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SII · C10 — Représenter & modéliser le comportement cinématique

C10 — Représenter et modéliser le comportement cinématique

Degrés de liberté (DDL) et torseur cinématique d'une liaison ; tableau des liaisons usuelles ; hypothèse de liaison parfaite ; construction d'un schéma cinématique ; modélisation des guidages (contact direct / modèle fonctionnel) ; liaisons équivalentes (parallèle : addition des blocages ; série : addition des DDL).

Sommaire du chapitre
📌 Fiche mémo — C10 Liaisons & schéma cinématique
DDL3 rotations + 3 translations ; toujours DDL + blocages = 6
Liaison parfaitesans jeu, rigidité infinie, sans limite d'amplitude/vitesse, bilatérale
Pivot1 DDL (\(R_x\)), torseur \(\{\omega_x\vec x;\ \vec0\}_O\)
Glissière1 DDL (\(T_x\)), torseur \(\{\vec0;\ v_x\vec x\}\)
Pivot glissant2 DDL (\(R_x,T_x\)), torseur \(\{\omega_x\vec x;\ v_x\vec x\}_O\)
Hélicoïdale\(R_x=T_x\) liés, torseur \(\{\omega_x\vec x;\ \pm\tfrac{p}{2\pi}\omega_x\vec x\}_O\)
Sphérique (rotule)3 DDL rotations, torseur \(\{\vec\Omega_{2/1};\ \vec0\}_O\)
Appui-plan3 DDL (\(R_z,T_x,T_y\))
Complémentarité DDL/effortlà où le mouvement est libre (DDL), l'effort transmis est nul ; là où il est bloqué, l'effort peut être non nul
Liaisons équivalentesparallèle (mêmes 2 solides) : addition des blocages ; série (via solides intermédiaires) : addition des DDL (composition de torseurs)
Modéliser un guidagecontact direct : géométrie des surfaces → liaison usuelle ; roulements : modèle fonctionnel (moins de blocages, souvent rotule/sphère-cylindre)

1. Résumé de cours détaillé

1.1 DDL & torseur cinématique

Degrés de liberté Les DDL sont les mouvements élémentaires indépendants autorisés : 3 rotations \(R_x,R_y,R_z\) + 3 translations \(T_x,T_y,T_z\). Un paramètre cinématique non nul = un DDL ; nul = un blocage. Toujours : DDL + blocages = 6.
Liaison cinématiquement parfaite Sans jeu, rigidité infinie, sans limite d'amplitude/vitesse, bilatérale. Les caractéristiques géométriques sont indépendantes des efforts.

1.2 Tableau des liaisons usuelles (à connaître)

LiaisonDDLBlocagesTorseur cinématique \(\{\mathcal V_{2/1}\}\)
Encastrement (complète)06\(\{\vec 0;\ \vec 0\}\)
Pivot axe \((O,\vec x)\)1 : \(R_x\)5\(\{\omega_x\vec x;\ \vec 0\}_O\)
Glissière direction \(\vec x\)1 : \(T_x\)5\(\{\vec 0;\ v_x\vec x\}\)
Hélicoïdale axe \((O,\vec x)\), pas \(p\)1 : \(R_x\!=\!T_x\) liés5\(\{\omega_x\vec x;\ \pm\tfrac{p}{2\pi}\omega_x\vec x\}_O\)
Pivot glissant axe \((O,\vec x)\)2 : \(R_x,T_x\)4\(\{\omega_x\vec x;\ v_x\vec x\}_O\)
Sphère à doigt centre \(C\)2 : \(R_y,R_z\)4\(\{\vec\Omega\!\cdot\!\vec x=0;\ \vec 0\}_C\)
Appui-plan normale \(\vec z\)3 : \(R_z,T_x,T_y\)3\(\{\omega_z\vec z;\ \vec V\!\cdot\!\vec z=0\}\)
Sphérique (rotule) centre \(O\)3 : \(R_x,R_y,R_z\)3\(\{\vec\Omega_{2/1};\ \vec 0\}_O\)
Cylindre-plan \((O,\vec x)\), normale \(\vec z\)4 : \(R_x,R_z,T_x,T_y\)2\(\{\vec\Omega\!\cdot\!\vec y=0;\ \vec V_A\!\cdot\!\vec z=0\}_A\)
Sphère-cylindre (linéaire annulaire) centre \(O\), dir. \(\vec x\)4 : \(R_x,R_y,R_z,T_x\)2\(\{\vec\Omega_{2/1};\ v_x\vec x\}_O\)
Sphère-plan (ponctuelle) normale \(\vec z\)5 : \(R_x,R_y,R_z,T_x,T_y\)1 : \(F_z\)\(\{\vec\Omega;\ \vec V_A\!\cdot\!\vec z=0\}_A\)
Libre60\(\{\vec\Omega;\ \vec V_A\}_A\)
Torseur d'action transmissible = complémentaire Là où le mouvement est libre (DDL), l'effort transmis est nul (liaison parfaite) ; là où il est bloqué, l'effort peut être non nul. Ex. pivot \((O,\vec x)\) : \(\vec M_{A}\cdot\vec x=0\) (pas de moment autour de l'axe) ; glissière \(\vec x\) : \(\vec R\cdot\vec x=0\).

1.3 Schéma cinématique & guidages

Construire un schéma cinématique 1) placer les éléments géométriques (points, axes, normales) en respectant parallélisme/perpendicularité ; 2) poser les symboles normalisés des liaisons (code couleur, orientation) ; 3) relier par des traits les symboles de même couleur. Un graphe des liaisons contient la même information (cercles = solides, arêtes = liaisons).
Modéliser un guidage Contact direct : identifier la géométrie des surfaces → zone de contact → liaison usuelle (plan/plan = appui-plan ; cylindre/cylindre même Ø = pivot glissant ; sphère/plan = ponctuelle…). Éléments roulants (roulements) : modèle fonctionnel (moins de blocages) — roulement 2 rangées = pivot ; 1 rangée avec rotulage = sphérique ou sphère-cylindre ; vis à billes = hélicoïdale.

1.4 Liaisons équivalentes

Règles Parallèle (\(n\) liaisons entre les mêmes 2 solides) : addition des blocages (il reste les DDL communs).
Série (liaisons en chaîne via des solides intermédiaires) : addition des DDL, par composition des torseurs : \(\{\mathcal V_{n/1}^{eq}\}=\{\mathcal V_{n/n-1}\}+\dots+\{\mathcal V_{2/1}\}\) (exprimés au point commun aux domaines de validité).
Exemple (série) Sphérique (centre \(A\), 3 rotations) + glissière (\(\vec y\)) en série \(\to\) torseur \(\{\vec\Omega_{1/2};\ v\vec y\}_A\) : 4 paramètres (3 rotations + 1 translation) = sphère-cylindre de centre \(A\), direction \(\vec y\).

2. Exercices d'entraînement (créés) avec corrections

Exercice A — Identifier une liaison par son torseur♦◊◊
\(\{\mathcal V_{2/1}\}=\{\omega_x\vec x;\ v_x\vec x\}_A\). Quelle liaison ?

2 paramètres non nuls : rotation \(R_x\) + translation \(T_x\) (même axe) → 2 DDL, 4 blocages.

Pivot glissant d'axe \((A,\vec x)\)

Exercice B — Liaison équivalente (2 pivots coaxiaux en parallèle)♦♦◊
Deux pivots de même axe \((O,\vec x)\) montés en parallèle entre (1) et (0).

Parallèle → addition des blocages. Chaque pivot bloque tout sauf \(R_x\) ; l'union bloque encore tout sauf \(R_x\).

Équivalent : pivot d'axe \((O,\vec x)\) (les deux pivots coaxiaux se comportent comme un seul)

3. Correction du TD

Source : S2I-C10-TD (représenter/interpréter un schéma cinématique ; liaisons équivalentes). Pas de corrigé officiel → résolu maison. Beaucoup de questions sont graphiques (schémas) ; on restitue les résultats de modélisation.

Exercice 1.4 — Liaisons équivalentes en série♦♦◊

Sphérique (\(A\)) + glissière (\(\vec y\)) en série

Composition : \(\{\vec\Omega;\ \vec 0\}_A+\{\vec 0;\ v\vec y\}_A=\{\vec\Omega;\ v\vec y\}_A\) → 4 DDL (3 rot. + \(T_y\)).

Sphère-cylindre de centre \(A\), direction \(\vec y\)

Sphérique (\(A\)) + sphérique (\(B\)) en série (biellette)

Deux rotules reliées par une barre rigide \(AB\) : translation possible le long de \(AB\) + rotations.

Sphère-cylindre de direction \(\vec{AB}\) (modèle d'une biellette)

Exercice 2.2 — Guidage en rotation par 2 roulements à billes♦♦♦
Axe (1) guidé / bâti (0) par 2 roulements ; l'angle de rotulage n'est pas négligeable.

Q1–Q2 — Modèle de chaque roulement

Roulement A (arrête aussi la translation axiale) : rotulage → 3 rotations mais pas de translation → sphérique (rotule) de centre \(A\) : \(\{\mathcal V\}=\{\vec\Omega_{1/0};\ \vec 0\}_A\).

Roulement B (libre axialement) : rotulage + glissement axial → sphère-cylindre de centre \(B\), direction \(\vec x\) : \(\{\mathcal V\}=\{\vec\Omega_{1/0};\ v_x\vec x\}_B\).

Q3–Q5 — Liaison équivalente (parallèle)

Les deux roulements relient (1) à (0) → parallèle → addition des blocages. Sphérique bloque \(T_x,T_y,T_z\) ; sphère-cylindre bloque \(T_y,T_z\). De plus, les 2 centres \(A,B\) alignés sur \(\vec x\) bloquent \(R_y,R_z\). Il ne reste que \(R_x\).

Équivalent : pivot d'axe \((AB)=(O,\vec x)\), torseur \(\{\omega_x\vec x;\ \vec 0\}_O\) (montage classique : une rotule fixe axialement + un palier libre pour éviter l'hyperstatisme)

Exercice 2.3 — Pompe à pistons axiaux (patins)♦♦◊
Arbre à plateau incliné → mouvement alternatif des pistons via patins bronze.

Q3 — Liaison équivalente piston / plateau

Le piston (via patin) appuie sur le plateau incliné : contact → liaison qui autorise le glissement du patin sur le plateau + rotations. Transformation rotation continue → translation alternative.

Modèle : appui-plan (patin/plateau) en série avec les liaisons du piston → mouvement alternatif

Q5 — Rôle des patins

Les patins bronze réduisent le frottement (meilleur rendement, moins d'usure) entre piston et plateau incliné, en transformant un contact ponctuel/linéique glissant en un appui-plan lubrifié.

Exercice 2.4 — Liaison équivalente par une biellette♦♦◊
Biellette (6) sphérique aux 2 extrémités (\(C\) côté plateau 4, \(B\) côté pale 7), \(\vec{CB}=L\vec x_6\).

Q1–Q3 — Équivalent \(L_{4/7}\)

\(L_{4/6}\) sphérique en \(C\) + \(L_{6/7}\) sphérique en \(B\), en série : \(\{\vec\Omega_{4/6};\vec 0\}_C+\{\vec\Omega_{6/7};\vec 0\}_B\). En exprimant en \(C\), la translation le long de \(\vec{CB}\) apparaît.

Équivalent : sphère-cylindre de centre \(C\), direction \(\vec x_6\) (la biellette transmet un effort uniquement selon son axe)

Bilan C10 Chapitre référence : connaître le tableau des liaisons usuelles (nom, caractéristiques géométriques, symboles, DDL, torseur) et savoir modéliser un guidage (contact direct → analyse des contacts ; roulements → modèle fonctionnel). Les liaisons équivalentes se déduisent : parallèle = somme des blocages, série = somme des DDL (composition de torseurs). Socle indispensable pour toute l'analyse cinématique (C03) et statique (C08) des mécanismes. Beaucoup d'exercices sont des tracés de schémas cinématiques (EPAS, plateau cyclique, capteur fin de course).

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