Étude géométrique et cinématique des chaînes fermées de pompe à pistons axiaux

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Étude géométrique et cinématique des chaînes fermées de pompe à pistons axiaux

Sciences Indusrielles · lab

Sciences Indusrielles

TD1 : Enoncé

MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

TD1 : POMPE A PISTONS AXIAUX

1 DESCRIPTION

Le mécanisme dont le schéma cinématique et une vue éclatée sont donnés ci-dessus représente une pompe hydraulique à 9 pistons axiaux. Un moto-réducteur M non représenté entraîne le barillet 1 en rotation autour de l’axe ( 0 ce qui permet le déplacement du piston 2 le long de l’axe )B xr , (

0 . La plaque d’appui 3 assure le contact du piston 2 avec le plan incliné 4 lié au bati 0.

)A xr ,

SUR LE SCHEMA CINEMATIQUE UN SEUL PISTON A ETE REPRESENTE.

L’ANGLE α EST CONSTANT.

1.1 Repères associés aux solides r

lié au bâti 0

r

R 0 r

r = )z;y;x;A( 0 0 r )z;y;x;B( 2 r )z;y;x;D( 4

r

r

r

4

4

0

2

2

= =

R

R

2

4

lié au piston 2 lié au plan incliné 4

=

=

R

R

1

3

r

r

r )z;y;x;A( 1 1 r

1 r )z;y;x;D( 3

r

3

3

lié au barillet 1 lié à la plaque 3

1.2 Paramétrage AB Ry= r x= λr 1 1 CB 4 DC hx= r −r = − 3 vy DE 0

r wz

AE

= − r dx

0

x

x

x1=

4

y4=

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TD1 : Enoncé

MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

1.2.1 TORSEURS ASSOCIES AUX LIAISONS PARFAITES

ijL

Torseur cinématique

{ V

} )S/S( Aj

i

=

ij

ij

p

   q  r  ij

r Ω

)S/S( j

i

=

r xp ij

+

ij

u

v ij w

     iB,Aij r r + zryq

ij

ij

r )S/S,A(V i j

=

r xu ij

+

r

r + zwyv

ij

ij

avec

    

Torseur statique

{ →T S( i

} )S Aj

=

    

X

L

ij

ij MY Z N

ij

ij

ij

ij

    

r S(R

i

=→ j

r + zZyYxX)S

r

r

ij

ij

ij

iB,A +

r S,A(M

i

=→ j

r + zNyMxL)S

+

r

r

ij

ij

ij

avec

    

TRAVAIL DEMANDE

2 ETUDE DES LIAISONS

Question 2.1 :

Question 2.2 :

Tracer le graphe du mécanisme en indiquant le nom des liaisons et leurs caractéristiques. Démontrer que la liaison notée 23 Let

24L cinématiquement équivalente à l’association

est une liaison ponctuelle de normale

des liaisons

r )x,D( 3

L

.

34

3 ETUDE GEOMETRIQUE

Question 3.1 :

Question 3.2 :

En partant du point A et en passant par les points B, C, D et E, écrire la fermeture géométrique du mécanisme. En déduire une équation vectorielle (a) liant Effectuer la projection de (a) sur les axes du repère R ( 3 équations scalaires liant les paramètres géométriques

) 0 . En déduire d,

λα et .

,h ,R

θα ,

w,

d,

v,

et

λ .

r

r

01

r , , A x y z , 0 0 ,h ,R v, w, θα d, ,h ,R et le

.

01

vecteur

vitesse

Question 3.3 : Question 3.4 : en )1/2,C(V

fonction

Donner les expressions de Par ,R de

la méthode de

θαω , et

10

01

et du vecteur unitaire

0xr .

wv, et votre

λ en fonction de . choix, déterminer

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TD1 : Enoncé

MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

4 ETUDE CINEMATIQUE

Question 4.1. : 1.1.1. sans tenir compte de la question 2.2.

Exprimer les torseurs cinématiques suivants en utilisant la notation donnée en

{ V

)S/S(

1

A0

} { V ;

)S/S(

2

C1

} { V ;

)S/S(

3

C2

} { V ;

)S/S(

3

D0

}

Question 4.2. : tous ces torseurs traduisant la fermeture cinématique du mécanisme ?

Exprimer tous ces torseurs au point C. Ecrire une relation torsorielle (b) entre

Question 4.3. :

Question 4.4 :

Question 4.5 :

. En déduire Effectuer la projection de (b) sur les axes du repère un système (c) de 6 équations scalaires liant les paramètres géométriques cinématiques les ,h ,R v, αα , . 10

θα , 01 βα , , 30

w, d, α ,

paramètres

v,u , 21

λ . γ ,

et w

et

et

R

32

30

30

21

32

32

0

0

r

r )z,y,x,A( 0

r

Justifier que la mobilité cinématique m de ce mécanisme est égale à 3. Déterminer βα , 32

relations entrée-sortie c’est-à-dire exprimer explicitement ,

en fonction de

les v,u , 21

ααα

θα et

et w

,R,

.

,

,

γ

30

30

01

21

10

32

32

30

.

Si S désigne la section d’un piston, exprimer le débit volumique instantané d’un piston noté 21 Distinguer les phases aspiration et .uet

en fonction de

(q v

S

θ

01

)

refoulement. Que devient ce débit quand α varie entre

0

et

π

2

?

5 ETUDE DES INTER-EFFORTS DANS LES LIAISONS

Les actions mécaniques du moto-réducteur M agissant sur le barillet 1 sont modélisables par le torseur suivant :

{ →T

} )SM(

A1

=

 C0 m   0 0  0 0 

    

0B,A

Les actions mécaniques dues à la pression du fluide F agissant sur le piston 2 sont modélisables par le torseur suivant :

{ →T F(

} )S

B2

=

pS

0

    

0 0

    

0 0

Question 5.1. :

{ T

S(

Question 5.2. :

0

0B,B Exprimer les torseurs statiques suivants en utilisant la notation donnée en 1.1.1. } )S

} )S

} )S

} )S

{ T

{ T

{ T

→

→

→

→

S(

S(

S(

;

;

;

B,A1

0

2

B,C1

0

3

B,C2

0

0

B,C3

4

Appliquer le théorème de la résultante statique au solide 2. Projeter cette équation vectorielle (d). En déduire 3 équations scalaires notées de (1) à (3) liant p ,Z ,Y ,Z ,Y ,X 32

Set

.

21

32

32

21

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TD1 : Enoncé

MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

Question 5.3 :

Question 5.4 :

Appliquer le principe fondamental de la statique au solide 1. Tous les moments seront calculés au point A. En déduire 6 équations scalaires notées de (4) à (9) liant

,N ,M ,N ,M ,Z ,Y ,Z ,Y ,X 21

Cet

.

01

01

21

21

21

01

01

01

m

Appliquer le principe fondamental de la statique au solide 3. Tous les moments seront calculés au point C. En déduire 6 équations scalaires notées de (10) à . (15) liant

α etN ,M ,X ,Z ,Y ,X 03

03

03

32

32

32

Question 5.5 :

En déduire la relation liant

,S ,p ,C

R,

m

θα et

.

01

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TD1 : Corrigé

MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

TD1 : ELEMENTS DE CORRIGE

Publicité

1 ETUDE DES LIAISONS

Liaisons entre solides

)A xr L10 : Pivot d’axe ( 0 , L32 : Rotule de centre C )D xr 3 L30 : Plane de normale ( , )B xr 0 L21 : Pivot glissant d’axe ( ,

nb de solides n = 3 nb de liaisons l = 4 nb de cycles indépéndants γ = 1

L

10

0

L

30

L

32

2

3

1.1 Etude géométrique

1.1.1 FERMETURE VECTORIELLE

  

r yR 1

AB λ−

+ r x

0

BC −

+ r xh

CD −

+ + DE EA r r − + zwyv

3

0

3

= r xd

r 0

0

=

r 0

(1)

1.1.2 RESOLUTION

Projection de (1) sur R (

r

r A x y z , 0

r

,

,

0

0 )

    

1.1.3 BILAN

−λ−

h

cos

+α

=+α d

0

cosR

sinw =−θ

v 01 −α sinh

0

sinR

+θ 01

cosw

=α

0

paramètres géométriques: λ ; h ; v ; w ; d; α ; θ01 N=7 rang géométrique: r=3 paramètres géométriques donnés: h ; d ; α ; θ01 paramètres géométriques inconnus : w ; v; λ

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MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

Finalement, il vient (si cosα ≠ 0)

w

=

01

θ α

sinR cos = cosRv 2 sin cos

+α

h

+

α

htg

θ 01 α α

+

sinR

θ

01

α

tg

−=λ

hd

cos

1.1.4 SIGNIFICATION GEOMETRIQUE

Remarque : La vitesse instantanée du point C lié au piston 2 en mouvement par rapport au

barillet 1 s'écrit :

r )1/2,C(V

=

  

dBC dt

  

R

1

=

  

λ−

(d

r )x 1

dt

  

R

1

( V C

2 1 , / )

= −

λ

d dt

= −

ω

R

α

tg

cos

θ 01

10

2 ETUDE CINEMATIQUE

{ V

} )S/S(

C0

1

{ V

+

} )S/S( 2

C1

{ V

+

} )S/S(

C2

3

{ V

−

} )S/S(

C0

3

=

{ }0

r Ω

)S/S( 0

1

r Ω+

)S/S( 2 1

r Ω+

)S/S( 2

3

r Ω−

r 0)S/S( 0

=

3

r r r 0)S/S,C(V)S/S,C(V)S/S,C(V)S/S,C(V

−

=

+

+

r

r

2

1

3

2

3

0

1

0

    

)3(

)4(

Calcul de

r = )S/S,A(V)S/S,C(V 0

r

1

1

0

+

CA

r Ω∧

)S/S( 0

1

donc

r )S/S,C(V 1 0

[ λ=

r x

1

−

]

r yR 1

α∧

10

r x

1

α=

r zR 10 1

*Projections de (3) et (4) sur R0

)1(

)2( )3(

)4( )5(

)6(

α

10

α+

21

α+

32

α−

cos

30

=α

β

32

γ

32

α+

sin

30

u

21

+

+

−

θ

01 θ

01

α

R

10

sin

R

α

10

cos

w

sin 30 v

30 cos

w

30

0

0

0

0 0

0

=

=α

=α

=

=α

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*Bilan

Inconnues cinématiques: α32; β32; γ32;u21; v30; w30;α10; α21; α30 Rang cinématique: Mobilité du mécanisme Paramètres cinématiques donnés: α10; α21; α30 Paramètres cinématiques inconnus: α32; β32; γ32;u21; v30; w30

rc = 6 m = Nc-rc=3

Nc = 9

(mu=1; mi=2)

*Système linéaire associé

 0001  0010   0100  1000   0000   0000 

0

0 0

0 − 1 0

0

0 0

sin 0 cos

α

α

         

         

α

32

β γ

32

32

u v w

21

30

30

         

=

         

α+α−α−

10

cos

α

30

α−

α

21 0 sin

30 0 sin cos

α α

R R

10

10

θ 01 θ

01

         

1

4444

2

4444

3

: (X)

(A)

d’où

32

32

α β γ

32 u

21

v

30

w

30

=

=

10

α+α−α−= = = =

21 0 sin α

α−

30 tg

α

α− R 10 α− R

10

α− R

10

θ

cos θ 01 θ 01 α

sin cos cos

1

4444

2

4444

3

(B)

cos

α

30

01

si det A= - cosα≠0

3 ETUDE DES INTER-EFFORTS

Formule de mobilité

h=m+6-NC h=2+6-(1+2+5)=0

soit

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MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

*Torseurs statiques associés aux liaisons

{ →T S(

0

} A)S

1

=

    

X

01

0

Publicité

MY

01

01

Z

01

N

01

    

R

0

{ →T S(

2

} C)S

1

=

    

0

0

MY

21

21

Z

21

N

21

    

R

0

{ T

→

(

S

3

} ) CS

2

=

    

X

32

Y

32

Z

32

0

0

0

    

R

0

{ →T S(

0

} C)S

3

=

0

03 M0

 X    

0

03

N

03

    

R

4

{ T

(

ext

→

} 1) AS

=

    

X

E

→ 1

Y

Z

E

→ 1

E

→ 1

L

E M

→ 1

E

→ 1

N

E

→ 1

    

R

0

{ T

(

ext

→

} ) CS

2

=

    

X

E

→

2

Y

Z

E

→

2

E

→

2

L

2

→ E 0

N

E

→

2

    

R

0

*Application du P.F.S

*Isolement de S1

{ T

→

(

S

0

} AS )

1

{ T

+

→

(

S

2

} AS )

1

{ T

+

(

ext

→

} AS )

1

=

0

soit

    

r SR (

0

+→ S 1

)

r SR (

+→ S 1

)

2

r R

(

ext

=→ S 1

)

r 0

r SAM (

,

+→ S 1

)

0

r SAM (

,

+→ S 1

)

2

r extAM ,

(

=→ S 1

)

r 0

Calcul

r SAM de (

,

=→ S 1

)

2

r SCM (

,

+→ S 1

)

2

→ AC

∧

r SR (

2

→

S

1

)

r SAM (

,

=→ S 1

)

2

0

M

N

21

21

−

λ

+

R

cos

θ

01

∧

R

sin

θ

01

0

Y

21

Z

21

r SAM (

,

=→ S 1

)

2

    

RZ

21

cos

θ

01

−

21

RY λ Z λ Y

21

21

sin

θ

01

    

R 0

M

21

N

21

+

−

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MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

Finalement, on obtient le système d’équations suivant:

1 ( )

2 ( )

3 ( )

4 ( )

(5)

6 ( )

         

X

01

Y

01

Z

01

M

01

N

01

+

+

+

+

Y

21

Z

RZ

21

cos

θ

01

21 −

sin

θ

01

21

RY λ Z λ Y

21

21

M

21

N

21

+

−

−=

X

−=

Y

−=

Z

E

→ 1

E

→ 1

E

→ 1

−=

−=

L

E M

→ 1

E

→ 1

−=

N

E

→ 1

*Isolement de S2

{ T

−

→

(

S

2

} CS )

1

{ T

+

→

(

S

3

} CS )

2

{ T

+

(

ext

→

} CS )

2

=

0

soit

    

−

r SR (

+→ S 1

)

2

r SR (

+→ S 2

)

3

r R

(

ext

Publicité

=→ S 2

)

r 0

−

r SCM (

,

+→ S 1

)

2

r SCM (

,

+→ S 2

)

3

r extCM ,

(

→

S

2

)

=

r 0

Finalement, on obtient le système d’équations suivant :

7 ( )

(8)

9 ( )

10 ( )

11 ( )

12 (

)

X

32

Y

32

Z

32

+

+

         

−

−

Y

21

21

Z

0

−

−

M

N

21

21

−=

X

E

→

2

=

=

=

−

Y

E

→

2

→

2

−

Z

E 0

−=

−=

M

N

E

→

2

E

→

2

*Isolement de S3

{ T

→

(

S

0

} ) CS

3

{ T

−

→

(

S

3

} ) CS

2

=

0

soit

    

r SR (

0

−→ S 3

)

r SR (

3

→

S

2

)

=

r 0

r SCM (

,

−→ S 3

)

0

r SCM (

,

3

→

S

2

)

=

r 0

Finalement, on obtient le système d’équations suivant:

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TD1 : Corrigé

MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

13 ( )

14 (

)

15 ( )

16 ( )

17 (

)

18 ( )

+

−

−

X

32

−

−

Y

32

32

Z

0

         

*Bilan

X

03

cos

α

−

N

03

α

sin

X

03

α

sin

M

03 cos

α

N

03

=

=

=

=

=

=

0

0

0

0

0

0

Inconnues statiques d’inter-efforts N

15

Mobilité du mécanisme Rang statique Degré d’hyperstaticité

Résolution

s

si

n

=

=

+ 1 n ∑ = 1 i m = 3 rs = 6n-m=15 h=Ns-rs=0

X

01

Y

01

Z

01

M

01

N

01

Y

21

Z

21

M

21

N

21

X

32

Y

32

Z

32

=

=

=

−

→

2

X

E 0

X

E

→

2

α

tg

=

=

=

=

=

=

=

=

−=

M

E

−

X

−

Y −

→ 1 E Z

→ 1 E − Y E −

→ 2 E [ λ − Z

−

Z → 1 E − M

→ 1 −

E

→ 2 −

N

E

→ 1

N

E

→

2

→ X

2

E

→ E +

2 λ Y

→ 2 +

α

tg

X

E

→

2

tg

] α

[ Z

E

→

2

Y → E + X

2

E

] α

tg

→

2

M

N

E

→

2

E

→

2

E

→

2

N

03

M

03

X

03

=

=

−=

0

0 X → E 2 α cos

Relation entrée sortie

−

L

E

→ 1

=

[ ZR

E

→

2

+

X

E

→

2

tg

] θα cos

01

−

RY

E

→

2

sin

θ

01

Cas particulier:

X

X

X

→

2

E

→

2

E

→

2

E

=

=

=

pS

0

0

− → LE 1

=

RpStg

cosθα 01

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Jacques AÏACHE – Jean-Marc CHÉREAU

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