Cours : Construction mécanique
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Chapitre I : Notions fondamentales et méthodologie de conception I.1. Généralité sur la construction mécanique
La construction mécanique est l'ensemble des activités, méthodes et techniques liées à la conception de machines et mécanismes. En bref on peut dire que la Construction mécanique c’est le dimensionnement
et calcul d'éléments standards (comme : roulements à bille, vérins, moteurs, engrenage..etc.).
I.2. Pièces de constructions des mécaniques
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I.3. Règles générales de construction Lors de la conception d’une machines, le constructeur a à l’esprit les critères de sécurité et d’économie entre
autres. Les questions de sécurité sont relatives aussi bien au fonctionnement, qu’à la manipulation. L’économie est la tendance à la réalisation d’un succès maximal avec une dépense minimale. Pour atteindre une réussite en construction, le constructeur doit avoir beaucoup de connaissances et d’aptitudes dans plusieurs domaines, dont
les plus importants sont : 2
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a)- Dessin : le dessin est pour le constructeur le moyen le plus important avec lequel il fixe ses idées et les communique avec l’autre. On distingue deux types le dessin de définition et le dessin d’ensembles.
Le dessin de définition présente une seul pièce avec ses caractéristiques géométriques (dimensions, état de surface, précision) ainsi que la nature du matériau.
Le dessin d’ensemble présente un ensemble de pièces montées, avec les côtes d’encombrement et
certaines dimensions essentielles. b)- Normalisation b)- Normalisation : les normes ont été créées pour éviter év iter de résoudre de nouveau les problèmes qui se répètent. La normalisation est un travail d’unification sur la base de notions d’intérêt général. Elle a pour objectif de réaliser une organisation et un travail rationnels dans les domaines relatifs aux sciences et aux techniques. c)- Mécanique : il s’agit ici du sens large du terme qui englobe aussi bien la mécanique classique, qui est la cinématique, la dynamique, la statique, …etc. ainsi que la mécanique que regroupe les machines et leurs
fonctions. d)- Résistance des matériaux : son problème est la détermination des contraintes, des déformations d’éléments et à partir des caractéristiques mécaniques des matériaux il sera procédé à la détermination des dimensions des éléments. e)- Science des matériaux : le choix d’un matériau approprié pour un élément passe par la connaissance des comportements des matériaux en général. f)- Procédés de fabrication : lors de la projection d’une machine, le constructeur à toujours à l’esprit le mode d’obtention des constituants. Le procédé de fabrication n’influe pas seulement sur la précision des dimensions et l’état de surface mais aussi sur la forme de la pièce.
g)- Conception : une image technique ne doit pas être orientée uniquement vers l’utilité mais aussi présenter une vision agréable. Le jugement sur la beauté est relatif et dépend des sentiments, de l’attitude et de l’intelligence
personnels. personnels.
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I.4. Coefficient de sécurité
Les coefficients de sécurité sont des paramètres permettant de dimensionner des dispositifs. Lorsque l'on conçoit un dispositif, il faut s'assurer qu'il remplisse ses fonctions en toute sécurité pour l'utilisateur. Il faut pour cela connaître la charge à laquelle il sera soumis. Le terme « charge » est utilisé de manière générale : puissance électrique pour un circuit électrique, force pour un dispositif mécanique, … Cela
mène au dimensionnement du dispositif : choix de la section du fil débitant le courant, section de la poutre supportant la structure, …
Mais la connaissance des charges normales en utilisation ne sont pas suffisantes : il faut prévoir la possibilité d'une utilisation inadaptée : imprudence de l'utilisateur, surcharge accidentelle ou prévue, défaillance d'une pièce, événement extérieur imprévu, … On utilise pour cela un coefficient de sécurité, noté habituellement s1 :
soit on l'utilise avant le calcul de dimensionnement : en multipliant la charge en fonctionnement par s, ou bien en divisant la charge maximale admissible par s ; soit on l'utilise après le calcul, en multipliant ou en divisant le résultat dans le sens d'une plus grande sécurité.
I.5. Norme et standard techniques
Une norme technique est un référentiel publié par un organisme de normalisation officiellement agréé par un État (comme Afnor) ou issu d'un traité international (comme ISO). Comme la langue anglaise ne marque pas la différence entre norme et standard (« norme » se dit « standard » en anglais), on parle pour les normes de standards de jure et pour les simples standards de standards de facto. Un simple standard (de facto) est généralement déterminé soit par un industriel pionnier ou en position dominante sur un marché, soit par une association professionnelle ou un consortium d'acteurs industriels (comme IEEE ou OASIS). La normalisation ou la standardisation est le fait d'établir respectivement des normes et standards techniques, c'est-à-dire un référentiel commun et documenté destiné à harmoniser l'activité d'un secteur. Cette dernière est réalisée par des organismes spécialisés, qui sont le plus souvent soit des organismes d'État, soit des organisations créées par les professionnels d'un secteur d'activité donné. I.6. Fiabilité
Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges. La fiabilité est l'étude des défaillances des systèmes — essentiellement essentiellement des produits manufacturés (mécanique, électronique, génie civil…), et en particulier d'un point de vue statistique.
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Chapitre II : Introduction au calcul des éléments de machines II.1. Choix des matériaux
Toute matière entrant dans une construction devient un matériau. Les matériaux sont à la source de la technologie et du monde industriel. La réussite technique et le succès commercial d’un produit fabriqué dépendent en grand partie du ou des matériaux choisis. Sélectionner un matériau n’est généralement pas une opération simple compte tenu de la grande variété
proposée. Le choix dépend autant du prix que des quantités propres du matériau et du procédé de fabrication retenu pour la réalisation. Il existe des matériaux naturels : Le bois, la pierre, l’argile… ces matériaux furent les premiers à être utilisés par l’homme. Le progrès technique a permis de produire des matériaux élaborés :
D’extraire des métaux à partir de minerai
De les mélanger pour fabriquer des alliages
De mettre au point des matières plastiques synthétiques à partir d’éléments naturels comme le charbon,
le pétrole, le bois ou le gaz naturel. De concevoir des matériaux composites de plus en plus utilisés dans les industries du transport. Remarque : Par extension le nom de métal est attribué à tous les alliages de métaux purs que nous utilisons communément. Ci-dessous, les principales familles de matériaux :
II.1. 1. Les alliages ferreux
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LES ACIERS :
Définition : Un acier est constitué de carbone (au moins de 1%) et de fer. a)- Acier d’usage général :
La désignation commence par la lettre S. Le nombre qui suit indique la valeur de la limite d’élasticité (Re min) en Mpa. Exemple : - S185 (Acier d’usage général, de limite d’élasticité de 185MPa). Emplois: Constructions mécaniques et métalliques Assemblées ou soudées. Ces aciers ne doivent pas subir de traitement thermique. b)- Acier de construction mécanique : La désignation commence par la lettre E. Le nombre qui suit indique la valeur de la limite d’élasticité (Re min)
en Mpa. Exemple: E295, E335, E360 Emplois: Constructions mécaniques et métalliques assemblées ou soudées. Ces aciers ne doivent pas subir de traitement thermique. Remarque : S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre « G ». c)- Acier non allies :
La désignation commence par la lettre C. Le nombre qui suit indique le pourcentage de la teneur moyenne en carbone multiplié par 100. Exemple: C22, C25, C30, C35, C40. C22 --------> 0,22% de carbone. S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G.
Emplois: Constructions mécaniques. Ces aciers conviennent aux traitements thermiques et au forgeage. d)- Acier faiblement allies : Teneur de chaque élément d’alliage inférieur à 5%. La désignation comprend dans l’ordre :
- Un nombre entier égal à 100 fois le pourcentage de la teneur en carbone. - Un ou plusieurs groupes de lettres qui sont les symboles chimiques des éléments d’alliage rangés dans l’ordre des teneurs décroissantes. - Un ou plusieurs nombres, rangés dans le même ordre que les éléments d’alliage, indiquant le pourcentage de la teneur de chaque élément. Ces teneurs sont multipliées par un coefficient différent suivant les éléments d’alliage.
Exemple : 42 Cr Mo 4 Utilisation : ils sont choisis lorsque l’on a besoin d’une haute résistance. e)- Aciers fortement allies :
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Teneur d’au moins un élément d’alliage supérieure ou égale à 5%.
La désignation commence par la lettre X, suivie de la même désignation que celle des aciers faiblement alliés, à l’exception des valeurs des teneurs des éléments d’alliage qui sont les pourcentages réels. Exemple : X 20 Cr Ni 19-11 Utilisation : ces aciers sont réservés à des usages particuliers. Par exemple, dans un milieu humide, on utilisera un acier inoxydable qui est un acier Fortement allié avec du chrome (% chrome > 11%)
LES FONTES (Fer de 1,67 à 4,2 % de Carbone)
Les fontes sont également des alliages de fer et de carbone. Elles ont une excellente coulabilité. Elles permettent donc d'obtenir des pièces de fonderie (pièces moulées) aux formes complexes. Elles sont assez fragiles (cassantes), difficilement soudables, et ont une bonne usinabilité. Les fontes à Graphite Lamellaire. Les fontes grises sont les plus couramment utilisées parce qu'elles : - sont économiques. - amortissent bien les vibrations. - ont une bonne coulabilité et usinabilité. - sont peu oxydables. - ont une bonne résistance à l'usure par frottement. - résistent bien aux sollicitations de compression. Utilisation : Carters, bâtis, blocs moteur, pièces aux formes complexes …
Désignation : Après le préfixe EN, les fontes sont désignées par le symbole GJL suivi de la valeur en méga pascals de la résistance minimale à la rupture par extension. ex tension. Exemple : EN-GJL-300 Cette désignation est symbolique, la correspondance numérique dans la nouvelle norme est : EN-JL-1050. Les fontes malléables à Graphite Sphéroïdal 7
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Les fontes à graphite sphéroïdal sont obtenues par adjonction d'une faible quantité de magnésium avant moulage. Elles sont plus légères et ont une meilleure résistance mécanique que les fontes grises, dont elles gardent les mêmes propriétés. Utilisation : Etriers de freins, culbuteur, vilebrequin, tuyauteries soumises à hautes pressions….
Désignation : Après le préfixe EN, les fontes sont désignées par le symbole (GJMW, GJMB, GJS) suivi de la valeur en méga pascals de la résistance minimale à la rupture par extension et du pourcentage de l’allongement après rupture. Exemple : EN-GJS-400-18 ----- EN : Norme européenne Fonte à Graphite Sphéroïdale ; Re mini = 400MPa ; A% = 18 Cette désignation est symbolique, la correspondance numérique dans la nouvelle norme est : EN-JS-1020. II.1. 2. Les alliages non ferreux
Aluminium et ses alliages :
L'aluminium est obtenu à partir d'un minerai appelé bauxite. Il est léger (densité = 2,7), bon conducteur d'électricité et de chaleur. Sa résistance mécanique est faible, il est ductile et facilement usinable. Il est très résistant à la corrosion. Utilisation : aéronautique du fait de leur légèreté Désignation : La désignation utilise un code numérique. Il peut éventuellement être suivi par une désignation utilisant les symboles chimiques. Exemple : EN-AW-2017 (Al Cu 4 Mg Si) Alliage d’Aluminium ; 4 % de Cuivre ; Magnésium et du Silicium (moins de 4 %)
Cuivre et ses alliages :
Il existe de très nombreux alliages de cuivre dont les plus connus sont : les bronzes, les laitons, les cuproaluminiums, les cupronickels et les maillechorts.
Les laitons: Les laitons sont faciles à usiner et ont une bonne résistance à la corrosion. Ils peuvent être moulés
ou forgés. Ils sont utilisés pour les pièces décolletées, tubes,... Les bronzes: Les bronzes ont une bonne résistance à la corrosion, un faible coefficient de frottement et sont faciles à mouler. Ils sont utilisés pour réaliser, entre autres, les coussinets et bagues de frottement. Désignation : La désignation utilise un code numérique. Il peut éventuellement être suivi par une désignation utilisant les symboles chimiques. 8
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Symbole de l’élément de base CU + élément d’addition 1 + % de l’élément d’addition 1 + élément d’addition 2 + % de l’élément d’addition 2 +...
Exemple : CW612N (CU Zn 36 Pb 3) : Alliage de Cuivre ; 36 % de Zinc ; 3 % de Plomb II.1. 3. Les polymères ou matières plastiques Un plastique est un mélange dont le constituant de base est une résine ou polymère, à laquelle on associe des adjuvants (plastifiants, anti-oxydants…) et des additifs (colorants, ignifuge ants). Les thermoplastiques : Très nombreux, ils sont les plus utilisés. Ils ramollissent et se déforment à la chaleur. Ils peuvent en théorie, être refondus et remis en œuvre un grand nombre de fois (comportement thermique
comparable aux métaux). Exemples : ABS, PMMA, PTFE, PP Les thermodurcissables : Ils ne ramollissent pas et ne se déforment pas sous l’action de la chaleur. Une fois créés, il n’est plus possible de les remodeler par chauffage.
Examples: EP (araldite), UP (polyester). Les élastomères ou « caoutchoucs » : On peut les considérer comme une famille supplémentaire de polymères aux propriétés très particulières. Ils sont caractérisés par une très grande élasticité. II.1. 4. Les matériaux composites Ils sont composés d’un matériau de base (matrice ou liant) renforcé par des fibres, ou agrégats, d’un autre
matériau. En renfort, on utilise la fibre de verre (économique), la fibre de carbone (plus coûteuse) et enfin les fibres organiques (kevlar). a)- composite à particule b)- composite à fibre c)- composite a lamine
II.1. 5. Les céramiques Ni métallique, ni polymère, ce sont les matières premières les plus abondantes de la croûte terrestre et les matériaux les plus anciens utilisés par l’homme. Elles sont très dures, très rigides, résistent à la chaleur, à l’usure et aux agents chimiques et à la corrosion. Principal inconvénient : la fragilité. Il existe deux types de céramiques : Les céramiques traditionnelles : Ciments, plâtres, produits à base d’argile (terres cuites, faïence...) et les produits à bas de silice (verre, cristal…). Les céramiques techniques : Plus récentes, elles sont : - Soit fonctionnelles, à « usage électrique ». Exemples : supraconducteurs, semi-conducteurs, matériaux isolants, matériaux piézoélectriques. - Soit structurales, à « usage mécanique ou thermomécanique ». Exemples : Blindages, optique (silicium pour fibres optique), écrans thermiques, matériaux résistants à l’usure, outils de coupe (carbure), composants pour moteurs. II.1. 6. Caractéristiques des matériaux La définition compète d’un organe de machine exige la détermination de sa forme, de ses dimensions et de sa matière. Le choix d’un matériau dépend dépen d de plusieurs critères :
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Caractéristiques mécaniques : limite élastique, masse, dureté, résilience…
Pour étudier les caractéristiques mécaniques des matériaux, on réalise des essais. Essai de fatigue : consiste à appliquer à un matériau une sollicitation proche de celle qu’elle subira en service et à comptabiliser le nombre de cycles c ycles jusqu’à la rupture de la pièce. Essai de dureté : consiste à déformer la surface d’une pièce par application d’un effort connu. Dureté Brinel
(sphère), dureté Vickers, Rockwell (cône). Essai de choc : mesure la résistance au choc ou résilience. Essai de traction : consiste à "tirer" sur une éprouvette de longueur et de diamètre normalisés fabriquée dans le matériau à tester, jusqu’à sa rupture. L’essai de traction est donc un essai destructif. Durant cet essai, on enregistre la courbe (graphique ci -dessous) donnant, en fonction de l’allongement de l’éprouvette, l’intensité ave laquelle on "tire". Caractéristiques physico-chimiques : ce sont les caractéristiques physiques et chimiques des matériaux
utilisées qui permettent aux objets techniques de résister aux sollicitations de leur milieu ambiant (comportement à la corrosion, vieillissement…) Caractéristiques de mise en œuvre : usinabilité, soudabilité, trempabilité… Caractéristiques économiques : prix, disponibilité, expérience industrielle…
II.2. Résistances et contraintes admissibles
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II.3. Ajustements
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II.4. Etat de surface
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Chapitre III : Assemblages III.1. Assemblage par éléments filetés
Filets
1/ Utilisation d’un ensemble filet
Tableau II-1 Utilisation d’un ensemble filet
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2/ Caractéristiques des filets
3/ Résistance des matériaux des filets
4/ Type de filets :
Tableau II-2 Type de filets
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Boulons
1/ Définition de boulon – visserie
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Charge statique s’appliquant sur le
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boulon
1/ Précharge du boulon
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III.2. Collage
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III.3. Soudage
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Chapitre IV : Guidage des arbres IV.1. Paliers lisses
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IV.2. Roulements
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Chapitre V : Transmission V.1. Engrenages V.1.1. Caractéristiques générales
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V.1.2. Engrenages cylindriques à denture droite
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V.1.3. Engrenages cylindriques à denture hélicoïdale
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V.1.4. Engrenages coniques à denture droite à axes concourants
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V.1.5. Roues et vis sans fin
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V.1.6. Représentation des engrenages
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V.1.7. Réducteur à un engrenage
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