Rappel Et Introduction [PDF]

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 Puissances : - Travail (J) sur le Temps (s) (p14 - p15) - Électrique à Courant Continu (CC ou DC) (p14 - p15) - Électrique à Courant Alternatif (CA ou AC) monophasé (p14 - p15) - Électrique à Courant Alternatif (CA ou AC) triphasé (p14 - p15) - Hydraulique (p14 - p15) - Pneumatique (p14 - p15) - Mécanique de Translation (p14 - p15) - Mécanique de Rotation (p14 - p15)  η : Rendement (p14 - p15)  U : Tension en Volts (V) (p14 - p15)  I : Courant en Ampères (A) (p14 - p15)  C : Couple en Newton.mètre (N.m) (p14 - p15)  ω : Vitesse angulaire en radian/seconde (rad/s) (p14 - p15)  N : Fréquence de rotation en tour/minute (tr/min) (p14 - p15)  P : Pression en Pascal (Pa) [1 Pa = 1 N/m2] (p14 - p15)  qv : Débit volumique en mètre cube/seconde (m3/s) (p14 - p15)  F : Force en Newton (N) (p14 - p15)  V : Vitesse linéaire en mètre/seconde (m/s) (p14 - p15)

 Moteurs électriques (p16)  Pompes et Compresseurs (p16)  Vérins Hydraulique ou Pneumatique (p16)  Accessoires Hydraulique ou Pneumatique (Distributeur ; Manomètre ; Clapet de non retour ; Limiteur de débit ; Régulateur de débit . . .) (p14)  Générateurs (p16)  Schéma bloc : - Chaine d'Énergie (Alimenter ; Distribuer ; Convertir ; Transformer) (p17 - p18) - Chaine d'Information (Acquérir ; Traiter ; Communiquer) (p17 - p19)  Liaisons mécaniques : Fixe ; Pivot ; Glissière (Activité)  La circonférence (périmètre) d'un cercle (CM2)  Activité 01 : DESTRUCTEUR D'AIGUILLES (p20 - p23)  Activité 02 : COMPRESSEUR (p24)

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I- ALIMENTATION DU VÉRIN 8 : Installation hydraulique

- Puissance 

Travail temps

- Péle : Puissance électrique (Watt) - Pméc : Puissance (R) mécanique de rotation (W) - PHyd : Puissance hydraulique (W) - Pméc : Puissance (T) mécanique de translation (W) -

 : rendement 

Psortie Pentrée

- Nmoteur : Fréquence de rotation du moteur (tr/min) - ωmoteur : Vitesse de rotation du moteur (rad/s) - Cmoteur : Couple moteur (N.m) Rep

Nom

1

Réservoir d’un liquide

2

Moteur électrique

3

Pompe à un sens de flux

4

Distributeur 4/3 bistable

5 6 7 6+7 8

Manomètre Clapet de non retour Limiteur de débit Régulateur (Réducteur) de débit Vérin double effet

Fonction - Contenir la quantité de fluide nécessaire à l’alimentation du circuit ; - Permettre aux impuretés de se déposer au fond ; - Faciliter la dissipation de chaleur ; - Informer l’operateur du niveau et de l’état de l’huile ; - Assurer la séparation de l’air emprisonné dans le fluide avant que celui-ci n’arrive à l’entrée de la pompe (dégazage) dans les circuits fermés. - Produire l’énergie mécanique. - Transforme l’énergie électrique en énergie mécanique. - Générer la puissance hydraulique. - Transforme l’énergie mécanique en énergie hydraulique. - Assurer l’ouverture ou la fermeture d’une ou plusieurs voies de passage au fluide. - Distribuer la puissance hydraulique au vérin. Permet de mesurer la pression relative à la sortie de la pompe. Permet le passage du fluide dans un seul sens. Permet de réduire (ou d’augmenter) la vitesse d’un vérin Permet de réduire (réglable) le débit dans un sens et de laisser le débit maximum dans l’autre sens. Transforme l’énergie hydraulique en énergie mécanique de translation.

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II- ASPECTS PHYSIQUES : Types d’énergies Puissances Courant continu :

Caractéristiques et Unités Puissance absorbée par un moteur électrique Péle : Puissance en Watt (W) U : Tension en Volts (V) I : Courant en Ampères (A) φ : Angle de déphasage

Péle = U.I Électrique

Monophasé :

Péle = U.I.cosφ Triphasé :

Il y a d’autres formes de la puissance électrique

Péle = U.I.cosφ. 3 Mouvement de Rotation : Mécanique de rotation

Puissance fournie par un moteur électrique P méc(R) en Watt (W) C : Couple en Newton.mètre (N.m) ω : Vitesse angulaire en radian/seconde (rad/s) N : Fréquence de rotation en tour/minute (tr/min)

Pméc(R) = C.ω 2  N C  = 60

Hydraulique

PHyd = P.qv

Pneumatique

Ppne = P.qv

Mécanique de translation

Mouvement de Translation :

Pméc(T) = F.V

Puissance fournie par une pompe P Hyd en Watt (W) P : Pression en Pascal (Pa) [1 Pa = 1 N/m2] qv : Débit volumique en mètre cube/seconde (m3/s) Puissance fournie par un compresseur P pne en Watt (W) P : Pression en Pascal (Pa) qv : débit volumique en mètre cube/seconde (m3/s) Puissance fournie par un vérin pneumatique P méc(T) en Watt (W) F : Force en Newton (N) V : Vitesse linéaire en mètre/seconde (m/s)

III- CONTRÔLE DES ACQUIS : Q1- Calculer le rendement global en fonctions des autres rendements de l’installation ? Q2- Quelles sont les grandeurs physiques caractérisant le travail mécanique et électrique ? Q3- Quelle est l’unité du travail mécanique et électrique ? Q4- Retrouver l’équation de 1 Joule ? Q5- Quelle est la position des grandeurs physiques caractérisant le travail mécanique ? Parallèle ou Perpendiculaire Q6- Quelle est la position des grandeurs physiques caractérisant le couple ? Parallèle ou Perpendiculaire Q7- Retrouver l’équation de 1 Newton ? Q8- Retrouver l’équation de 1 Watt ? Q9- Quel est le mouvement crée par un couple ? Q10- Quel est le mouvement crée par une force ? Q11- Compléter le diagramme de conversions d’énergie par les propositions suivantes : Énergie mécanique ; Turbine hydraulique ; Générateur électrique ; Pompe ; Énergie hydraulique ; Moteur électrique ; Énergie électrique.

Q12- Quelles sont les grandeurs physiques caractérisant le débit volumique :- dans une conduite ? - dans une machine ? Q13- Quelles sont les grandeurs physiques caractérisant la pression : - d’une masse ? - d’une chute libre ?

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Q14- Compléter l'actigramme des éléments suivants comme le montre l'exemple : Moteur électrique Compresseur Vérin Hydraulique Pompe Vérin Pneumatique Générateur Exemple : FONCTION Matière d'œuvre Matière d'œuvre GLOBALE de Sortie (MOS) d'Entrée (MOE) Système d'étude ............. .............

.......... ..........

. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .

.............

.......... ..........

. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .

.............

.......... ..........

............

.......... ..........

............ ............

.............. ..............

.............. .............. .............

............

.............. ..............

.............. .............. .............

.......... ..........

. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .

.......... ..........

............ ............

.............. ..............

.............. .............. Q15- Compléter le tableau ci-dessous.

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IV- CHAÎNE FONCTIONNELLE : "Schéma-bloc"  Représentation d'une chaîne d'énergie et d'information

 Fonctions génériques, flux d'énergie et composants

 Fonctions génériques, flux d'information et composants

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Exemple de constituants assurant les fonctions techniques dans une chaîne d’énergie

Énergie Électrique // Hydraulique // Pneumatique Source d'énergie

Alimenter

Sources d’alimentation

Énergie Énergie électrique mécanique

Convertir

Distribuer

Énergie disponible pour agir sur l'effecteur

Transmettre

CHAÎNE D'ÉNERGIE

Réseau ONE

Préactionneurs Contacteur

Actionneurs Moteur CA (AC)

Adaptateurs Poulie courroie

Groupe électrogène

Relais

Moteur CC (DC)

Pignon chaîne

Pile

Variateur

Moteur thermique

Système vis écrou

Batterie

Transistor

Électrothermie

Engrenages

Compresseur

Distributeur Pneu.

Vérin - Pneumatique

Accouplement

- Hydraulique

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Exemple de constituants assurant les fonctions techniques dans une chaîne d’information

Grandeurs physiques et consignes

Informations Images informationnelles traitées CHAÎNE Acquérir

Éléments d'acquisition Capteurs analogiques : Anémomètre

Traiter

D'INFORMATION Informations destinées à d'autres systèmes et Communiquer aux interfaces H/M

Éléments de traitement Circuits logique câblés

Interfaces ou liaisons Interface : homme/machine machine/machine

Capteurs détecteurs : Capteur de luminosité

Calculateur électronique pour boite automatique

Pupitre de commande

Capteurs de proximité

Microcontrôleur

Manette

Interrupteur à bascule

Ordinateurs

Manomètre

Clavier

Automates programmables

Liaisons de transmission

Système d’acquisition des données sans fil

Module logique programmable

Bluetooth / WiFi . . .

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Activité 01 : 1- INTRODUCTION : Un dentiste utilise très souvent un anesthésique local pour pouvoir travailler sur son patient sans sensation de douleur. Cet anesthésique, injecté sous forme de piqûre, implique un stockage, une destruction adaptée et hygiénique de la seringue usagée. La destruction de la seringue impose la séparation de l'aiguille et de l'ampoule. L'aiguille doit être stockée sans manipulation jusqu'à son élimination et l'ampoule doit pouvoir être jetée dans un conteneur de déchets médicaux. Pour satisfaire à ces exigences, le destructeur d'aiguille, notre système d'étude, doit : - Séparer l'aiguille de la seringue (partie infectée) sans contact physique. - Stocker l'aiguille dans un conteneur hermétique.

seringue

2 -DESCRIPTION DU SYSTÈME : Le destructeur d'aiguilles est constitué d'un gobelet (conteneur) récupérateur d'aiguilles permettant le stockage temporaire des aiguilles usagées (déchets dangereux) et d'un appareil (ensemble électromécanique) permettant de séparer l'aiguille et l'ampoule de la seringue. La découpe s'effectue par deux lames l'une fixe l'autre mobile en translation par motorisation. L'action se déroule automatiquement dès la mise en place de la seringue dans l'appareil. 3- MISE EN SERVICE : Présenter la seringue verticalement, aiguille vers le bas, dans l'orifice encerclé d'un caoutchouc noir. - Appuyer la seringue jusqu'à la butée. - Le voyant lumineux rouge s'allume, le mécanisme coupe l'embase de l'aiguille. - Au signal sonore retirer la seringue. Le voyant vert s'allume, la partie sectionnée de l'aiguille tombe dans le conteneur de stockage. 4- LA CHAÎNE D'ÉNERGIE DU DESTRUCTEUR D’AIGUILLES :

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Dessin en perspective (3D) (Figure.b)

Schéma cinématique 3D (Figure.c)

//

Schéma cinématique 2D (Figure.d)

- L1 ; L2 et L3 permettent un mouvement de rotation suivant l’axe : . . . - L4 permet un mouvement de rotation + la translation (en même temps) suivant l’axe : . . . - L5 permet un mouvement de translation suivant l’axe : . . .

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5- CHAÎNE D’INFORMATION – CHAÎNE D’ÉNERGIE : (Figure.e)

6- CARACTÉRISTIQUES : (Figure.f) - Puissance nominale fournie par le moteur : Pm = 3 W ; - Vitesse angulaire du moteur : ωm = 387,26 rad/s. et π = 3,14 - Train d'engrenages simple à denture droite ;

Moteur électrique CC

Réducteur à engrenages

- Rendement : r 

P uissqnce de sortie  0,85 ; P uissqnce d ' entrée

- Rapport de réduction : k 

Système vis-écrou Lames fixe et mobile

Vitesse de sortie 1 .  Vitesse d ' entrée 40

- Sens d'hélice à droite ; Pas - Ve = ω1  . - Rendement : ηv-e = 0,75 ; 2  - Pas du filetage : 1,5 mm ; - Matériau : Acier trempé ; - Effort nécessaire pour cisailler l'aiguille : F = 350 N.

7- CALCUL DE VÉRIFICATION : 7.1- L'objectif de cette étude est de vérifier que l’effort de coupe développé par l'appareil électromécanique est capable de sectionner l'aiguille. Q1- Compléter, le tableau des liaisons suivant (Voir les Figures b ; c et d) : Liaison entre

Nom de la liaison

L1

2 et 0

L2

Liaison

Mouvement possible

Symbole en 2 vues

vt

(mettre 1 s’il y a m et 0 si non)

Nombre de degrés de liberté

Rotation

Translation

Pivot

...

0

...

........

Pivot

1

...

...

L3

........

............

1

...

...

L4

........

Hélicoïdale

...

...

1

L5

........

Glissière

...

...

...

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Pour la suite voir les Figures e et f. Q2- Calculer la puissance mécanique de rotation P1 en W, à la sortie du réducteur. Q3- Calculer la puissance de translation développée par l'écrou Ps. Q4- Calculer la vitesse de rotation de la vis ω1 en rad/s et en déduire sa fréquence de rotation Nv en tr/min. Q5- Calculer la vitesse de translation de l'écrou Ve en m/s. Q6- Calculer l’effort de coupe Fc en N. Conclure : (Fc est-il suffisant pour sectionner l'aiguille). 7.2 - L’objectif et de valider et d’optimiser le choix du moteur du point de vue de sa vitesse de rotation et de sa puissance transmissible. Extrait du cahier des charges :  Après divers essais, il s’avère que pour couper de façon satisfaisante l’embase de l’aiguille, il faut respecter les conditions suivantes : • Effort de coupe : Fc = 700 N ; • Vitesse de coupe : Vc = 1,5.10-3 m/s ; • Pas du filetage : 1,5 mm.  Le nombre de dents des roues dentées : Z1 = 16 dents ; Z2a = 40 dents ; Z2b = 10 dents ; Z3a = 45 dents ; Z3b = 15 dents ; Z4 = 50 dents.  Moteur électrique : • Tension nominale : 12 V ; • Rendement ηm = 48% • Puissance nominale : 3 W ; • Vitesse nominale : 3700 tr/min. A- Étude des vitesses Q7- Déterminer la fréquence de rotation Nmr (tr/min) qu’il faut en sortie du motoréducteur pour respecter le cahier des charges, sachant que la vis a un pas de 1,5 mm. Formule : Nmr = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : Nmr = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q8- En déduire la vitesse angulaire du motoréducteur ωmr (rad/s). Formule : ωmr = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : ωmr = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Porduit Z menantes Vitesse de sortie Q9- Déterminer le rapport de réduction du réducteur. k   Vitesse d ' entrée Porduit Z menées Formule : k = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Application : k = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Q10- En déduire la vitesse angulaire ωm du moteur (rad/s) puis sa fréquence de rotation Nm (tr/min). Formule : ωm = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : ωm = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nm = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nm = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B- Étude des puissances : Q11- Déterminer la puissance Pc à fournir pour couper l’aiguille selon le cahier des charges. Formule : Pc = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : Pc = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q12- Sachant que le système de transformation de mouvement a un rendement ηtm = 0,7 ; déterminer la puissance Pmr qu’il faut en sortie du motoréducteur. Formule : Pmr = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : Pmr = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q13- Sachant que chaque étage du réducteur à un rendement de 0,95 déterminer le rendement global ηr du réducteur. Formule : ηr = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : ηr = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q14- En déduire la puissance Pm que le moteur doit fournir. Formule : Pm = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : Pm = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C- Choix du moteur : Q15- A partir des deux études précédentes, déterminer si le moteur sélectionné convient. ..................................

......................................................

Q16- Déterminer la puissance électrique absorbée Pélec. Formule : Pélec = . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : Pélec = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Q17- En déduire l’intensité absorbée Im pour satisfaire le cahier des charges. Formule : Im = . . . . . . . . . . . . . . . . . . Application : Im = . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Activité 02 : La production de l’air comprimé s’effectue par aspiration et compression de l’air extérieur. L’actionneur réalisant cette valeur ajoutée est le compresseur. Afin d’éviter de faire fonctionner le moteur en continu, un réservoir, calibré en volume en fonction de la consommation. La distribution est réalisée par des canalisations et différents piquages servant de point d’accès à ce réseau pneumatique. 1- Compléter le tableau ci-dessous Rep Désignation Fonction Conduite 1 Permet d’alimenter le groupe pneumatique d’alimentation 2

Filtre

Retient les plus fines particules continues dans l’air

3

Compresseur à un sens de flux

- Augmenter la pression de l’air lorsqu’il est entraîné par le moteur - Transformer l’énergie mécanique en énergie pneumatique - Aspirer l’air à basse pression et le refouler à haute pression

4

Liaison mécanique

Permet d’accoupler l’arbre moteur et l’arbre récepteur

5

Moteur électrique

Transformer l’énergie électrique en énergie mécanique

6

Refroidisseur

Permet de refroidir l’air comprimé

7

Clapet de non retour non taré

Permet le passage du fluide dans un seul sens

8

Réservoir

Permet de stocker l’air comprimé par le compresseur pour ménager des temps d’arrêt et uniformiser le débit d’air en aval de l’installation

9

Manomètre

Permet de mesurer la pression relative à l’intérieur du réservoir

10

Limiteur de pression ou soupape de sécurité

Doit s’ouvrir lorsque la pression dans le réservoir dépasse la pression admissible afin de protéger les organes de l'installation

11

Vanne d’isolement

12 13 14 15 16

groupe de conditionnement - Tuyau d’alimentation - Tuyau d’utilisation Purgeur à commande manuelle Conduite d’évacuation Contact électrique à pression

Permet d’isoler l’installation de la distribution générale d’énergie pneumatique Permet le Filtrage de l’air, Lubrification des actionneurs et de Réglage la pression L’unité pneumatique située en amont est alimenté en air comprimé délivré par le groupe de conditionnement. Le diamètre du tuyau dépend du débit attendu. Purger l’eau emprisonnée dans le réservoir Évacuation de l’eau Éviter de faire fonctionner le moteur en continu

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