques du moteur en vue de le choisir. Données - Vitesse de la sortie de tige de vérin : 2 mm/s. - Effort en bout de tige de vérin : 7000 N. - M1 : moteur électrique 24Vcc à 2 sens de rotation rendement 0,90. - Rendement du réducteur 1 : η 1 = 0,4 - Rendement du réducteur 2 et 3 : η 2 = 0,85 - Rendement du mécanisme vis 10 - écrou 11: η 4 = 0,6 Hypothèses - Les liaisons sont supposées parfaites et les solides indéformables. - On considère le calcul effectué en régime établi. Caractéristiques complémentaires des éléments constituant la motorisation. Élément Vis 2 Roue 3a Roue 3b Roue 4a Roue 4b Roue 5 Vis 10 Caractéristiques Z 2 = 2 (filets) Z 3a = 32 Z 3b = 20 Z 4a = 45 Z 4b = 8 Z 5 = 32 Pas p 10 = 6 mm 5.1. Analyse de la transformation de mouvement : Q 15. A partir de la vitesse de sortie de tige et de son pas, calculer N 10 / 0 = N 5 / 0, vitesse de rotation de la vis 10 en tr/min 5.2. Analyse de la réduction de vitesse : Q 16. Déterminer le rapport de vitesse r 5 / 2 = N N nombre des dents des pignons et des roues. 5 / 0 2 / 0 entre la roue 5 et la vis du moteur 2 en fonction du Q 17. En déduire la vitesse de rotation du moteur N 2 / 0. Q 18. Q 19. Q Synthèse de l analyse : Calculer la puissance P 5 nécessaire pour la sortie de tige de vérin. Calculer le rendement global η g de la chaîne cinématique. En déduire la puissance électrique minimale P e du moteur Bilan de l analyse (page BAN2): Données - Puissance motrice nécessaire : 80 W - Vitesse motrice nécessaire : 2880 tr/min - Tension d alimentation : 24 Vcc Q 21. À l aide de la documentation technique Transmotec (page BAN2), choisir un moteur (préciser sa référence) et justifier son choix. Sujet Construction Mécanique Page B5 sur 5

7 DOCUMENTS RÉPONSE V r B3/0 B D O A Flèche 3 Tige Vérin 2 Corps Vérin 1 Châssis 0 C Q4 : V r A3/ 0 = Q11 : V r A2 / 1 = Échelle des vitesses : 1 cm = 1 mm/s Documents réponse Construction Mécanique Page BR1 sur 2

8 B D O A Flèche 3 Tige Vérin 2 Corps Vérin 1 Châssis 0 y r C x r Échelle des forces : 1 cm = 200 N Documents réponse Construction Mécanique Page BR2 sur 2

9 Documentation Construction Mécanique Page BAN1 sur 2

10 SÉRIE H5N Les moteurs DC de type basse tension sont surtout conçus pour leur bas coût dû à leur production en masse. Les moteurs sont disponibles avec des balais en carbone ou métalliques ainsi qu avec des filtres EMS intégral avec varistor ou condensateur. Les applications multiples sont : des scanners, des miroirs, des serrures, des jouets, des biens de consommation courante, l'automatisme, des caméras de médecine, des ventilateurs, des distributeurs automatiques, des machines de bureau, pompes, outils etc. Les moteurs sont également disponibles avec une documentation et leur personnalisation est possible. Caractéristiques du moteur Faible coût Filtre EMS intégral avec variateur ou condensateur Montage sur coussinets et roulements Balais en Carbone ou en métal. Température ambiante de fonctionnement C La personnalisation est possible. MODEL Modèles de moteur TENSION À vide En charge maximum décrochage Plage de fonctionnement Nominal vitesse Inten. vitesse Inten. Couple Puisssance Eff Intens. Couple Tr/min A Tr/min A gcm mm.n W % A gcm mm.n HS5N , , , ,5 13, , ,6 HS9N , , , ,7 91, , ,4 HP8N , , , ,7 85, , ,8 HP5N , , , ,3 77, , , , , , ,2 21, , , , , , ,4 52, , , , , , ,1 20, , ,9 ND5FT , , , ,3 32,9 70 8, ,2 ND5FZ , , , ,7 12,0 72 6, ,9 KS8FZ , , , ,5 88, , ,7 JD , , , ,8 75, , ,2 JD , , , ,7 5,5 60 3, ,6 Documentation Construction Mécanique Page BAN2 sur 2

11 Proposition barème Partie 3 : 25 Q1. 2 Q2. 2 Q3. 1 Q4. 5 Q5. 2 Q6. 1 Q7. 1 Q8. 2 Q9. 2 Q10. 2 Q11. 5 Partie 4 : 15 Q12. 2 Q13. 2 Q Partie 5 : 20 Q15. 3 Q16. 4 Q17. 3 Q18. 3 Q19. 3 Q20. 2 Q21. 2 TOTAL 60 CORR Corrigé Mécanique Page Cor1 sur 4

12 Partie 3 Cinématique (30 ) Q 1 : Mouvement de rotation de centre O. Q 2 : V r B3/0 perpendiculaire au rayon (OB). Q 3 : Support de V r A3/0 perpendiculaire au rayon (OA). Q 4 : ω 3/0 = V r B3/ 0 / O B r = V r A3/ 0 / O A r V r A3/ 0 = 8 * 265 /1088 =1,95 mm/s Q 5 : V r A3/0 = V r A3/2 + V r A2/0 or V r A3/2 = 0 car A centre de rotation en 3 et 2 (pivot). Q 6 : Le mouvement de 1 / 0 est un mouvement de rotation de centre C. Q 7 : Q 8 : Q 9 : V r A1/0 perpendiculaire au rayon (CA). Le mouvement de 2 / 1 est un mouvement de translation d axe (CA). La direction de la vitesse V r A2/1 est le long du vérin (CA). Q 10 : V r A2/1 = V r A2/0 + V r A0/1 Q 11 : V r A2 / 1 = 1,8mm/s Partie 4 Étude Statique (20 ) Q 12 : Q 13 : P = m*g = 170 * 9.81 = N Tracé 8,5 cm verticale vers le bas. r r r Q 14 : Théorème des moments en O ( ) + ( ) + ( ) ( A ) = A r d r ( P max ) r ( ) = 0 r = 3 M O. M O M O O 0 3 = 1700 *982 A r * A r 2 3 * *982 =0 2 3 A r M O A 2 3 M O P max = 1700 * 982 / 239 = 6958 N M O O 0 3 = 0 r Partie 5 Étude énergétique (25 ) Q 15 : N 10 / bât =N 5 / bât = 60 * V vis / pas = 60 * 2 / 6 = 20 tr/min Q 16 : r v = N N 5 / bât 2 / bât = Π Z menantes / Π Z menées =( Z2 Z3b Z4b ) / (Z3a Z4a Z5 ) r v =2*20*8 /(32*45*32) =1/144 = 0, Q 17 : N 2 / bât = N5 /r v = 20*144 = 2880 tr/min Q 18 : P tige vérin = F tige * V tige = 7000 * = 14W Q 19 : η g = η 1 * (η 2 ) 2 *η 4 = 0.4 * 0.85 *0.85 *0.6 = Q 20 : P e = P s /η g = P tige vérin /η g =14 / 0.17 = 80,7 W Q 21 : HP8N CORR Corrigé Mécanique Page Cor2 sur 4

13 Support de V r A2/1 V r B3/0 Support de V r A3/0 B V r A3/0 V r A1/0 Support V r A1/0 O A Flèche 3 Tige Vérin 2 Corps Vérin 1 Châssis 0 C Q4 : V r A3/ 0 = 1,95mm/s Q11 : V r A2 / 1 = 1,8mm/s Échelle des vitesses : 1cm = 1mm/s CORR Corrigé Mécanique Page Cor3 sur 4

14 B O A Flèche 3 P r Max Tige Vérin 2 Corps Vérin 1 Châssis 0 r y C r x Échelle des forces : 1cm = 200 N CORR Corrigé Mécanique Page Cor4 sur 4