L’ · L’ être humain a toujours cherché à créer des objets pour améliorer sa condition. Il...

L’ être humain a toujours cherché à créer des objets pour

améliorer sa condition. Il n’a d’abord confectionné que des

outils très simples pour répondre à ses besoins immédiats.

Il a peu à peu perfectionné ses pro cédés, puis certains indi -

vidus se sont spécialisés dans des domaines précis. Long -

temps la fabrication d’objets est restée artisanale. Avec

le progrès technique, les machines-outils sont nées, puis

l’humanité est entrée dans l’ère industrielle. Aujour d’hui,

les objets techniques sont de plus en plus sophistiqués.

Pour tant, leur conception repose sur certains prin cipes élé-

mentaires. Pour comprendre le fonctionnement de ces

objets, il faut remonter aux pièces qui les composent.

Comment peut-on les lier et guider leurs mouvements ?

Ces derniers peuvent-ils être transférés d’une partie à

l’autre de l’objet ? Peut-on en changer la vitesse ou la

nature ? Nous répondrons à ces questions dans ce chapitre.

2001 Installation du bras robotiséCanadarm2 sur la station spatialeinternationale

1925 Conception de la premièresouffleuse à neige

1825 Mise en service de la premièreligne de chemin de fer au monde

1829

Construction du premierascenseur à moteur

1859Invention du premier moteur à combustion interne utilisable

1879 Invention de la chaîne à rouleaux

1889 Invention du dérailleur pour la bicyclette

1893

Conception du moteur de typediesel

1948 Invention de la bande auto-agrippante Velcro

1961 Commercialisation du premierrobot industriel pour les chaînesde montage

vers –3500 Invention de la roue

Invention des engrenagesvers –200

Invention des premiers rails pourle guidage des roues de chariots

1602

Invention de la draisienne, ancêtre de la bicyclette

1816

!Chapitre 13 (a) (5e épreuve):Layout 1 10-01-06 10:23 Page424

L’ingénierie mécanique

13SOMMAIRE

1. Qu’est-ce que l’ingénierie

mécanique ? ........................... 426

2. Les liaisons dans les

objets techniques ......... 427

2.1 Les caractéristiques des liaisons ................................. 427

2.2 Les degrés de liberté d’une pièce................................. 428

3. La fonction guidage............. 431

3.1 Les principaux types de guidage ................................. 431

3.2 L’adhérence et le frottement entre les pièces ........................ 433

4. Les systèmes de

transmission du

mouvement ............................. 435

4.1 Les particularités du mouvement dans les systèmes de transmission ... 436

4.2 La construction des systèmes de transmission dumouvement ................................ 438

4.3 Les changements de vitesse dans les systèmes detransmission du mouvement ................................ 442

4.4 Les couples dans les systèmes ............................... 444

5. Les systèmes de

transformation

du mouvement ..................... 445

5.1 Les particularités du mouvement dans les systèmes detransformation .......................... 446

5.2 La construction des systèmes de transformation du mouvement ......................... 447

L’univers techn

o

lo

giq

ue

425


426 C H A P I T R E 1 3

En science et technologie, une branche d’études se concentre plus parti-culièrement sur l’analyse et l’exécution de projets technologiques, comme lafabrication de ponts, de routes, de vélos, de voi -tures, de téléviseurs, etc. Il s’agit de l’ ingénierie,aussi souvent appelée «génie».

L’ingénierie se divise en plusieurs champs de compétences. Il y a, par exem-ple, l’ingénierie civile qui s’occupe des infrastructures telles que les routes,les ponts et les viaducs, l’ingénierie informatique qui traite des systèmesinformatiques et l’ingénierie électrique qui se spécialise dans les circuitsélectriques. Dans ce chapitre, il sera plutôt question d’ingénierie mécanique.Cette branche du génie se penche surtout sur les objets dont le fonction-nement implique le mouvement de certaines pièces.

L’INGÉNIERIE MÉCANIQUE est une branche de l’ingénierie quise concentre sur la conception, la production, l’analyse, le fonc-tionnement et le perfectionnement des objets techniques danslesquels des pièces sont en mouvement.

1 Qu’est-ce que l’ingénierie mécanique ?

STSTEATS

«Ingénierie» provient dulatin ingenium, qui signifie«talent, intelligence».

Puisque le fonction -nement d’un turbo -compresseur impliquele mouvement denombreuses pièces, il s’agit d’un objetd’étude pour les ingé -nieurs en mécanique.

13.1

Parmi les aspects importants dont il faut tenir compte en ingénierie mé-canique figure tout ce qui concerne le mouvement: son guidage, sa transmis-sion, les changements de sa vitesse ainsi que sa transformation. Néanmoins,avant d’aborder ces différents sujets, il faut d’abord comprendre comment lespièces d’un objet sont liées les unes aux autres et quels sont leurs degrés deliberté.


427L’ ingénier ie mécanique

Dès qu’un objet technique comporte deux ou plusieurs pièces, il faut trou-ver des façons de les maintenir ensemble, c’est-à-dire d’assurer leur liaison.Il peut y avoir plus d’une liaison dans un objet technique.

Une LIAISON permet de maintenir ensemble deux ou plusieurspièces dans un même objet.

Toute pièce, comme un clou, et tout fluide, comme de la colle, quiservent à la liaison dans un objet technique remplissent une fonc-tion mécanique appelée «fonction liaison». On dit alors qu’il s’agitd’ORGANES DE LIAISON.

En mécanique, un ORGANE est une pièce ou un fluidequi remplit une fonction mécanique.

La FONCTION LIAISON est une fonction mécaniqueassurée par tout organe qui lie ensemble différentespièces d’un objet technique.

2 Les liaisons dans les objets techniques

STSTEATS

CONCEPTS DÉJÀ VUS

Fonctions mécaniquesélémentaires (liaison,guidage)Types de mouvements

No 9

19071990

George de Mestral

Parmi les organes deliaison très utilisés pourattacher les souliers,figurent les bandesVelcro. George deMestral, un ingénieursuisse, les inventa audébut de la décennie1940. On raconte qu’ilaurait eu l’idée de cesbandes en observantdes graines de bardanequi avaient collées surson gilet et la fourrurede son chien après unepromenade.

Dans ces conduits de gaz naturel, plusieurs pièces sont liées ensemble à l’aide de vis et d’écrous qui agissent comme organes de liaison. Ces vis et ces écrous ont donc une fonction liaison.

13.2

Il existe plusieurs façons de lier ensemble des pièces dans un objet tech-nique. Malgré la multitude de liaisons possibles, chaque liaison comportequatre caractéristiques, soit une pour chacune des quatre paires présentéesdans le tableau 13.3 à la page suivante.

2.1 LES CARACTÉRISTIQUES DES LIAISONS

STSTEATS


428 C H A P I T R E 1 3

Les caractéristiques d’une liaison13.3

Liaison directe Liaison indirecte

Une liaison est directe lorsque les pièces tiennent ensemble Une liaison est indirecte lorsque les pièces ont besoin sans l’intermédiaire d’un organe de liaison. d’un organe de liaison pour tenir ensemble.

Liaison rigide Liaison élastique

Une liaison est rigide lorsque les surfaces des pièces liées Une liaison est élastique lorsque les surfaces des pièces ou l’organe de liaison sont rigides. liées ou l’organe de liaison sont déformables. Les ressorts

et le caoutchouc servent souvent à créer des liaisons élastiques.

Liaison démontable Liaison indémontable

Une liaison est démontable lorsque la séparation des pièces Une liaison est indémontable lorsque la séparation des liées n’endommage ni leur surface, ni l’organe de liaison s’il pièces endommage leur surface ou l’organe de liaison.y en a un. Les vis et les écrous sont des exemples d’organes de liaison permettant de créer des liaisons démontables.

Liaison totale Liaison partielle

Une liaison est totale lorsqu’elle ne permet aucun Une liaison est partielle lorsqu’elle permet à au moins mouvement indépendant des pièces liées l’une par rapport une pièce de bouger indépendamment par rapport à l’autre. à l’autre.

Les caractéristiques de deux liaisons différentes.13.4

Liaison entre le pneu et la roue

Caractéristiques: directe, élastique, démontable, totale.

Liaison entre une roue et la platine

Caractéristiques: indirecte, rigide, démontable, partielle.

Dans un objet technique, une liaison a pour effet de restreindre les possibi-lités de mouvements indépendants d’une pièce par rapport à une autre.Comme nous venons de le voir à la section précédente, une liaison totale,par exemple celle entre le pneu et la roue de la bicyclette dans l’illustra-tion 13.4, restreint totalement les possibilités de mouvements indépendantsd’une pièce par rapport à l’autre. En effet, le pneu aura toujours le mêmemouvement que la roue.

Par contre, dans le cas des liaisons partielles, comme celle entre la roue et laplatine d’un patin à roues alignées, les possibilités de mouvements indépendants

2.2 LES DEGRÉS DE LIBERTÉ D’UNE PIÈCESTEATS

Pneu

Roue

Platine

Roue



d’une pièce par rapport à l’autre ne sont que partiellement restreintes. Eneffet, il est possible de faire tourner la roue sans que la platine ne bouge.

Comme le montre la figure 13.5, il existe six possibilités de mouvementsindépendants, soit trois en translation et trois en rotation, par rapport auxtrois axes usuels pour définir les dimensions : l’axe x, l’axe y et l’axe z.

La lame de ce couteauà lame rétractable n’aqu’un seul mouvementindépendant : unetranslation bidirec -tionnelle par rapport à l’axe x.

13.6

Les six possibilités de mouvement indépendant.13.5

Possibilités Notation

Translation de gauche à droite ou Txde droite à gauche

Translation de haut en bas ou de bas Tyen haut

Translation d’avant en arrière ou Tzd’arrière en avant

Rotation par rapport à l’axe x Rx

Rotation par rapport à l’axe y Ry

Rotation par rapport à l’axe z Rz

Possibilités en translation

Possibilités en rotation

Ry

y

Ty

Tx

Rx

x

Tz

zRz

Ce tiroir de classeur n’aqu’un seul mouvementindépendant : unetranslation bidirec -tionnelle par rapport à l’axe z.

13.7

y

zx

Tx

Lorsqu’on analyse les possibilités de mouvements indépendants que peut avoirune pièce liée à une autre, on détermine ses degrés de liberté. Ainsi, une

x

z

y


430 C H A P I T R E 1 3

Pour obtenir du savon de ceréservoir, on peut faire tourner le bec versoir et appuyer dessus. Ce bec possède donc deux degrésde liberté, un en translation et un en rotation par rapport à l’axe y.

13.9La porte qui est liée au mur n’aqu’un seul degré de liberté, puisquele seul mouvement indépendantqu’elle peut avoir est une rotationpar rapport à l’axe y.

13.8

Le groupe Toyota, surtout connucomme constructeur automobile,est aussi un as de la robotique. Sesingénieurs ont développé une jamberobotisée capable de sauter jusqu’àquatre centimètres dans les airs et de retomber sur son pied. Mêmes’il peut sembler simple pour leshumains, il s’agit d’un mouvementcomplexe qui fait franchir un nou-veau pas à la robo tique humanoïde.

Cette jambe autonome, de un mètrede hauteur, est montée sur un pieddoté d’orteils articulés. Elle peutavan cer à cloche-pied en utilisant les

«degrés de liberté» de son pied pourla propulser.

«Le mouvement de la jambe et dupied est difficile à robotiser, cela aexigé le développement de plusieurspro totypes», a expliqué un porte-parole de Toyota. La compagnie es -père intégrer ce genre de jambe àdes robots plus complexes qui mi -me ront parfaitement la démarchehumaine.

Adaptation de: Agence France-Presse,

«La jambe robotisée de Toyota», Le Soleil,

14 septembre 2006, Affaires, p. 50.

LA JAMBE ROBOTISÉE DE TOYOTA

x

z

yRy Ty

y

xz

Ry

pièce peut avoir un maximum de six degrés de liberté, qui correspondentaux six possibilités de mouvements indépendants. Les figures 13.8 et 13.9montrent les degrés de liberté de deux pièces différentes.

Les DEGRÉS DE LIBERTÉ sont les mouvements indépendantspossibles pour une pièce dans un objet technique.



Dans plusieurs objets techniques, certains organes ont pour fonction d’im-poser une trajectoire précise à des pièces mobiles. On dit alors que cesorganes assurent la fonction guidage.

La FONCTION GUIDAGE est une fonction méca -nique assurée par tout organe qui dirige le mouve-ment d’une ou de plusieurs pièces mobiles.

Comme le montre la figure 13.10, dans de nombreux meubles,des glissières permettent aux tiroirs de pouvoir s’ouvrir et serefermer. Elles guident donc le mouvement des tiroirs. Puisqueles glissières assurent une fonction guidage, on dit alors que cesont des organes de guidage.

Un ORGANE DE GUIDAGE est un organe dont lafonction mécanique est la fonction guidage.

Dans les objets techniques, il existe trois principales formes deguidage, soit le guidage en translation, le guidage en rotation etle guidage hélicoïdal. Voyons maintenant ces trois formes deguidage.

3 La fonction guidageSTSTEATS

Les glissières de ce tiroir assurent unefonction guidage. Elles constituent doncun organe de guidage.

13.10

Lorsqu’un guidage ne permet qu’un mouvement en translation de la pièceguidée, il s’agit alors d’un guidage en translation. Les glissières et les organescomportant des rainures conviennent particulièrement bien à ce type deguidage.

Le GUIDAGE EN TRANSLATION assure un mouvement de trans -lation rectiligne à une pièce mobile.

3.1 LES PRINCIPAUX TYPES DE GUIDAGESTSTEATS

Les rainures présentes de chaque côté de cette fenêtre à guillotine permettent un guidage en translation lorsqu’on veut l’ouvrir ou la fermer.

13.11


Lorsqu’un guidage oblige, lors d’un mouvement de rotation de lapièce guidée, un mouvement de translation selon le même axe, ils’agit d’un guidage hélicoïdal. Les organes comportant des filetsconviennent particulièrement bien à ce type de guidage.

Le GUIDAGE HÉLICOÏDAL assure un mouvement detranslation d’une pièce mobile lorsqu’il y a rotationselon le même axe de cette pièce.

Lorsqu’un guidage ne permet qu’un mouvement en rotation de lapièce guidée, il s’agit d’un guidage en rotation. Les organes de formecylindrique conviennent particulièrement bien à ce type deguidage.

Le GUIDAGE EN ROTATION assure un mouvement derotation à une pièce mobile.

432 C H A P I T R E 1 3

18111861

Elisha Graves Otis

Parmi les pièces guidéesen translation figurentles cabines d’ascen seur.Avant l’inven tiond’Elisha Graves Otis, unméca ni cien américain,peu de personnesosaient faire confiance à ces appareils pourmonter ou des cendredans les immeubles. Cen’est qu’en 1852 qu’ilinventa le premierdispositif permettant de bloquer la cabined’ascenseur lors de larupture du câble qui lasoutient. C’est notam -ment grâce à son inven -tion que les gratte-cieldevinrent de plus enplus populaires.

Le moyeu de la roue est guidé en rotation par un essieu fixé à la fourche.

13.12

Les filets présents dans le corps de la serre en C permettent un guidagehélicoïdal de la tige filetée.

13.13

Corps de la serre en C Mors

Tige filetée

Fourche

Moyeu

Capuchonde l’essieu



En voiture, lorsqu’il faut s’arrêter en plein milieu d’une côte, les pneus per-mettent au véhicule de rester collé à la route et l’empêchent de glisser. Lephénomène qui permet aux pneus d’agripper la voiture à la route s’appellel’«adhérence». Sans adhérence entre les pneus et la route, le véhicule glisseraitlors d’un arrêt au milieu d’une côte. D’ailleurs, lorsqu’une route est glacée,l’adhérence est diminuée, ce qui entraîne souvent des sorties de route.

L’ADHÉRENCE est un phénomène qui se manifeste lorsquedeux surfaces ont tendance à rester accolées, s’opposant ainsiau glissement.

L’intensité de l’adhérence entre deux surfaces dépend prin cipalement decinq facteurs :

La nature des matériaux mis en contact. Par exemple, l’adhérence entre le caoutchouc et l’asphalte n’est pas la même que celle entre l’acier et l’asphalte.

La présence ou non d’un lubrifiant. L’adhérenceest normalement diminuée en présence d’un lu-brifiant. Par exemple, un pneu adhère beaucoupmoins à la route s’il s’y trouve une tache d’huile.

La température. Généralement, plus il fait froid,plus l’adhérence entre deux surfaces tend à dimi -nuer. Par exemple, plus il fait froid, moins unpneu a tendance à adhérer à la route.

L’état des surfaces mises en contact. Généra le -ment, plus une surface est rugueuse, plus elle auratendance à adhérer à une autre surface. C’est pour -quoi l’adhérence d’un pneu à l’asphalte dimi nueavec l’usure.

La FORCE perpendiculaire exercée par une surfacesur l’autre. L’adhérence augmente avec l’accrois -sement de cette force. Par exemple, il est plus dif-ficile de tirer un traîneau chargé qu’un traîneauvide.

Une pièce mobile dans un objet technique est généralement guidée par uneautre pièce. Ainsi, des surfaces de la pièce mobile et de l’organe de guidageglissent l’une sur l’autre. En raison du phénomène d’adhérence qui tend àaccoler les pièces, il se crée alors une force qui s’oppose au glissement de lapièce mobile sur l’autre. C’est ce qu’on appelle le frottement. Donc, plusl’adhérence entre deux pièces est grande, plus grand est le frottement lorsqueces deux pièces glissent l’une sur l’autre.

En mécanique, le FROTTEMENT est une force qui s’oppose auglissement d’une pièce mobile sur une autre.

3.2 L’ADHÉRENCE ET LE FROTTEMENT ENTRE LES PIÈCES

STEATS

No 10

Si les semelles de ces souliers n’adhéraient pascorrectement au sol, la personne glisserait, commecela se produit l’hiver sur des surfaces glacées.

13.14


434 C H A P I T R E 1 3

En formule 1, l’adhérence, c’est laclé de toute victoire. Les ingénieursne pensent qu’à elle. Entre chaqueGrand Prix, ils passent d’innom -brables journées à tester lesgommes, c’est-à-dire la bande decaoutchouc naturel ou synthétique,de différents pneus. Une gommeplus tendre qu’une autre, qui adhèremieux, peut permettre de gagnerune seconde ou davantage au tour.

Il faut se représenter le phénomène:à 300 km/h, les roues tournent sivite qu’un morceau de gomme n’esten contact avec la piste que pendant2 millièmes de seconde, 40 fois parseconde ! Un éclair pendant lequel la gomme doit adhérer à la piste. Sil’on pouvait observer ce qui sepasse avec un microscope, on ver-rait le pneu littéralement accrocherses molécules aux aspérités de l’as-phalte. C’est ce qui permet à la voi -ture d’adhérer, et donc de tourner.

L’obsession des écuries envers lespneus est devenue telle que laFédération internationale de l’auto-mobile (FIA) a décidé de légiférer.Dès 2008, les écuries devront faire

affaire avec un seul manufacturierde pneus.

Adaptation de: Luc DOMENJOZ, «Entre

la gomme et la piste, c’est la magie noire»,

La Presse, 25 juin 2006, p. S8.

Une voiture de formule 1 dans un tournant.

ENTRE LA GOMME ET LA PISTE, C’EST LA MAGIE NOIRE

Pour diminuer le frottement entre despièces, un des principaux moyens utilisésest l’emploi d’un lubrifiant. Ces sub-stances ont la propriété de diminuer lefrottement lorsqu’elles sont appliquéesentre deux surfaces qui glissent l’unesur l’autre. Leur fonction mécanique estalors la fonction lubrification. Les huiles,comme celles que l’on utilise dans les mo-teurs à combustion, sont des exemples delubrifiants.

La FONCTION LUBRIFICATIONest la fonction mécaniqueassurée par tout organe quipermet de réduire le frotte-ment entre deux pièces.

Dans son mouvement de va-et-vient, la surface du piston glisse sur la surface interne du cylindre qui le guide. Il s’ensuit un frottement.

13.15

Piston

Côté du cylindre

!Chapitre 13 (b) (5e épreuve):Layout 1 10-01-05 10:58 Page434


Forme de lubrifiant Exemples

Liquide Eau, huiles (végétales, animales et minérales)

Semi-solide Suif, vaseline, graisses animales, graisses végétales

Solide Graphite, paraffine

Des exemples de lubrifiants13.16

De plus, pour diminuer le frottement, on peut aussi avoir recours au polis-sage. En effet, si l’on regarde la plupart des matériaux au microscope, ons’aperçoit que de minuscules crêtes émergent de leur surface. Ces minus-cules crêtes causent l’adhérence et le frottement, puis qu’elles ont tendance às’accrocher à l’autre pièce lors d’un mouvement. Lorsqu’on procède aupolissage d’une surface, on élimine une partie de ces minuscules pointes,diminuant ainsi le frottement.

L’illustration de gauche montre un feuillet autocollant vu à l’œil nu. À droite, une partie de la bande encollée du même matériau vue au microscope permet d’en distinguer les aspérités, c’est-à-dire les saillies, les irrégularités.

13.17

x 130

Dans plusieurs objets techniques, il est utile de transmettre le mouvementque possède une pièce vers une ou plusieurs autres pièces. Les organes quipermettent de transmettre un mouvement d’une partie à une autre dans un objet technique remplissent la fonction mécanique de transmission dumouvement.

La TRANSMISSION DU MOUVEMENT est une fonction méca -nique qui consiste à communiquer un mouvement d’une pièceà une autre sans en modifier la nature.

Par exemple, dans la bicyclette illustrée à la figure 13.19, le mouvement derotation que donnent les jambes au pédalier est transféré à la roue arrière parun ensemble de trois organes: une roue dentée liée au pédalier, une roue den-tée liée à la roue arrière et une chaîne. Puisque ces trois organes remplissent

4 Les systèmes de transmission du mouvement

STSTEATS

CONCEPTS DÉJÀ VUS

Système (fonction globale,intrants, procédés,extrants, contrôle)Composantes d’un systèmeFonction, composantes et utilisation des systèmesde transmission du mouve -ment (roues de friction,poulies et courroie, engre -nage, roues dentées etchaîne, roue et vis sans fin)

No 11


436 C H A P I T R E 1 3

tous la même fonction, c’est-à-dire la transmission du mouve-ment, on considère qu’ils forment un système de transmission dumouvement.

Un SYSTÈME DE TRANSMISSION DU MOUVEMENTest un ensemble d’organes qui remplissent la fonctionde transmission du mouvement.

Comme le montre le tableau 13.18, tout système en mécaniquecomporte un organe moteur et au moins un organe mené. Deplus, certains systèmes, comme celui utilisé dans la bicyclette, ontaussi un organe intermédiaire.

Type d’organe Description

Organe moteur Organe qui reçoit la force nécessaire pour actionner le système.

Organe mené Organe qui reçoit le mouvement et le transfère à une autre pièce.

Organe intermédiaire Organe situé entre l’organe moteur et l’organe mené. On ne rencontre pas d’organe intermédiaire dans tous les systèmes.

Les types d’organe d’un système en mécanique13.18

Le système de transmission du mouvement d’une bicyclette est un système à chaîne et à rouesdentées.

13.19

En ingénierie mécanique, il arrive fréquemment que des systèmes de trans-mission du mouvement soient utilisés dans les objets techniques. Les plussouvent rencontrés sont :

les systèmes à roues dentées;les systèmes à chaîne et à roues dentées;les systèmes à roue dentée et à vis sans fin;les systèmes à roues de friction;les systèmes à courroie et à poulies.

Tous ces systèmes permettent la transmission du mouvement de rotation. Parcontre, certaines particularités les distinguent. D’abord, comme le montre lafigure 13.21, le sens de rotation des divers organes est parfois identique danstout le système, parfois différent. La figure 13.20 illustre les deux sens derotation possible.

4.1 LES PARTICULARITÉS DU MOUVEMENT DANS LES SYSTÈMES DE TRANSMISSION

STSTEATS

Les deux sens dumouvement de rotationsont le sens horaire et le sens anti-horaire.

13.20

Sens horaire Sens anti-horaire

Organemené

Organeintermédiaire

Organemoteur



De plus, la réversibilité du système n’est pas toujours possible. En ingénieriemécanique, un système est dit réversible lorsqu’il est possible pour un organemené de devenir un organe moteur et vice-versa. Comme le montre la figure13.21, seul le système à roue dentée et à vis sans fin n’est pas réversible.

LES SYSTÈMES À ROUES

DENTÉES

SENS DE ROTATION DES ORGANES

Alterne d’une roue à l’autre

POSSIBILITÉ DE RÉVERSIBILITÉ

Oui

LES SYSTÈMES À CHAÎNE

ET À ROUES DENTÉES


Selon la configuration; identiqueseulement pour les roues quitouchent le même côté de la chaîne


Oui

LES SYSTÈMES À ROUE DENTÉE

ET À VIS SANS FIN


Variable selon l’orientation des filetsde la vis


Non

LES SYSTÈMES À ROUES

DE FRICTION


Alterne d’une roue à l’autre


Oui

Les particularités du mouvementdans les principaux systèmes de transmission du mouvement.

13.21

LES SYSTÈMES À COURROIE

ET À POULIES


Selon la configuration; identiqueseulement pour les poulies quitouchent le même côté de la courroie


Oui

Les pédales

à pousser

Saviez-vous que l’ancêtre de

la bicyclette, la draisienne,

n’avait pas de pédale ? La

production du mouvement

se faisait par les pieds, di -

rectement au sol. En 1839, la

première bicyclette à pédales

fut inventée, mais là encore,

ce n’était pas un mouvement

rotatif, mais bien un mouve-

ment de va-et-vient des

jambes sur les pédales qui

actionnait des tiges fixées sur

la roue arrière... Plusieurs sys-

tèmes mécaniques ont été

essayés avant d’arriver, vers

1880, au système de trans-

mission à chaîne et à roues

dentées que l’on connaît

aujourd’hui.


438 C H A P I T R E 1 3

Pour construire les systèmes de transmission du mouvement, les ingénieursdoivent tenir compte de divers éléments, selon le système qu’ils doiventmettre au point. Voyons, pour les systèmes de transmission du mouvementles plus utilisés, les principaux éléments dont les ingénieurs doivent tenircompte lors de leur conception.

4.2 LA CONSTRUCTION DES SYSTÈMES DE TRANSMISSION DU MOUVEMENT

STSTEATS

Les systèmes à roues dentées

Les systèmes à roues dentées sont composés d’au moins deux roues dentéesqui se croisent les unes avec les autres : on dit qu’elles s’engrènent. De telssystèmes sont généralement utilisés lorsqu’on désire transmettre un mouve-ment de rotation entre deux ou plusieurs pièces rapprochées. Puisqu’un sys-tème à roues dentées est uni que ment composé de roues dentées, ce systèmeest aussi souvent appelé «sys tème à roues d’engrenage».

Lors de la construction d’un système à roues dentées, il faut porter uneattention particulière à plusieurs éléments. Les principaux sont présentésdans le tableau 13.22.

STSTEATS

Élément Description

La denture des roues Les dents sur les différentes roues utilisées dans le système doivent être identiques, c’est-à-dire qu’elles doivent toutes avoir la même forme, la même distance entre elles et la même orientation. La figure 13.23 présente les deux principaux types de dentures (droite et hélicoïdale) que peuvent avoir les roues dans ces systèmes.

Le type de roue Dans un système à roues dentées, on peut placer l’axe de rotation des roues de diverses façons. Comme le montre la figure 13.24, lorsque les axes de rotation sont parallèles, on utilise généralement des roues droites tandis que lorsque les axes de rotation sont perpendiculaires, on utilise généralement des roues coniques.

La taille des roues Plus une roue a un nombre de dents élevé, moins grande sera sa vitesse de rotation. Donc, puisque les dents sont toutes identiques dans un système à roues dentées, plus le diamètre d’une roue est grand, moins elle tourne vite.

Les Éléments dont il faut tenir compte lors de la construction d’un système à roues dentées13.22

Les deux principaux types de dentures dans les systèmes à roues dentées. Dans une denture droite, le sillon des dents est parallèle à l’axe de rotation de la roue dentée. Dans une denture hélicoïdale, le sillon des dents n’est pasparallèle à l’axe de rotation de la roue. Les dentures droites sont plus bruyantes que les dentures hélicoïdales, mais plus performantes.

13.23

Denture droite

Denturehélicoïdale


Les systèmes à chaîne et à roues dentées

Tout comme les systèmes à roues dentées, les systèmes à chaîne età roues dentées sont aussi composés d’au moins deux roues den-tées. Par contre, elles ne se croisent pas. Elles sont plutôt reliées parune chaîne. C’est pourquoi les systèmes à chaîne et à roues den-tées sont généralement utilisés pour transmettre le mouvemententre deux ou plusieurs pièces éloignées les unes des autres. Lesprincipaux éléments dont il faut tenir compte lors de la construc-tion d’un système à chaîne et à roues dentées sont présentés dansla figure 13.25.

STSTEATS


–287–212

Archimède

Ce savant de la Grèceantique est considérépar plusieurs comme le père de la mécanique.Il utilisa notamment des roues dentées pour fabriquer desengrenages dans desmachines permettant ladéfense de sa patrie. Onlui attribue égalementl’invention de la vis etde l’écrou. De plus, sescontributions aux autresbranches de la sciencesont nombreuses.

Dans le système à roues dentées d’une montre, les axes de rotation des roues sont parallèles. Des roues droites sont donc généralementutilisées. Dans une chignole, un outil servant à percer des trous, les axesde rotation des roues sont perpendiculaires. Des roues coniques sont donc généralement utilisées.

13.24

Rouesdroites

Rouesconiques

Les dents sur les différentes roues du système doivent être identiques.

Les maillons de la chaîne doiventpouvoir s’engre ner facilement sur les dents des roues.

Il faut souvent lubrifier ce système,pour éviter que les dents et la chaînene s’usent trop rapidement.

Plus une roue est petite, plus elletourne rapidement.

A

B

C

D

Les principaux éléments dont il fauttenir compte lors de la constructiond’un système à chaîne et à rouesdentées.

13.25

Roue

Chaîne


440 C H A P I T R E 1 3

Les systèmes à roue dentée et à vis sans fin

Les systèmes à roue dentée et à vis sans fin sont composés d’une seule vissans fin dont le mouvement de rotation est transmis à une ou à plusieursroues dentées. On dit que la vis est sans fin par qu’elle peut entraînerindéfiniment la roue dentée. Il faut tenir compte de certains éléments lorsde la construction d’un tel système. Les principaux sont présentés à la fi-gure 13.26.

STSTEATS

Les principaux élémentsdont il faut tenircompte lors de laconstruction d’unsystème à roue dentéeet à vis sans fin.

13.26

Le sillon de la vis doitpermettre aux dents dela roue de s’y engrener.

L’organe moteur (celuisur lequel la force estappliquée) doit être la vissans fin.

A

B

Les systèmes à roues de friction

Les systèmes à roues de friction se comparent au système à roues dentées,sauf que les roues n’ont pas de dent. En effet, le mouvement est plutôt trans-mis par frottement entre les roues. Tout comme les systèmes à roues den-tées, les systèmes à roues de friction sont généralement employés lorsqu’ondésire transmettre un mouvement de rotation entre deux ou plusieurs piècesrapprochées.

Puisqu’il n’y a pas de dents à construire sur les roues de friction, ces systèmessont généralement moins coûteux et moins complexes à produire que lessystèmes à roues dentées. Par contre, les systèmes à roues de friction sontmoins performants que les systèmes à roues dentées, car il y a possibilité deglissement entre les roues. Le tableau 13.28 présente les principaux élémentsdont il faut tenir compte lors de la construction d’un système à roues defriction.

STSTEATS

Les différentes formes de roues. En rouge, ce sont des roues droites, en bleu, des roues coniques, et la roue en vert est une roue sphérique.

13.27

Vis sans fin

Roue dentée



Élément Description

La forme des roues Comme le montre la figure 13.27, il existe trois principales formes de roues de friction: les roues droites, les roues coniques et les roues sphériques. Ces trois formes de roues permettent d’avoir des axes de rotation parallèles, perpendiculaires ou autre.

La taille des roues Dans un système à roues de friction, plus le diamètre d’une roue est élevé, moins grande est sa vitesse de rotation.

Adhérence des matériaux Pour qu’un système à roues de friction soit efficace, il faut que le frottement entre les roues soit élevé. C’est pourquoi il faut choisir des matériaux qui ont une adhérence élevée entre eux sur le rebord des roues.

Les éléments dont il faut tenir compte lors de la construction

d’un système à roues de friction

13.28

Les systèmes à courroie et à poulies

Les systèmes à courroie et à poulies se comparent aux systèmes à chaîne età roues dentées. Cependant, les roues qui prennent le nom de poulie n’ontpas de dents et sont reliées par une courroie plutôt que par une chaîne. Deplus, les systèmes à courroie et à poulies sont généralement utilisés lorsqu’ondésire transmettre un mouvement de rotation entre deux ou plusieurs pièceséloignées, tout comme les systèmes à chaîne et à roues dentées. Les princi-paux éléments dont il faut tenir compte lors de la construction d’un systèmeà courroie et à poulies sont présentés dans la figure 13.29.

STSTEATS

Les poulies doiventprésenter une partiecreuse permettant à lacourroie de s’y insérer. La partie creuse doit être lisse pour ne pasendommager la courroie.

La courroie doit adhéreraux poulies, pour éviterau maximum leglissement.

Plus une poulie estpetite, plus elle tournerapidement.

A

B

C

Les principaux élémentsdont il faut tenir comptelors de la constructiond’un système à courroieet à poulies.

13.29

Poulie

Courroie


442 C H A P I T R E 1 3

Les systèmes que nous venons d’étudier permettent de communiquer unmouvement d’un organe moteur vers un ou plusieurs organes menés sansen changer la nature. Par contre, il est possible dans ces systèmes de fairevarier la vitesse du mouvement lors de sa transmission, comme le montre lafigure 13.30.

Il y a CHANGEMENT DE VITESSE dans un système de transmis-sion du mouvement lorsque l’organe moteur ne tourne pas à lamême vitesse que le ou les organes menés.

Voyons, pour les principaux systèmes de transmission du mouvement, com-ment arriver à produire un changement de vitesse.

4.3 LES CHANGEMENTS DE VITESSE DANS LES SYSTÈMES DE TRANSMISSION DU MOUVEMENT

STSTEATS

CONCEPT DÉJÀ VU

Changement de vitesse(ATS)

Les changements de vitesse dans le système

à roue dentée et à vis sans fin

Le système à roue dentée et à vis sans fin est surtout utilisé dans lescas où l’on cherche une très grande diminution de la vitesse dumouvement de rotation lors de sa transmission. En effet, comme lemontre la figure 13.30, pour chaque tour complet de la vis sans fin,la roue dentée ne se déplace que d’une distance équivalente à lalargeur d’une dent. Ainsi, plus le nombre de dents est grand sur laroue dentée, plus la diminution de la vitesse est importante.

STSTEATS

Au départAprès un tour complet

de la vis sans fin

Les changements de vitesse dans les autres systèmes

de transmission du mouvement

Dans les autres systèmes de transmission du mouvement que nous avonsétudiés, il y a changement de vitesse lorsque le diamètre des roues n’est pasle même. Puisque les dents des roues doivent toutes être identiques, dans le

STSTEATS

Changement de roue

Entre l’invention de la pre-

mière bicyclette et la com-

mercialisation du premier

dérailleur, plusieurs décennies

ont passé. Dans les années

1890, les coureurs cyclistes

devaient retourner leur roue

arrière pour changer de

vitesse. Puis, au début du siè-

cle dernier, le dérailleur, tel

qu’on le connaît aujourd’hui,

était commercialisé. Il s’agis-

sait, et il s’agit toujours, d’un

mécanisme qui permet de

changer de vitesse sur un

vélo, en faisant passer la

chaîne d'une roue dentée à

une autre. 18

Le changement de vitesse dans unsystème à roue et vis sans fin.

13.30



système à roues dentées et dans le système à chaîne et à roues dentées, lediamètre des roues dentées varie donc aussi en fonction du nombre dedents. C’est pourquoi, dans ces deux systèmes, les changements de vitessedépendent du nombre de dents sur les roues dentées. Le tableau 13.31explique comment changer la vitesse de rotation dans ces deux systèmesainsi que dans le système à roues de friction et le système à courroie et àpoulies.

Changement Système à roues de friction Système à roues dentéesde vitesse Système à courroie et poulies Système à chaîne et à roues dentées

Augmentation Lorsque le mouvement est transmis d’une roue Lorsque le mouvement est transmis d’une roue ou d’une poulie d’un diamètre plus grand vers dentée ayant plus de dents vers une roue dentée une roue ou une poulie d’un diamètre plus petit. ayant moins de dents.

Diminution Lorsque le mouvement est transmis d’une roue Lorsque le mouvement est transmis d’une roue ou d’une poulie d’un diamètre plus petit vers dentée ayant moins de dents vers une roue dentée une roue ou une poulie d’un diamètre plus grand. ayant plus de dents.

Aucun Lorsque le mouvement est transmis entre deux Lorsque le mouvement est transmis entre deux changement roues ou deux poulies de même diamètre. roues ayant le même nombre de dents.

Les changements de vitesse dans les systèmes de transmission du mouvement à plusieurs roues13.31

Souvent, il est utile de connaître dans quel rapport la vitesse est augmentéeou diminuée dans un système de transmission du mouvement. Pour y arriver,il s’agit de calculer le rapport entre le diamètre des roues ou leur nombre dedents.

Roue motrice

Roue menée

20 dents

10 dents

Dans ce système à roues dentées, la vitesse de rotation de la roue menée estdeux fois plus élevéeque celle de la rouemotrice.

13.32

Dans ce système à courroie et à poulies,la vitesse de rotation de la poulie B est troisfois moins élevée quecelle de la poulie A.

13.33

Rapport de vitesse: = 220 dents10 dents

Rapport de vitesse: = 13

5 cm15 cm


444 C H A P I T R E 1 3

Des changements de vitesse dans les éoliennesAu Québec, l’utilisation des éoliennes pour pro-duire de l’énergie électrique s’avère de plus enplus populaire. C’est l’énergie du vent qui permetde faire tourner les pales des éoliennes. Le mouve-ment de rotation des pales est transmis à l’alterna-teur qui transforme l’énergie du vent en énergieélectrique. Le système permettant cette transmis-sion du mouvement est schématisé ci-contre.

Au Québec, sous des vents d’environ 50-60 km/h,la vitesse de rotation des pales des éoliennesbranchées au réseau d’Hydro-Québec est d’envi-ron 20 à 30 tours par minute. Or, pour produire uncourant électrique ayant les mêmes caractéris-tiques que celui du réseau d’Hydro-Québec, il fautatteindre un mouvement de rotation d’environ1800 tours par minute. C’est grâce à un système àroues dentées, compris entre les pales et l’alterna-teur, qu’il est possible d’augmenter cette vitessede rotation.

+ENVIRONNEMENT+

Une éolienne est principalement composée de ces éléments.

A. PalesB. Arbre lentC. Système de

multiplication de lavitesse (ou multipli -cateur de vitesse)

D. Arbre rapide

E. AlternateurF. Système d’orientationG. Système de contrôle

électriqueH. GirouetteI. AnémomètreJ. Tour

Comme le montre la figure 13.34, pour produire un mouvement de rotationautour d’un axe, deux forces de même intensité et aux directions oppo séessont nécessaires. Pour désigner ces deux forces, on utilise le terme «couple».

4.4 LES COUPLES DANS LES SYSTÈMESATS

Le couple qui est appliqué sur la roue de gauche entraîne un mouvement de rotationdans le sens horaire, tandis que sur la roue de droite, c’est un mouvement derotation dans le sens anti-horaire qui est provoqué par le couple.

13.34

F2F1

F2 F1

Axe derotation

!Chapitre 13 (c) (6e épreuve):Layout 1 10-01-06 10:26 Page444


Un COUPLE est une paire de forces de même inten-sité, mais de directions opposées, permettant,notamment, de donner à un organe un mou vementde rotation autour d’un axe.

Dans les systèmes de transmission du mouvement, lorsqu’uncouple a pour effet d’augmenter la vitesse de rotation des organes,on dit alors qu’il s’agit d’un couple moteur. Par contre, lors -qu’un couple a pour effet de ralentir ou d’arrêter le mouvementde rotation des organes, on dit alors qu’il s’agit d’un couplerésistant.

Un COUPLE MOTEUR a pour effet d’augmenter lavitesse de rota tion des organes d’un systèmemécanique.

Un COUPLE RÉSISTANT a pour effet de freiner la vi-tesse de rotation des organes d’un systèmemécanique.

Pour actionner un système de transmission du mouvement oupour augmenter la vitesse de rotation de ses organes, il faut doncque le couple moteur soit plus grand que le couple résistant. Parexemple, lorsqu’on monte une côte à bicyclette, il faut que lecouple moteur déployé par la force des jambes soit supérieur àtoutes les forces responsables du couple résistant, dont les forcesde frottement avec le sol, l’air ainsi que la force gravitationnelle.

Comparaison de l’intensité des couples Effet sur la vitesse des organes

Couple moteur = couple résistant Aucun changement de vitesse

Couple moteur > couple résistant Augmentation de la vitesse

Couple moteur < couple résistant Diminution de la vitesse

Les Changements de vitesse de rotation occasionnés par la différence

d’intensité des couples moteurs et des couples résistants

13.36

Jusqu’ici, les systèmes que nous avons examinés sont ceux qui transfèrent lemouvement sans en modifier la nature. Néanmoins, dans plusieurs objetstech niques, il est souvent utile de transférer un mouvement tout en modifiantsa nature. Alors, des systèmes de transformation du mouvement sont utilisés.

La TRANSFORMATION DU MOUVEMENT est une fonction méca -nique qui consiste à communiquer un mouvement d’une pièceà une autre tout en modifiant sa nature.

5 Les systèmes de transformation du mouvement

STSTEATS

CONCEPT DÉJÀ VU

Fonction, composantes et utilisation des systèmesde transformation dumouvement (vis et écrou,cames, bielles, manivelles,coulisses et systèmes bielleet manivelle, pignon et crémaillère)

No 12

Dans ce fardier, le moteur génère les forces responsables du couplemoteur qui permet au véhiculed’accélérer. Le poids des billots de bois contribue au couplerésistant.

13.35


446 C H A P I T R E 1 3

LES SYSTÈMES À PIGNON ET CRÉMAILLÈRE

TRANSFORMATIONS POSSIBLES

Rotation ➝ TranslationOu Translation ➝ Rotation


Oui

LES SYSTÈMES À VIS ET À ÉCROU TYPE I

TRANSFORMATION POSSIBLE

Rotation ➝ Translation


Non

LES SYSTÈMES À VIS ET À ÉCROU TYPE II




Non

LES SYSTÈMES À CAME ET À TIGE-POUSSOIR




Non

Les particularités du mouvement dans les principaux systèmesde transformation du mouvement.

13.37

LES SYSTÈMES À BIELLE ET À MANIVELLE

TRANSFORMATIONS POSSIBLES

Rotation ➝ TranslationOu Translation ➝ Rotation


Oui

Les principaux systèmes de transformation du mouvement que l’on trouvedans les objets techniques sont présentés ci-dessous.

5.1 LES PARTICULARITÉS DU MOUVEMENT DANS LES SYSTÈMES DE TRANSFORMATION

STSTEATS


Les dents du pignon etde la crémaillère doiventêtre identiques.

Il faut souvent lubrifier ce système pour éviterqu’il ne s’use.

Plus un pignon a unnombre de dents élevé,moins grande sera sa vitesse de rotation.


La figure 13.37 indique, pour chacun de ces systèmes, les mouve-ments des pièces qui les composent et précise les transformationsde mouvement qu’ils peuvent exécuter. Lorsqu’un système de trans-formation du mouvement peut être utilisé autant pour transformerun mouvement de rotation en mou vement de translation que l’in-verse, il est alors réversible.

Pour construire les systèmes de transformation du mouvement, lesingé nieurs doivent tenir compte de divers facteurs, selon le sys-tème qu’il leur faut concevoir. Voyons, pour les systèmes de trans-formation du mouvement les plus utilisés, les principaux élémentsqu’il faut prendre en considération lors de leur conception.

5.2 LA CONSTRUCTION DES SYSTÈMES DE TRANSFORMATION DU MOUVEMENT

STSTEATS

Les systèmes à pignon

et à crémaillère

Les systèmes à pignon et à crémaillère comportent au moins une roue den-tée appelée «pignon» et une tige dentée qu’on appelle «crémaillère».

STSTEATS

Les principaux éléments dont il faut tenir compte lors de la construction d’un systèmeà pignon et à crémaillère.

13.39

A

B

C

Crémaillère

Pignon

Le moulin à vent, ancêtre del’éolienne, est parfois doté d’un système de transformation du mouvement.

13.38


448 C H A P I T R E 1 3

Les principaux éléments dont il faut tenir compte lors de la construction des systèmesà vis et à écrou.

13.40

A

B

C

Dans le premier type,l’écrou doit être lié à la vis de façon à ce qu’ilne puisse pas y avoir demouvement de rotationpossible.

Dans les deux types, lesfilets de la vis et de l’écroudoivent être semblables.

Dans le second type, l’écroudoit être fixé de façon à ceque son seul mouvementpossible soit la rotation.

Les systèmes à came et à tige-poussoir,

et les excentriques

Les systèmes à came et à tige-poussoir servent à transformer le mouvementde rotation d’une came en un mouvement de translation alternatif d’unetige, c’est-à-dire un mouvement de va-et-vient, comme celui des machinesà coudre. La figure 13.41 montre les principaux éléments dont il faut tenircompte lors de la construction d’un tel système.

STSTEATS

A

B

C

La tige doit être guidéeen translation.

C’est la forme de la camequi détermine la façondont se déplace la tige.

Il faut généralement undispositif, tel un ressortde rappel, pour permettreà la tige de s’appuyercontinuellement sur lacame.

Les principaux élémentsdont il faut tenircompte lors de laconstruction dessystèmes à came et à tige-poussoir.

13.41

Les systèmes à vis et à écrou

Il existe deux types de systèmes à vis et à écrou qui permettent de trans-former un mouvement. Dans le premier type, c’est la vis qui est l’organemoteur et son mouvement de rotation est transformé en mouvement detranslation de l’écrou. Par exemple, ce type de système à vis et à écrou entredans la conception des crics servant, entre autres, à soulever des voitures.

Dans le deuxième type, c’est plutôt un écrou qui est l’organe moteur, et sonmouvement de rotation est transformé en mouvement de translation de lavis. Ce type de système à vis et à écrou est utilisé, notamment, dans des clefsà tuyau. La figure 13.40 montre les éléments dont il faut tenir compte lors dela cons truction de tels systèmes.

STSTEATS

Tige

Came

Axe de rotation

ÉcrouVis

ÉcrouVis

Type 1 Type 2

Ressort de rappel



Dans ces systèmes, on emploie parfois des camesparticulières qu’on appelle des « excentriques ».Comme le montre la figure 13.42, l’axe de rota-tion des cames est placé en son centre, tandisque celui des excentriques n’est pas placé en son centre.

«Excentrique» provient dulatin excentricus, qui signifie«qui est hors du centre».

Quelques profils de cames etd’excentriques.

13.42

Cames Excentriques

Les systèmes à bielle et à manivelle

Les systèmes à bielle et à manivelle sont, entre autres, utilisés dansles moteurs à combustion interne pour transformer le mouvementde translation du piston en un mouvement de rotation du vilebre-quin, entraînant la rotation des roues. La figure 13.43 illustre lesprincipaux éléments à prendre en compte lors de la constructiond’un tel système.

STSTEATS

18581913

RudolphDiesel

Parmi les objetstechniques comportantun système à bielle et à manivelle figurent lesmoteurs de type Diesel.Ils sont ainsi nommés enl’honneur de RudolphDiesel, un ingénieurallemand, qui conçut le premier un moteur de ce type, dont lacombustion se fait sansbougie d’allumage, mais plutôt grâce à lacompression d’unmélange d’air et d’huilevaporisée.

Les principaux éléments dont il faut tenir compte lors de la constructiond’un système à bielle et à manivelle.

13.43

A

B

C

La bielle comporte deux bagues pour se lier à la manivelle et au piston.

La pièce qui a un mouvement de translation doit être guidée par lecylindre.

Il faut généralement bien lubrifier ce système.

Piston

Bielle

Manivelle

: axe de rotation

Cylindre

Baguesde labielle


L’ · L’ être humain a toujours cherché à créer des objets pour améliorer sa condition. Il...

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