Conception de systèmes mécaniques et technologies

Conception de systèmes mécaniques et technologies 1

Conception de systèmes mécaniques et technologies OBJECTIFS DU MODULE Approfondir et maîtriser les concepts nécessaires à l étude des systèmes mécaniques DESCRIPTION DU CONTENU Assemblage des pièces- Liaison encastrement Guidage en rotation, Etude des roulements Guidage en translation Transformation de mouvement par liaison hélicoïdale Transmission de mouvement 2

I. Définition On appelle système mécanique un ensemble organisé de pièces reliées par des liaisons et destiné à remplir une fonction bien déterminée. Exemple: Vé réglable II. Fonction globale: La fonctions principale correspond au service rendu par le système mécanique en vue de répondre à un besoin Ce système est utilisé pour la mise en position des pièces cylindriques pendant les opérations d usinage où de métrologie. L axe du cylindre est positionné horizontalement par rapport à la table de la machine outil (marbre) et peut nécessiter un positionnement en hauteur réglable. 3

1 4 5 2 6 3 8 7 4

PRESENTATION DES LIAISONS DANS LA BUTEE REGLABLE 1. Liaison glissière a. Liaison glissière entre le vé et le bâti 1 BLOC 1 2 3 BLOC 2 5 8 BLOC 1={1,2,3,8} 5

Montage des pièces Cinématique de la liaison 6

b. Liaison glissière entre le coulisseau et le bâti BASE 4 7 1 BATI COULISSEAU={4,7} 7

Montage des pièces Cinématique de la liaison 8

3. Liaison appui-plan entre la base 4 et le vé 5 COULISSEAU COULISSEAU={4,7} Cinématique de la liaison COULISSEAU 5 9

4. Liaison pivot entre la base 4 et la vis de manœuvre 4 COULISSEAU VIS DE MANŒUVRE 7 6 10

Montage des pièces Cinématique de la liaison 11

4. Liaison hélicoïdale BATI VIS DE MANŒUVRE 1 2 3 6 BLOC 1={1,2,3,8} Cinématique de la liaison 8 12

4. Liaison encastrement (complète) BATI 1 2 3 8 BLOC 1={1,2,3,8} 13

GRAPHE DE LIAISONS Le graphe de liaisons d un mécanisme est construit de la façon suivante : Toute les pièces qui sont liées par une liaison complète représente la même classe d équivalence. Par exemple : {1}={1, 5, 2, 3 } 6 L 61 1 L 51 L 41 5 La pièce est représentée par un sommet (cercle numéroté) La liaison est représentée par un arc noté Lij L 46 4 L 45 L 15 : Liaison glissière d axe y L 54 : Liaison appui-plan de normale y 1 L 41 : Liaison glissière d axe x L 46 : Liaison pivot d axe x L 61 : Liaison hélicoïdale d axe x 14

SCHEMA CINEMATIQUE L 15 : Liaison glissière d axe x L 54 : Liaison appui-plan de normale x 1 L 41 : Liaison glissière d axe y L 46 : Liaison pivot d axe y L 61 : Liaison hélicoïdale d axe y L 51 L 45 L 46 L 61 L 41 15

Assemblagedespièces Liaison encastrement 16

Schématisation Liaison encastrement Schéma cinématique plan Schéma cinématique plan Torseur cinématique de la liaison Torseur cinématique de la liaison { } V1 2 ( Ox,, yz, ) 1 0 = 0 0 0 0 0 ( O, x, yz, ) 1 { τ1 } 2 ( Ox,, yz, ) 1 X = Y 1 Z 1 1 L1 M1 N 1 ( Ox,, yz, ) 1 17 17

Classification de la liaison encastrement Démontable Surfaces prépondérantes planes Surfaces prépondérantes cylindriques Surfaces prépondérantes coniques Surfaces prépondérantes d autres types Non démontable Assemblage par collage Assemblage par soudage Assemblage par frettage Assemblage par rivetage 18

LIAISON ENCASTREMENT DE TYPE DEMENTABLE 19

Surfaces prépondérantes planes Cas 1 : Pas de surface auxiliaire : Cric Hydraulique Tx, Tz, Ry sont supprimées par adhérence (due à l'action de l'organe de serrage). Ty, Rx, Rz sont supprimées par obstacle (Liaison appui plan). 20

Cas 2 : surface auxiliaire plane perpendiculaire au plan de contact Ty, Tz, Rx, Ry, Rz sont supprimées par obstacles (Liaison glissière) Tx, est supprimée par adhérence du fait de l'action des vis de serrage 21

Mise en position par surfaces de contact planes et maintien en position par vis. Mise en position obtenue par liaison glissière réalisée entre forme parallélipédique de 1 et la rainure de 2. Le maintient en position est assurée par le serrage de 1 contre la base de la tête du vis 3 et la surface de 2 (système vis écrou). 22

Cas 3 : surface auxiliaire cylindrique : centrage court associé à un appui plan Sans positionnement angulaire Tx, Tz sont éliminées le centrage court (Liaison linéaire annulaire) Ty, Rx et Rz sont supprimées par le contact appui plan. Ry est éliminée par l adhérence (serrage des vis) Le positionnement angulaire du carter par rapport au couvercle est imprécis du fait du jeux qui existe entre les vis de serrage et le couvercle. 23

Cas 4 : surface auxiliaire cylindrique : centrage court associé à un appui plan avec positionnement angulaire Tx, Tz sont éliminées le centrage court (Liaison linéaire annulaire) Ty, Rx et Rz sont supprimées par le contact appui plan. Ry est éliminée par l adhérence (serrage des vis) 24

Surfaces prépondérantes cylindriques Cas 1 : encastrement sans positionnement angulaire Cas 1.1 : Tampons tangents: le positionnement de 1 par rapport à 2 est obtenu par les surfaces de contact cylindriques. La vis 3 a pour rôle le rapprochement des deux surfaces inclinées du vé réalisée en 2 parties afin coincer par adhérence la pièce 4 contre 5 Perceuse à colonne Sous l'action de serrage due à la vis 5, les tampons tangents 1 et 4 viennent exercer un effort au contact de l'arbre 2 et par adhérence bloquent la tête 3 sur la colonne. 25

Cas 1.2 : Tampon entaillé : Sous l'action de serrage due à la vis, le tampon vient exercer un effort au contact de l'arbre. Le contact n'ayant lieu que d'un seul côté, l'adhérence est moins grande que dans la situation 1.1 (deux tampons au contact de l'arbre). Pour des raisons de montage, le rayon de l'entaille dans le tampon est légèrement supérieur au diamètre de la colonne, ce qui contrairement au cas 1.1 (deux tampons tangents), conduit à un risque de coincement du tampon. 26

Cas 1.3 : Pincement : Perceuse à colonne le positionnement de 1 par rapport à 2 est obtenu par les surfaces de contact cylindriques. La vis 3 a pour rôle le rapprochement des deux surface de la fente et par conséquent la création d une adhérence nécessaire pour le maintien par pincement de 2/3 La fente réalisée dans le collier (et dans la bague d'adaptation) lui donne une certaine élasticité. Sous l'action de serrage due à la vis la pièce se déforme et vient serrer la colonne de perceuse. L'immobilisation est obtenue par adhérence, sans positionnement angulaire 27

Cas 1.4 : Vis de pression : Vérin de serrage à piston articulé Le fonctionnement de cette bride pneumatique impose que le corps de vérin soit articulé sur la platine. Le pivot est réalisé par deux axes d'articulation immobilisés dans la platine. L'encastrement est réalisé grâce à des vis de pression sans tête, à empreinte hexagonale creuse et à bout. 28

Cas 2 : encastrement avec positionnement angulaire Cas 2.1: Vis de pression à téton Le mouvement de translation suivant l'axe est supprimé par adhérence due à l'effort exercé par la vis de pression à téton. Cette vis assure aussi le maintien en position. 29

Cas 2.2: Clavette et arrêt axial Tous les mouvements possibles sont supprimés par obstacles. Le positionnement suivant l'axe est réalisé par l'épaulement et la rotation autour de l'axe interdite par la clavette. Le maintien en position est assuré par l'arrêt axial qui peut être un écrou, une vis, un anneau élastique,... Il existe plusieurs formes de clavettes que l'on peut consulter dans le chapitre "Composants standard / Composants de type obstacle". 30

Autre type d arrêts axiaux La mise en place d'un circlips se fait après ouverture de l'anneau à l'aide d'une pince spéciale (voir le vidéo). Liaison glissière obtenue par réalisation en premier d une liaison glissière entre l arbre 4 et la poulie 2 (liaison réalisée par clavette 3 et rainure) puis l élimination de la translation autorisée par cette liaison glissière par l appuie de 2 sur l épaulement réalisé sur 4 d un coté et la circlips 1 logé sur la rainure circulaire réalisée sur 4 et la face plane de 2 d un autre coté. Arrêt axial par circlipse (anneau élastique) Lorsque le diamètre est faible (généralement inférieur à 25 mm) on peut utiliser des anneaux élastique de type "truac" dont le montage se fait radialement. Arrêt axial par circlipse De type truac 31

Nota : Le principe est le même que la liaison complète précédente, seulement la liaison glissière obtenue par clavette est réalisée ici par les cannelures afin de transmettre un couple plus important 32

Cas 2.3 : cannelure et vis en bout d'arbre Tous les mouvements possibles sont supprimés par obstacle. La translation selon l'axe est supprimée par l'épaulement et la rotation autour du même axe interdite par les cannelures. Le maintien en position est assuré par la vis (ou l'écrou) vissée en bout d'arbre 33

Cas 2.4 : goupille transversale: Perceuse à colonne La goupille montée à force dans le trou percé supprime, par obstacle, les mouvements relatifs possibles. Elle assure le maintien en position. Les goupilles peuvent être de différents types (cylindriques, coniques, fendues,...). L'utilisation de goupilles élastiques de type "Mécanindus" permet un démontage et un remontage aisé. Si le couple à transmettre s'avère trop important, on peut monter deux goupilles élastiques l'une dans l'autre. Le montage est alors dit "composé". Dans les différents cas, les dimensions du trou de perçage sont précisées dans les catalogues ou bases de données informatiques des industriels. 34

goupille transversale : Encastrement d un pignon sur un arbre dans cet exemple la liaison glissière est obtenue par l association de la liaison pivot-glissant obtenue entre l arbre et 1 et le moyeu 3. les mouvements de translation et de rotation autorisés, par la liaison pivot-glissant réalisée, sont éliminés par la goupille fondue 2 logée serrée dans les trous réalisés orthogonalement à l axe sur 1 et 3. 35

Cas 2.5 : Autre type de construction Dans le réducteur FDA utilisé dans un ouvre portail un des pignons est bloqué en rotation par deux goupilles cylindriques se logeant parallèlement à l'axe dans chacune des deux pièces. Ce type de montage illustré par la figure ci-contre est dit "entre cuir et chair". Goupille "entre cuir et chair» Dans ce type de solution, l'axe de la goupille est positionné tangent à l'arbre mais perpendiculairement à son axe. Goupille tangente 36

Mise en position par surfaces de contact cylindrique et maintien en position par vis à bout pointu. dans cet exemple la liaison glissière est obtenue par l association de la liaison pivot-glissant et l arrêt en translation et en rotation suivant l axe est assuré par la vis à bout pointu. 37

Surfaces prépondérantes coniques Cas 1 : encastrement sans positionnement angulaire Les assemblages avec surfaces prépondérantes coniques utilisent le principe de l'adhérence grâce à des géométries de faible conicité. Ces dernières permettent de transmettre un couple important bien que les efforts axiaux de blocage soient limités. La conicité est telle que le coincement est faible (démontage possible). Les assemblages avec surfaces prépondérantes coniques utilisent le principe de l'adhérence grâce à des géométries de faible conicité. Ces dernières permettent de transmettre un couple important bien que les efforts axiaux de blocage soient limités. La conicité est telle que le coincement est faible (démontage possible). 38

Cas 2 : encastrement avec positionnement angulaire Lorsque le couple à transmettre devient important, ou que le positionnement angulaire du moyeu sur l'arbre doit être précis, on positionne une clavette dans la partie conique de l'arbre et du moyeu. On peut utiliser une clavette disque ou une clavette parallèle, cette dernière étant plus adaptée aux couples importants. 1. Mise en position : Surfaces de contact conique + clavette disque 4 logée respectivement sur la rainure semi-circulaire réalisée sur 5 et la rainure de rectangulaire exécutée sur la poulie 2. 2. Maintien en position : Rondelle (2) et écrou (1). 39

Mise en position par surfaces conique et maintient en position par adhérence Cette liaison démontable est réalisée par montages des deux surfaces coniques male et femelle réalisées respectivement sur le foret 1 et le porte foret 2. la liaison complète est obtenue par coincement par adhérence des deux surfaces arrivants au plan de jauge. 40

Assemblages autres surfaces prépondérantes Cas 1 : à partir d'un carré (ou d'un autre polygone régulier) vis de manœuvre de vanne Le volant de manoeuvre possède une forme de section carré qui se positionne sur un carré de la vis de manoeuvre. Le positionnement axial est obtenu sur l'arbre par l'épaulement en bout du carré. Le maintien en position est réalisé par l'assemblage fileté avec écrou et rondelle. L'encastrement avec ce type de forme permet de transmettre un couple important mais la réalisation du trou de section carré est d'une précision moyenne pour les pièces mécaniques moulée (robinetterie) ou d'un coût élevé pour les pièces mécaniques aux dimensions très précises. 41

Cas 2 : Assemblage par dentelure Dans le véhicule "Kangoo" de Renault, la poignée de commande du levage des vitres avant est montée sur un axe dentelé métallique. L'encastrement est obtenu grâce à la contribution d'une forme intérieure de la poignée en matériau plastique qui vient se loger (par clipsage ) dans la gorge de l'axe de manoeuvre. 42

Dans le cas de commande à faible couple à transmettre, on trouve des solutions avec méplat et vis de pression (domaine de l'électronique domestique par exemple). 43

ASSEMBLAGES NON DEMENTABLES Assemblage par collage Collage des pièces à surfaces prépondérantes cylindriques Collage de pignons de boite de vitesses Il est souvent utile de combiner le collage avec des méthodes d'assemblage plus classiques, afin de réaliser la transmission de charges plus importantes et d'éviter la corrosion de contact due aux vibrations. Les cannelures, clavettes et autres dispositifs d'entraînement positif sont exposés à la corrosion par contact en raison du jeu inhérent à ce type de conception. Les adhésifs de fixation comblent tous les interstices, en polymérisant ils empêchent tout mouvement entre les deux pièces augmentant ainsi la capacité de charge à long terme. La capacité de charge axiale de l'adhésif peut permettre, dans certains cas, la suppression des dispositifs de fixation axiale tels que circlips, bagues d'arrêt ou goupilles. Une des situations les plus courrantes est celle correspondant au collage des roulements. En pratique, il devient possible d'améliorer les assemblages existants et de réaliser de nouvelles conceptions plus compactes, plus légères et moins coûteuses. 44

Procédé de frittage Le frettage est une opération qui réalise un emmanchement forcé de pièces cylindriques. Il doit permettre la transmission d'un couple ou d'un effort axial uniquement par serrage d'une pièce sur l'autre. Il offre l'avantage d'éviter les entailles dans l'arbre et le moyeu, donc de réduire les concentrations de contraintes dues à ces formes. Le diamètre de l'arbre étant supérieur à celui de l'alésage, la pénétration dans le moyeu se fait mécaniquement et l'encastrement est réalisé par déformation locale et adhérence. Si l'action mécanique à transmettre est faible, une frappe au maillet ou un effort continu à la presse permettent la pénétration. Si l'action mécanique à transmettre est élevée, on peut refroidir l'arbre par trempage dans un gaz liquéfié (azote ou gaz carbonique à une température de l'ordre de - 180 ) puis réaliser le montage à la presse dans le moyeu qui, le cas échéant, aura pu être dilaté par chauffage dans un four ou dans un bain d'huile. Le coussinet autolubrifiant qui permet le guidage de la tige de vérin est monté fretté par emmanchement à froid à la presse. Ces coussinets, réalisés par frittage, sont le plus souvent en bronze (type BT25) ou en alliage ferreux (type FP15). L'alésage qui les reçoit, lors du montage à force, est de type H7. Après frettage le diamètre intérieur du coussinet s'est légèrement modifié et la tige de piston devra être calibrée à une valeur h8 pour assurer un fonctionnement satisfaisant. 45

Formes des pièces frittées Au droit de l'assemblage, le frettage crée des contraintes dont on doit veiller, par un choix judicieux de formes, à ce qu'elles ne soient pas supérieures à celles qui résulteraient des accidents de formes (rainures de clavettes, trous de goupilles, cannelures). Les recommandations qui suivent sont donc à prendre en compte dans la phase de conception détaillée. Lorsque cela est possible, augmenter d'environ 10% le diamètre à l'endroit du frettage et augmenter largement le rayon de raccordement r. Prévoir dans le moyeu un rayon d'entrée ou un chanfrein. Lorsqu'un démontage éventuel doit être prévu, choisir une disposition constructive qui fasse déborder le moyeu du coté du démontage. Le frettage créant des contraintes importantes au droit des faces du moyeu, il faut choisir des formes permettant de limiter les contraintes aux deux extrémités du frettage par création d'évasements ou de gorges de déconcentration de contraintes. 46

Application 1 Montage des coussinets pour guidage en rotation Montage des roulements

Solution 10: liaison complète obtenue par rivetage La liaison compléte réalisée par rivetage est une liaison indémontable. Elle est réalisée entre deux pièces au moyen d un élément intermidiaire appelé rivet fabriqué en métaux malléables, à savoir le cuivre, le léton, les aliages d aluminium et autres, de telle sorte à assurer une déformation facile, par refoulement ou expansion de la matière, de son extrimité libre. 48 48

Solution 10: liaison complète obtenue par sertissage Le mécanisme de réalisation de sertissage et le même que celui de rivetage (expansion ou refoulement de la mtière malléable) sauf que la liaison ici est réalisée d une façon directe entre les deux pièces concernée (sans élément intermidiaire). 49

Assemblage par soudage Souder : C est assembler de façon permanente deux ou plusieurs pièces, tout en assurant entre elles la continuité de matière. Soudage autogène : Les pièces à assembler, de même nature ou de composition voisine, participent à la constitution du joint ou du cordon de soudure. L assemblage est dit homogène, c est-à-dire fait du même métal. Brasage et soudobrasage : L assemblage est hétérogène, la formation du cordon de soudure est assurée par la seule intervention du métal d apport qui agit comme une colle. La température de fusion du métal d apport doit être inférieure à celles des métaux à souder. 50

Représentation des assemblages mécano-soudés Vue de face Vue de dessus Représentation simplifiée et symbolique des assemblages mécano-soudés Vue de face Vue de gauche 51

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Application de la conception Mécano-soudée : Ensacheuse de grains 55