Chapitre4 :
Conception Mécanique
4. Conception mécanique
Introduction
Dans ce chapitre, nous présenterons l’aspect mécanique du banc d’essai.il s’agit de choisir le type de transmission de puissance entre le moteur de traction et la génératrice principale, et une conception de toute la chaine de transmission.
4.1. Critères de choix d’une transmission mécanique
Le but est d’accoupler deux arbres en vue de transmettre une puissance mécanique, d’un moteur vers un récepteur. Pour cela, l’accouplement doit être capable d’amortir les chocs et les vibrations, et doit être homocinétique (vitesse d’entrée égale à la vitesse de sortie).Ainsi donc, les critères de choix d’une transmission sont :
Le type de motorisation (dans notre cas, le moteur de traction).
Le type de charge (à chaque instant donné, nous choisirons une charge constante).
Le couple à transmettre.
la vitesse atteinte (c’est la vitesse du moteur à l’essai de survitesse).
Les défauts prévisibles d’alignement des arbres.
Les mobilités nécessaires entre les arbres.
Des contraintes d’environnement.
Au vu de toutes ces contraintes, nous choisirons comme transmission un arbre rigide à joint de cardan, remplissant toutes les conditions souhaitées.
4.2. Généralités sur l’arbre à cardan [7]
4.2.1. Définition et propriétés mécaniques
Le cardan est un dispositif mécanique qui permet la transmission d’une rotation angulaire entre deux arbres dont les axes géométriques concourent en un même point. Le principe du cardan repose sur deux pivots croisés à 90°.
Figure 49 : Liaisons pivots croisés à 90°
Le cardan simple n’est homocinétique que si les arbres sont alignés (ce qui n’a pas un grand intérêt…). Plus l’angle de brisure entre les deux arbres est grand, plus la vitesse de sortie sera saccadée. Il n’est guère raisonnable d’aller au delà d’un angle de 45°.
Figure 50: l’arbre à cardan proprement dit
4.2.2. Schéma cinématique du joint
Figure 51: Schéma cinématique d’un joint de cardan
Les pièces repérées 1 et 2 sont les fourchettes. Les deux axes de rotation des deux fourchettes sont concourants en O.L’angle α entre l’arbre d’entrée 1 et l’arbre de sortie 2 est considéré comme constant, pour conserver l’homogénéité de la vitesse.
R0 (O,x→0,y→0,z→0) et R’0(O,x’→0,y’→0,z’→0) sont liés au bati0.
R1 (O,x→1,y→1,z→1) est lié à la fourchette 1 .
R2 (O,x→2,y→2,z→2) est lié à la fourchette 2 .
R3 (O,x→3,y→3,z→3) est lié au croisillon 3 tel.
Et donc, en pivotant la fourchette côté moteur d’une fraction de tour, la fourchette côté récepteur accomplira elle aussi une fraction de tour mais l’angle de rotation côté récepteur φ2 diffère de l’angle de rotation φ1 du demi-joint côté moteur suivant le rapport :.
La vitesse angulaire des deux demi-joints est directement influencée par le fait que le demi-joint récepteur pivote avec un certain temps d’avance dans le premier quart de tour et avec un certain temps de retard dans le second quart. En choisissant un angle d’inclinaison de 45 degrés opposé coté moteur et récepteur, nous arriverons à maintenir la vitesse d’entrée et celle de sortie constante, et donc quasi annuler la fluctuation de vitesse.
4.2.3. Composition et éléments de protection
Joints de cardans simples
Les joints de cardans, situés à chaque extrémité, permettent à l’ensemble machine-outil, de s’adapter au plus grand nombre de situations possibles. Ils sont composés chacun de deux mâchoires et d’un croisillon permettant d’effectuer des mouvements (les « degrés de liberté ») dans un plan horizontal comme dans un plan vertical. Un joint de cardan simple autorise un virage dans certaines limites angulaires. Dès qu’un cardan s’approche de l’angle maximal de transmission de puissance, il émet des claquements qui peuvent aboutir à son endommagement et se solder par son éclatement.
Figure 52: vue éclatée du joint simple
Les embouts femelles
Les embouts femelles assurent la jonction de l’arbre à cardans avec le moteur d’un côté et avec l’outil de l’autre côté. Ils sont équipés de pièces mécaniques (bouton-poussoir ou bague) qui commandent le verrouillage et qui doivent être manœuvrées manuellement pour l’emboîtement dans la partie mâle. Cette opération est souvent délicate et difficile du fait de l’exiguïté de l’espace arrière du moteur, du poids de l’arbre à cardan et de son encombrement, ainsi que de l’état des pièces (calamine, salissures, usure, grippage, déformations).
L’emboîtement se fait :
– côté moteur, sur la prise de force.
– côté charge, sur l’arbre récepteur.
L’emboîtement sur l’arbre récepteur peut être réalisé soit par les mêmes systèmes que ceux utilisés côté moteur, soit par un boulon si l’arbre est destiné à rester sur l’outil.
Les profils coulissants
Le profilé des profils coulissants est fonction du couple à transmettre, de leur longueur, et des constructeurs :
– profils de type carré et citron : couple limite de 1500 N.m;
– profils de type triangle : couple limite de 3000 N.m;
– profils de type étoile : couple limite de 6000 N.m.
Les dispositifs ou éléments de sécurité mécanique
La vitesse de rotation de l’arbre, donc la vitesse d’enroulement d’un vêtement, et les puissances, engagées sont telles qu’un individu quel qu’il soit ne peut ni résister, ni avoir des réflexes suffisants pour se soustraire au danger. Cette réalité technique explique la gravité des accidents du travail. En conséquence, il est impératif que les pièces tournantes soient rendues inaccessibles. Il importe donc d’envelopper totalement l’arbre à cardans afin qu’aucune partie tournante ne soit accessible.
L’enveloppe protectrice de l’arbre est constituée :
– de deux bols aux extrémités, recouvrant les joints de cardans ; ces bols sont également désignés sous le terme de « cônes ».
– de deux tubes coulissants, situés au-dessus de l’arbre de transmission. Un recouvrement suffisant des deux parties est nécessaire afin d’éviter le déboîtement lors des virages serrés.
– de bagues qui assurent la liaison entre l’enveloppe protectrice et l’arbre de transmission.
4.3. Conception mécanique de la transmission
Pour une vitesse maximale de 3500 tr/min, et un couple maximal de 800Nm, nous avons choisit l’arbre à cardan Norden AB, série 72 pour réaliser la transmission. Dans cette partie, nous présenterons la conception mécanique globale de tout l’accouplement, et du système de protection mis en place réalisé avec le logiciel de CAO solidworks.
L’arbre moteur et sa plaque d’équilibrage.
Figure 53 : reproduction de l’arbre moteur
Celui-ci, avec son diamètre intérieur de 180mm comporte trois trous taraudés pour vis M16, pour un accouplement direct. Mais vu que nous utiliserons le joint de cardan, qui lui comporte huit trous de diamètre M12, nous allons prévoir un perçage à la circonférence, qui correspondra aux trous présents sur la transmission.
En contrepartie, pour s’assurer d’un équilibre total lors de la rotation, nous fixerons entre le moteur et l’accouplement une plaque d’épaisseur 1.5mm, en acier, dont la force de freinage administrée par sa masse de 5kg n’importe pas sur le couple total de la transmission.
Figure 54 : plaque d’équilibrage de l’arbre MT
L’arbre récepteur (celle de la GP) et sa plaque d’équilibrage.
Figure 55 : arbre de la génératrice principale
Comme pour ce lui de l’arbre moteur, nous avons effectué un perçage à la circonférence pour permettre la fixation sur l’accouplement.
Pour l’équilibrage de la rotation de ce coté récepteur, nous avons aussi prévu une plaque d’équilibrage en acier de ce coté la, mais l’épaisseur est de 25mm, au lieu de 15, vu que l’inertie est plus importante du coté récepteur que du coté moteur.
Figure 56 : plaque d’équilibrage de la GP
Nous noterons ici que tous les trous sur la plaque sont des trous de passage, et donc leur diamètre est de 12.2mm, soit supérieur à 1mm du diamètre de la vis.
La vis de diamètre M12
Pour établir la liaison, nous avons choisit des vis M12 à tête hexagonale avec un pas de 1.5mm, certifié selon la norme ISO 4014. La longueur d’engagement (ou longueur de filetage en prise ou profondeur d’implantation) se calcule en tenant compte de la section de filetage soumise au cisaillement et de la section du noyau de la vis soumise à l’effort de traction. Celle ci est de 45mm, soit supérieure à (3*diamètre+pas).
Figure 57 : Vis M12 certifiée ISO
La forme et le type de la vis sont choisit de telle manière qu’elle puisse aisément supporter l’effort auquel elle est soumise lors de la rotation.
Le joint de cardan Norden.
Comme nous l’avons indiqué ci haut, l’accouplement Norden a été dimensionné de telle manière qu’il puisse supporter le couple de 800Nm, hors celui-ci peut supporter jusqu’à 1.5kNm, donc aucun soucis ne se pose. Les figures suivantes montrent le joint complet, et ses différentes parties.
Figure 58 : joint de cardan Norden
Sur la figure ci-dessus, nous retrouvons aisément de chaque coté, les deux liaisons pivot, à 90° l’une de l’autre, qui permettent le placement de +45° coté moteur, et -45° coté récepteur, pour garder la même vitesse au cours de la rotation.
Les figures suivantes présentent les différents éléments de l’arbre. Nous avons donc :
Le flasque qui permet de lier l’arbre à cardan sur l’arbre moteur ou récepteur
Figure 59 : flasque du joint cardan Norden
La croix qui permet de réaliser les deux liaisons pivots et relie le flasque à l’arbre
Figure 60 : croix de liaisons du cardan Norden
Le corps de l’arbre proprement dit
Figure 61 : corps extérieur de l’arbreFigure 62 : corps intérieur de l’arbre
C’est à travers le corps de l’arbre que la puissance maximale est transitée du moteur vers le récepteur.
L’accouplement total
Figure 63 : le montage total de l’accouplement
La masse totale de l’accouplement étant évaluée à 25Kg, celle-ci injectera un couple résistant additif de 12Nm, couple qui a été inclus dans les calculs antérieurs.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons abordé le choix de la transmission mécanique, et à l’aide du logiciel solidworks, nous avons conçu l’accouplement existant entre l’arbre moteur et celle de la génératrice principale qui lui sert de charge. A présent nous allons passer au dernier chapitre, qui consistera à la conception et la réalisation de la carte de commande.
