Systèmes mécaniques Introduction Mécanique, 3ème semestre 2007 © Prof. J. Giovanola / Dr. D. Kremer

Sommaire Positionnement, objectifs et contenu du cours Organisation et notation Machine Conception mécanique

Positionnement, objectifs et contenu du cours

Introduction au GM I & II Première notion de modélisation d’un système technique: modèle 3D Modèle 2D pour la fabrication Ingénierie inverse: Éléments de technologie: Comment ça marche? Qu’est-ce qui fait marcher? Propriétés d’un élément mécanique: Dimensions Tolérances

Systèmes mécaniques Acquisition d’une culture technologique: Éléments de transmission d’assemblage d’étanchéité… Première introduction informelle à la conception mécanique (synthèse) Projet de conception Premières notions d’analyse pour la conception Fonctionnelle Cinématique Statique

Méthode de conception I & II, projet de conception Méthodologie de conception Modélisation des systèmes mécaniques pour les études: Fonctionnelle Cinématique Statique Dynamique Conduite du projet Planification et gestion (temps et ressource) Rédaction de rapport et présentation

Qu’est-ce qu’une machine ?

Machine: définition générale Ensemble d'éléments intégrés de façon à (1) recevoir énergie, matière, information, (2) les transformer et (3) les restituer pour accomplir une (des) fonction(s) spécifique(s). FONCTION Matière Energie (force, mouvement) Information (Transformation) L’encadré ci-dessus donne une définition de ce qu’est une machine. Bien que d’autres puissent proposer des définitions différentes, celles-ci a l’avantage d’être très générale et utile dans la démarche de conception. Selon cette définition, une machine est un système avec une frontière dans lequel entrent des flux qui y subissent des transformations permettant d’accomplir une ou des fonctions utiles. Les flux modifiés sont ensuite restitués à l’environnement de la machine. Une telle définition couvre une gamme très vaste de machines, allant de l’ordinateur personnel, à la presse à emboutir, à l’avion de transport, à la fraise de dentiste. Elle peut aussi couvrir les systèmes vivants (cellules, organes, animaux) pour autant que l’autoorganisation, l’autoréparation et la reproduction soient incorporées dans la liste des fonctions. Dans ce cours nous nous restreindrons quelque peu en considérant plus particulièrement les machines dont les fonctions principales sont liées aux transformations des efforts, du mouvement ou de la matière. Ceci ne veut cependant pas dire que l’information ne joue pas un rôle important dans les machines qui nous intéressent, bien au contraire, mais elle est en générale subordonnée à la réalisation de fonctions mécaniques. Les caractéristiques d’une bonne machine moderne peuvent se définir en terme de sa qualité, sa fonctionnalité et sa rentabilité. Par qualité, on entend entre autre la fiabilité, la durabilité et la précision de la machine. Par fonctionnalité, on entend le nombre de fonctions et de produits différents que la machine peut prendre en charge, la flexibilité de passer d’un produit à un autre et d’une fonction à une autre, de même que la capacité de la machine de s’autogérer. La rentabilité, qui fait intervenir la productivité de la machine peut se définir comme le rapport entre coûts d’achat et d’exploitation (qui comprennent aussi ceux de démantèlement et de recyclage), et gains sur la marge bénéficiaire réalisés grâce à la machine.

Exemple de fonctions Transmettre Transformer Amplifier Mesurer Ralentir / accelérer Stocker

Exemple de fonctions Transmettre Transformer Amplifier Mesurer La rotation du moteur à la roue Boîte, arbres, cardans, différentiel Le mvt rétiligne du piston en rotation vilbrequin Le couple du moteur Boîte à vitesses La vitesse de rotation du moteur ou de la voiture Compte tours Tachymètre

Schéma de systèmes mécaniques typiques Outil Moteur Machine Récepteur Energie Matière Transmission Beaucoup de machines ou systèmes mécaniques peuvent se décomposer en un schéma simplifié tel que celui illustré ci-dessus et qui comprend: 1) Un sous-système moteur qui fournit le travail mécanique. 2) Un sous-système de transmission du mouvement et des efforts (donc de l ’énergie). 3) Un sous-système « outil » qui accomplit une fonction spécifique utile. 4) Un récepteur, considéré comme extérieur au système, qui reçoit l ’énergie et « subit » la fonction utile. L’illustration ne montre que des flux d’énergie et de matière, mais il faut aussi imaginer un réseau d’échange d’information entre chaque sous-système de la machine. De façon plus concrète, ce schéma pourrait représenter la broche d’une machine-outil.

Schéma de systèmes mécaniques typiques Outil Moteur Machine Energie Matière Transmission Récepteur Récepteur Beaucoup de machines ou systèmes mécaniques peuvent se décomposer en un schéma simplifié tel que celui illustré ci-dessus et qui comprend: 1) Un sous-système moteur qui fournit le travail mécanique. 2) Un sous-système de transmission du mouvement et des efforts (donc de l ’énergie). 3) Un sous-système « outil » qui accomplit une fonction spécifique utile. 4) Un récepteur, considéré comme extérieur au système, qui reçoit l ’énergie et « subit » la fonction utile. L’illustration ne montre que des flux d’énergie et de matière, mais il faut aussi imaginer un réseau d’échange d’information entre chaque sous-système de la machine. De façon plus concrète, ce schéma pourrait représenter la broche d’une machine-outil. Objet du cours

Qu’est-ce que la conception ?

Conception: définition Processus itératif à la fois d’analyse et de synthèse pour arriver à la création d’un produit dont les performances sont spécifiées et peuvent être prédites au moyen d’outils scientifiques. Conception scientifique Il n ’y a pas une définition unique de ce qu’est la conception en générale et la conception mécanique en particulier. Voilà quelques définitions proposées par divers auteurs. Création mentale d’un nouveau produit [1]. Formulation d’un plan d’action pour satisfaire à un besoin humain concret [2]. Formulation et évaluation systématique et intelligente de spécifications pour des objets dont la forme et la fonction remplissent des buts définis et satisfont à des exigences particulières [3]. Dans ce cours on utilisera la définition de ce qui sera appelé la conception scientifique des systèmes mécaniques donnée en encadré ci-dessus [4-6]. La conception ainsi définie est scientifique parce qu’elle applique la méthode scientifique: des modèles analytiques sont développés pour prédire le comportement des objets synthétisés. La validité des modèles est toujours vérifiée expérimentalement. Les modèles servent ensuite pour prédire les performances de nouvelles solutions au problème de conception et pour les évaluer. La démarche itérative d’analyse et de synthèse est maintenant discutée plus en détail. Note: les chiffres en parenthèses carrées renvoient à la bibliographie en fin de chapitre.

Conception scientifique Modèles Outils Nouvelle information Pour conclure cette discussion, on peut citer F. Pruvot [5] L’analyse consiste à créer, construire des outils qui permettent la compréhension d’une chose existante ou de son comportement. La synthèse consiste à créer, construire une chose à partir d’outils, de règles et d’éléments existants portés à jour par l’analyse. On voit donc que la démarche de synthèse et la démarche d’analyse sont en quelque sorte antisymétriques. Le pas de synthèse par lequel l’ingénieur(e) passe de l’abstrait à une machine concrète est un processus de création, d’invention analogue à celui fait par l’artiste qui compose une sonate ou peint un tableau. Il défie encore toute procédure rigoureuse et les mécanismes mentaux et affectifs qui le gouvernent échappent pour la plupart à notre analyse. C’est par ce pas d’intégration et de synthèse que la conception mécanique touche à l’art. Une chose est cependant bien connue: la synthèse est fortement influencée par le bagage d’expérience et de vécu de l’ingénieur(e), comme il a été mentionné précédemment. Elle est donc fortement influencée par les connaissances que nous a apportées l’analyse scientifique de systèmes déjà existants. Ce sont aussi les découvertes scientifiques qui apportent de nouveaux principes physiques pour la conception. Dans la démarche de conception moderne que l’on a appelée conception scientifique, synthèse et analyse interviennent itérativement. Les sciences fécondent et appuient fortement la synthèse et par l’utilisation de modèles l’amènent plus vite à des solutions originales, performantes et économiquement et écologiquement viables. Ce dernier point est d’une extrême importance pratique. A une époque ou les coûts et les temps de livraison déterminent en grande partie le succès commercial, il est impensable de vouloir optimiser une machine par itérations successives sur la machine elle-même. La vérification du cahier des charges et des performances et leur optimisation doivent se faire sur la base de modèles. C’est ce qu’illustre la figure ci-dessus. A partir d’un cahier des charges, on fait la synthèse d’une machine qui doit y satisfaire. On prédit ensuite les performances de cette machine au moyen de modèles analytiques et on les compare au cahier des charges. Si celui-ci n’est pas satisfait, on procède à une nouvelle phase de synthèse pour améliorer la machine. Cahier des charges

Etapes de la conception Définition du problème Solution de principe Avant-projet Conception de détail Etude de production Schéma de principe Cahier des charges Dessin d’étude Dessin de détail Gammes de fabric. En reprenant la démarche générale de solution de problèmes et en l’adaptant à la conception mécanique on obtient les étapes illustrées dans le schéma-bloc ci-dessus, qui devraient vous être familières. Les rectangles représentent les phases de synthèse, alors que les évaluations entre chaque phase de synthèse font appel à l’analyse. On doit souvent itérer entre deux étapes avant de passer à une étape suivante. Il est toujours préférable de faire des itérations entre deux étapes proches qu’entre la première et la dernière étapes. En d’autre termes, il est trop tard de se rendre compte que quelque chose ne marchera pas dans la machine lorsqu’on en est déjà à la détermination des gammes de fabrication!! Chaque étape livre une représentation de la machine et/ou des informations à son sujet toujours plus concrètes et précises, comme indiqué dans les ellipses du schéma-bloc. Le diagramme simplifié des étapes de la conception va structurer la démarche de conception et permettre de l’aborder de façon systématique. Il faut donc constamment la garder à l’esprit. Dans ce cours, on va se concentrer sur les trois premières étapes durant lesquelles la capacité d’abstraction et de modélisation d’un ingénieur mécanicien EPFL vont jouer un rôle capital. Les aspects ayant trait à la production sont traités en partie dans le cours méthode de production du Professeur Glardon. Ici on en soulignera l’importance dans la discussion des exemples pratiques.