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SII · C11 — Transmetteurs non linéaires

C11 — Comportement cinématique et statique d'un transmetteur non linéaire

Loi entrée-sortie d'un mécanisme en chaîne fermée : en position (\(x=f(\alpha)\)), en vitesse (\(v_s=\omega_e\,f'(\alpha)\)) et en effort (\(\tfrac{\text{effort}_s}{\text{effort}_e}=\tfrac{\eta}{f'}\)). Quatre méthodes : fermeture géométrique, fermeture cinématique, propriété angulaire, non-pénétration au contact. Mécanismes usuels : bielle-manivelle, 3 et 4 barres, cames, joints de cardan et d'Oldham.

Sommaire du chapitre
📌 Fiche mémo — C11 Transmetteurs non linéaires
Loi E/S en positionrelation entre paramètres de position : \(x=f(\alpha)\)
Loi E/S en vitessedérivée de la loi en position : \(v_s=\omega_e\,f'(\alpha)\) (proportionnelle, coefficient \(f'\) dépendant de la position)
Loi E/S en position depuis la vitesseintégration, constante déterminée par une « condition initiale »
Loi E/S statiqueéquilibre/permanent/quasi-statique, liaisons parfaites (\(P_s=P_e\)) : \(\tfrac{\text{effort}_s}{\text{effort}_e}=\tfrac1{f'}\)
Avec rendement\(P_s=\eta P_e\) : \(\tfrac{\text{effort}_s}{\text{effort}_e}=\tfrac{\eta}{f'}\)
Éliminer un angle \(\beta\)\((R\cos\beta)^2+(R\sin\beta)^2=R^2\)
Éliminer une distance \(\lambda\)\(\lambda\sin\beta\,/\,\lambda\cos\beta=\tan\beta\)
\(A\cos\alpha+B\sin\alpha\)\(=\sqrt{A^2+B^2}\,\cos(\alpha-\varphi)\), \(\varphi=\arctan\tfrac BA\ [\pi]\)
Bielle-manivelle\(x=e\cos\alpha+\sqrt{L^2-e^2\sin^2\alpha}\) ; \(\dot x=-e\,\dot\alpha\,\tfrac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}\)
Cardan\(\tfrac{\omega_2}{\omega_1}=\tfrac{\cos\gamma}{1-\sin^2\gamma\cos^2\theta_1}\) (non homocinétique) ; Oldham : \(\omega_2=\omega_1\)
Fermeture géométrique\(\vec{AB}+\vec{BC}+\dots+\vec{DA}=\vec0\) → projeter dans la base de référence → éliminer les paramètres intermédiaires (ou norme au carré)
Fermeture cinématiquecomposer les torseurs \(\{\mathcal V_{n/0}\}=\{\mathcal V_{n/n-1}\}+\dots+\{\mathcal V_{1/0}\}\), choisir le point, projeter pour éliminer l'inconnue
Contact came\(\vec V_{B\in2/1}\cdot\vec n=0\) (non-pénétration, liaison sphère-plan)

1. Résumé de cours détaillé

1.1 Loi entrée-sortie cinématique d'un mécanisme en chaîne fermée

Un transmetteur en chaîne fermée n'a qu'une seule liaison « motorisée » (celle qui reçoit la puissance de la chaîne d'énergie). À cause de la boucle, le mouvement de cette seule liaison entraîne celui de tout le mécanisme. Exemple du cours : une barrière — le solide 1 tourne en continu (motoréducteur) et la bielle fait osciller le solide 4 qui porte la lisse. Le même mouvement d'entrée donne ainsi un mouvement de sortie alternatif : c'est un transformateur de mouvement.

Définitions Les grandeurs d'entrée et de sortie sont associées à des DDL de liaisons : paramètres cinématiques des torseurs cinématiques et paramètres de position associés.
• Loi E/S en position : relation entre des paramètres de position des liaisons, ex. \(x=f(\alpha)\).
• Loi E/S en vitesse : relation entre des paramètres cinématiques des liaisons, ex. \(v_s=g(\omega_e)\).
Passage position ↔ vitesse Dérivation temporelle de la loi en position ⟹ loi en vitesse : si \(x=f(\alpha)\), alors \[\dot x=\frac{d f(\alpha(t))}{dt}=\dot\alpha\,f'(\alpha)\qquad\text{soit}\qquad \boxed{v_s=\omega_e\,f'(\alpha)}\] Intégration de la loi en vitesse ⟹ loi en position, à une constante près, fixée par une position particulière du mécanisme (« condition initiale »).
À chaque instant la grandeur de sortie est proportionnelle à la grandeur d'entrée ; le coefficient de proportionnalité dépend de la position (ici de \(\alpha\)) : c'est ce qui rend le transmetteur non linéaire.
Piège « Non linéaire » ne veut pas dire « non proportionnel » : en vitesse, la sortie reste à chaque instant proportionnelle à l'entrée. Mais le rapport \(f'(\alpha)\) varie au cours du mouvement (contrairement à un réducteur où \(i\) est constant). En position en revanche, la relation \(x=f(\alpha)\) n'est pas proportionnelle (sinusoïdale, etc.).

Exemple du cours (système bielle-manivelle) : 4 liaisons, donc 4 DDL / 4 paramètres cinématiques. Torseurs retenus : \(\{\mathcal V_{1/0}\}=\{\omega_{10}\vec z_0;\vec 0\}_O\) avec \(\omega_{10}=\dot\alpha\) et \(\{\mathcal V_{3/0}\}=\{\vec0;v_{30}\vec x_0\}\) avec \(v_{30}=\dot x\). Les grandeurs d'E/S sont \(\omega_e=\omega_{10}\) et \(v_s=v_{30}\).

1.2 Loi entrée-sortie statique (en effort)

Conditions et résultat Hypothèses : le mécanisme ne comprend que les sollicitations associées aux actions d'entrée et de sortie, ou les efforts résistants sont caractérisés par un rendement en régime permanent. On applique le théorème de l'énergie cinétique à l'ensemble du mécanisme. Si \(\dfrac{\text{paramètre cinématique sortie}}{\text{paramètre cinématique entrée}}=f(\text{paramètres de position})\), alors :
• à l'équilibre, en régime permanent ou quasi-statique, liaisons parfaites (\(P_s=P_e\)) : \(\boxed{\dfrac{\text{paramètre en effort sortie}}{\text{paramètre en effort entrée}}=\dfrac1{f(\text{positions})}}\)
• en régime permanent / quasi-statique avec rendement \(\eta\) (\(P_s=\eta\,P_e\)) : \(\boxed{\dfrac{\text{effort}_s}{\text{effort}_e}=\dfrac{\eta}{f(\text{positions})}}\)

La grandeur en effort de sortie est donc proportionnelle à celle d'entrée, avec un coefficient qui dépend de la position. Interprétation : si la vitesse est « démultipliée » dans une position (\(|f'|\) petit), l'effort est « multiplié » dans cette même position (\(1/|f'|\) grand) — c'est le principe du levier / de la conservation de la puissance.

1.3 Les 4 méthodes pour obtenir une loi E/S d'une chaîne fermée

Après avoir identifié les paramètres d'entrée et de sortie :

#MéthodeDonne directement
1Fermeture géométriqueloi en position (puis vitesse par dérivation)
2Fermeture cinématiqueloi en vitesse (puis position par intégration)
3Produit scalaire (angle constant)loi en position (propriété angulaire)
4Condition de non-glissement / non-pénétrationloi en vitesse (contact)

1.4 Fermeture géométrique

Démarche (loi E/S en position) 1. Écrire la relation de Chasles en parcourant la chaîne fermée entre les points caractéristiques des liaisons : \(\vec{AB}+\vec{BC}+\dots+\vec{DA}=\vec0\).
2. Projeter dans une base choisie pour faire apparaître les paramètres d'E/S et éliminer les paramètres intermédiaires (en général la base de référence). On obtient 3 équations scalaires pour un modèle spatial (2 pour un modèle plan).
3. Éliminer les paramètres intermédiaires en combinant les équations
OU écrire la norme au carré d'un des termes de la fermeture : \(\|\vec{AE}\|^2=(\vec{AB}+\vec{BC}+\dots+\vec{DE})^2\).

Outils trigonométriques d'élimination

Éliminer un angle \(\beta\) présent dans deux équations Si (1) \(R\cos\beta=f(\alpha,\lambda)\) et (2) \(R\sin\beta=g(\alpha,\lambda)\), alors \((1)^2+(2)^2\) donne \(R^2=f^2+g^2\), car \((R\cos\beta)^2+(R\sin\beta)^2=R^2(\cos^2\beta+\sin^2\beta)=R^2\).
Éliminer une distance \(\lambda\) en facteur d'un cosinus et d'un sinus Si (1) \(\lambda\cos\beta=f(\alpha)\) et (2) \(\lambda\sin\beta=g(\alpha)\), alors \((2)/(1)\) donne \(\tan\beta=\dfrac{g(\alpha)}{f(\alpha)}\).
Retrouver un angle à partir d'une fonction trigonométrique (\(n\in\mathbb N\), \(|A|\le1\)) \(\sin\alpha=A\Rightarrow\alpha=(-1)^n\arcsin A+n\pi\) ; \(\cos\alpha=A\Rightarrow\alpha=\pm\arccos A\ [2\pi]\) ; \(\tan\alpha=B\Rightarrow\alpha=\arctan B\ [\pi]\). Toujours avec les précautions sur le signe de \(g(\alpha)\) et le domaine des fonctions inverses.
Somme de sinus et cosinus \[A\cos\alpha+B\sin\alpha=\sqrt{A^2+B^2}\,\cos(\alpha-\varphi),\qquad \varphi=\arctan\frac BA\ [\pi].\] Preuve : on pose \(\cos\varphi=\dfrac{A}{\sqrt{A^2+B^2}}\) et \(\sin\varphi=\dfrac{B}{\sqrt{A^2+B^2}}\) (on a bien \(\cos^2\varphi+\sin^2\varphi=1\) et \(\tan\varphi=B/A\)). Alors \(A\cos\alpha+B\sin\alpha=\sqrt{A^2+B^2}(\cos\varphi\cos\alpha+\sin\varphi\sin\alpha)=\sqrt{A^2+B^2}\cos(\alpha-\varphi)\).
Équation \(A\cos\alpha+B\sin\alpha=C\) avec \(\left|\dfrac{C}{\sqrt{A^2+B^2}}\right|\le1\) : \(\cos(\alpha-\varphi)=\dfrac{C}{\sqrt{A^2+B^2}}\), donc \(\alpha=\pm\arccos\dfrac{C}{\sqrt{A^2+B^2}}\ [2\pi]+\arctan\dfrac BA\ [\pi]\). Les « bonnes » solutions se choisissent d'après la géométrie du système. (Autre pose possible : \(\sin\varphi=\tfrac{A}{\sqrt{A^2+B^2}}\), \(\cos\varphi=\tfrac{B}{\sqrt{A^2+B^2}}\), \(\tan\varphi=\tfrac AB\), \(\sin(\alpha+\varphi)=\tfrac{C}{\sqrt{A^2+B^2}}\).)

1.5 Fermeture cinématique

Démarche (loi E/S en vitesse) 1. Écrire la composition des torseurs cinématiques en parcourant la chaîne fermée : \(\{\mathcal V_{n/0}\}=\{\mathcal V_{n/n-1}\}+\dots+\{\mathcal V_{2/1}\}+\{\mathcal V_{1/0}\}\). On obtient 2 équations vectorielles de fermeture : fermeture du vecteur vitesse angulaire et fermeture du vecteur vitesse en un point.
2. Selon les domaines de validité des liaisons et les paramètres d'E/S à faire apparaître, choisir : l'équation vectorielle (rotation ou vitesse) ; le point de composition (en général le point d'intersection des domaines de validité des liaisons intermédiaires) ; la direction de projection.

1.6 Propriété angulaire (produit scalaire)

Démarche (loi E/S en position) Écrire le produit scalaire qui traduit la particularité angulaire du système : \(\vec x_i\cdot\vec x_j=\text{constante}\) (\(=0\) si les vecteurs sont orthogonaux). Il s'agit de la conservation, imposée par certaines liaisons, d'un angle pendant le mouvement (ex. les deux axes perpendiculaires du croisillon d'un joint de cardan).

1.7 Mécanismes de transformation de mouvement usuels

Mécanisme 3 barres / système bielle-manivelle (à connaître)

Fermeture géométrique dans un triangle déformable (A, B, C) avec un angle et une longueur variables, avec ou sans transformation de mouvement. Le système bielle-manivelle : (1) manivelle, (2) bielle, (3) coulisseau. Utilisé dans les moteurs, compresseurs… Entrée / sortie : \(\alpha\) et \(x\).

ABC123αβx = ACAB = eBC = Lx⃗₀y⃗₀
Bielle-manivelle (dessinée pour \(e=50\) mm, \(L=200\) mm, \(\alpha=60^\circ\)) : manivelle (1) \(AB=e\), bielle (2) \(BC=L\), coulisseau (3) en glissière de direction \(\vec x_0\). \(\vec x_1\) dirige \(\vec{AB}\) (angle \(\alpha\) avec \(\vec x_0\)), \(\vec x_2\) dirige \(\vec{BC}\) (angle \(-\beta\)).

Variantes (cours) : coulisseau désaxé ; 3 barres avec bielle de longueur variable pilotée (par un vérin électrique par exemple) ; 3 barres avec bielle de longueur variable non pilotée (liaison sphère-cylindre non pilotée) qui transforme une rotation continue en rotation alternative.

Obtenir la relation E/S en position (3 barres) • projeter la relation vectorielle dans la base de référence des angles, puis éliminer l'angle en trop (sans nécessairement développer la relation) ;
• ou écrire la longueur au carré de la bielle (d'une manière générale, du côté opposé à l'angle à conserver) : c'est la relation d'Al-Kashi.

Mécanisme 4 barres

Fermeture géométrique dans un quadrilatère déformable (A, B, C, D), souvent avec des pièces de longueurs constantes. (1) et (3) sont les manivelles, (2) la bielle ; l'entrée est généralement sur une manivelle et la sortie est soit la deuxième manivelle, soit la bielle. Les lois obtenues sont très variables selon les longueurs relatives. Méthode : fermeture géométrique, projection dans la base de définition des angles, élimination de l'angle intermédiaire — une résolution numérique est souvent pertinente.

Cas du parallélogramme déformable Si le quadrilatère est un parallélogramme (côtés opposés égaux), la bielle effectue une translation circulaire (tous ses points décrivent des cercles identiques, sans tourner) : un transformateur rotation → translation circulaire. Une analyse géométrique suffit : la sortie est identique à l'entrée (\(\theta_{sortie}=\theta_{entrée}\)).

Système à came

Une came couple le mouvement de 2 pièces par contact. Cinématiquement, le contact (supposé ponctuel) impose le maintien d'un point sur une surface : c'est une liaison sphère-plan (ou sphère-cylindre). La surface peut être plane ou cylindrique (structures simples) ou beaucoup plus complexe pour imposer des lois de mouvement particulières (par exemple avec continuité de la dérivée de l'accélération).

CameContrainte imposéeTransformationRemarques
à plateau axialle point de contact reste sur un planrotation continue → translation alternative sinusoïdaledirections perpendiculaires ; \(x_{max}=R+e\), \(x_{min}=R-e\) ; amplitude \(=2e\)
à plateau inclinéle point de contact reste sur un planrotation continue → translation alternative sinusoïdaledirections parallèles
circulaire excentréele point de contact reste sur un cerclerotation continue → translation alternativeamplitude \(=2e\) (\(e\) : excentricité)
Loi E/S d'une came • Loi géométrique : écrire une fermeture géométrique passant par le point de contact.
• Loi cinématique directe : fermeture cinématique en vitesse au point de contact, projetée sur la normale au contact : propriété de la liaison sphère-cylindre (non-pénétration), \(\ \vec V_{B\in2/1}\cdot\vec n=0\).

Joint d'accouplement

Un joint d'accouplement couple le mouvement de 2 arbres en rotation dont les axes ne sont pas confondus. Il est dit homocinétique si la vitesse angulaire de sortie vaut, à tout instant, celle d'entrée.

JointDescriptionPropriétéMéthode
Cardan(1) et (2) = fourches ; (3) = croisillon, en pivot avec les 2 fourches ; axes des pivots perpendiculaires et coïncidentsnon homocinétiqueproduit scalaire nul entre les directions des axes des pivots
Oldhamdisque intermédiaire en glissière avec les plateaux d'entrée et de sortiehomocinétiquefermeture cinématique
Joint de cardan — loi E/S (résultat classique, redémontré ici) Soit \(\gamma\) l'angle entre les deux arbres et \(\theta_1,\theta_2\) les angles de rotation d'entrée et de sortie, comptés à partir du plan contenant les deux axes. Le produit scalaire (axes de pivots perpendiculaires) donne \(\tan\theta_1=\cos\gamma\,\tan\theta_2\). En dérivant : \(\dfrac{\dot\theta_1}{\cos^2\theta_1}=\cos\gamma\,\dfrac{\dot\theta_2}{\cos^2\theta_2}\), puis avec \(\cos^2\theta_2=\dfrac{\cos^2\gamma}{\cos^2\gamma+\tan^2\theta_1}\) : \[\boxed{\frac{\omega_2}{\omega_1}=\frac{\cos\gamma}{1-\sin^2\gamma\,\cos^2\theta_1}}\] Le rapport oscille entre \(\cos\gamma\) (minimum, pour \(\theta_1=90^\circ\)) et \(\dfrac1{\cos\gamma}\) (maximum, pour \(\theta_1=0\)), 2 fois par tour. Il est égal à 1 si \(\gamma=0\).
Piège Le cours renvoie au sujet de TD pour les détails du cardan et d'Oldham. La forme précise de la loi dépend de l'origine choisie pour les angles : la propriété à retenir est que le cardan n'est pas homocinétique (la vitesse de sortie fluctue autour de celle d'entrée, plus fort quand \(\gamma\) est grand), alors que l'Oldham l'est.

2. Applications du cours corrigées — bielle-manivelle

Questions A1, A2, A3 du CM : « Déterminer la relation E/S en position du système bielle-manivelle avec \(AB=e\), \(BC=L\) ». Le CM laisse les réponses en blanc, on les rédige entièrement.

Application — Loi E/S en position et en vitesse de la bielle-manivelle♦♦◊
Modèle plan. Bâti 0 de repère \((A,\vec x_0,\vec y_0,\vec z_0)\). Manivelle 1 en pivot d'axe \((A,\vec z_0)\), \(AB=e\), \(\vec{AB}=e\,\vec x_1\), \(\alpha=(\vec x_0,\vec x_1)\). Bielle 2, \(BC=L\), \(\vec{BC}=L\,\vec x_2\) avec \(\vec x_2=\cos\beta\,\vec x_0-\sin\beta\,\vec y_0\). Coulisseau 3 en glissière de direction \(\vec x_0\) avec le bâti ; \(\vec{AC}=x\,\vec x_0\). Entrée \(\alpha\), sortie \(x\).

Cadre. Paramètres d'entrée/sortie : \(\alpha\) (pivot 1/0) et \(x\) (glissière 3/0). Paramètre intermédiaire à éliminer : \(\beta\) (angle de la bielle). Formules utilisées : relation de Chasles et \(\cos^2+\sin^2=1\).

A1 — Écrire la fermeture géométrique

On parcourt la boucle \(A\to B\to C\to A\) : \[\vec{AB}+\vec{BC}+\vec{CA}=\vec0\quad\Longleftrightarrow\quad e\,\vec x_1+L\,\vec x_2-x\,\vec x_0=\vec0 .\]

Fermeture géométrique : \(e\,\vec x_1+L\,\vec x_2=x\,\vec x_0\).

A2 — Projeter l'équation et identifier le paramètre à éliminer

On projette dans la base de référence \((\vec x_0,\vec y_0)\). Avec \(\vec x_1=\cos\alpha\,\vec x_0+\sin\alpha\,\vec y_0\) et \(\vec x_2=\cos\beta\,\vec x_0-\sin\beta\,\vec y_0\) :

\[\text{sur }\vec x_0:\ \ e\cos\alpha+L\cos\beta=x\qquad(1)\] \[\text{sur }\vec y_0:\ \ e\sin\alpha-L\sin\beta=0\qquad(2)\]

Les paramètres d'E/S sont \(\alpha\) et \(x\) ; \(\beta\) est intermédiaire. Il apparaît dans un cosinus (1) et un sinus (2), multiplié par la constante \(L\) : on utilise l'élimination d'un angle par la somme des carrés.

Paramètre à éliminer : l'angle \(\beta\) (2 équations, 3 inconnues \(\alpha,\beta,x\) ⟹ une relation entre \(\alpha\) et \(x\)).

A3 — Relation E/S en position

Cas 1 : l'entrée est \(\alpha\), on cherche \(x=f(\alpha)\). De (1) : \(L\cos\beta=x-e\cos\alpha\). De (2) : \(L\sin\beta=e\sin\alpha\). Somme des carrés : \[L^2=(x-e\cos\alpha)^2+e^2\sin^2\alpha\ \Longrightarrow\ x-e\cos\alpha=\pm\sqrt{L^2-e^2\sin^2\alpha}.\] Choix du signe (géométrie) : le coulisseau est du côté de \(\vec x_0>0\) par rapport à la manivelle et \(L>e\) donc \(L\cos\beta>0\) : on retient le +.

\[x=f(\alpha)=e\cos\alpha+\sqrt{L^2-e^2\sin^2\alpha}\] (valable car \(L\ge e\) assure \(L^2-e^2\sin^2\alpha>0\)).

Cas 2 : l'entrée est \(x\) (« en supposant \(x\) l'entrée », cf. énoncé du CM), on cherche \(\alpha=g(x)\). On utilise la norme au carré du terme opposé à l'angle conservé : \(L\,\vec x_2=x\,\vec x_0-e\,\vec x_1\), donc \[L^2=x^2-2xe\,\vec x_0\cdot\vec x_1+e^2=x^2-2xe\cos\alpha+e^2\ \ \text{(relation d'Al-Kashi)}.\] \[\cos\alpha=\frac{x^2+e^2-L^2}{2\,x\,e}\ \Longrightarrow\ \alpha=\pm\arccos\!\Big(\frac{x^2+e^2-L^2}{2\,x\,e}\Big)\ [2\pi].\] Le \(\pm\) traduit les deux positions symétriques de la manivelle (au-dessus ou au-dessous de l'axe) pour une même position du coulisseau : on choisit selon le sens de rotation / la configuration.

\[\cos\alpha=\frac{x^2+e^2-L^2}{2\,x\,e}\quad(\text{et }\ \sin\beta=\tfrac{e}{L}\sin\alpha)\]

Loi E/S en vitesse (dérivation)

On dérive \(f(\alpha)=e\cos\alpha+\sqrt{L^2-e^2\sin^2\alpha}\) : \[f'(\alpha)=-e\sin\alpha+\frac{-2e^2\sin\alpha\cos\alpha}{2\sqrt{L^2-e^2\sin^2\alpha}}=-e\sin\alpha\left(1+\frac{e\cos\alpha}{\sqrt{L^2-e^2\sin^2\alpha}}\right).\] Or \(\sqrt{L^2-e^2\sin^2\alpha}=L\cos\beta\) et \(e\sin\alpha=L\sin\beta\). Donc \(f'(\alpha)=-e\sin\alpha-\dfrac{e\cos\alpha\,L\sin\beta}{L\cos\beta}=-e\,\dfrac{\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta}{\cos\beta}\).

\[\boxed{\dot x=-e\,\dot\alpha\,\frac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}}\qquad\text{i.e.}\quad v_s=\omega_e\,f'(\alpha)\ \ \text{avec}\ \ f'(\alpha)=-e\,\frac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}\]

Contrôle par la fermeture cinématique (autre méthode)

Composition : \(\{\mathcal V_{3/0}\}=\{\mathcal V_{3/2}\}+\{\mathcal V_{2/1}\}+\{\mathcal V_{1/0}\}\). Avec \(\vec\Omega_{1/0}=\dot\alpha\,\vec z_0\) et \(\vec\Omega_{2/0}=-\dot\beta\,\vec z_0\) (l'angle de \(\vec x_2\) est \(-\beta\)). Au point \(B\), \(\vec V_{B\in1/0}=\dot\alpha\,\vec z_0\wedge e\,\vec x_1=e\dot\alpha\,\vec y_1\). Au point \(C\) (centre de la sphérique 3/2 : \(\vec V_{C\in3/2}=\vec0\)) : \[\dot x\,\vec x_0=\vec V_{C\in3/0}=\vec V_{C\in2/0}=\vec V_{B\in2/0}+\vec{CB}\wedge\vec\Omega_{2/0}=e\dot\alpha\,\vec y_1+(-L\vec x_2)\wedge(-\dot\beta\,\vec z_0)=e\dot\alpha\,\vec y_1-L\dot\beta\,\vec y_2,\] car \(\vec x_2\wedge\vec z_0=-\vec y_2\). Pour éliminer \(\dot\beta\), on projette sur \(\vec x_2\) (direction de la bielle, orthogonale à \(\vec y_2\)) : \[\dot x\,(\vec x_0\cdot\vec x_2)=e\dot\alpha\,(\vec y_1\cdot\vec x_2)\ \Longrightarrow\ \dot x\cos\beta=e\dot\alpha\,(-\sin\alpha\cos\beta-\cos\alpha\sin\beta)=-e\dot\alpha\sin(\alpha+\beta).\] On retrouve exactement \(\dot x=-e\,\dot\alpha\,\sin(\alpha+\beta)/\cos\beta\). ✔

À retenir Astuce de projection : pour éliminer une vitesse angulaire inconnue \(\dot\beta\) d'une bielle, on projette l'équation vectorielle sur la direction de la bielle : le terme \(\vec\Omega\wedge\overrightarrow{\cdots}\) est orthogonal à cette direction et disparaît.

Représentation (\(e=50\) mm, \(L=200\) mm)

060120180240300360140160180200220240260α (°)x (mm)x max = L+e = 250x min = L−e = 150060120180240300360-60-3003060α (°)f′(α) = v/ω (mm/rad)f′ = 0 aux points morts (α = 0°, 180°)v = −e·ω·sinα pour L ≫ e
En haut : \(x(\alpha)\) — course totale \(2e=100\) mm (de \(L-e=150\) à \(L+e=250\) mm), non sinusoïdale pure à cause du terme en racine. En bas : \(f'(\alpha)=v/\omega\) — nul aux points morts (\(\alpha=0^\circ\) et \(180^\circ\)) où la bielle est alignée avec la manivelle, extremum \(|f'|\approx 51{,}5\) mm/rad (légèrement > \(e\) car \(L\) est fini ; si \(L\gg e\), \(f'\approx-e\sin\alpha\)).
Piège : « les points morts » Quand \(f'(\alpha)=0\) (bielle alignée avec la manivelle), le coulisseau est à l'arrêt et, en statique, \(|C/F|=|f'|\to0\) : une force sur le coulisseau n'exerce aucun couple sur la manivelle (bras de levier nul), elle ne peut donc pas la faire tourner. Inversement \(1/f'\to\infty\) : un petit couple moteur peut développer un très grand effort au coulisseau (effet « genou »). Un moteur à pistons a besoin d'un volant d'inertie pour franchir les points morts.

3. Exercices d'entraînement (créés) avec corrections

Seul le CM de C11 a été fourni (pas de TD) : les exercices ci-dessous sont créés à partir du cours.

Exercice A — Application numérique de la bielle-manivelle♦♦◊
\(e=50\) mm, \(L=200\) mm, manivelle tournant à \(N=100\) tr/min. Pour \(\alpha=60^\circ\) : position \(x\), angle \(\beta\), coefficient \(f'\), vitesse \(\dot x\) du coulisseau. Pour \(\alpha=0^\circ\) et \(180^\circ\) : positions extrêmes et course.

Q1 — Position \(x\) et angle \(\beta\) pour \(\alpha=60^\circ\)

\(e\sin\alpha=50\times0{,}8660=43{,}30\) mm, donc \((e\sin\alpha)^2=1875\) mm². \(\sqrt{L^2-e^2\sin^2\alpha}=\sqrt{40000-1875}=\sqrt{38125}=195{,}26\) mm. \(e\cos\alpha=25\) mm.

\(x=25+195{,}26=220{,}26\) mm

\(\sin\beta=\dfrac{e\sin\alpha}{L}=\dfrac{43{,}30}{200}=0{,}2165\Rightarrow\beta=12{,}50^\circ\).

Q2 — \(f'(\alpha)\) et vitesse du coulisseau

\(f'(60^\circ)=-e\dfrac{\sin(\alpha+\beta)}{\cos\beta}=-50\times\dfrac{\sin72{,}50^\circ}{\cos12{,}50^\circ}=-50\times\dfrac{0{,}9537}{0{,}9763}=-48{,}85\) mm/rad. \(\omega_e=\dfrac{2\pi N}{60}=\dfrac{2\pi\times100}{60}=10{,}47\) rad/s.

\(\dot x=\omega_e f'=10{,}47\times(-48{,}85)\approx-511\) mm/s (≈ −0,51 m/s : le coulisseau se rapproche de \(A\))

Q3 — Positions extrêmes et course

\(\alpha=0\) : \(x=e+L=250\) mm. \(\alpha=180^\circ\) : \(x=-e+L=150\) mm.

Course \(=2e=100\) mm ; vitesse nulle (\(f'=0\)) aux deux extrémités (points morts).

PiègeCalculer \(\sin(\alpha+\beta)\) avec \(\alpha+\beta=72{,}5^\circ\) (et non \(\alpha-\beta\)). Si on prend le signe opposé de \(\beta\) (bielle montante), la formule devient \(\sin(\alpha-\beta)/\cos\beta\) : toujours vérifier le sens de \(\beta\) sur la figure.
Exercice B — Loi statique avec rendement (effort sur le coulisseau)♦♦◊
Même mécanisme (\(e=50\) mm, \(L=200\) mm), \(\alpha=60^\circ\). Le moteur exerce un couple \(C_m=20\) N·m sur la manivelle. Rendement du mécanisme \(\eta=0{,}9\). Quel effort \(F\) le coulisseau peut-il exercer ?

Q1 — Effort en l'absence de pertes

Liaisons parfaites : \(P_s=P_e\Rightarrow F\,|\dot x|=C_m\,\omega_e\Rightarrow F=\dfrac{C_m}{|f'|}\) avec \(|f'|=48{,}85\cdot10^{-3}\) m/rad.

\(F=\dfrac{20}{0{,}04885}=409{,}4\) N.

Q2 — Avec rendement

\(P_s=\eta P_e\Rightarrow \dfrac{F}{C_m}=\dfrac{\eta}{|f'|}\Rightarrow F=0{,}9\times409{,}4\).

\(F\approx368{,}5\) N (le rendement diminue l'effort disponible en sortie)

InterprétationMême couple moteur, mais en \(\alpha=90^\circ\) : \(|f'|=e=0{,}05\) m/rad ⟹ \(F=\eta C_m/e=360\) N ; en \(\alpha\to0\) : \(|f'|\to0\) ⟹ \(F\to\infty\) (levier infini, effet « genou »).
Exercice C — Came circulaire excentrée♦◊◊
Came = disque de rayon \(R=30\) mm monté excentré de \(e=8\) mm sur un arbre tournant à \(\omega=2\pi\) rad/s (60 tr/min), poussoir à plateau perpendiculaire à l'axe de translation.

Q1 — Loi de position

Le point de contact reste sur le plateau (plan) ; la distance de l'axe de rotation au plateau est celle du centre de la came majorée de \(R\) : \(x=R+e\cos\alpha\) avec l'origine de \(\alpha\) prise à \(x_{max}\) (\(x_{max}=R+e=38\) mm, \(x_{min}=R-e=22\) mm).

Course \(=x_{max}-x_{min}=2e=16\) mm ; mouvement sinusoïdal.

Q2 — Loi en vitesse

\(\dot x=-e\,\dot\alpha\sin\alpha=-e\,\omega\sin\alpha\) (\(f'(\alpha)=-e\sin\alpha\)). Maximum en \(\alpha=90^\circ\) : \(|\dot x|_{max}=e\,\omega=8\times6{,}283=50{,}3\) mm/s.

\(|\dot x|_{max}\approx50{,}3\) mm/s (nulle aux positions extrêmes)

Exercice D — Joint de cardan♦♦◊
Cardan d'angle \(\gamma=20^\circ\), arbre d'entrée à \(N_1=3000\) tr/min constant.

Q1 — Plage de variation du rapport \(\omega_2/\omega_1\)

\(\dfrac{\omega_2}{\omega_1}=\dfrac{\cos\gamma}{1-\sin^2\gamma\cos^2\theta_1}\). Maximum pour \(\cos^2\theta_1=1\) (\(\theta_1=0\)) : le dénominateur vaut \(1-\sin^2\gamma=\cos^2\gamma\), donc \(\dfrac1{\cos\gamma}=1{,}0642\). Minimum pour \(\cos^2\theta_1=0\) (\(\theta_1=90^\circ\)) : \(\cos\gamma=0{,}9397\).

Q2 — Vitesse de sortie

\(N_{2,min}=3000\times0{,}9397=2819\) tr/min ; \(N_{2,max}=3000\times1{,}0642=3193\) tr/min.

La vitesse de sortie oscille, 2 fois par tour, entre ≈ 2819 et ≈ 3193 tr/min (≈ \(\pm6\) %). Un seul cardan n'est donc pas homocinétique ; un joint d'Oldham l'est (\(\omega_2=\omega_1\)).

Exercice E — Quelle méthode choisir ?♦◊◊

Associer à chaque besoin la méthode la plus directe

1) Loi en position d'une bielle-manivelle : fermeture géométrique (projection puis somme des carrés, ou norme au carré / Al-Kashi).

2) Loi en vitesse d'un mécanisme dont on n'a pas besoin de la loi en position : fermeture cinématique (composition des torseurs, projection bien choisie).

3) Loi E/S d'un cardan (axes de pivots perpendiculaires constamment) : produit scalaire \(\vec x_i\cdot\vec x_j=0\).

4) Loi E/S d'une came en vitesse : non-pénétration \(\vec V_{B\in2/1}\cdot\vec n=0\) ; en position : fermeture passant par le point de contact.

5) Mécanisme à parallélogramme déformable : analyse géométrique seule (translation circulaire, sortie = entrée).

Dans tous les cas : identifier E/S d'abord, nommer les paramètres intermédiaires, puis éliminer.

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