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SI AM2 (2ᵉ année) · Chapitre C01 — Cotations GPS

Cotations GPS (dessin technique et tolérancement)

Résumé de cours : spécification géométrique des produits (GPS), tolérancement dimensionnel (ajustements ISO, système de l'alésage normal H), états de surface (rugosité \(R_a\)) et tolérancement géométrique (forme, orientation, position, battement — norme NF ISO 1101). Pas de TD officiel dans la source : la section « Exercices créés » propose 3 applications numériques originales. Source : S2I CM C01 — Cotations GPS (13 p., scan image).

Sommaire
📌 Fiche mémo — Cotations GPS
Principe d'indépendanceChaque exigence (dimensionnelle ou géométrique) doit être respectée seule, indépendamment des autres
Intervalle de tolérance\(IT=D_{max}-D_{min}=E_s-E_i\) ; \(E_i=D_{min}-D\), \(E_s=D_{max}-D\) (\(D\)=cote nominale)
Écriture ajustement\(\varnothing50\,\dfrac{H7}{g6}\) : alésage en MAJUSCULE, arbre en minuscule, cote nominale commune
Système de l'alésage normal HAlésage H toujours pris comme base, \(E_i=0\) systématiquement (dimension mini = cote nominale)
Jeu / serrage (système H)H/h et au-dessus (H/g, H/f...) → jeu ; H/p et en-dessous → serrage ; entre les deux → incertain
Mnémotechnique ajustementsH7g6 : glissant (jeu) ; H7m6 : maillet (serrage léger) ; H7p6 : presse (serrage fort)
Le seul à connaîtreH7/g6 : idéal pour positionner 2 pièces en gardant un jeu réduit
Qualité ITPlus le chiffre est bas, plus l'IT est petit (précis) ; qualités usuelles : IT5 à IT13 ; coût croît exponentiellement avec la précision
Rugosité \(R_a\)écart moyen arithmétique (moyenne des \(|Z(x)|\)) ; \(R_a{=}25\) rugueux, \(R_a{=}3{,}2\) fin moyen, \(R_a{=}0{,}2\) haut niveau
4 familles de tolérances géométriquesforme (seules, sans référence), orientation, position, battement (ces 3 dernières avec référence(s))
Tolérances de formeplanéité ▱, rectitude —, circularité ○, cylindricité ⌭, profil de ligne/surface
Tolérances d'orientation/positionparallélisme ∥, perpendicularité ⊥, inclinaison ∠, localisation ⊕, symétrie ≡, coaxialité/concentricité ◎
Lire une zone cylindrique \(\varnothing t\)l'axe réel doit rester à l'intérieur d'un cylindre de diamètre \(t\) — écart max au centre = \(t/2\) (le rayon, pas le diamètre !)
Angle max sur une longueur \(L\)pour une tolérance \(t\) de perpendicularité/parallélisme sur une hauteur \(L\) : \(\tan\theta_{max}=t/L\)

1. Principes et vocabulaire

Spécification géométrique des produits (GPS) Méthode normalisée (fin des années 1990) qui définit, à travers un dessin de définition : la forme, les dimensions et les états de surface d'une pièce assurant son fonctionnement optimal (dimensionnement + états de surface), et les dispersions autour de cet optimal pour lesquelles la fonction reste satisfaite (tolérancement). Deux types de spécifications :
  • Spécification dimensionnelle : la distance entre 2 points (bi-point) doit être comprise dans un intervalle de tolérance.
  • Spécification géométrique : l'élément mesuré (surface, ligne, point) ou un élément dérivé (axe, plan médian...) doit être compris dans une zone de tolérance donnée.
★ Principe d'indépendance Chaque exigence dimensionnelle ou géométrique spécifiée sur un dessin doit être respectée en elle-même, indépendamment des autres exigences (sauf indication particulière : exigence de l'enveloppe, principe du maximum de matière).
Piège classique Une spécification dimensionnelle ne limite pas les écarts de forme de la pièce ! Un diamètre coté Ø40±0,05 sans tolérance géométrique associée peut, en toute rigueur, être ovalisé ou courbé — seule une tolérance géométrique (circularité, rectitude...) l'interdit.
Vocabulaire — les 4 « niveaux » d'un élément Modèle nominal (dessin/CAO, parfait) → Pièce réelle (élément réel, avec défauts) → Représentation extraite (points/lignes relevés par la métrologie sur la pièce réelle) → Représentation associée (élément idéal — droite, cylindre... — ajusté au mieux sur les points extraits, c'est lui qu'on compare à la tolérance).

2. Tolérancement dimensionnel — ajustements ISO

Intervalle de tolérance (IT) Une spécification dimensionnelle limite les dimensions locales (bi-points, mesurables au pied à coulisse) dans un intervalle \((D_{min},D_{max})=(D+E_i,\,D+E_s)\) : \[E_i=D_{min}-D\ (\text{écart inférieur})\qquad E_s=D_{max}-D\ (\text{écart supérieur})\qquad IT=D_{max}-D_{min}=E_s-E_i\] Convention usuelle : cotes en millimètre [mm], tolérances en micromètre [µm] — cela permet de ne manipuler que des entiers.

2.1 Ajustement ISO

★ Écriture normalisée Une cote d'ajustement rassemble en une seule cote les dimensions tolérancées d'un arbre et d'un alésage destinés à être assemblés : cote nominale commune + classe de tolérance de l'alésage (lettre en MAJUSCULE, ex. H7) + classe de tolérance de l'arbre (lettre en minuscule, ex. g6) : \[\varnothing50\,\text{H7/g6}\qquad\text{ou}\qquad\varnothing50\ \begin{array}{l}\text{H7}\\\text{g6}\end{array}\] La lettre définit le système d'ajustement (position de l'IT par rapport au nominal), le chiffre définit la qualité (précision d'usinage, cf. IT5→IT13 les plus courants).

2.2 Système de l'alésage normal H

Système de l'alésage normal H (gauche) et de l'arbre normal h (droite) — étagement des lettres a→z autour de la ligne zéro
Système H (le plus utilisé) : l'alésage H est toujours pris comme base, \(E_i^{H}=0\) systématiquement. Les lettres a→z de l'arbre s'étagent de « jeu » à « serrage ».
C'est le système le plus utilisé (le plus simple pour choisir un ajustement) : l'alésage H est toujours pris comme base, sa dimension minimale est toujours égale à la cote nominale (donc \(E_i=0\) toujours pour un alésage H).
Jeu, serrage ou incertain ? À partir de H/h et au-dessus (H/g, H/f, H/e...) : toujours du jeu (croissant de h vers a). À partir de H/p et en-dessous (H/s, H/u...) : toujours du serrage (croissant de p vers z). Entre les deux (H/js, H/k, H/n...) : incertain (jeu ou serrage selon la pièce réelle, à l'intérieur des IT).
★ Moyen mnémotechnique
  • H7g6 : glissant (avec jeu) — assemblage possible à la main, guidage précis.
  • H7m6 : maillet (serrage « léger ») — assemblage au maillet, jeu incertain.
  • H7p6 : presse (serrage important) — assemblage à la presse.
Le seul ajustement à connaître par cœur : H7/g6, idéal pour positionner deux pièces en gardant un jeu réduit (guidage précis, cas très fréquent en construction mécanique).
Correspondance H/h On peut transposer en prenant l'arbre comme référence (système de l'arbre normal h, \(e_s^h=0\)). H7/g6 et G7/h6 donnent le même jeu ; de même H7/p6 et P7/h6.

3. États de surface

Rugosité \(R_a\) En plus des dimensions, on définit la qualité de réalisation des surfaces (NF EN ISO 1302). \(R_a\) (critère le plus utilisé) = écart moyen arithmétique : moyenne des valeurs absolues des écarts \(Z(x)\) du profil réel sur la longueur de base, exprimée en µm. L'indication se place sous la barre horizontale droite du symbole d'état de surface (procédé de fabrication au-dessus, \(R_a\) et paramètres complémentaires en-dessous).
\(R_a\) (µm)Qualité
25Surface très rugueuse (sciage, oxycoupage)
6,3Surface grossière
3,2Finition moyenne (usinage courant)
0,2Finition de haut niveau (rectification, rodage)
À retenir L'état de surface d'une pièce est une grandeur dépendante du sens dans lequel on la mesure (rugosité différente selon qu'on mesure dans le sens des stries d'usinage ou perpendiculairement).

4. Tolérancement géométrique

Généralités Les tolérances dimensionnelles usuelles ne suffisent pas à définir avec exactitude la forme géométrique d'un objet. Les tolérances géométriques corrigent cette insuffisance et précisent les variations permises — elles sont toujours plus restrictives que les tolérances dimensionnelles (elles s'y ajoutent, ne les remplacent pas).
Tableau des tolérances géométriques NF ISO 1101 : forme, orientation, position, battement, avec symboles normalisés
Les 14 types de tolérances géométriques normalisées (NF ISO 1101), classées en 4 familles.

4.1 Tolérances de forme — s'utilisent seules, sans référence

TypeS'applique àSignification
Planéitésurfacela surface réelle doit rester comprise entre 2 plans parallèles distants de \(t\)
Rectitudeaxe, lignechaque génératrice (ou l'axe) doit rester entre 2 droites parallèles distantes de \(t\), ou dans un cylindre \(\varnothing t\) pour un axe
Circularitécylindre, cônele contour de chaque section perpendiculaire à l'axe doit rester entre 2 cercles concentriques distants de \(t\)
Cylindricitécylindrela périphérie doit être contenue entre 2 cylindres coaxiaux distants de \(t\) (englobe rectitude + circularité)
Profil de ligne / surfaceligne, surfacele profil réel doit rester dans une bande/enveloppe de largeur \(t\) autour du profil théorique

4.2 Tolérances d'orientation, de position, de battement — nécessitent une référence

TypeSignification
Parallélisme ∥l'élément toléré doit rester entre 2 plans (ou 2 droites) distants de \(t\), parallèles à la référence
Perpendicularité ⊥l'axe (ou la surface) doit être compris dans une zone de largeur/diamètre \(t\) perpendiculaire à la référence
Inclinaison ∠idem, mais orienté d'un angle théorique donné par rapport à la référence (ni // ni ⊥)
Localisation ⊕l'élément (axe, plan médian, point) doit être situé dans une zone (cylindre, sphère...) centrée sur sa position théorique exacte, repérée par des cotes encadrées et une ou plusieurs références
Symétrie ≡le plan médian doit rester entre 2 plans distants de \(t\), disposés symétriquement par rapport au plan médian de référence
Coaxialité / concentricité ◎l'axe doit être contenu dans un cylindre \(\varnothing t\) coaxial à l'axe de référence
Battement simple / totalécart maximal mesuré (radial, axial ou oblique) pendant une rotation complète de la pièce autour de l'axe de référence
★ Repérage sur le dessin Une référence (lettre A, B, C…) se repère par un triangle plein sur l'élément concerné (ligne/surface directement, ou sur le prolongement de la cote pour un axe/plan médian). L'élément toléré se repère par une flèche partant du cadre de tolérance, de la même façon.

4.3 Exemple de remplissage d'un tableau de tolérance

Exemple d'analyse d'une spécification de localisation ⊕0,2 C : éléments réels, référence spécifiée, zone de tolérance
Analyse d'une spécification \(\oplus\,0{,}2\ C\) (localisation) : distinction entre éléments non idéaux (la pièce réelle) et éléments idéaux (le modèle utilisé pour juger la conformité).
★ Méthode de lecture d'une spécification
  1. Identifier le type de spécification (symbole) et la valeur \(t\) de tolérance.
  2. Identifier l'élément toléré (flèche) et la ou les référence(s) spécifiée(s) (triangle(s), lettres dans le cadre).
  3. Construire la référence : élément idéal (plan/droite parfait) tangent ou ajusté au mieux sur l'élément réel de référence.
  4. Construire la zone de tolérance : volume/surface idéal(e) de largeur \(t\), positionné(e) exactement (cotes théoriques, sans tolérance propre) par rapport à la référence.
  5. Condition de conformité : l'élément réel toléré doit être situé tout entier à l'intérieur de cette zone.

5. Exercices créés

Aucun TD officiel n'accompagne ce cours : les 3 exercices suivants ont été construits pour appliquer les notions ci-dessus (ajustement ISO, lecture de tolérance géométrique, calcul d'angle maximal).

Exercice A — Calcul d'un ajustement ISO ♦

Un arbre est monté dans un alésage selon l'ajustement \(\varnothing40\,\text{H7/g6}\). À l'aide des extraits de tables ISO du cours (plage de dimensions nominales 30 à 50 mm) : \(\text{H7}\) : \(E_i=0\), \(E_s=+25\,\)µm ; \(\text{g6}\) : \(e_s=-9\,\)µm, \(e_i=-20\,\)µm. Calculer les cotes limites de l'alésage et de l'arbre, puis le jeu minimal et le jeu maximal de cet assemblage. L'ajustement est-il cohérent avec la règle du cours (H7/g6 → jeu) ?

1) Cotes limites de l'alésage (H7)

\[D_{min}=D+E_i=40{,}000+0=40{,}000\ \text{mm}\qquad D_{max}=D+E_s=40{,}000+0{,}025=40{,}025\ \text{mm}\]

2) Cotes limites de l'arbre (g6)

\[d_{max}=D+e_s=40{,}000-0{,}009=39{,}991\ \text{mm}\qquad d_{min}=D+e_i=40{,}000-0{,}020=39{,}980\ \text{mm}\]

3) Jeu minimal et maximal

\[J_{min}=D_{min}-d_{max}=40{,}000-39{,}991=0{,}009\ \text{mm}=9\ \text{µm}\] \[J_{max}=D_{max}-d_{min}=40{,}025-39{,}980=0{,}045\ \text{mm}=45\ \text{µm}\]
\(J_{min}=9\,\)µm \(>0\) et \(J_{max}=45\,\)µm \(>0\) : l'assemblage a toujours du jeu (jamais de serrage, même dans le pire des cas) — cohérent avec la règle du cours (à partir de H/g, toujours du jeu). L'IT de l'alésage (\(25\,\)µm) est bien supérieur à celui de l'arbre (\(11\,\)µm), conformément à la remarque du cours.
Exercice B — Interprétation d'une tolérance de localisation ♦♦

Un trou de \(\varnothing12\) est spécifié \(\oplus\ \varnothing0{,}08\ A\), avec des cotes théoriques encadrées de 25 mm et 45 mm par rapport à la référence \(A\) (surface plane). Décrire la zone de tolérance, puis déterminer l'écart de position maximal admissible du centre du trou par rapport à sa position théorique, dans n'importe quelle direction du plan.

1) Description de la zone

Le symbole \(\oplus\) (localisation) avec une seule référence \(A\) et un diamètre de zone \(\varnothing0{,}08\) définit une zone cylindrique de diamètre 0,08 mm, d'axe perpendiculaire à \(A\), positionnée exactement par les cotes théoriques 25 et 45 mm (sans tolérance propre — c'est le rôle des cotes encadrées). L'axe réel du trou de \(\varnothing12\) doit être contenu tout entier à l'intérieur de ce petit cylindre.

2) Écart maximal du centre

Piège classique On donne le diamètre de la zone (0,08 mm), pas son rayon : l'écart maximal du centre par rapport à la position théorique, dans n'importe quelle direction, est donc la moitié du diamètre.
\[\text{écart maxi}=\dfrac{\varnothing0{,}08}{2}=0{,}04\ \text{mm}=40\ \text{µm}\] Le centre réel du trou peut se trouver n'importe où à l'intérieur d'un disque de rayon 0,04 mm centré sur la position théorique (25 ; 45), quelle que soit la direction de l'écart.
Exercice C — Perpendicularité : angle de désalignement maximal ♦♦

Une surface plane, de hauteur utile \(L=50\,\)mm, est spécifiée \(\perp\ 0{,}1\ A\) (perpendicularité par rapport à une référence \(A\)). Cette surface doit rester comprise entre 2 plans parallèles distants de \(t=0{,}1\,\)mm, perpendiculaires à \(A\). Déterminer l'angle maximal \(\theta_{max}\) dont la surface réelle peut s'écarter de la perpendicularité stricte.

Mise en équation

Dans le pire des cas, la surface réelle est un plan incliné qui reste tangent aux deux plans limites de la zone de tolérance sur toute la hauteur \(L\) : l'écart transversal maximal entre le haut et le bas de la surface est alors égal à la largeur de la zone \(t\) (cas limite où le défaut d'inclinaison « consomme » toute la tolérance sur la hauteur \(L\)). On a un petit triangle rectangle de côtés opposé \(t\) et adjacent \(L\) :

\[\tan\theta_{max}=\dfrac{t}{L}=\dfrac{0{,}1}{50}=0{,}002\]
\[\theta_{max}=\arctan(0{,}002)\approx0{,}115°\ (\approx6{,}9\ \text{minutes d'arc})\]

Interprétation physique : un écart angulaire supérieur à environ 0,115° ferait sortir la surface réelle de la zone de tolérance de 0,1 mm avant même d'atteindre la hauteur \(L=50\,\)mm — c'est donc bien la valeur limite admissible pour un défaut d'inclinaison pur (sans défaut de forme superposé).

À retenir Plus la hauteur de référence \(L\) est grande, plus l'angle maximal admissible \(\theta_{max}=\arctan(t/L)\) est petit à tolérance \(t\) égale — d'où l'usage de mesurer les défauts d'orientation sur la plus grande longueur utile disponible pour être plus exigeant (ou au contraire sur une longueur réduite si on veut assouplir la contrainte).

📂 Documents donnés

Ressources complémentaires (manuels de référence, non utilisés comme source principale)

Deux ouvrages de référence générale sont présents dans le dossier Moodle du chapitre (non copiés ici, trop volumineux — ~350 Mo et ~77 Mo) : Guide des Sciences et Technologies Industrielles (Fanchon, 2007) et Guide du Dessinateur Industriel (GDI, Chevalier, 2004). Ce sont des manuels généraux de mécanique/dessin technique, à consulter en complément si besoin — le cours ci-dessus est basé exclusivement sur le CM du prof.