études de conception d'un banc d'essai pour butées hydrodynamiques

RÉPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTÈRE DE L'ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITÉ IBN KHALDOUN - TIARET

FACULTÉ DES SCIENCES ET DES SCIENCES DE L'INGÉNIEUR
DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE

MÉMOIRE DE FIN D'ÉTUDES

POUR L'OBTENTION DU DIPLÔME
D'INGÉNIEUR D'ÉTAT EN GÉNIE MÉCANIQUE

OPTION : CONSTRUCTION MÉCANIQUE

THÈME

ÉTUDES DE CONCEPTION

D'UN BANC D'ESSAI POUR BUTÉES HYDRODYNAMIQUES

Présenté par : Oukaci Rabah

Devant le jury :

AISSAT CC.UIK- TIARET Président

M.ELGUERRI CC.UIK- TIARET Rapporteur

M.GUEMMOUR CC.UIK- TIARET Examinateur

B.BEKKOUCHE CC.UIK- TIARET Encadreur

REMERCIEMENTS

Je tiens à remercier forcément tous ceux qui m'ont aidé à la réalisation de ce travail, je désigne en premier lieu : Mon encadreur très respecté B.Bekkouche, pour son soutien, son aide et son suivi durant toute la période de la préparation de mon projet de fin d'études. Je lui tire un grand coup de chapeau.

En deuxième lieu, mes remerciements vont aussi à tous mes enseignants qui ont contribué à ma formation durant des longues années, ils sont vraiment à la hauteur.

DÉDICACES

Honorablement, je viens de dédier cette performance en premier lieu à mes très chers parents, sans eux je suis nul, pourtant ils n'ont aucune formation académique, mais ils comprennent subtilement la valeur magistrale de la science et la connaissance. Ils étaient toujours derrière moi et ne cessent jamais de m'encourager afin de réaliser les meilleurs degrés. Que dieu les garde et les bénisse.

De l'autre coté, et d'une façon impressionnante, je me penche devant la mémoire de ma très chère grand-mère qui m'a quitté à jamais en février 2009. Sans oublier mes amis irremplaçables ; Si Youssef Abdallah et Rahmani Boubakeur, Qu' Allah les accorde la clémence.

Finalement, Je dédie ce manuscrit à tous mes enseignants et mes camarades de classe.

Table des Matières

Notations et Symboles 1

Table des illustrations 3

Introduction 7

I. ÉTUDE DU BÂTI SUPPORT

I.1 Préface 9

I.2 La base 10

I.2.1 Le cordon de soudure "a" 10

I.2.2 La longueur nécessaire "L" de la soudure latérale 10

I.2.2 .1 Pour les points E, F, L et I 10

I.2.2 .2 Pour les points A, B, H, D, C, G, K et J 12

I.3 le soubassement 12

I.3.1 les tubes montant arrière 12

I.3.2 le tube de liaison arrière 13

I.3.3 les tubes montant de devant 13

I.3.4 les tubes de liaison latérale 13

I.3.5 les tubes de renforcement diagonal 13

I.3.6 les tubes de soutènement 14

I.4 les parties supérieures 14

I.4.1 les tubes d'appui arrière 14

I.4.2 les tubes transversaux supérieurs 15

I.4.3 Tube de liaison arrière (partie haute) 15

I.5 Plaque support de broche 15

I.5.1 Conditions de soudure 15

I.5.2 Calcul de la résistance des boulons au cisaillement 16

I.5.3 Calcul de la résistance des boulons à la pression diamétrale 16

I.5.4 Calcul de la résistance des boulons à la traction 17

I.6 Liste des pièces du banc d'essai 40

II. ÉTUDE DU MÉCANISME DE CHARGEMENT DE LA BUTÉE

II.1 Préface.. 41

II.2 Caractéristiques géométriques de la vis à patin 41

II.2.1 Calcul du diamètre fond du filet dr 43

II.2.2 Caractéristiques dimensionnelles de la vis à patin 43

II.2.3 Calcul du couple admissible 44

II.2.4 Calcul des contraintes 45

II.2.4.1 Contrainte de compression 45

II.2.4.2 Contrainte de torsion 45

II.2.5 Vérification du flambage 45

II.2.6 Cisaillement des filets de la vis 46

II.2.7 Cisaillement des filets de l'écrou 46

II.3 Rondelle «Belleville » 46

II.3.1 Caractéristiques dimensionnelles de la rondelle «Belleville » 47

II.3.2 Association des rondelles 47

II.4 Capteur de force 47

II.5 Douille à aiguille 48

II.5.1 Choix du type de Douille à aiguille 48

II.5.2 Montage du roulement 50

II.6 Référentiel local de réduction des torseurs 51

III. ÉTUDE DU MÉCANISME D'ENTRAÎNEMENT DE LA BUTÉE

III.1 Préambule 54

III.2 le moteur asynchrone triphasé 54

III.2.1 les caractéristiques du moteur asynchrone 55

III.2.1.1 Plaque à bornes 55

III.2.1.2 Plaque signalétique 55

III.2.2 Le branchement du moteur au réseau électrique triphasé 58

III.3 Courroie 58

III.3.1 Choix de type de courroie 58

III.3.2 Paramètres géométriques 59

III.3.2.1 Diamètre des poulies 59

III.3.2.2 Angles d'enroulement de la courroie sur chaque poulie 60

III.3.2.3 Entraxe a 60

III.3.2.4 La longueur de la courroie L 61

III.3.2.5 Mesures dimensionnelles de la courroie 61

III.3.3 Paramètres cinématiques 62

III.3.3.1 Vitesse de rotation N₁ de la poulie motrice (menant) 62

III.3.3.2 Vitesse linéaire v₁ de la poulie motrice (menant) 62

III.3.3.3 Vitesse angulaire w₁ de la poulie motrice (menant) 62

III.3.3.4 Vitesse linéaire v₂ de la poulie réceptrice (menée) 63

III.3.3.5 Vitesse angulaire w₂ de la poulie réceptrice (menée) 63

III.3.3.6 Vitesse de rotation N₂ de la poulie motrice (menant) 63

III.3.4 Paramètres dynamiques 63

III.3.4.1 Forces de transmission 64

III.3.4.2 Tension dans la courroie 65

III.3.4.3 Effet de la force centrifuge 66

III.4 Variateur de vitesse 67

III.5 Constituants du mécanisme d'entraînement 68

IV. ÉTUDE DU DISPOSITIF DE MESURE

IV.1 Préambule 69

IV.2 La Butée d'essai 70

IV.2.1 La composition de la butée d'essai 70

IV.2.1.1 Le grain fixe 70

IV.2.1.2 Le grain mobile (Le collet) 71

IV.2.2 Les caractéristiques dimensionnelles et les conditions de fonctionnement de la butée d'essai 71

IV.3 Mesure de la température 72

IV.4 Mesure de la pression 73

IV.5 Mesure Du débit 73

IV.6 Mesure de l'épaisseur du film d'huile 73

IV.7 Écarts sur les mesures 76

IV.8 Contrôle de la vitesse de rotation 76

IV.9 Liste des instruments de mesures 78

Conclusion 79

Références Bibliographiques 80

Notations et Symboles

Symbole	Unité	Désignation
? ô ? ' cis	Mpa	La contrainte admissible du cordon ou du métal d'apport au cisaillement
i	--	le nombre des cordons latéraux
R min	Mpa	résistance minimale à la rupture par extension
Re min	Mpa	résistance minimale apparente d'élasticité
S	--	facteur de sécurité
A r	2 mm	surface de coupe du tube rectangulaire
fub	Mpa	la résistance du boulon à la rupture
Fvrd	--	La résistance au cisaillement
Ftrd	N	La résistance totale à la traction
ã Mb	--	coefficient sécuritaire
d 0	mm	diamètre du trou
A S	2 mm	section correspondant à dS
d	mm	diamètre de la vis du boulon
t	mm	épaisseur de la plaque support de broche
W	N	charge
Sy	N/mm^2	la limite d'écoulement
a	mm	le vide au fond du filet
T	Nm	Le couple admissible supporté par la vis
ciA	Mpa	La contrainte de compression de la vis
?	Mpa	La contrainte de torsion
p	mm	le pas
FS	--	le facteur de sécurité
Sy	--	la limite d'écoulement du matériau de la vis

Notations et Symboles

Symbole	Unité	Désignation
N R	Tr/mn	vitesse nominale de rotation
?	--	Le rendement
C U	Nm	Le couple utile
? S	rad/s	vitesse synchrone de rotation du champ tournant
?	Hz	pulsation des courants alternatifs
u	--	rapport de transmission
?	--	coefficient de glissement élastique
I	--	le demi-angle entre les brins de la courroie
CFc	--	coefficient qui tient compte de l'influence de la force centrifuge et du type de section de la courroie.
pl	kg/m	la masse linéique par unité de longueur de courroie
?tcr	--	caractéristique de traction
e	mm	épaisseur
K	N/m	la raideur
Pa	W	puissance électrique absorbée
PU	W	puissance utile nominale
L1	mm	Hauteur sous charge P1
P1	N	Charge correspondant à L1
Di	mm	Diamètre intérieur,
De	mm	Diamètre extérieur
Lo	mm	Hauteur libre approximative
F1	mm	Flèche sous charge P1

CHAPITRE I

Figure	Nomination	Page
Figure I-1	Photographie du tube rectangulaire	9
Figure I-2	Répartition des charges bases	11
Figure I-3	Positionnement des trous de la plaque support de broche	17
DESSIN N° 1	TUBE DE BASE LONGITUDINAL	18
DESSIN N° 2	TUBE DE BASE TRANSVERSAL	19
DESSIN N° 3	TUBE DE RENFORCEMENT LONGITUDINAL POUR BASE	20
DESSIN N° 4	TUBE MONTANT ARRIERE	21
DESSIN N° 5	TUBE MONTANT DE DEVANT	22
DESSIN N° 6	TUBE DE SOUTENEMENT (PARTIE BASSE)	23
DESSIN N° 7	TUBE DE LIAISON ARRIERE (PARTIE BASSE)	24
DESSIN N° 8	TUBE DE LIAISON LATERAL	25
DESSIN N° 9	TUBE DE RENFORCEMENT DIAGONAL (PARTIE BASSE)	26
DESSIN N° 10	TUBE SUPPORT	27
DESSIN N° 11	TUBE D'APPUI ARRIERE	28
DESSIN N° 12	TUBE RENFORT INTERMEDIAIRE	29
DESSIN N° 13	TUBE TRANSVERSAL SUPERIEUR	30
DESSIN N° 14	TUBE SUPPORT DE DEVANT (PARTIE HAUTE)	31
DESSIN N° 15	TUBE RENFORT (PARTIE HAUTE)	32
DESSIN N° 16	TUBE DE LIAISON ARRIERE (PARTIE HAUTE)	33
DESSIN N° 17	TUBE DE LIAISON DE DEVANT (PARTIE HAUTE)	34
DESSIN N° 18	TUBE SUPPORT DE DOUILLE À AIGUILLE (SYSTEME DE CHARGEMENT)	35
DESSIN N° 19	TUBE DE LIAISON	36
DESSIN N° 20	PLAQUE SUPPORT DE BROCHE	37
DESSIN N° 21	BATI SUPPORT VUE DE FACE	38
DESSIN N° 22	BATI SUPPORT VUE DE GAUCHE	39
Tableau I-1	Classification des aciers par emplois	9
Tableau I-2	Liste des pièces du banc d'essai	40

CHAPITRE II

Figure	Nomination	Page
Figure II-1	Système de chargement	41
Figure II-2	Représentation filetage	42
Figure II-3	Croquis d'un profil trapézoïdal NF E 03-615	43
Figure II-4	Croquis de la vis à patin	44
Figure II-5	Photographie de la vis à patin équipée de la poignée	44
Figure II-6	Paramétrage d'une Rondelle «Belleville»	46
Figure II-7	Géométrie d'une rondelle «Belleville»	47
Figure II-8	Image du Capteur de force traction et compression Modèle FN3050	48
Figure II-9	Série de roulement à forte capacité de charge	49
Figure II-10	Paramètres géométriques de la douille à aiguille Série HMK 20 18L	49
Figure II-11	Montage (sans épaulement) de la douille à aiguille	51
Figure II-12	Mouvement de la vis	52
Figure II-13	Schéma cinématique du banc d'essai	53
Tableau II-1	Profil trapézoïdal NF E 03-615	42
Tableau II-2	Dimensions de la vis à patin (mm)	43
Tableau II-3	Paramètres géométriques de la vis à patin (mm)	44
Tableau II-4	Caractéristiques mécaniques de la douille à aiguille Série HMK 20 18L	50

CHAPITRE III

Figure	Nomination	Page
Figure III-1	Moteur asynchrone triphasé	55
Figure III-2	Plaques à bornes	55
Figure III-3	Plaque signalétique	56
Figure III-4	Image du branchement du moteur au réseau électrique	58
Figure III-5	Courroie TEXROPE^® S 84	59
Figure III-6	Paramètres géométriques de transmission par courroie	59
Figure III-7	Paramétrage de la courroie trapézoïdale	62
Figure III-8	Paramètres dynamiques de transmission par courroie	63
Figure III-9	Schéma des forces	64
Figure III-10	Schéma des tensions	66
Figure III-11	Schéma du variateur de vitesse de la broche	67
Figure III-12	Schéma d'entraînement de la butée	68
Tableau III-1	Documentation technique	56
Tableau III-2	Vitesses synchrones possibles pour f=50	57
Tableau III-3	Longueurs références pour courroie section "A"	61
Tableau III-4	Dimensions de la courroie trapézoïdale	62
Tableau III-5	Liste des pièces constituant le mécanisme d'entraînement	68

CHAPITRE IV

Figure	Nomination	Page
Figure IV-1	Photographie du dispositif d'essai	69
Figure IV-2	Photographie de la butée montrant la position du disque support	70
Figure IV-3	Photographie du disque à patins	70
Figure IV-4	Photographie du collet	71
Figure IV-5	Positions des thermocouples, des capteurs de déplacement et des prises de pression statique	72
Figure IV-6	Photographie de positionnement des thermocouples sur le patin d'essai	72
Figure IV-7	Courbes d'étalonnage des capteurs de déplacement	74
Figure IV-8	Défaut de perpendicularité du grain mobile	75
Figure IV-9	Réponses du capteur de déplacement (1) et du comparateur électronique en statique sur un tour du collet	75
Figure IV-10	Réponses du capteur de déplacement (2) et du comparateur électronique en statique sur un tour du collet	75
Figure IV-11	Réponses du capteur de déplacement (3) et du comparateur électronique en statique sur un tour du collet	76
Figure IV-12	Schéma du variateur de vitesse de la broche	77
Tableau IV-1	Caractéristiques dimensionnelles et conditions de fonctionnement de la butée d'essai	71
Tableau IV-2	Ecarts observés sur le débit	76
Tableau V-3	Liste des instruments des mesures	78

INTRODUCTION

Le principal objectif de la butée hydrodynamique est de supporter des charges axiales et radiales, elle est très utile pour les mécanismes modernes.son bon fonctionnement revient à l'existence d'un fluide visqueux entre les surfaces en mouvement relatif. Les exigences industrielles modernes se dirigent vers l'augmentation des charges et des vitesses de rotation, ce qui influe impérativement sur les performances des mécanismes lubrifiés.

Il n'est que depuis les années cinquante que des progrès significatifs ont été établis en tribologie. Compte tenu du nombre important de publications qui en ont résulté grâce à l'essor économique et au surgissement des bancs d'essai, où je viens d'évoquer particulièrement le banc d'essai utilisé par Azzedine DADOUCHE et Frène dans leurs travaux éloquents, concernant les effets thermiques et les problèmes d'élasticité dans les contacts lubrifiés. À noter que les historiques de la tribologie rapportant le développement des mécanismes lubrifiés sont présentés par Dawson (1979), Frène (1990) et tout dernièrement par Dadouche et Frène (2001).

Par ailleurs, Dadouche (2000) puis Dadouche et Fillon (2000), ont effectué une des premières analyses expérimentales complètes sur les effets thermiques dans une butée hydrodynamique à géométrie fixe. Cette butée comporte huit (08) patins, composés d'un plan incliné et d'un plan parallèle. Le banc d'essai de l'université de Poitiers en France conçu pour cette étude permet d'étudier l'influence d'une charge imposée, de la vitesse de rotation et de la température d'alimentation sur les champs de pression et de température, ainsi les débits et l'épaisseur minimale du film lubrifiant.

Mon PFE s'inscrit dans le cadre scientifique académique qui s'intéresse aux recherches scientifiques. Ma mission dans ce mémoire étant de mettre une étude de conception pour ce banc d'essai exécutable pour une butée hydrodynamique à huit (08) patins fixes. En effet, cette étude expose L'étape précédent l'élaboration du banc d'essai Le PFE se compose de quatre (04) chapitres, je les explique comme suit:

D'abord, le chapitre I présente L'étude du bâti support. Une très grande importance est attribuée à l'étude des différents parties et éléments composant le bâti support (La base, le soubassement, les parties supérieures). La Plaque support de broche est privilégiée par une étude spéciale. Enfin, ce chapitre est soutenu par tous les dessins (Format A4) montrant les éléments constituants du bâti support, dont le dernier déploie un tableau récapitulatif réunissant tous les éléments formant le bâti support.

intégrant les différents calculs nécessaires (calcul du diamètre fond du filet dr, calcul du couple admissible, calcul des contraintes, .). En outre, des études bien orientées développant les aspects mécaniques de la Rondelle «Belleville », le Capteur de force et la Douille à aiguille. Par ailleurs, une étude analytique se consacre au Référentiel local de réduction des torseurs.

D'autre part, Le troisième chapitre vise le mécanisme d'entraînement. On peut diviser ce chapitre en deux sous chapitres : le premier est consacré à l'étude du moteur asynchrone triphasé envisagé pour ce banc d'essai, on commence par détailler les différents constituants du moteur asynchrone, puis on déploie les caractéristiques du moteur asynchrone triphasé dont une importance particulière est offerte pour la Plaque signalétique, qui accumule toutes les particularités nominales du moteur asynchrone triphasé ; ainsi on tient compte du genre de branchement du moteur au réseau électrique triphasé.

En effet, le deuxième sous chapitre est consacré à l'étude détaillée de la courroie envisagée pour ce genre des bancs d'essai. Après avoir présenté des généralités sur les courroies, on débute ce sous chapitre effectivement par l'étude du choix de type de courroie par suite, on décrit les Paramètres géométriques en faisant tous les calculs nécessaires (Diamètre des poulies, Angles d'enroulement de la courroie sur chaque poulie, La longueur de la courroie L, Entraxe a), on a aussi déterminé systématiquement le choix de la section d'une courroie trapézoïdale d'autant que Les paramètres cinématiques et dynamiques concernant les poulies motrices et réceptrices. Le variateur de vitesse est bel et bien présenté. Enfin, on a montré dans un tableau récapitulatif les Constituants du mécanisme d'entrainement.

Enfin, le chapitre IV traite le dispositif de mesure. On a préféré d'étudier en premier lieu La Butée d'essai, Les caractéristiques dimensionnelles et les conditions de fonctionnement de la butée d'essai. En deuxième lieu, on a indiqué tous les instruments utilisés pour réaliser toutes les mesures nécessaires pour les essais (Mesure de la température Mesure de la pression, Mesure Du débit, Mesure de l'épaisseur du film d'huile), ce chapitre ne néglige guerre de décrire les écarts sur les mesures, ainsi le contrôle de la vitesse de rotation et la localisation des capteurs. Enfin, on trouve la liste générale des instruments de mesures.

I.1 Préface

La fabrication du bâti support dépend de l'existence d'un ensemble des pièces de charpente métallique servant ordinairement de support du banc d'essai, ces pièces construites en acier à caractéristiques mécaniques plus élevées dont on envisage que l'E 335 est utile dans ce domaine (Tableau I-1). Les pièces de charpente métallique présentent en majorité des tubes rectangulaires (80 × 40) ayant épaisseur de 2mm (Figure I-1).

ACIERS D'USAGE GÉNÉRAL

Nuance** S 185 (A33) S 235 (E24) S 275 (E28) S 355 (E36) E 295 (A50) E 335 (A60) E 360 (A70)

Rr min (MPa) 290 340 410 490 470 570 670

Re min (MPa) 185 235 275 355 295 335 360

E (MPa) 200000 200000 200000 200000 200000 200000 200000

Emplois Constructions mécaniques et métalliques générales assemblées ou soudées Ces aciers ne conviennent pas aux traitements thermiques.

Moulage GS 235- GS 275- GS 355- GS 295- GS 335 - GS 360.

R min = résistance minimale à la rupture par extension (Mpa). 1 Mpa = 1N/mm²
Re min = résistance minimale apparente d'élasticité (Mpa).

** Entre parenthèses : correspondance approximative avec l'ancienne symbolisation . Tableau I-1: Classification des aciers par emplois

Données techniques

Rr = 570 Mpa, Re = 335 Mpa, E = 2×10⁵ Mpa, S = 3 Rr(s) = 190 Mpa, Re(s) =111.67 Mpa

Poids total = 111,40 Kg

Poids de broche 42.60 Kg

A r = 464mm 2

Figure I-1: Photographie du tube rectangulaire

Il est nécessaire d'étudier les différents éléments du bâti support, en effet, on peut remarquer deux parties :

1. la partie basse, présentée par les éléments de base et de soubassement,

2. la partie haute

On va débuter progressivement par la base en premier lieu, puis le soubassement en deuxième lieu, enfin, la partie haute. La plaque support de broche est caractérisée par une étude spéciale.

I.2 La base

La base du banc d'essai se construit de huit (08) tubes :

tI Deux (02) tubes longitudinales de même longueur : L = 1240.00 mm (DESSIN N°1), tI quatre (04) tubes transversales de même longueur : L = 1160.00 mm (DESSIN N°2), tI Deux (02) tubes longitudinales de renforcement de même longueur : L = 270.00 mm, ce

sont figurés sur DESSIN N°3.

On remarque que le périphérique intérieur de la base sera impérativement un carré de 1240.00 mm de longueur, ce qui amène à un bon équilibre du banc d'essai. Sans oublier que la base se pose sur quatre pieds lourds dont chaqu'un pèse environ 1 kg, afin de donner une bonne fixation au banc d'essai.

I.2.1 Le cordon de soudure "a"

Puisque l'épaisseur e = 2 mm = 4 mm, la cote du cordon de soudure "a" doit être égale à l'épaisseur de la tôle "e" (a = e). Donc le cordon de soudure a = 2 mm.

I.2.2 La longueur nécessaire "L" de la soudure latérale

Etant donné que La longueur nécessaire "L" de la soudure latérale se calcule d'après la formule empirique suivante :

F

L ?

0.7 i a [ ô ? cis

?

·
· .

(I-01)

[ ô ? cis = 0.6 . [ ó ] tr

? (I-02)

[ ô ? cis = 67 . 00 Mp

?

I.2.2 .1 Pour les points E, F, L et I

a) On utilise quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 80mm). Dont des points de soudure à l'extérieur accompagnent la procédure.

Ltotal =

320 mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' jcis

~
· .
· .

''

)

4

+ Il semble nécessaire de calculer la charge totale du banc d'essai. Poids général Pg = Poids total + Poids de broche

Poids général Pg = 144.00 Kg

Pg =1.54 KN

A souligner que la charge appliquée par le piston atteint au maximum 8 KN, donc la charge totale supportée par le banc d'essai sera :

Pgtotale =8+

1.54 KN

Pgtotale = 9. 54 KN . Cette charge générale se divise en quatre charges uniformes Pg 1, Pg2, Pg 3

et Pg 4, qui sont réparties essentiellement sur quatre points, A, B, C et D. la Figure I-2 montre la répartition de ces charges bases.

Pg₁ = 2. 3 8 5 KN (Pg 1= Pg 2 = Pg 3 = Pg4)

' '

Pg^' 2 . 7 1 KN

1 = (Pg Pg Pg ' )

'

1 = Pg = =

2 3 4

Pg 1 . 27 KN (Pg

'' '' = Pg = Pg = Pg

'' ' '

=

1 1 2 3

Même si on prendra la charge totale on trouve que : 120 > 9. 54 KN, Donc la loi est magistralement réalisée.

Figure I-2: Répartition des charges bases

b) Condition de résistance

On doit vérifier la loi suivante :

A	>	F
		[ ó]	r

A 1 4 .26 mm ²

~ , A r 464 mm ~ 1 4.26 mm

2 2

I.2.2 .2 Pour les points A, B, H, D, C, G, K et J

a) On utilise seize (16) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 80mm).

Ltotal = 1280mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' ]cis

~
· .
· .

F ~1921.024 KN Magnifique résultat!

b) Condition de résistance

On doit vérifier la loi suivante :

A~	F
	[ ó]	r

A 1 4 .26 mm ²

~ , A r = 464 mm ~ 1 4 .26 mm

2 2

I.3 le soubassement

La substruction du banc d'essai se compose de quatre tubes, deux en arrière (liés par un tube de liaison) et deux en avant; par ailleurs, chaque tube arrière est lié à celui de devant par un tube de liaison et un tube de renforcement. L'ensemble devrait être soutenu par quatre tubes de soutènement.

En général, il y aurait deux tubes en arrière, deux tubes en avant, trois tubes de liaison, deux tubes de renforcement diagonal et quatre tubes de soutènement. Donc treize (13) tubes composent la partie basse du banc d'essai.

On va détailler tout cela comme le suivant :

I.3.1 les tubes montant arrière

Ce sont présentés par deux tubes de même longueur : L = 583.00 mm (DESSIN N° 04). a) On utilise quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 80mm).

Ltotal =

320 mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' jcis

~
· .
· .

F ~120 KN

b) Condition de résistance

On doit vérifier la loi suivante :

A~	F
	[ ó]	r

A 1 2 . 5 5 mm ²

~ , A r = 464 mm ~ 1 2 . 5 5 mm

2 2

I.3.2 le tube de liaison arrière

Il est présenté par un tube de longueur : L = 540.00 mm (DESSIN N° 07).

a) On utilise deux (02) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 80mm ) et Quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 40mm) dont des points de soudure à l'extérieur accompagnent la procédure.

Ltotal =

320 mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' ]cis

~
· .
· .

F ~180 KN

I.3.3 les tubes montant de devant

Ce sont présentés par deux tubes de même longueur : L = 918.00 mm, ayant une forme spéciale (DESSIN N° 05).

a) On utilise quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 80mm) et Quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 40mm)

Ltotal =

48

0 mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' ]cis

~
· .
· .

F ~180 KN

b) Condition de résistance

On doit vérifier la loi suivante :

A~	F
	[ ó]	r

A 43 . 5 0 mm ²

~ , A r = 464 mm ~ 43 . 5 5 mm

2 2

I.3.4 les tubes de liaison latérale

Ce sont présentés par deux tubes de même longueur : L = 500.00 mm (DESSIN N° 08). a) On utilise huit (08) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 80mm) et huit (08) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 40mm).

Ltotal =

960 mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' jcis

~
· .
· .

F ~1440.768 KN

I.3.5 les tubes de renforcement diagonal

Ce sont présentés par deux tubes de même longueur : L = 711.00 mm, ayant une forme spéciale (DESSIN N° 09).

On utilise huit (08) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 40 mm) en ajoutant des points de soudure pour les contacts latéraux.

Ltotal =

0.320 mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' ]cis

~
· .
· .

F ~180 KN

I.3.6 les tubes de soutènement

Ce sont présentés par quatre tubes de même longueur : L = 660.29 mm, ayant une forme spéciale (DESSIN N° 06).

a) On utilise seize (16) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 80 mm) et huit (08) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 40mm). En ajoutant des points de soudure pour les contacts latéraux.

Ltotal =

1600 mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' ]cis

~
· .
· .

F ~3601.92 KN

Résultats très satisfaisants.

b) Condition de résistance

On doit vérifier la loi suivante :

A~	F
	[ ó]	r

A 1 4 .27 mm ²

~ , A r = 464 mm ~ 1 4.27 mm

2 2

I.4 les parties supérieures

I.4.1 les tubes d'appui arrière

Ce sont présentés par deux (02) tubes de même longueur : L = 1208.40 mm, ayant une forme spéciale (DESSIN N°11).

On utilise quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 80mm) et deux (02) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 40mm).

Ltotal =

400 mm

~
· .
· .

I.4.2 les tubes transversaux supérieurs

Ce sont présentés par deux (02) tubes de même longueur : L = 430.00 mm, ayant une forme spéciale (DESSIN N°13).

On utilise quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur ( L=9 5.00mm) et quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 40mm).

Ltotal =

540.00mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' ]cis

~
· .
· .

F ~405.2 1 6 KN Résultats très satisfaisants

I.4.3 Tube de liaison arrière (partie haute)

Il est bel et bien figuré par le dessin N°16, c'est un tube spécifique ayant les dimensions suivantes : 540 x 80 x 80 mm.

a) On utilise huit (08) cordons de soudure similaire de même longueur ( L= 8 0.00 mm).

Ltotal =

640.00mm

On doit vérifier la loi suivante : F L 0.7 i a [ ô ' jcis

~
· .
· .

F 0. 640 0 .7 8 0 .002 67 .00 10 N

6

~
· . .
·
·

F ~48 0.25 6 KN

Résultats très satisfaisants.

I.5 Plaque support de broche

La plaque support de boche tient une importance privilégiée puisque c'est elle qui supporte la broche et le mécanisme d'entrainement, on commence comme suit:

I.5.1 Conditions de soudure

La plaque est bel et bien figurée par le dessin N°20, c'est une plaque spécifique ayant les dimensions suivantes : 540 x 400 x 10 mm.

On utilise quatre (04) cordons de soudure similaire de même longueur (L= 400.00 mm).

Ltotal =

160

0.00 mm

~
· .
· .

I.5.2 Calcul de la résistance des boulons au cisailement

On considère que le plan de cisaillement passe par la partie non filetée du boulon, à signaler que nous avons six trous ce qui implique six boulons, (boulon Tr 16×3, classe 4.6)

La résistance au cisaillement est donnée par la relation empirique suivante :

F vrd

0.6 f A · · ub

(I-03)

ãMb

d =

16.00mm

A =200..96mm 2

ãMb =

1.25

La résistance au cisaillement est : Fvrd =30.867KN

La résistance totale au cisaillement est : Fvrd total = 30.867
· 6

Fvrd total =185.20 KN

I.5.3 Calcul de la résistance des boulons à la pression diamétrale

La résistance à la pression diamétrale est donnée par la relation empirique suivante :
0.6 f

? ? ? d ? t

? ub

F ? (I-04)

brd ã Mb

e 1

? = (I-05)

0

3d

d0 =

18.00 mm

e₁ = 48.00mm (voir Figure I-3)

		?		0. 8 9
ãMb =					1.25
d =			16.00mm
t	= 10.00 mm
Fbrd =						2 1. 872 KN

La résistance totale à la pression diamétrale est : Fbrd total = 21.872
· 6

Fbrd total = 131.232 KN

Résultats très satisfaisants.

Figure I-3: Positionnement des trous de la plaque support de broche I.5.4 Calcul de la résistance des boulons à la traction

La résistance à la pression diamétrale est donnée par la relation empirique suivante :

Ftrd 0.9
· f_ub
·A_S (I-06)

ã _Mb

fub = 320 MP

AS	ð	· d S	2
		4

d S = ( d₂ + d₃) 2

d₂ = d-- 0.6495x P

d₂ = 14.05 mm

d₃ = d --1 . 2268x P

d3 = 12.32 mm d_S = 13.185 mm A _S =136.47 mm²

La résistance à la traction est :

Ftrd = 31.442 KN

La résistance totale à la traction est : Ftrd total = 3 1.442
·6

F_trd total = 188.65 KN

19

21

23

26

29

32

I.6 liste des pièces du banc d'essai

Le Tableau I-2 récapitule clairement les pièces constituant le bâti support.

20	01	Plaque support de broche	NFEN 10- 025	S235 (E24)	540×400×10	16.96
19	01	Tube de liaison	EN-10217-7	E335	540×80×40	2.00
18	01	Tube support de douille à aiguille	EN-10217-7	E335	540×80×40	2.00
17	01	Tube de liaison de devant (partie haute)	EN-10217-7	E335	540×60×60	2.00
16	01	Tube de liaison Arrière (partie haute)	EN-10217-7	E335	540×80×80	2.70
15	02	Tube renfort (partie haute)	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°15	4.66
14	02	Tube support de devant (partie haute)	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°14	5.10
13	02	Tube transversal supérieur	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°13	3.00
12	02	Tube renfort intermédiaire	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°12	4.13
11	02	Tube d'appui Arrière	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°11	8.31
10	02	Tube support	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°10	0.99
09	02	Tube de renforcement diagonal (partie basse)	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°9	4.99
08	02	Tube de liaison latéral	EN-10217-7	E335	540×80×40	3.72
07	01	Tube de liaison Arrière (partie basse)	EN-10217-7	E335	540×80×40	2.00
06	04	Tube de soutènement (partie basse)	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°6	9.15
05	02	Tube montant de devant	EN-10217-7	E335	Voir Dessin N°5	6.83
04	02	Tube montant Arrière	EN-10217-7	E335	583×80×40	4.33
03	02	Tube de renforcement longitudinal pour base	EN-10217-7	E335	270×80×40	2.00
02	04	Tube de base transversal	EN-10217-7	E335	1160×80×40	17.26
01	02	Tube de base longitudinal	EN-10217-7	E335	1240×80×40	9.23
Repère	Quantité	Désignation	Norme	Matière	Dimension (mm)	Poids (Kg)

Tableau I-2: Liste des pièces du banc d'essai

II.1 Préface

Pour le système de chargement, on retient un système manuel (Vis-écrou) simple pour la mise en charge de la butée à patins. Il est constitué d'une poignée, d'une vis à patin et de rondelles élastiques « rondelles Belleville ». Un capteur de force est intercalé entre le système de chargement et l'axe de la butée (Figure II-1).

En tournant la poignée, l'effort exercé est transmis par l'intermédiaire d'un patin (Libre en rotation) dont la force est en appui sur les rondelles élastiques. Ces dernières, guidées dans un fourreau (gaine, étui allongé servant d'enveloppe à un objet de même forme) , transmettent la force appliquée à la butée en passant par le capteur de force.

Figure II-1 : Système de chargement

La vis à patin utilisée a un profile trapézoïdale, car ce type des profiles est utilisé pour les vis de transmission subissant des efforts importants.

En premier lieu, il faut déterminer les caractéristiques géométriques de la vis à patin:

II.2 Caractéristiques géométriques de la vis à patin

II.2.1 Calcul du diamètre fond du filet dr

4?

F S

W?

S_y

... (II-01)

dr=

Le diamètre au fond des filets se calcule par l'expression suivante

Figure II-2 : Représentation filetage

D'après les conditions de fonctionnement, la charge axiale appliquée varie de 0 jusqu'à 8000N, donc la charge axiale maximale appliquée est Wmax = 8000 N, à retenir que le facteur de sécurité FS= 4, la limite d'écoulement S_y= 240 N/mm², on obtient :

	4 8000 4 · ·
	240
dr

Soit: dr = 13 mm

A partir du tableau II-1, on choisit :

- Le diamètre nominal: d= 16 mm.

- Le pas p= 3 mm. Ici le pas représente la distance séparant deux sommets consécutifs d'un même filet.

Éviter l'emploi des valeurs entre parenthèses

Le diamètre moyen ou diamètre sur les flancs : d_m? d - p/2,

d_m= d2 = 16 - 3/2 d_m= d2 = 14,5 mm. Autres paramètres : a = 0.25 mm

d3 = d - p - 2a.

d3 = 16 - 3 -- (2 . 0,25) d3 = 12,5 mm

D1= d-- p

D1 = 16 - 3

D1 = 13 mm

D4 = d + 2a

D4 = 16 + (2 . 0,25) D4 = 16,5 mm

Maintenant, après avoir déterminé la géométrie de la vis à patin; on peut l'écrire comme suit : Tr 16 x 3 - 7e

Figure II-3 : Croquis d'un profil trapézoïdal NF E 03-615

II.2.2 Caractéristiques dimensionnelles de la vis à patin

Si on connaît le diamètre nominal de la vis à patin on peut extraire facilement les autres dimensions à partir du tableau II-2.

Tableau II-2 : Dimensions de la vis à patin (mm)

D'après le tableau II-2, on pourrait extraire facilement les paramètres géométriques de la vis à patin à utiliser dans le banc d'essai (Tableau II-3).

Figure II-4 : Croquis de la vis à patin

D1	L1	D2	D3	L2	L3	L5
M 16	125	12	11	12	5	5,3

Tableau II-3 : Paramètres géométriques de la vis à patin (mm) La figure II-4 montre les différentes dimensions de la vis à patin.

Il y a un point à signer ici étant qu'il est très intéressant de visualiser la vis à patin équipée d'une poignée. La figure II-5 donne une image expressive de cela, en plus d'un croquis portant la relation géométrique entre la vis et la poignée.

Figure II-5 : Photographie de la vis à patin équipée de la poignée

II.2.3 Calcul du couple admissible

Le couple admissible supporté par la vis se calcule par:

T TM TC W = i- ? ?	r dm ? La -I- i? ?? dm ? L ? dc l C . ) ?? ?L ? j] 2 it. --i. dm La ) 2		.(II-02)

CHAPITRE II ÉTUDE DU MÉCANISME DE CHARGEMENT DE LA BUTÉE 45 II.2.4 Calcul des contraintes

Dans notre cas les forces agissant sur la vis de transmission engendrent des contraintes de compression, de torsion et de flexion dans le corps de la vis. Pour calculer ces contraintes, on assimile notre vis à une barre cylindrique de diamètre à la racine des filets (dr) de la vis.

II.2.4.1 Contrainte de compression

La contrainte de compression de la vis se calcule par:

w

? A = .(II-03)

Ar

2

?

4
·w

? dr

?A

?A	4 8000 ·
	3 ,1 4 0 . 0 1 3 ·	2

On obtient :

ciA =60 ,3 8 MPa

Notre vis peut supporter des contraintes de compression allant jusqu'à 60,38 MPa. II.2.4.2 Contrainte de torsion

La contrainte de torsion se calcule par:

Tc

? = (II-04)

J

T			? dr		/2
?	?
		4 ? dr		/ 3 2

?

16

?

T

?

? d r 3

ô =834,8Mp

Notre vis peut supporter des contraintes de torsion allant jusqu'à 834,8 MPa. II.2.5 Vérification du flambage

Dans le cas où la charge en compression est trop grande, il y aura flambage de la vis .Il s'agit donc de déterminer quelle est la charge critique au-delà de laquelle cette instabilité mécanique se produira.

Lorsque le rapport d'élancement L/dr est inférieur à 9 (L/dr < 9), il ne se produite pas de flambage.

Ici L= L1-L2=125-12=113 mm et dr= 13 mm, donc : L/dr = 113/13 = 8,7 < 9

Effectivement, on évitera le cas de flambage.

II.2.6 Cisaillement des filets de la vis

La longueur Lcv nécessaire pour éviter le cisaillement des filets de la vis, sera donc obtenue de l'équation ci-dessous.

p ? W ? F S

0,577 ? ?

S,r

y

.(II-05)

p

Lcv n

= .

t P

?
·

dr

Soit :
Lcv	?	3 8000 4 · ·

Lcv = 1 1 . 3 2 mm

II.2.7 Cisaillement des filets de l'écrou

Un raisonnement semblable permet d'obtenir la longueur nécessaire de l'écrou si on veut éviter le cisaillement des filets de l'écrou (Lce). Cette longueur se calcule par :

p

0,

5 77 . ?

S ,r

p

?

W

·
·

dt

y P

· F S

Lce n

= .

Lce	?	3 8000 4 . ·

0,5 77 240 3,1 4 1 6 1,5

. .
·
·

Lce = 9,2 mm

II.3 Rondelle « Belleville »

Outre leur faible coût, ces rondelles ont l'avantage de pouvoir être associées de diverses manières, ce qui permet non seulement d'obtenir la raideur souhaitée pour l'ensemble, mais encore de créer des systèmes à raideur variable. Les formules donnant la résistance et la déformation de ces rondelles sont très complexes et sans intérêt pratique puisque généralement ces produits sont achetés dans le commerce. Toutefois, certaines rondelles spéciales, possédant des caractéristiques particulières, peuvent être fabriquées à la demande. La rondelle élémentaire a un diamètre intérieur d, un diamètre extérieur D, une épaisseur e et une hauteur à vide H. La flèche maximale sous charge vaut : h = H - e. la Figure II-6 montre le paramétrage d'une Rondelle «Belleville ».

Figure II-6 : Paramétrage d'une Rondelle «Belleville»

II.3.1 Caractéristiques dimensionnelles de la rondelle « Belleville»

Les caractéristiques dimensionnelles de la rondelle «Belleville »sont montrées sur la Figure II-7.

Figure II-7 : Géométrie d'une Rondelle «Belleville»

Il semble intéressant de détailler les symboles de la Figure II-7.

Di =16,3 mm

De = 31,5 mm

Lo = 2,15 mm

L1 = 1,48 mm

P1 = 0 à 8000 N

F1 = 2,15-1,48

F1 = 0,67 mm

e = 1, 25 mm

II.3.2 Association des rondelles

Les rondelles peuvent être empilées dans le même sens, en « paquets » ce qui veut dire en « série » comme le cas de notre banc d'essai. Un paquet de n rondelles identiques n'a que la flèche maximale h d'une rondelle unique, ici on prend n=6 comme le montre la Figure II-7, mais sa charge d'aplatissement est n P, donc 6P selon notre cas choisi précédemment ; si k est la raideur, supposée constante, d'une rondelle unique (k=3800 KN/m), la raideur K de l'ensemble est donc :

nP

K = = ..(II-06)

nk

h

K= 6 ? 3800

K =22800KN/m

II.4 Capteur de force

Le capteur de force (Figure II-8) permet de mesurer l'effort transmis sur le grain fixe de la butée. Ce capteur de conception robuste est adapté à la mesure de précision pour les bancs d'essais. De taille identique de 100 N à 20000 N, il est donc interchangeable sans modification mécanique. Il peut supporter des fortes surcharges en compression. De plus il est peu sensible

aux efforts transverses. Sa sortie analogique haut niveau intégrée au capteur lui confère, une grande polyvalence et une facilité d'utilisation et d'exploitation. L'amplification du signal et l'affichage des mesures s'effectue sur un indicateur numérique.

> Caractéristiques du capteur à utiliser sont :

o Etendues de mesure de 0 à 20000 N,

o Utilisation traction et compression,

o Bonne précision,

o Flasque de fixation, butées mécaniques hémisphériques en option, o Version haut niveau (amplificateur intégré).

	Dimensions en mm

Figure II-8 : Image du Capteur de force traction et compression Modèle FN3050

II.5 Douille à aiguille

II.5.1 Choix du type de Douille à aiguille

Le type de douille à aiguille envisagé pour le banc d'essai étant le type HMK 20 18L. Ce type de roulements (Figure II-9) dont la bague extérieure est mince, s'intègre dans des conceptions compactes. Le chemin de roulement de la bague extérieure est traité thermiquement afin d'avoir une certaine dureté. Ce type de roulement ne nécessite pas de segment d'arrêt, etc. pour le maintien axial, et de plus, il est facile à manipuler.

Figure II-9 : Série de roulement à forte capacité de charge

Par ailleurs, La figure II-10 reflète le paramétrage de ce type des roulements

Figure II-10 : Paramètres géométriques de la douille à aiguille Série HMK 20 18L

Le tableau II-4 montre les caractéristiques mécaniques de la douille à aiguille Série HMK 20 18L.

Tableau II-4 : Caractéristiques mécaniques de la douille à aiguille Série HMK 20 18L II.5.2 Montage du roulement

Toute douille à aiguille doit être parfaitement sertie dans le logement en utilisant un outil spécial en contact parfait avec la face latérale du roulement portant son identification. De plus, l'utilisation du marteau directement sur les douilles lors du montage est à proscrire.

Pour notre montage (sans épaulement), on va utiliser un mandrin avec un joint torique comme outil de montage, comme le montre la Figure II-11. Ceci permet d'insérer facilement une douille à aiguille dans un logement sans risque de torsion ou de chute.

Figure II-11 : Montage (sans épaulement) de la douille à aiguille II.6 Référentiel local de réduction des torseurs

L'axe (A, z ) est l'axe de rotation et de translation relative de la liaison, le point de réduction appartient à l'axe.

#172; Degré de mobilité

T_z et R_z sont dépendants. On a : pas x O_z = 27c x V_z . Le degré de liberté est égal à 1. 0_z = 2.1V_z

= V(1 I 6= pi I I? + Yy . - F Zi 1 A LV0/ 2 T(2 --> 1 VI)= ua'^YAiM(A )= Li + MT); + Ni r 1?=+Yy^.-FZI V(1 / 2 ^It.0^=3i T(2 --> 1 V (A)= ux1^, AiM(A )= Li + M.^--y' + le A

(II-07) (II-08)

La liaison hélicoïde est en générale associée à d'autres liaisons. Les fonctions techniques principales de la liaison hélicoïde sont :

Transformation de mouvement

Les paramètres importants sont notamment le jeu dans la liaison et la vitesse de glissement au contact vis / écrou.

Transmission d'un effort

Les déformations, le frottement, les pressions de contact sont des paramètres importants. C'est le cas de notre étude, à l'intermédiaire d'une vis à patin on vient de transmettre une charge appuyant sur le collet.

Figure II-12 : Mouvement de la vis

Pour la liaison parfaite : torseur cinématique Torseur d'actions transmissible

=

0 0

0

0 trE1/ E21

,E ¹ / E²

{VE1/ E2

?
?
?

w_Z

?

pas

w

Z

·

2r

E

1 / E2

,

X₁

?

2

? ?

?

1 -->2

N₀

?

2

? ? ? ?

M0,

y1-->

1 -->2

2

pas

· Z 1 ?

?

2

2r

L

1 -->2

X 1_>2 N0,

y 1-2 M0,

1 -->2

3 Z1,2

2

?

2r

Z 1 ?

L

w_Z

?

3co Z,E 1 / E2

,E 1 / E 2

=

0 0

0

0 trE1/ E2

{VE 1/ E2

?
?
?

?

? ?

?

?

?

?

? ?

1

f

0

0

[ X ₁__>2 N 0, 1 ->2

IVE 1/ E2 0 trE 1/ E2 y 1-->2 M0, 1 -->2

?? ? ?Z,E 1 / E2 ⁰.⁴⁸coZ,E 1 E2 LZ ₁,₂ #177; 0.48 Z₁,₂ j

Le pas de l'hélice correspond ici à la distance parcourue par un filet lors d'une rotation d'un tour autour de l'axe. Cette hélice possède un angle á qui correspond à son inclinaison par rapport à une perpendicularité à l'axe. La relation liant le pas à l'angle est :

tan pas a = Où r est le rayon de la vis

2

· Tr
·r

1

2 . 1r

tan a =

La liaison hélicoïde parfaite entre (1) et (2), de centre B, d'axe B_z , est modélisée par :

En statique :

Une résultante B portée par l'axe B_z ( ZB , 1 / 2 , par exemple) ;

Un moment Mt_b (B) porté aussi par cet axe ( LB , 1 / 2 , par exemple).

· Entre ces deux composantes existe la relation : LB , 1 / 2 = ZB , 1 / 2 · 2
· r pas ... (II-09)

LB , 1 / 2 = 0.48 ZB , 1 / 2

tI En cinématique :

VB , 1 / 2 : Vitesse linéaire d'E1/E2 sur l'axe Z

(DB , 1 / 2 : Vitesse de rotation d'E1/E2 sur l'axe Z

· Entre ces deux composantes existe la relation : VB , 1 / 2 =

(DB , 1 / 2 (II-10)

pas ·

2

VB , 1 / 2 =·0.48 (DB , 1 / 2

Figure II-13 : Schéma cinématique du banc d'essai

III.1 Préambule

D'abord, Le mécanisme d'entrainement de la butée est constitué de deux parties principales : la première partie semble un moteur électrique asynchrone triphasé, dont la puissance varie de quelques centaines de watts à plusieurs kilowatts. Cette catégorie des moteurs est la plus utilisée de tous les moteurs électriques à cause de sa simplicité de construction, d'utilisation et d'entretien, de sa robustesse et son faible prix de revient. La deuxième partie étant la courroie trapézoïdale regroupant tous les caractéristiques nécessaires pour transmettre la puissance de l'arbre moteur à l'arbre entrainé (la broche).

Effectivement, La transmission du mouvement est l'opération la plus importante qui se réalise au moyen d'une courroie trapézoïdale logée entre deux poulies dont l'une est à diamètre variable et permet ainsi à la broche d'avoir une gamme de vitesse entre 500 et 2868 tr/mn. A signaler que Le grain mobile (Collet) de la butée d'essai est monté par emmanchement conique sur l'arbre de la broche afin d'assurer un bon encastrement à l'arbre du grain mobile. D'autant que s'avérer mieux adaptable à des meilleures conditions de rigidité et précision, ensuite l'arbre de la broche est guidé en rotation par un pair de roulement à rouleaux coniques. Ces roulements, graissées à vie, sont connus pour leur capacité des charges axiales relativement élevées, et conviennent aux grandes vitesses de rotation.

On va commencer ce chapitre par l'élude de la première partie concernant le moteur asynchrone triphasé puisque ce dernier présente l'axe primordial du mécanisme d'entrainement ainsi l'élément indispensable du banc d'essai.

III.2 le moteur asynchrone triphasé

Du fait de sa simplicité de construction, d'utilisation et d'entretien, de sa robustesse et son faible prix de revient, la machine asynchrone est aujourd'hui très couramment utilisée comme moteur dans une gamme de puissance allant de quelques centaines de watts à plusieurs milliers de kilowatts. Toutefois l'emploi de ce type de moteur est évité en très forte puissance (P>10MW) car la consommation de puissance réactive est alors un handicap.

Le moteur asynchrone triphasé, dont la puissance varie de quelques centaines de watts à plusieurs mégawatts est le plus utilisé de tous les moteurs électriques. Son rapport coût/puissance est le plus faible. Associés à des onduleurs de tension, les moteurs asynchrones de forte puissance peuvent fonctionner à vitesse variable dans un large domaine (les derniers TGV, le Tram de Strasbourg,.....). La Figure III-1 donne une image réelle pour ce type de moteurs.

Figure III-1: Moteur asynchrone triphasé

En premier lieu, l'étude du moteur envisagé pour le banc d'essai commence par la désignation des caractéristiques du moteur asynchrone triphasé.

III.2.1 les caractéristiques du moteur asynchrone

III.2.1.1 Plaque à bornes

C'est sur la plaque à bornes (Figure III-2) située dans la boite à bornes, que sont raccordés les enroulements du moteur. C'est également sur cette plaque que vient de raccorder l'alimentation du moteur.

.

Figure III-2: Plaques à bornes

III.2.1.2 Plaque signalétique

Figure III-3: Plaque signalétique

La plaque signalétique du moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné porte les indications suivantes:

230 /400 V; 50 Hz; n = 2868 tr/min; IN = 11,13 A - 6,4 A (intensité nominale).

On se pose la question suivante : d'où vient la valeur 11,13A, pourtant n'est pas affichée sur la documentation technique (Tableau III-1). La réponse est facile, d'abord on signale que :

Tableau III-1: Documentation technique

Si on travaille sur une installation de 400 V (tension entre phases), il faudra coupler le stator en étoile.

Si on travaille sur une installation de 230 V (tension entre phases), il faudra coupler le stator en triangle

Dans le cas d'un couplage étoile (Y): U = 400 V ; Le courant de ligne est IN = 6,4 A ; cos q Í = 0,89

P_a = 3 U . I cosO .. (III-01)

P_a : puissance électrique absorbée, quelque-soit le couplage. Cette puissance est transmise au

stator de la machine.

P_a = 1,732 . 400. 6, 4 . 0,89

P_a = 3946W

Dans le cas d'un couplage triangle (Ä): U = 230 V ; Le courant de ligne est IN = x A ; cos q Í = 0,89

P_a = 3 U ? x cosç0_N .. (III-02)

P_a

x ?

3 U cos ço ? .

N

3946

x

?

1,732 230 0,89

.

.

x = 11,13A, alors I_N =11,13 A

P_U = 3 kW

N_R =2868tr/min

La vitesse de synchronisme N _S est la vitesse immédiatement supérieure (Tableau III-2), soit : N_S = 3000tr/min .Nous avons ici 1 paire de pôles magnétiques.

P	ns [tr/s]	ns [tr/min]
1	50	3000
2	25	1500
3	16.67	1000
4	12.5	750

Tableau III-2: Vitesses synchrones possibles pour f=50 HZ

Le rendement est : = 0,8 3

Le couple utile ou le couple nominal est : C_U =10 N.m

On peut vérifier la validité de la valeur du couple nominal en utilisant la loi suivante :

C_U

?

N

P P

U U

_. _

2ð n
? ?

(III-03)

60

C_U ?

3000

; C_U = 10 N.m

2 2868

·
·

,r

III.2.2 Le branchement du moteur au réseau électrique triphasé

Il y a deux possibilités de branchement du moteur au réseau électrique triphasé, Le montage en étoile et le montage en triangle (Figure III-4). Avec un branchement en étoile, la tension aux bornes de chacune des bobines est d'environ 230V. Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée avec la tension nominale du réseau (400V). On utilise le montage étoile si un moteur de 230V doit être relié sur un réseau 400V ou pour démarrer un moteur à puissance réduite dans le cas d'une charge avec une forte inertie mécanique.

Figure III-4: Image du branchement du moteur au réseau

III.3 Courroie

Les transmissions par courroies sont destinées à transmettre par adhérence, un mouvement de rotation entre deux arbres relativement éloignés. Ce sont des transmissions silencieuses, elles sont surtout utilisées aux grandes vitesses. Le domaine d'application est limité par:

Distance maximale entre les axes des poulies: 15 m pour les courroies plates et 3 m pour les trapézoïdales; Puissance transférée jusqu'à 1000 kW, Vitesses linéaires de courroie atteignant 80m/s, Réduction de vitesses allant à 8 fois et exceptionnellement à 15 pour les courroies trapézoïdales et à 5 fois et exceptionnellement à 10 pour les courroies plates.

III.3.1 Choix de type de courroie

L'utilisation des courroies trapézoïdales TEXROPE^® S 84 (Figure III-5) est aujourd'hui très efficace. Le point fort de ces courroies se trouve dans l'excellent équilibre existant entre l'effort de traction supportable par l'armature et la capacité de transmission par l'adhérence des flancs. Ainsi on peut ajouter les meilleures caractéristiques suivantes :

v' L'armature est constituée de câbles polyester traités haute résistance. Capable d'endurer les efforts de traction, elle supporte également les surcharges accidentelles ou cycliques,

v' La toile d'enveloppage confère l'adhérence, protège des agents extérieurs et résiste l'abrasion,

v' Le mélange interne transforme les efforts tangentiels sur les flancs en efforts longitudinaux dans l'armature,

v' Bonne résistance aux huiles minérales et à la température entre -30°C et +60°C (+80°C pour de courtes périodes),

v' Conformes aux normes ISO 4184, DIN 2215, NF T-47 141 et BS 3790,

Figure III-5: Courroie TEXROPE^® S 84

III.3.2 Paramètres géométriques

Les paramètres géométriques de la transmission par courroie sont représentés sur la Figure III-6.

Figure III-6: Paramètres géométriques de transmission par courroie

III.3.2.1 Diamètre des poulies

. Le diamètre de la poulie menant est à son tour obtenu par une formule empirique :

CHAPITRE III ÉTUDE DU MÉCANISME D'ENTRAÎNEMENT DE LA BUTÉE 60 Mt ₁ =10Nm

D 1 86,4 mm

Diamètre normalisé étant :

D 1 = 83mm

· Le diamètre de la poulie menée peut être obtenu par la relation suivante :

D₂ = D₁.( 1 -- e ) . u (III-05) u ? 1 . 3

e = 0 , 2 (conditions normales)

D₂ =1 05,74 mm

Diamètre normalisé étant : D₂ = 108mm

III.3.2.2 Angles d'enroulement de la courroie sur chaque poulie

Les angles d'enroulement de la courroie sur chaque poulie se calculent comme suit:

a₁ = 180°- 2y (III-06)

a₂ = 180 F + 2y (III-07)

D 2 D 1 ? D'oü : y = . ^0 57 2 a · y : le demi-angle entre les brins de la courroie.

(III-08)

I = 4,8 °

a₁ = 1 70,4°

a₂ = 1 8 9,6°

III.3.2.3 Entraxe a

Pratiquement, l'entraxe optimal des courroies trapézoïdales est déterminé par la formule empirique suivante :

1,5 2

D

a . (III-09)

³ u

a =1 48 , 62 mm

A signaler que L'entraxe réel est donné par la formule :

( ) ( ) ??

2 ?

a = ? ? ? ? A _ .

1 2

L L 8 D D

_

r ?? 2 1

8

... (III-10)

AL = 2 . L _r --ð. ( D₁+D₂) (III-11)

ar

1 8

?

? ??

5 96,6 +

( ) ( ) ?? 596,6 8 108 83 2 2 ? - -

a_r =1 48 , 625 mm

Donc, L'entraxe réel est :

a_r =1 48 , 625 mm

III.3.2.4 La longueur de la courroie L

La longueur théorique d'une courroie peut être calculée en utilisant la formule suivante :

( ) ( ) ²

D D

?

L = ? +

2 a

c

2

--

2 1

D D

+ + (III-12)

1 ² 4 a

?

L c = 5 98,1 6 mm

La longueur réelle est obtenue à partir du Tableau III-3 dont le cadre rouge montre le code de notre courroie A22 T. le choix de section est systématique.

L_r = 595,00 mm

Tableau III-3: Longueurs références pour courroie section "A"

III.3.2.5 Mesures dimensionnelles de la courroie

Les mesures dimensionnelles de la courroie trapézoïdale sont nettement montrées sur le Tableau III-4. On se concentre sur la section "A" qui se présente comme la section convenable à notre banc d'essai, mais il faut bien signaler que même la section "B" est aussi réalisable.

Tableau III-4: Dimensions de la courroie trapézoïdale

En effet, la Figure III-7 explique les symboles présentés sur le Tableau III-4.

Figure III-7: Paramétrage de la courroie trapézoïdale III.3.3 Paramètres cinématiques

Les paramètres cinématiques concernant les poulies motrices et réceptrices sont :

III.3.3.1 Vitesse de rotation N₁ de la poulie motrice (menant) La vitesse de rotation de la poulie motrice (menant) est : N ₁ =2868tr/mn

III.3.3.2 Vitesse linéaire v₁ de la poulie motrice (menant)

La vitesse linéaire de la poulie motrice (menant) est :

?₁

V1	? ?	? D ? 1	N1
		60

V₁ ? 1 2,46 m /s

III.3.3.3 Vitesse angulaire a₁ de la poulie motrice (menant) La vitesse angulaire de la poulie motrice (menant) est :

(0₁ = 2
· ,r
· N₁

III.3.3.4 Vitesse linéaire v₂ de la poulie réceptrice (menée)

La vitesse linéaire V2 de la poulie réceptrice (menée) est :

v₂ = v₁. ( 1 -- e)

Dans les conditions normales de service e = 1 à 2% . V₂ 1 2,2 1 m /s

III.3.3.5 Vitesse angulaire w₂ de la poulie réceptrice (menée) La vitesse angulaire de la poulie motrice (menant) est :

.

U) = .. (III-13)

1

2

u

u ? 1 . 3

? 2 23 0,9 1 rd / s

III.3.3.6 Vitesse de rotation N₂ de la poulie motrice (menant) La vitesse de rotation de la poulie réceptrice (menée) est :

?

2

?

? 2

?

N₂

N₂ =2206,2 tr/ mn

III.3.4 Paramètres dynamiques

Pour prévenir et régler les problèmes des courroies, il est nécessaire de les calculer et les dimensionner (Figure III-8).

Figure III-8: Paramètres dynamiques de transmission par courroie

+ Les paramètres essentiels pour ses calculs sont :

III.3.4.1 Forces de transmission

P 1 = F₁ ? v₁= Mt₁ ? co₁ (III-14)

Mt
· co

1 1

F (III-15)

1

v₁

Mt 1 = 10Nm ; co₁ = 3 00,1 84 rd /s ; v₁ ? 1 2,46 m /s F₁ =240,92 N

		. (III-16) (III-17)

60 p

?

? 3

? n₁

( )

F F

--

1 2

r ? ?

D 10

1

(III-18)

60

p

? 3

? n₁

F F

=

2 ¹ r ? ?

D 10

1

F 2 = 0,1 1 N

Figure III-9: Schéma des forces

F = F + F - 2
· F
· F
· cos a

2 ² F 0 ? F ₁ + F 2 .. (III-19)

0 1 2 1 2 1

F₀ =24 1,03 N Vérification.

F 0 ? F 1 ? F 2

F 0 ? 240,92 + 0,1 1 =24 1,03 .

Nparfaite concordance

ã petit où u = 1 , a₁ ?180 F. Au repos : F 1 = F 2 = F_i

Au repos : dans la courroie, la tension initiale est F_i F F F

2 2

= + --
·
·
· a =

2 F F cos 1 ( 1 )

F 2 1 cos

-- a (III-20)

OR i i i i i

u = 1, y 5

~ ° cos a₁ 1

= - F OR =
·

2 F i

F ₁ F 2
?

Au fonctionnement on pose: A =

F .. (III-21)

2

F₁ = F _i +AF et F 2 = F _i -LF

AF =1 20,4 N

F_i =120,52N

Pour accroître la puissance transmise (c'est-à-direF_i ) il faut augmenter la tension initiale F_i , mais la tension initiale est limitée par la contrainte admissible il existe une relation empirique exprimant la tension initiale pour les courroies trapézoïdales :

? 2

¹ CFc
· I/₁ (III-22)

F =C

*

z

?

^1/1

C 1
· = F0 --C_Fc
· v2

1 ... (III-23)

z

·

^1/1

C ₁
·P=z
·v _1(F0-- C Fc
· v ) (III-24) z = C₁. P

(III-25)

v₁ (F 0 CFc
· v) 1

P = 3000W ; F₀ =241,03N; C_Fc = 0 ,1 0 ; v ₁ =1 2,46 m/s

CFc : est un coefficient qui tient compte de l'influence de la force centrifuge et du type de

section de la courroie. z = 1,1 3

Le nombre des courroies à utiliser dans ce banc d'essai sera 1.

III.3.4.2 Tension dans la courroie

En considérant un élément de courroie en équilibre engagé sur la poulie on a : 1) Equilibre des forces verticales

?

?

F

? + dF)

dN

? d ? ?
?? ??

2

? d ? ?
?? ??

2

(III-26)

· sin

?

?

F

2

· sin

dN

dF

· sin

? d ? ?
?? ??

2

· sin

? d ? ?
?? ??

2

L'angle da est très petit et dF l'est aussi, alors on peut prendre :
? da da ?

d ? ?

sin ?? ?? ? et dF ? sin ?? ?? ? 0

2 2 ²

D'où :: F. da z.dN

2) Equilibre des forces horizontalesd ? d ? ?

? ? cos ?

?

F dF F cos ?

? ? ?? ?? ? ? ?? ?? ? ?

u dN (III-27)

2 2 J

? d? ? De même on peut prendre cos ?? ? ?? 1 2

, alors :

Sachant que : dF = u
· F
· da , alors :

F 2 a

1

dF
F

dF

u

· da

? ? ? ? ? ?

(III-28)

Figure III-10: Schéma des tensions

F1

0

u d ?

F

F 1 u ? ?

ln ? ? ? ? ?

u ? F F e

1 1 2

F ₂

e : la base du logarithme népérien = 2,718.

La relation ainsi trouvée est appelée l'équation d'Euler.

ln 240,92 = p
· 1 70,4

1 1

P

?

0,045

1

La tension initiale des courroies est indispensable pour garantir l'adhérence et assurer la transmission du mouvement. Un système à entraxe réglable ou un dispositif annexe de tension (galet enrouleur, tendeur etc.) est souvent nécessaire pour régler la tension initiale et compenser l'allongement des courroies au cours du temps.

III.3.4.3 Effet de la force centrifuge

Pour v <10 m/s, F_C << F₁ et peut être négligée. Mais pour v >10 m/s , F_C ne peut pas

être négligée.

Force centrifuge par unité de longueur de courroie :

F_C = p_l ? v2 (III-29)

pl: est la masse linéique par unité de longueur de courroie (kg/m), d'après le tableau III-5. On trouve : ?_l = 0,1 0 8 kg/ m

F_C =16,77 N

la masse d'un élément différentiel de courroie :

dm = pl · D · da 2

(III-30)

La force centrifuge élémentaire pour un angle d'enroulement da est :

²

dFC =^D
· co²
· dm= ^D
·W²' p₁ . d a = p1. v²
· da (III-31)

2 2

III.4 Variateur de vitesse

Une dynamo, située en bout de l'arbre de la broche, permet la transformation de l'énergie mécanique (Rotation) en énergie électrique (Tension). Le signal électrique obtenu est transmis à un tachymètre qui indique la vitesse de rotation de la broche en tr/mn. Les erreurs de lecture de la vitesse et de précision de la dynamo provoquent une incertitude de l'ordre de #177;25 tr/mn.

Le changement de la vitesse de la broche est assuré par un variateur de vitesse (Figure III-13 et III-14) qui, à l'aide d'un dispositif de commande (4), nous permet d'augmenter et de diminuer la vitesse de rotation de la broche en jouant sur le rapport de transmission. La variation du rapport de transmission K1,2 est obtenu par déplacement du flasque mobile (1b) commandé par un système de transformation de mouvement (Vis/écrou) non représenté sur la figure 16. A chaque translation d'amplitude Ax du flasque (1b) correspond une translation d'égale amplitude du flasque 2b. Ce dernier est équilibré axialement par l'action de la courroie (3) et du ressort comprimé (5).

Figure III-11: Schéma du variateur de vitesse de la broche

Figure III-12: Schéma d'entraînement de la butée III.5 Constituants du mécanisme d'entrainement

Le Tableau III-5 regroupe toutes les pièces nécessaires pour concrétiser le mécanisme d'entrainement pour la butée hydrodynamique.

14	Vis sans tête HC M6-10	01	EN-JL 1010
13	Vis M12.50	04	EN-JL 1060
12	Écrou HM12	04	EN-JM 1040
11	Roulement à rouleaux conique	02	EN-JM 1170
10	Entretoise	01	EN-JM 1170
09	Levier de réglage	01	EN-JS 1050
08	Cache intérieur	01	EN-JS 1050
07	Cache de broche	01	EN-JS 1050
06	Palier	01	E295
05	Courroie	01	FIBRES ACIER
04	poulie motrice (disque coulissent)	01	E360
03	Poulie réceptrice (disque fixe)	01	E335
02	Arbre	01	C40
01	Moteur électrique	01
REP	DESIGNATION	QTE	MATIERE

Tableau III-5: Liste des pièces constituant le mécanisme d'entrainement

IV. 1 Préambule

Dans ce chapitre, on va décrire en premier lieu les composantes de l'instrumentation permettant la réalisation des mesures suivantes :

La température sur le patin n°1 à l'interface film/patin fixe (9 thermocouples),

La température dans la rainure d'alimentation du patin n°1 (1 thermocouple),

La pression hydrodynamique sur le patin n°2 (2 prises), La pression hydrodynamique sur le patin n°6 (3 prises), Le débit d'huile,

L'épaisseur du film (3 capteurs de déplacement sans contact).

En deuxième lieu, on va décrire les composantes de l'instrumentation permettant le contrôle de la vitesse de rotation, la charge appliquée et la température d'alimentation.

Par ailleurs, on détermine la caractéristique du lubrifiant.

Enfin, on va expliquer les différentes étapes du déroulement d'un essai en révélant les écarts sur les mesures.

En vue de la préparation du mémoire aboutissant à l'obtention du grade de DOCTEUR DE L' UNIVERSITE DE POITIERS (France). Azzedine DADOUCHE a participé à la conception initiée par D. C. Ciobanu [CIOBANU92], en suivant la réalisation du dispositif d'essai, ce qui nous permet de voir la photographie générale du dispositif d'essai (Figure IV-1).

D'autre part, cette étude semble fructueuse sur tous les plans: la conception, l'instrumentation et la description des essais, et ce qui m'intéresse prépondérant est d'analyser la butée d'essai puisque figurant l'essentiel du mémoire.

Figure IV-1: Photographie du dispositif d'essai

IV.2 La Butée d'essai

IV.2.1 La composition de la butée d'essai

La butée d'essai est une butée hydrodynamique à huit patins fixes (Figure IV-2). Elle se compose de deux grains:

IV.2.1.1 Le grain fixe

Il se compose de deux disques, assemblés par quatre vis Chc et deux goupilles.

1) Le disque support : il est réalisé en acier XC48 (Figure IV-2),

2) Le disque à patins : il est réalisé en bronze CuSn8P (Figure IV-3).

Figure IV-2: Photographie de la butée montrant la position du disque support

Figure IV-3: Photographie du disque à patins

IV.2.1.2 Le grain mobile (Le collet)

Il est réalisé en acier 16NC6 (Figure IV-4). On le fixe sur la broche.

Figure IV-4: Photographie du collet

D'abord, il s'avère plus important de préciser les caractéristiques dimensionnelles de la butée d'essai, dont les conditions de fonctionnement font partie de notre recherche, puis on traite le sujet concernant la lubrification. Et cela on va le voir dans les pages suivantes :

IV.2.2 Les caractéristiques dimensionnelles et les conditions de fonctionnement de la butée d'essai

Les caractéristiques dimensionnelles et les conditions de fonctionnement de la butée d'essai sont présentées dans le Tableau IV-1.

Diamètre du grain mobile	Dgm	240 mm
Diamètre du disque support	Dds	240 mm
Diamètre extérieur du disque à patins	Dext	200 mm
Diamètre intérieur du disque à patins	Dint	106 mm
Epaisseur du disque support	eds	15 mm
Epaisseur du disque à patins	ep	15 mm
Nombre de patins	n	8
Largeur de la partie inclinée	Di	27 mm
Inclinaison du plan	ã	12'
Largeur des rainures	Lr	10 mm
Profondeur des goujures	Pg	1.5 mm
Vitesse de rotation	N	500 = N = 2600 tr/mn
Charge appliquée	W	1 = W = 8 KN
Température d'alimentation	To	35, 40, 45°C

IV.3 Mesure de la température

La température se mesure sur un seul patin (patin n°1) à l'interface film/patin fixe. Un ensemble de dix thermocouples de type K (Chromel-Alumel) sont utilisés (Figure IV-5), neuf sont implantés dans l'un des huit patins : cinq dans la partie inclinée et quatre dans la partie parallèle. Le deuxième thermocouple est implanté à l'entrée de la rainure d'alimentation du patin n°1 (Figure IV-6). La température s'affiche en °C sur un indicateur numérique par l'intermédiaire d'un sélecteur à des voies. Ce dernier reçoit les signaux des thermocouples et les communique à l'indicateur alimenté en 230 V qui, à son tour, alimente le sélecteur des voies (en 5 V).

Figure IV-5: Positions des thermocouples, des capteurs de déplacement et des prises de pression statique

Figure IV-6: Photographie de positionnement des thermocouples sur

le patin d'essai

IV.4 Mesure de la pression

Cinq orifices de 1mm de diamètre sont percés sur deux patins différents, deux sur le patin n° 2 et trois sur le patin n°6. Ces orifices sont répartis sur les deux plans : parallèle et incliné (Figure IV-5). La pression se mesure à l'aide de trois manomètres de vérification de type bourdon (M1, M2 et M3).les manomètres M1 et M2 permettent de mesurer la pression aux points 1 et 5. Leur plage de mesure est de 0 à 0,4 MPa et leur précision est de l'ordre de1%. Le manomètre M3 permet de donner la pression aux points 2, 3 et 4. Sa gamme de mesure atteint 2,5 MPa et sa précision égale à 0,5 %.

Les erreurs sur la lecture de la pression peuvent atteindre #177; 0,005 MPa pour les manomètres M1 et M2 et #177; 0,01 MPa pour le manomètre M3.

IV.5 Mesure Du débit

On suppose que le débit de fuite est égal au débit d'alimentation, la mesure du temps de l'écoulement d'huile entre deux niveaux différents dans le bac d'alimentation permet de calculer le débit Q par la relation suivante :

S.l

Q ? (IV-01)

t

S : Section du bac d'alimentation (constante),

l : Différence de niveaux d'huile dans le bac,

t : Temps de l'écoulement d'huile.

La mesure du temps (t) s'effectue plusieurs fois par essai (la pompe P1 doit être arrêtée) afin d'avoir une idée sur les erreurs de mesure et de pouvoir déterminer le débit moyen.

IV.6 Mesure de l'épaisseur du film d'huile

La mesure de l'épaisseur du film s'effectue à l'aide de trois capteurs de proximité sans contact à courant de Foucault (Vibrometer type TQ102), reliés à des conditionneurs des signaux IQS 603. Ces capteurs sont implantés sur la circonférence du disque support, et indiquent la distance entre les deux parois parallèles (stator et rotor) en fonctionnement.

Le signal recueilli sur une carte d'acquisition est moyenné sur un ou plusieurs tours. La sensibilité donnée (fournisseur) est de 8 mv/tm. L'étalonnage a été effectué à plusieurs reprises en statique et en dynamique sur le dispositif d'essai. Des écarts ont été remarqués sur les réponses de chaque capteur. Les courbes d'étalonnage ont été tracées et les relations entre les tensions (réponses des capteurs) et les déplacements ont été déterminés. Les sensibilités mesurées varient de 7,6 à 8 mv/tm (Figure IV-7) ;Où les données expérimentales

représentent les valeurs moyennes des différents essais effectués pendant l'étalonnage.

Lorsque les conditions de fonctionnement sont atteintes, l'opérateur arrête la machine, avant et après avoir relevé les différents paramètres. Ces arrêts nous permettent de déterminer la position de référence de chaque capteur de déplacement par rapport au grain mobile. Les écarts entre les différents paramètres relevés de la position de référence sont négligeables (1 à 3 .im).

Figure IV-7: Courbes d'étalonnage des capteurs de déplacement

Lors du contrôle de la surface lisse du grain mobile, on a remarqué qu'il y avait un défaut de perpendicularité qui varie de 5 à 9,5 .im en fonction du rayon du grain mobile (Figures IV-08)

Figure IV-8: Défaut de perpendicularité du grain mobile

La sensibilité de ces capteurs à l'hétérogénéité du matériau constituant le collet est remarquable. Les Figures IV-09, IV-10 et IV-11 présentent une comparaison, pour un tour du collet, entre les réponses des trois capteurs (placées sur un rayon de 100 mm) et la réponse d'un comparateur électronique de précision TESA (situés sur un rayon de 95 mm). Les différentes mesures sont relevées en statique. L'influence de l'hétérogénéité du matériau du collet sur la variation des réponses des capteurs est considérable. Pour tenir compte de ses défauts d'homogénéité lors des essais. Le signal de sortie des capteurs est moyenné sur plusieurs tours.

Figure IV-9: Réponses du capteur de déplacement (1) et du comparateur électronique en statique sur un tour du collet

Figure IV-10: Réponses du capteur de déplacement (2) et du comparateur électronique en statique sur un tour du collet

Figure IV-11: Réponses du capteur de déplacement (3) et du comparateur électronique en statique sur un tour du collet

IV.7 Ecarts sur les mesures

Pour contrôler la bonne reproductibilité des essais, certains essais sont répétés plusieurs fois .On observe les écarts sur les mesures en comparant les résultats d'une seconde compagne d'essais aux premiers résultats. Ces écarts sont dus aux incertitudes des appareils de mesures, aux erreurs de lecture et à la difficulté de reproduire exactement les mêmes conditions de fonctionnement.

À propos de l'épaisseur minimale du film les écarts observés ne dépassent pas 3 tm

pour toutes les conditions de fonctionnement. L'écart maximal sur la température est de1 °K.

En effet, Les écarts sur la pression sont globalement acceptables : ils sont généralement de l'ordre de grandeur des incertitudes. Cependant, ils peuvent être plus important (0,06MPa 5% de la pression maximale) quand le grain fixe est mésaligné lors de l'application de la charge. Afin de limiter les erreurs, il faut garder tout le temps l'alignement de la butée. Le tableau IV-2 montre les écarts observés sur le débit.

Tableau IV-2: Ecarts observés sur le débit

IV.8 Contrôle de la vitesse de rotation

Une dynamo, située en bout de l'arbre de la broche, permet la transformation de l'énergie mécanique (rotation) en énergie électrique (tension). Le signal électrique obtenu est transmis à un tachymètre qui indique la vitesse de rotation de la broche en tr/mn. Les erreurs de lecture de la vitesse et de précision de la dynamo provoquent une incertitude de l'ordre de #177; 25 tr/mn.

rotation de la broche en jouant sur le rapport de transmission. La variation du rapport de transmission _K1,2 est obtenu par le déplacement du flasque mobile (1b) commandé par un système de transformation de mouvement (vis/écrou) non schématisé sur la Figure IV-15. À chaque translation d'amplitude Ä_x du flasque (1b) correspond une translation d'égale amplitude du flasque 2b. Ce dernier est équilibré axialement par l'action de la courroie (3) et du ressort comprimé (5).

Figure IV-12: Schéma du variateur de vitesse de la broche

IV.9 Liste des instruments de mesures

La Liste des instruments des mesures est présentée par le Tableau IV-03, en rassemblant tous les instruments électriques et électroniques nécessaires pour le banc d'essai.

13	03	Voltmètre	CM-9940
12	01	Indicateur numérique	S200D
11	04	Disjoncteurs	GEWISS
10	04	Interrupteurs des régulateurs	SIE 17980
09	03	Manomètres	Type Bourdon
08	03	Conditionneur des signaux	Type IQS 603
07	03	Capteur de déplacement	FWA 025T
06	01	Dynamo	SIEMENS
05	01	comparateur électronique de précision	type TESA
04	01	Tachymètre	TAC 1600
03	03	Vibrometer	type TQ102
02	01	Capteur de force	Modèle FN3050
01	10	Thermocouples de type K	Chromel-Alumel
Repère	Quantité	Désignation	Qualité

Tableau IV-3: Liste des instruments des mesures

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CONCLUSION 79

CONCLUSION

D'abord, Les butées appartiennent à la catégorie des contacts surfaciques, pour lesquels les pressions dans le film restent relativement faibles c'est-à-dire inférieures ou de l'ordre de quelques dizaines de MegaPascal (quelques centaines de bars). Cela ne préjuge en rien de la valeur de la charge transmise par le contact. Ainsi certaines butées de grandes turbomachines supportent des charges de plusieurs milliers de kilo Newtons, mais compte tenu des dimensions des surfaces portantes où les pressions de contacts restent relativement faibles.

Dans la majorité des cas, la charge, la vitesse de rotation et les rayons extérieurs et intérieurs sont les données les plus significatives pour la sélection d'une butée. Il ne faut toutefois pas oublier la grande influence des conditions de fonctionnement sur le champ des températures situées dans la zone active du patin, ce qui concerne le rayon extérieur et la sortie tangentielle. Cependant, il y a d'autres données peuvent aussi influencer le choix d'une butée. Ce sont par exemple : la fréquence des démarrages, la durée des périodes d'arrêt la charge au démarrage, la température ambiante, etc.

Le dispositif expérimental est une butée à huit patins fixes, dont les caractéristiques dimensionnelles et les conditions de fonctionnement sont déployées clairement au quatrième chapitre. L'étude de conception pour cette catégorie des bancs d'essai exige une forte connaissance de la résistance des matériaux, afin de bien choisir le bon métal pour le bâti support, le choix des sections et les types de soudure convenant ; la plaque support de broche prend une importance particulière. D'autre part, on aurait besoin de savoir-faire envers les moteurs, les courroies, de plus, les vis à patin, les capteurs, les douilles à aiguilles et les variateurs de vitesse. D'autant qu'une très bonne maîtrise des instruments de mesure comme les thermocouples, Disjoncteurs, Manomètres, Tachymètres, Voltmètres, Interrupteurs des régulateurs, etc.

Le dispositif expérimental permet de mesurer la température et la pression à l'interface film/ patin d'autant que le débit de fuite de lubrifiant et la pression relative du grain fixe par rapport au grain mobile. Sans oublier de dire que les essais doivent être répétés plusieurs fois afin de préciser les mesures. Certes, l'étude expérimentale prend en compte les effets thermiques locaux et les déformations mécaniques. A signaler que les résultats expérimentaux des champs de pression hydrodynamique et de température peuvent être comparés à des calculs obtenus par une méthode des différences finies.

Références Bibliographiques

1. A. DADDOUCHE :

"Étude des phénomènes Thermiques dans les butées Hydrodynamiques", Thèse de Docteur de l'université de Poitiers, 1998.

2. J. FRENE, D. NICOLAS, B. DEGEURCE, D. BERTHE et M. GODET : "Lubrification Hydrodynamique Paliers et Butées",

Edition Eyrolles, Direction des Etudes EDF, 1990.

3. P. STÉPHAN & Y. IORDANOFF : "Butées et Paliers aérodynamiques", Techniques de l'ingénieur B 5 335.

4. M. DANA & J. DJERRAR :

"Simulation numérique des caractéristiques hydrodynamiques des butées à patin fixe", PFE d'Ingénieur d'État de l'Université de Tiaret, 1998.

5. A. BOUZIANE :

"Essai d'études de conception d'un banc d'essai pour butées hydrodynamiques",

PFE de Diplôme des Études Universitaires Appliquées de l'Université de Tiaret, 2004.

6. MOYENS DE LMS (LABORATOIRE DE MÉCANIQUE DES SOLIDES (UNIVERSITE DE POITIERS):

"Rapport d'activité 2003-2006".

7. S. THOMAS & P. MASPEYROT :

"Étude d'une butée hydrodynamique à patins fixes sous-alimentée", 16^ème Congrès Français de Mécanique,

Nice, 1-5 Septembre 2003.

8. J. FRENE & M. ARGHIR :

"Les contacts lubrifiés : différents régimes de lubrification", Université de Poitiers - Faculté des Sciences - SP2MI.

9. M. CARLIER : "Hydraulique générale et appliquée".

10. "Cours de constructions mécaniques" :

Institut de Génie mécanique,

Université de Tiaret - Faculté des sciences et sciences de l'Ingénieur.

RÉSUMÉ :

Ce projet est la première ébauche d'une étude de conception d'un banc d'essai pour butées hydrodynamiques. Cette étude comportant, en plus d'une recherche bibliographique, une conception d'un bâti support, d'un mécanisme d'entraînement, d'un dispositif de mesure ainsi que d'un dispositif de capture des mesures.

Cette étude porte sur des calculs de RDM, des calculs cinématiques et dynamiques et une étude des différents éléments du banc d'essai. Elle comporte aussi une liste des pièces mécaniques et des composantes électriques et électroniques nécessaires au montage du dispositif, ainsi que les plans d'ensemble et de détails des différentes pièces du bâti support et du mécanisme d'entraînement.

SUMMARY :

This project is the first outline of a design engineering of a test bench for hydrodynamic thrusts. This study comprising, in addition to one library search, a design of a structure, a mechanism of drive, a device of measurement as of a device of capture of measurements.

This study relates to calculations of RDM, calculations kinematics and dynamic and a study of the various elements of the test bench. It comprises also a list of the machine elements and components electric and electronic necessary to the assembly of the device, as well as the overall plans and of details of the various parts of the structure and the mechanism of drive.