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CONSTRUCTION MECANIQUE 1 Polycopié Dr. MOHAND AKLI SAHALI Mohandakli.sahali@uni

CONSTRUCTION MECANIQUE 1 Polycopié Dr. MOHAND AKLI SAHALI Mohandakli.sahali@univ-bejaia.dz Ce polycopié est destiné aux étudiants du 5e semestre Licence LMD − spécialité Constructions Mécaniques − Filière Génie Mécanique. 2020-2021 UNIVERSITE ABDERRAHMANE MIRA– BEJAIA FACULTE DE TECHNOLOGIE DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE i Préface Conçu pour répondre aux exigences du canevas de formation de la construction mécanique, ce polycopié de cours et d’exercices de Construction Mécanique 1 s’adresse aux étudiants du 5e semestre Licence LMD. Son objectif est de fournir aux étudiants un savoir scientifique et technologique dans le domaine de la conception des assemblages mécaniques. Ce document résume aussi bien les connaissances que les supports méthodologiques nécessaires à la maitrise de cette matière. Naturellement, des exemples de cas pratiques et d’applications numériques sont présentés à la fin de chaque chapitre. Le premier chapitre traite des définitions de la construction mécanique et de l’étude de la conception ainsi que des rappels en relation avec la résistance des matériaux, l’économie et la fiabilité des systèmes mécaniques. Le deuxième chapitre aborde dans le détail les assemblages non démontables à savoir ; le calcul de dimensionnement des rivets et des rivures, le calcul de résistance des différents types de soudures. Le chapitre trois est dédié à l’étude des assemblages filetés à travers le calcul de résistance au cisaillement, au matage, à la flexion et le choix approprié de moyens de serrage et techniques de serrage des systèmes hyperstatiques. Le chapitre quatre est porté sur l’étude des assemblages par montage à force en mettant en exergue ses avantages et inconvénients et en abordant le calcul de résistance (charge axiale, moment de torsion), le montage par échauffement du moyeu, le montage par refroidissement de l’arbre et le calcul d’ajustement. Enfin le dernier chapitre est consacré à l’étude des éléments d’obstacles, en se focalisant sur le calcul de dimensionnement et de résistance des éléments tels que les clavettes, les cannelures et les ressorts. Table des matières ii Préface…... .................................................................................................................................. i Chapitre 1 : Généralités et fondements ...................................................................................... 1 La construction mécanique .............................................................................................. 1 Etude de la conception .................................................................................................... 2 3.1. Hypothèses fondamentales ....................................................................................... 2 3.2. Démarche générale de dimensionnement ................................................................ 3 3.3. Coefficient de sécurité ............................................................................................. 9 Fiabilité de la construction .............................................................................................. 9 4.1. Définition ............................................................................................................... 10 4.2. Cas d’une charge aléatoire : ................................................................................... 10 4.3. Cas de charge et résistance aléatoires .................................................................... 11 Normalisation en construction mécanique .................................................................... 13 5.1. Définition de la norme (technique) ........................................................................ 13 5.2. Usage des normes techniques ................................................................................ 14 5.3. Classification .......................................................................................................... 15 Exemples ....................................................................................................................... 16 Chapitre 2 : Les assemblages permanents ................................................................................ 18 Introduction ................................................................................................................... 18 Le rivetage ..................................................................................................................... 18 Calcul de dimensionnement .......................................................................................... 20 4.1. Rivure soumise à un effort symétrique .................................................................. 20 4.2. Rivures soumise à un effort excentré ..................................................................... 22 Les assemblages soudés ................................................................................................ 25 Procédés de soudage à l’arc électrique .......................................................................... 25 Différents types de joint de soudures ............................................................................ 26 Calcul des soudures sur acier soumises aux charges statiques ...................................... 26 7.1. Calcul analytique ................................................................................................... 26 7.1.1. Soudure en bout ............................................................................................ 27 7.1.1. Soudures d’angle .......................................................................................... 27 7.2. Calcul selon l’EUROCODE................................................................................... 32 Calcul des soudures soumises aux charges dynamiques ............................................... 33 Exemples ........................................................................................................................ 37 Chapitre 3 : Les assemblages filetés ........................................................................................ 41 Introduction ................................................................................................................... 41 Les types d’assemblages filetés ..................................................................................... 41 2.1. Assemblage boulonné ........................................................................................... 41 2.1. Assemblage vissé ................................................................................................... 42 2.2. Assemblage goujonné ............................................................................................ 42 Règles de montage ........................................................................................................ 43 3.1. Longueur minimale d’implantation ....................................................................... 43 3.2. La réserve de filetage ............................................................................................. 43 3.3. Le diamètre du trou de passage .............................................................................. 43 Caractéristiques techniques des vis ............................................................................... 44 4.1. Désignation d’une vis ............................................................................................ 44 4.2. La classe de qualité ................................................................................................ 45 Dimensionnement et calcul de résistance ...................................................................... 46 Table des matières iii 5.1. Assemblages boulonnés non précontraints ............................................................ 46 5.1.1. Cas d’une charge symétrique ........................................................................ 46 5.1.2. Cas d’une charge excentrée .......................................................................... 50 5.2. Assemblages précontraints ..................................................................................... 52 5.2.1. Couple de serrage sur clef ............................................................................ 52 5.2.2. Incertitude sur la tension initiale .................................................................. 54 5.2.3. Calcul de permanence ................................................................................... 57 5.2.4. Résistance au matage .................................................................................... 62 5.2.5. Résistance des vis au serrage ........................................................................ 62 Exemples ....................................................................................................................... 64 Chapitre 4 : Assemblage forcés ................................................................................................ 66 Introduction ................................................................................................................... 66 Intérêt ............................................................................................................................ 66 Calcul du serrage minimal (permanence) ...................................................................... 66 3.1. Charge axiale ......................................................................................................... 68 3.2. Moment de torsion ................................................................................................. 68 3.3. Charge axiale et moment de torsion ....................................................................... 68 Calcul de résistance mécanique ..................................................................................... 69 Montage par échauffement du moyeu ou par refroidissement de l’arbre ..................... 70 Calcul de l’ajustement. .................................................................................................. 71 Exemple ......................................................................................................................... 72 Chapitre 5 : Eléments d’obstacle .............................................................................................. 75 Introduction ................................................................................................................... 75 Calcul de dimensionnement et de résistance ................................................................. 75 2.1. Clavettes longitudinales ......................................................................................... 75 2.2. Cannelures .............................................................................................................. 79 Les goupilles .......................................................................................................... 81 Exemple ......................................................................................................................... 82 Bibliographie ............................................................................................................................ 83 Annexe 1 : Dimension des rivets à têtes ronde et plate ............................................................ 86 Annexe 2 : Propriétés en torsion des soudures d’angle ............................................................ 86 Annexe 3 : Propriétés en flexion des soudures d’angle ........................................................... 87 1 Chapitre 1 : Généralités et fondements 1. La construction mécanique Afin de réaliser des liaisons complètes ou partielles entre pièces, la construction mécanique utilise deux méthodes d’assemblage principales. La première est celle utilisant des éléments d’obstacle (rivets, boulons, goupilles, clavettes, cannelures ou même des cordons de soudure). Ce type d’assemblage est démontable la plupart du temps, à l’exception des soudures et des rivures qui sont difficilement démontables. La deuxième est celle obtenue par adhérence des pièces grâce aux efforts de frottements statiques. On peut citer dans ce cas, les assemblages forcés (frettés) généralement entre arbre et moyeu et les assemblages vissés précontraints (montés avec jeu). Ces joints sont normalement démontables en annulant l’effort de serrage. Le but principal est alors de transmettre des efforts statiques souvent importants, et parfois dynamiques (chocs, vibrations, etc.). Dès lors, l’endommagement du mécanisme sera probablement dû à : - L’augmentation des efforts maximaux à transmettre (effets dynamiques) ; - La fatigue du matériau, combinant les valeurs maximales des efforts et le nombre de cycles des sollicitations alternées (changements du signe des efforts) ou simplement modulées (variations alternatives d’efforts restant de même signe). Ces phénomènes sont d’autant plus dangereux quand le matériau comporte des défauts, causés lors de son élaboration ou lors de son assemblage (écrouissage, soudures, etc.), qui le rend trop sensible à la rupture fragile. En effet, les formes irrégulières des pièces et la présence de trous ou encore de fissures dues aux procédés de fabrication (soudage, usinage, poinçonnage etc.), sont à l’origine de la concentration de contraintes dont les valeurs piques (extrémales) favorisent la rupture brusque de l’ouvrage si elles ne sont pas prises en considération dans les calculs de résistance. Le constructeur doit alors se rapprocher le plus possible de la réalité en prenant en compte toutes les sources d’erreurs, que ce soient liées à la modélisation, aux qualités du matériau (composition chimique, traitements thermiques, contraintes résiduelles dues à l’usinage etc.), aux mode d’assemblage (rivetage, boulonnage, soudage etc.), à l’environnement de service du mécanisme (effets de vieillissement par exemple). Chapitre 1 : Généralités et fondements 2 Etude de la conception La conception est la démarche qui donne une cohérence et une efficacité optimale au projet. Par ailleurs, le dimensionnement des éléments de machines est le passage obligé dans l’art de construire. Il est donc primordial de rappeler ici les hypothèses fondamentales et la démarche générale de dimensionnement des composants mécaniques. 3.1. Hypothèses fondamentales On suppose par la suite que :  Les matériaux sont homogènes1 et isotropes2.  Toutes les forces extérieures exercées sont contenues dans le plan de symétrie de la pièce.  Hypothèse de Navier-Bernoulli ; les sections droites, planes et perpendiculaires à la ligne moyenne (Lm), le seront même après déformation (Fig.1-1a).  On se place toujours dans le cas de petites déformations (Fig.1-1b). (a) (b) Figure 1-1 : Hypothèses de petites déformations (a) et grandes déformations (b) [4]. 1 Même structure et constituants dans tous les grains de matière. 2 Mêmes caractéristiques mécaniques dans toutes les directions et point de la structure (acier non allié, cuivre…). Chapitre 1 : Généralités et fondements 3 3.2. Démarche générale de dimensionnement Le dimensionnement des éléments de machine se fait en fonction de cahier des charges et du coefficient de sécurité. Cependant la démarche à suivre exige la connaissance plus ou moins précise des forces extérieures exercées sur l’élément, les réactions aux appuis (liaisons mécaniques), les efforts internes et enfin les contraintes et les déformations (Fig.1-2). Figure 1-2 : Démarche générale de dimensionnement. a) Composantes des forces internes : Les efforts internes ou de cohésion assurent l’équilibre et la cohésion de la structure sous l’action des forces extérieures. On peut toujours couper un solide virtuellement (de manière fictive) et regarder ce qui se passe à l’intérieur de la matière (Fig.1-3). Figure 1-3 : Les efforts de cohésion sur une poutre sollicitée de façon quelconque. ANALYSE DES FORCES EXTERIEURES ANALYSES DES REACTIONS AUX APPUIS CALCUL DES REACTIONS •Principe fondamental de la statique CALCUL DES FORCES INTERNES CALCUL DES CONTRAINTES ET DEFORMATIONS DIMENTIONNEMENT •Cahier des charges et coefficient de securité Chapitre 1 : Généralités et fondements 4 Le torseur de cohésion pour une section uploads/Industriel/ polycopie-construction-mecanique-1-new.pdf