Méthodologie et règles de la conception des systèmes mécaniques

I-2 Méthodologie et règles de la conception des systèmes mécaniques: 2.1 Méthodologie : L'étude et la réalisation de tout objet technique se déroulent en principe en plusieurs étapes dans l'ordre suivant:

• Cahier des charges. Il est préparé par l'utilisateur et souvent conjointement avec le fabricant. Le cahier des charges fixe toutes les caractéristiques principales de l'objet et les conditions d'exploitation à satisfaire.

• Avant-projet. A ce stade, l'objet se conçoit dans les grandes lignes; on arrête les principes de fonctionnement, et un dessin d'ensemble donne une idée de la réalisation. Une évaluation des coûts fixe le cadre financier. On élabore en règle générale plusieurs avant-projets avec des variantes. Au niveau de l'avant-projet et du projet, il importe de prendre en considération simultanément plusieurs aspects: • le fonctionnement, • le respect des caractéristiques exigées, • la sûreté, • l'acoustique et le bruit, • le design, • la réglementation en vigueur, • la charge écologique, • le coût, • l'exploitation, • la fin de vie et le recyclage de l'objet. Il ne faut négliger aucun de ces aspects sous peine de rencontrer des difficultés. Une étude soignée est toujours moins coûteuse que transformations et réparations ultérieures.

• Evaluation. La comparaison des avant-projets sur des bases technico-économiques conduit à choisir celui qui satisfait au mieux le cahier des charges.

• Projet. L'avant-projet retenu est examiné plus en détail. Il est décomposé en sous-systèmes qui font tous l'objet d'une étude de variantes pour permettre de choisir les meilleures solutions technologiques. Cette phase s'achève par une description détaillée et des dessins d'ensemble de l'objet. L'évaluation du coût est plus précise.

• Etude de détail. Après une nouvelle évaluation du projet, on passe à l'étude et au choix de tous les composants. Chaque élément est dimensionné soigneusement. L'étude vise à préparer tous les documents nécessaires pour la réalisation.

• Réalisation. L'objet entre dans sa phase de fabrication et d'assemblage. • Essais. L'objet est mis en service et soumis à des tests pour vérifier que les performances réelles satisfont le cahier des charges.

• Exploitation. Les qualités et les faiblesses se révèlent seulement après un certain temps d'exploitation. Elles guideront ensuite de nouveaux développements. 2.2 Règles de la conception des systèmes mécaniques: Ces règles concernent plusieurs aspects : 2.2.1 Architecture et conception cinématique L'architecture d'une machine et sa conception cinématique revêtent une grande Importance pour son fonctionnement et son comportement dynamique. On vise surtout à •

alléger les pièces,

•

accroître la rigidité,

•

diminuer les efforts intérieurs,

•

diminuer les efforts d'inertie.

Voici quelques principes généraux. Architecture :

• Réaliser les mécanismes avec le moins d'éléments possible; veiller à ce qu'ils Soient simples et compacts.

• Raccourcir les chaînes cinématiques, particulièrement celles dont on exige une grande précision de mouvement, et commander chaque mouvement par un moteur individuel (fig.2.1)

• Profiter des moyens informatiques pour programmer certaines commandes et accroître la flexibilité des machines.

• Placer un volant de régulation de marche près de la source d'irrégularité, si possible sur un arbre rapide.

• Disposer un embrayage ou un frein sur un arbre rapide car il est plus petit et plus léger; mais il chauffe davantage en cas de service intermittent que s'il est monté sur un arbre lent. • Attribuer à chaque élément le moins de fonctions possible en vue d'améliorer la fiabilité et la sécurité.

• Analyser la sécurité et prendre toutes les mesures utiles. • Soigner l'esthétique (design) dès le début d'un projet. Cinématique :

• Effectuer les mouvements avec des vitesses et des accélérations relativement constantes, sans choc ni saccade, avec de petites accélérations.

• Appliquer des lois de mouvement donnant le moins d'harmoniques possible lors de mouvements périodiques.

• N'effectuer les mouvements variés qu'avec la vitesse strictement nécessaire. • N'effectuer, si possible, que des mouvements de faible amplitude. • Eviter les inversions du sens des mouvements ; préférer les trajectoires continues fermées, si possible circulaires. • Animer seulement les éléments légers et en plus petit nombre possible, avec des vitesses variables.

• Veiller à ce que les angles de pression ne soient pas trop grands (fig.2.2) 2.2.1 Conception thermique : Les pertes d’énergie mécanique constituent autant de sources de chaleur. La température est limitée par la tenue mécanique des matériaux et par la viscosité requise des lubrifiants pour un bon graissage. Il faut donc : • diminuer les frottements inutiles. • Refroidir si possible les organes à l’air en améliorant le coefficient de transmission de chaleur et en augmentant la surface d’échange, éventuellement avec de ailettes. • Etudier les dilatations thermiques et leurs influences sur le fonctionnement des mécanismes. • Vérifier que les efforts et les contraintes thermiques sont acceptables . • Vérifier l’échauffement des paliers et prendre toutes les mesures pour limiter le température. 2.2.2 Entraînement des machines : Toute machine est, mise en mouvement par un ou plusieurs moteurs qui lui fournissent l’énergie nécessaire. Des organes de transmission adaptent les caractéristiques des moteurs aux exigences de la machine. Ce qui oblige de :

• Choisir le genre de moteur selon la source d’énergie disponible.

• Déterminer la puissance d’entraînement nécessaire à la base de la puissance utile requise et des pertes d’énergie ou du rendement de la transmission.

• Choisir si possible la vitesse du moteur égale à celle de l’arbre à entraîner ; le cas échéant, prévoir une transmission convenable. • Régulariser la marche en équilibrant les mécanismes et/ou en prévoyant un volant ayant une inertie suffisante.

• Vérifier que le démarrage ne dure pas trop longtemps affin que le moteur ne surchauffe pas. 2.2.3 Conception dynamique : • Une bonne conception dynamique doit éviter les vibrations ou pour le moins limiter leur amplitude, dans le but de : • D’assurer aux mécanismes la précision de mouvement et de positionnement voulus. • De mettre les organes et structures de la machine à l’abri de surcharges dynamiques dangereuses. • D’éviter la transmission de vibrations à l’environnement. 2.2.4 Construction Le choix et l'agencement des éléments, le tracé des pièces, les moyens d'assemblage, le choix des matériaux doivent répondre à toutes les exigences fonctionnelles et de qualité. L'étude est complexe à cause du grand nombre de paramètres qui interviennent et de leur interdépendance. Il faut en effet tenir compte, notamment, des aspects suivants: • le principe de fonctionnement, • la sûreté, • les procédés de fabrication selon les moyens disponibles, • le nombre d'objets à fabriquer, • les éléments en stock ou disponibles dans le marché, • le coût des matériaux et de la fabrication, • la facilité d'assemblage et d'entretien, • la masse et l'encombrement, • le bas niveau de bruit, • le respect des normes et des règlements, • l'agression chimique de l'environnement, • les conditions d'exploitation, • l'influence sur l'environnement, • l'esthétique, • l'adaptation ergonomique, • le délai de réalisation. Chaque détail a son importance et mérite beaucoup d'attention. Une seule erreur, une omission, un mauvais choix, un petit défaut de fabrication peuvent compromettre le fonctionnement et la sûreté d'une machine. Les divers aspects d'une construction et les diverses exigences sont souvent contradictoires. Toute réalisation résulte finalement de compromis. Nous pouvons cependant, énoncer quelques directives de construction :

Eléments de machines : • Recourir à des liaisons par frottement plutôt que par obstacle lorsque des inversions du sens de l'effort surviennent en service normal. • Mettre les pièces en contact par des surfaces plutôt que par des lignes; le cas échéant, préférer un contact linéique à un contact ponctuel. • Prévoir des moyens pour rattraper l'usure et pour corriger les erreurs de fabrication qui affectent les dimensions cinématiques.

• Prendre toutes les mesures de construction propices à accroître la rigidité des pièces et des structures.

• Eviter soigneusement tout arc-boutement et auto blocage des guidages. • Mettre à profit tous les avantages de l'électronique et de l'informatique. Matériaux :

• Choisir les matériaux qui offrent le meilleur compromis entre leurs caractéristiques techniques et les coûts: coût de la matière, coût de la fabrication, incidence des propriétés du matériau sur la taille et sur le coût des organes, coûts d'entretien, etc. • Choisir des matériaux offrant une haute résistance spécifique et un haut module d'élasticité spécifique (alliages légers, titane, composites fibrés) pour des organes à grandes performances dynamiques. Conception tribologique :

• Eviter le contact direct entre pièces en mouvement relatif, soit en ménageant un jeu (fig.2.3) ou soit en interposant un fluide.

• Choisir les matériaux des couples cinématiques, les revêtements et traitements de surface ainsi que l'état de surface de manière à minimiser l'usure et à prévenir le grippage.

• Prévenir l'écaillage en limitant la pression hertzienne et en choisissant des matériaux convenables.

• Eviter le fretting en solidarisant fermement des pièces assemblées par frottement. • Mettre les couples cinématiques à l'abri des impuretés par des étanchéités convenables et en filtrant finement l'huile; protéger les roulements contre les impuretés se trouvant dans les carters au moyen d'une étanchéité intérieure.

• Etudier soigneusement la lubrification. • Choisir les organes de guidage de manière à ce que leurs propriétés tribologiques s'accordent avec les conditions d'exploitation. Résistance mécanique : Dimensionner les éléments de machines en observant la démarche générale suivante: • calculer les efforts cinétostatiques et dynamiques; • étudier la dynamique des contraintes; • tenir compte des concentrations de contraintes;

• appliquer la théorie de la rupture adaptée au comportement du matériau et à la dynamique des contraintes.

• ne pas choisir des valeurs de facteurs de sécurité inutilement élevées (Fig.2.4). • appliquer le principe d'isosécurité et d'isolongévité à toutes les pièces d'un ensemble.

2.2.3 Modélisation Les modèles servant de base aux calculs scientifiques doivent correspondre exactement à la construction réelle. A contrario, il faut vérifier que la construction est conforme aux modèles qui ont servi au calcul. Il faut beaucoup d'expérience pour établir un modèle suffisamment simple pour que l'on puisse dominer le calcul mais cependant assez complet pour rendre compte correctement du comportement d'un système. La structure des modèles dépend de la vitesse des machines et de la relation entre les fréquences excitatrices et les fréquences propres. De nombreux dysfonctionnements et des avaries sont consécutifs à l'utilisation de modèles inadaptés aux conditions de fonctionnement réelles. Il faut prudemment se méfier de la routine et du poids de la tradition. La modélisation par des logiciels, même performants, de calcul de la cinématique et de la dynamique aide certainement le concepteur. Mais elle ne suffit pas pour trouver des solutions. L'ingénieur doit disposer d'une vaste culture technique et doit connaître les phénomènes physiques pour interpréter les résultats fournis par les ordinateurs. Le meilleur des modèles n'est guère plus qu'une approche virtuelle de la réalité. 2.3 Perspectives: Les premières machines ont presque toujours imité la nature ou les gestes humains. Leur fonctionnement utilisait souvent des mouvements alternatifs: pompe à piston, machine à vapeur, presse à imprimer, moteur à explosion. Mais l'augmentation de la puissance et de la productivité nécessite une augmentation de la vitesse. A grande vitesse, les forces d'inertie des pièces en mouvement alternatif deviennent très grandes; elles causent des vibrations et usent prématurément les surfaces des couples cinématiques. C'est pourquoi on a très naturellement cherché à construire des machines rotatives dont la douceur de marche et la simplicité constructive sont évidentes: pompes centrifuges, turbines à vapeur. C’est dans cette perspective qu’il faut voir le développement des nouveaux matériaux légers, rigides et résistants. On cherche également à améliorer la précision des mouvements tout en accroissant les cadences. Enfin, l’automatisation et l’introduction des commandes programmables permettent d’augmenter la souplesse d’utilisation des machines : avec la même installation, on peut fabriquer des produits de caractéristiques très variés ; les réglages nécessaires pour passer d’un produit à un autre sont rapides.

Fig.2.1

Fig.2.2

Fig.2.3

Fig.2.4