I-1 Conception des systèmes mécaniques : 1.1 Concepts Concepts termin terminologiq ologiques ues : -
Conception et Construction mécanique : C’est le processus de création, de dessin ou de projet, plus spécifiquement dans le cadre de la fabrication de produit. La construction est le fait d’assem d’assemble blerr différ différent entss élémen éléments ts mécan mécaniqu iques es en utilisa utilisant nt des matéria matériaux ux et des techni technique quess approp appropriée riéess en vue d’édif d’édifier ier un appare appareil, il, une machi machine ne ou n’impor n’importe te quelle quelle install installatio ation n industrielle.
-
Système Mécanique : Un système Mécanique est un ensemble structuré de constituants
et de composants dont le but est la réalisation de fonctions permettant de soulager l'homme dans son activité quotidienne (automobile, robot, ...).
Le souci du technicien doit être d'améliorer constamment les performances de ces systèmes en optimisant leurs constituants et leur architecture. Ceci nécessite une compréhension accrue des phénomènes qui se déroulent au sein de ces systèmes. 1.2 Concepts liés à la conception mécanique : pratiquer la mission de concepteur oblige le
spécialiste de ne pas perdre de vue vue un certain nombre de facteurs liés à cette mission (fig.1.1).
Fonctions et composants mécaniques Spécification géométrique des produits
Normalisation en construction mécanique
Conception assistée par ordinateur
Sûreté de fonctionnement : maitrise des risques
Retour d’expérience technique
Qualité
Conception collaborative des systèmes et composants mécaniques
Intégration de la sécurité à la conception des machines
Eco conception (fig.1.1). Concepts liés à la conception mécanique
1.3 Evolution Evolution des méthod méthodes es de conception conception : Le dévelo développe ppemen mentt des sciences sciences et des techniqu techniques es reposa reposait it il y a peu de temps temps encore encore sur une combinaison d'empirisme et de théories. Les phénomènes physiques s'exprimaient en formules et diagrammes dont se servait constamment le concepteur de machines. L'étude analytique lui fournissait les lois de comportement et lui permettait de «sentir» ce qui se passe dans les mécanismes. Faute de moyens moyens suffisants, suffisants, les modèles modèles de calcul étaient forcément forcément très simples, simples, voire simplistes. simplistes. La mise en service des prototypes réservait bien des surprises et exigeait un coûteux travail de mise au point Le développement fulgurant de l'informatique et du calcul numérique permet aujourd'hui de concevoir des machin machines es directe directemen mentt à l'ordin l'ordinate ateur. ur. Avec Avec de bons bons modèl modèles, es, on peut peut voir voir foncti fonctionn onner er un mécanisme à l'écran et calculer toutes les grandeurs cinématiques et dynamiques, épargnant du coup la constr construct uction ion de prototy prototypes. pes. D'innom D'innombra brable bless logicie logiciels ls existen existentt pour pour dimens dimension ionner ner les organe organess de
machines traditionnels et les pièces de géométrie compliquée. Des bases de données contiennent les catalogues des fournisseurs et les caractéristiques des matériaux. Le couplage du calcul avec des logiciels de dessin paramétrables permet une véritable conception assistée par ordinateur avec une interaction constante du calcul et du tracé. Les dessins d'exécutions informatisés permettent de programmer directement les machines-outils (CFAO). Ces méthodes modernes sont séduisantes, mais présentent deux graves inconvénients: -Les lois de comportement sont cachées dans les logiciels, de sorte que l'utilisateur non averti tâtonne pour trouver les bonnes solutions. Il en est parfois réduit à varier des paramètres à l'aveugle et d'expérimenter à l'écran pour redécouvrir leur influence et orienter sa démarche -La modélisation et le calcul par éléments finis sont souvent beaucoup plus longs que des calculs analytiques classiques. Moyennant un peu d'expérience, ces derniers sont néanmoins s uffisants pour un avant-projet. 1.4 Prérequis : Cette matière est dispensée à des étudiants supposés connaitre les sciences de base de l'ingénieur (mécanique rationnelle, statique, mécanique des solides déformables, théorie des vibrations); elle suppose aussi que l’étudiant connaisse les organes de machines et les principes de leur dimensionne ment. On fera néanmoins les rappels nécessaires à la compréhension.
1.5Eléments de base de conception mécanique : 1.5.1 Structure générale d’une machine : Une machine se distingue au premier coup d'œil de tout autre objet créé par l'homme par son mouvement. Elle comprend en principe au moins les organes suivants:
- le moteur est la source d'énergie mécanique: moteur électrique, vérin pneumatique, ressort; il transforme toute forme d'énergie en énergie mécanique; il est lui-même constitué de pièces mécaniques; - l'outil , au sens large, est l'organe qui effectue le travail demandé à la machine: crochet d'attelage d'une locomotive, couteau d'une faucheuse, foret d'une perceuse; il agit sur l'objet de ce travail: wagon, blé, matière à percer; - la transmission lie le moteur à l'outil et adapte ces organes entre eux: réducteurs de vitesse, embrayages, cames La transmission reliant le moteur à l'outil se compose généralement d'une série d'éléments et d'organes en mouvement constituant la chaîne cinématique. Mais les machines comportent très souvent plusieurs outils et leurs mouvements dans l'espace nécessitent plusieurs moteurs et des chaînes cinématiques appropriées. Du point de vue strictement mécanique, on peut dire qu'une machine se compose d'une série d'éléments qui: • transmettent du mouvement; • transmettent des efforts; • transmettent de l'énergie. Ces trois grandeurs forment l’essentiel d’une machine. Toujours en observant une machine, on peut la décomposer en deux grands groupes d'organes: La chaîne cinématique dont les éléments en mouvement sont le siège d'efforts qui transmettent de l'énergie; on dit qu'un élément est menant lorsqu'il communique un mouvement et de l'énergie motrice à un autre élément. Celui qui reçoit cette énergie est dit mené. Le bâti et les guidages qui soutiennent et guident les organes de la chaîne cinématique ne • transmettent que des efforts, pas d'énergie •
Toutes les machines sont équipées de dispositifs de commande et de contrôle destinés à les mettre en marche et à les arrêter, à régler leur puissance ou leur vitesse, à coordonner leurs mouvements. D'autres organes assurent leur sécurité et permettent en tout temps de vérifier leur bon fonctionnement.
Une machine peut se décomposer en sous-ensembles assurant chacun une ou plusieurs fonctions. En descendant jusqu'à une décomposition ultime, on parvient finalement à définir trois ou quatre fonctions mécaniques de base. A savoir: la liaison de deux pièces supprime toujours un ou plusieurs degrés de liberté, elle est complète lorsque toute. liberté relative est supprimée, les pièces sont alors solidaires; le guidage a pour objet d'assurer un mouvement déterminé d'une pièce, il conserve un ou plusieurs degrés de liberté, mais en supprime d'autres; l'articulation n'est qu'un guidage particulier permettant un mouvement de rotation oscillant, on la distingue parfois des autres; l'étanchéité s'oppose au passage de fluides et de poussières. •
•
•
•
On distingue quatre niveaux de complexité des objets techniques (tab. 1.3). Les éléments et les organes de machines remplissent les quatre fonctions mécaniques ci-dessus. Ils s'assemblent en organes pour créer des fonctions plus compliquées; puis l'association de divers organes finit par constituer une machine. Enfin, niveau le plus complexe, le groupement de plusieurs machines dont la combinaison permet d'assurer une fonction supérieure. 1.5.2 Fonctions mécaniques : Niveau de complexité 1
Matériel
Caractéristiques
Exemples
pièce de machine,
objet élémentaire
vis, douille, ressort,
élément
fabriqué sans opération de
rondelle, pignon
montage II
III
organe,
système simple obtenu par
boîte à vitesses,
sous-ensemble
l'assemblage de pièces; assu-
moteur hydraulique.
me des fonctions complexes
étau
machine, appareil, instrument
système formé par \'assemblage de sousensembles; remplit
rectifieuse, voiture, machine à écrire
une fonction globale IV
installation,
système compliqué remplis-
minoterie,
juxtaposition de machines
sant une série de fonctions; composé de ma-
raffinerie
chines
Les performances principales de toute machine sont sa vitesse, l'effort qu'elle peut exercer et sa puissance fournie au récepteur. Représentons ces caractéristiques dans un plan effort-vitesse (fig. 1.2). Un point A de ce plan correspond à l'effort et à la vitesse disponibles à l'outil de la machine en question, l'aire du rectangle construit entre ce point et les axes représente la puissance fournie au récepteur car la puissance est égale au produit scalaire de la vitesse par l'effort. Ce plan permet de situer le domaine de travail des machines s elon leurs caractéristiques dominantes (fig. 1.3): Domaine 1. Machines exerçant surtout un effort: presses, cis ailles, engins de levage. L'axe d'effort correspond aux efforts statiques purs. Domaine 2. Machines fournissant de l'énergie: moteurs, compresseurs, véhicules . Domaine 3. Machines dont l'essentiel est le mouvement: machines à emballer, rotatives d'imprimerie, machines à tisser. L'axe de vites se est celui des machines à information pure. 1.5.3 Performances : •
• •
Puissance effort
vitesse
On s'efforce de construire des machines toujours plus fortes, plus rapides et plus puissantes. Cela revient à placer le point figuratif le plus loin possible de l'origine du plan effort-vitesse. Mais divers phénomènes physiques fixent des limites à la position de ce point et définissent un domaine de travail possible. fig. 1.2
Plan effort-vitesse
fig 1.3Domaines de travail des outils
Il existe naturellement encore de nombreuses autres caractéristiques pour apprécier les performances d'une machine, notamment: • la précision d'exécution du travail; • la durée du démarrage; • la longévité; • l'impact sur l'environnement (bruit, pollution, vibrations); • la consommation d'énergie; •
la sécurité ..
•
la fiabilité.
Globalement, selon ISO, la qualité est l'ensemble des propriétés et caractéristiques d'un produit ou d'un service qui lui confère l'aptitude à satisfaire des besoins exprimés ou implicites. Mais, du point de vue de l'exploitant, il importe surtout qu'une machine soit performante, fiable et économique. La fiabilité est étroitement liée à la conception et à la qualité de l'exécution. Plus une machine est simple, plus eIle est fiable et bon marché à la construction et à l'exploitation. On s'efforcera d'obtenir la plus haute valeur de l'indice de qualité suivant:
IQ
performance x fiabilité
=
coût
Le
coût comprend les frais d'investissement, d'exploitation et d'entretien. Les fonctions et les performances sont habituellement définies et fixées par l'utilisateur. Le concepteur doit s'en tenir strictement au cahier des charges et ne pas aller, dans son enthousiasme, audelà des fonctions exigées. Signalons que le succès industriel dépend aujourd'hui souvent plus de la rapidité d'étude et d'exécution que des qualités techniques des machines.
