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CONCEPTION DES MACHINES CONCEPTION DES MACHINES CONCEPTION DES MACHINES CONCEPT

CONCEPTION DES MACHINES CONCEPTION DES MACHINES CONCEPTION DES MACHINES CONCEPTION DES MACHINES PRINCIPES ET APPLICATIONS 1 Statique Statique Statique Statique GEORGES SPINNLER PRESSES POLYTECHNIQUES ET UNIVERSITAIRES ROMANDES Vous pouvez consulter notre catalogue général sur notre serveur Internet http://ppur.epfl.ch Volume 1 ISBN 2-88074-301-X © 1997, Presses polytechniques et universitaires romandes, CH – 1015 Lausanne Tous droits réservés. Reproduction, même partielle, sous quelque forme ou sur quelque support que ce soit, interdite sans l’accord écrit de l’éditeur. AVANT-PROPOS Jusqu’au début des années quatre-vingt, le dessin à la planche et le dimension- nement des organes de machines occupaient presque entièrement les ingénieurs cons- tructeurs. Aujourd’hui, cette activité a été profondément transformée par les moyens informatiques : des logiciels permettent le calcul rapide des organes et leur optimisa- tion; des simulations animées à l’écran visualisent les mouvements et les vibrations; les dessins d’étude et d’exécution se font à l’ordinateur avec les méthodes de l’ingé- nierie simultanée. En outre, le marché offre de plus en plus d’organes que l’utilisateur n’a plus besoin d’étudier en détail. Ces moyens modernes fascinent par leur facilité d’emploi et leur rapidité. Mais ils ne déchargent pas l’ingénieur de toute réﬂexion. Ils exigent au contraire des con- naissances encore plus étendues pour être utilisés intelligemment. Le concepteur ne peut pas modéliser ce qu’il ignore; il doit connaître les lois de comportement pour éla- borer les modèles; il doit être en mesure d’évaluer rapidement les grandeurs prin- cipales pour apprécier les résultats des calculs automatiques; il doit savoir sur quel paramètre agir pour améliorer une solution et il doit traduire dans le concret l’abs- traction des modèles. C’est là que réside encore tout l’art de l’ingénieur. On observe que les jeunes ingénieurs témoignent souvent une conﬁance presque aveugle aux ordinateurs. Ils croient sufﬁsant d’entrer quelques données pour obtenir la solution à tous les problèmes. Plus grave encore, ils estiment souvent que les aspects technologiques et pratiques sont indignes de leur intérêt, attitude que dénonce E. Fer- guson 1. Il est urgent de combler le fossé qui se creuse entre le monde de l’application industrielle et celui des spécialistes pointus. C’est ce qui m’a incité à rédiger le présent ouvrage, fruit d’une vaste expérience industrielle et de vingt ans d’enseignement de la conception des machines à l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne. Contraire- ment à la littérature qui décrit les éléments de machines, ce livre présente les phéno- mènes rencontrés dans leur fonctionnement. La matière est traitée à la manière anglo- saxonne; des développements mathématiques simples conduisent à des formules dont on déduit logiquement les principes et les règles de conception des machines. Chaque thème est illustré par des exemples pratiques. On y trouve aussi le principe de solu- tions électriques modernes. Cet ouvrage de synthèse s’applique donc à toutes les machines et s’adresse aux personnes actives dans la construction mécanique ainsi qu’aux étudiants des écoles d’ingénieurs. Quant au lecteur qui pourrait redouter l’ampleur de la matière, il 1 FERGUSON, E.S., Engineering and the Mind’s Eye. MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1992 VI CONCEPTION DES MACHINES découvrira dans chaque chapitre un sujet bien délimité et de nombreux renvois facili- tant la recherche dans d’autres parties de l’ouvrage. Remerciements Un ouvrage de cette envergure ne s’élabore pas sans la collaboration de nom- breuses personnes. Je me plais à remercier chaleureusement les étudiants attentifs dont les questions ont suscité beaucoup de réﬂexion; Alexandra Boussalem qui a saisi le texte; les ingénieurs diplômés Isabelle Beretta-Piccoli-Beckius et Alain Moreillon pour avoir relu plusieurs chapitres et fait de nombreuses suggestions d’amélioration, Olivier Blanc pour son contrôle soigneux des développements mathématiques et des calculs numériques, Daniela Iorgulescu-Dogariu pour le tracé à l’ordinateur des gra- phes; le graphiste Jean-François Casteu qui a exécuté les dessins. Cette publication n’aurait pas vu le jour sans le soutien de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne et sans l’apport dynamique de l’éditeur dont je remercie en par- ticulier le directeur, Olivier Babel, et ses collaborateurs Fabio Tonasso et Jean-Phi- lippe Galley. Last but not least, je remercie mon épouse pour sa patience, ses encouragements et sa collaboration. Georges SPINNLER Lausanne, février 1997 TABLE DES MATIÈRES Volume 1: STATIQUE AVANT-PROPOS .......................................................................... V CHAPITRE 1 INTRODUCTION......................................................................... 1 1.1 Objectifs de l’ouvrage ........................................................... 1 1.2 Evolution des méthodes de conception.................................. 1 1.3 Structure de l’ouvrage ........................................................... 2 1.4 Prérequis ................................................................................ 4 1.5 Structure générale des machines............................................ 5 1.6 Fonctions mécaniques............................................................ 6 1.7 Performances ......................................................................... 7 1.8 Conventions ........................................................................... 8 CHAPITRE 2 FROTTEMENT............................................................................. 11 2.1 Introduction ........................................................................... 11 2.2 Contact de surfaces................................................................ 12 2.3 Frottement sec........................................................................ 24 2.4 Lubriﬁcation .......................................................................... 34 2.5 Comportement du coefﬁcient de frottement.......................... 58 2.6 Maîtrise du frottement ........................................................... 63 2.7 Conclusions principales......................................................... 65 CHAPITRE 3 DÉTÉRIORATION DES SURFACES FONCTIONNELLES ......... 67 3.1 Introduction ........................................................................... 67 3.2 Usure...................................................................................... 68 3.3 Usure induite par petits débattements (fretting) .................... 75 3.4 Ecaillage ................................................................................ 81 3.5 Grippage ................................................................................ 85 3.6 Longévité des couples cinématiques ..................................... 86 3.7 Rodage................................................................................... 93 3.8 Applications........................................................................... 96 3.9 Conclusions principales......................................................... 98 CHAPITRE 4 DISSIPATION D’ÉNERGIE......................................................... 101 4.1 Introduction ........................................................................... 101 VIII CONCEPTION DES MACHINES 4.2 Dissipation externe ................................................................ 102 4.3 Dissipation interne................................................................. 113 4.4 Organes dissipateurs d’énergie.............................................. 122 4.5 Conclusions principales......................................................... 130 CHAPITRE 5 EFFORTS STATIQUES ................................................................ 131 5.1 Introduction ........................................................................... 131 5.2 Efforts .................................................................................... 132 5.3 Transmission d’efforts entre des solides................................ 135 5.4 Transmission d’efforts dans les solides ................................. 149 5.5 Roues ..................................................................................... 151 5.6 Liens souples ......................................................................... 160 5.7 Réseaux d’efforts statiques.................................................... 166 5.8 Etude des réseaux d’efforts.................................................... 171 5.9 Poids propre........................................................................... 176 5.10 Conception statique ............................................................... 179 5.11 Conclusions principales......................................................... 197 CHAPITRE 6 DÉFORMATIONS ET RIGIDITÉ................................................ 199 6.1 Introduction ........................................................................... 199 6.2 Déformation, rigidité ............................................................. 199 6.3 Combinaisons d’éléments déformables................................. 204 6.4 Rigidité d’éléments divers ..................................................... 208 6.5 Conception et rigidité ............................................................ 226 6.6 Structures à rigidité active ..................................................... 239 6.7 Conclusions principales......................................................... 239 CHAPITRE 7 PRÉCONTRAINTE ...................................................................... 241 7.1 Introduction ........................................................................... 241 7.2 Statique intérieure de systèmes fermés.................................. 241 7.3 Génération de la précontrainte............................................... 245 7.4 Perturbations de la précontrainte ........................................... 261 7.5 Système précontraint sous charge extérieure......................... 265 7.6 Exemples d’applications........................................................ 271 7.7 Assouplissement des systèmes précontraints ........................ 298 7.8 Conclusions principales......................................................... 302 CHAPITRE 8 DISTRIBUTION DES EFFORTS................................................. 303 8.1 Introduction ........................................................................... 303 8.2 Transmission d’efforts en parallèle........................................ 304 8.3 Distributeurs et transmetteurs rigides.................................... 308 8.4 Distributeurs rigides, transmetteurs souples.......................... 316 8.5 Distributeurs souples, transmetteurs rigides.......................... 337 8.6 Distributeurs et transmetteurs souples................................... 341 8.7 Pression apparente de contact................................................ 350 8.8 Conclusions principales......................................................... 376 TABLE DES MATIÈRES IX CHAPITRE 9 LIAISONS, MOBILITÉ................................................................ 379 9.1 Introduction ........................................................................... 379 9.2 Degrés de liberté d’un solide................................................. 380 9.3 Liaisons.................................................................................. 381 9.4 Liaisons réelles ...................................................................... 389 9.5 Chaînes cinématiques ............................................................ 400 9.6 Modélisation statique............................................................. 413 9.7 Maîtrise des efforts hyperstatiques ........................................ 423 9.8 Conclusions principales......................................................... 429 CHAPITRE 10 MÉCANISMES............................................................................. 431 10.1 Introduction ........................................................................... 431 10.2 Couples cinématiques............................................................ 433 10.3 Cinématique........................................................................... 440 10.4 Statique .................................................................................. 454 10.5 Energétique............................................................................ 459 10.6 Comportement cinétostatique................................................ 472 10.7 Blocage, autoblocage............................................................. 486 10.8 Chaînes cinématiques ............................................................ 504 10.9 Conclusions principales......................................................... 509 CHAPITRE 11 AMPLIFICATION ........................................................................ 513 11.1 Introduction ........................................................................... 513 11.2 Généralités............................................................................. 513 11.3 Ampliﬁcation passive de mouvement.................................... 515 11.4 Ampliﬁcation passive d’efforts.............................................. 522 11.5 Assistance .............................................................................. 531 11.6 Ampliﬁcation active............................................................... 538 11.7 Démultiplication de mouvement............................................ 539 11.8 Conclusions principales......................................................... 544 BIBLIOGRAPHIE ........................................................................ 545 INDEX........................................................................................... 551 REMERCIEMENTS AUX ÉDITEURS........................................ 558 LISTE DES SYMBOLES ............................................................. 559 X CONCEPTION DES MACHINES Volume 2: DYNAMIQUE CHAPITRE 12 ÉNERGIE CHAPITRE 13 MODÈLES DYNAMIQUES CHAPITRE 14 MOUVEMENT DES GROUPES CHAPITRE 15 PRÉCISION DES MOUVEMENTS CHAPITRE 16 EFFORTS D’INERTIE CHAPITRE 17 SOLLICITATION DES STRUCTURES CHAPITRE 18 VIBRATIONS Volume 3: DIMENSIONNEMENT CHAPITRE 19 ÉCHAUFFEMENT CHAPITRE 20 ENTRAÎNEMENT CHAPITRE 21 STABILITÉ CHAPITRE 22 ÉTANCHÉITÉ CHAPITRE 23 RÉSISTANCE ET CHOIX DES MATÉRIAUX CHAPITRE 24 DIMENSIONNEMENT ET SÉCURITÉ STRUCTURALE CHAPITRE 25 DIMENSIONNEMENT À LA VITESSE ET AUX DÉFORMATIONS CHAPITRE 26 ARCHITECTURE CHAPITRE 27 CONCLUSIONS GÉNÉRALES CHAPITRE 1 INTRODUCTION 1.1 OBJECTIFS DE L’OUVRAGE L’ouvrage s’adresse aux praticiens des bureaux d’étude et aux étudiants des éco- les d’ingénieurs. Il vise à: • présenter les principes physiques mis en œuvre dans le fonctionnement des machines; • préparer les ingénieurs à la conception de machines à hautes performances dynamiques; • préparer la modélisation; • contribuer à déﬁnir le cahier des charges pour choisir et dimensionner les organes de machines; • donner des règles de construction basées sur des analyses simples; • suggérer des solutions techniques; • rapprocher le monde de la recherche théorique et celui de la pratique. 1.2 ÉVOLUTION DES MÉTHODES DE CONCEPTION Le développement des sciences et des techniques reposait il y a peu de temps 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 per- mettait de «sentir» ce qui se passe dans les mécanismes. Faute de moyens sufﬁsants, les modèles de calcul étaient forcément très simples, voire simplistes. La mise en ser- vice 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 machines directement à l’ordinateur. Avec de bons modèles, on peut voir fonctionner un mécanisme uploads/Ingenierie_Lourd/ conception-des-machines-principes-et-application.pdf