ETUDE DES CHAINES FERMEES

Sciences Indusrielles, Mécanismes · course

Sciences Indusrielles

Cours

MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

ETUDE DES CHAINES FERMEES (2ème partie)

Plan (Cliquer sur le titre pour accéder au paragraphe) **********************

ETUDE DES CHAINES FERMEES ............................................................................................................1 (2ème partie)....................................................................................................................................................1 2.4 Analyse statique des mécanismes à chaînes fermées .....................................................................1 2.4.1 Objectifs ....................................................................................................................................1 2.4.2 Principe fondamental ................................................................................................................1 2.4.3 Méthode de résolution...............................................................................................................2 2.4.4 Degré d’hyperstaticité d’un mécanisme....................................................................................2 2.4.5 Comment traiter l’hyperstatisme ?............................................................................................3 2.4.6 Exemple traité : Malaxeur-mélangeur.......................................................................................4 Synthèse: Ce qu’il faut absolument savoir ...................................................................................10

2.5

**********************

2.4 Analyse statique des mécanismes à chaînes fermées

2.4.1 OBJECTIFS

• • •

Déterminer le degré d’hyperstaticité du mécanisme. Préciser les inconnues hyperstatiques. Modifier, si nécessaire, le mécanisme afin de le rendre isostatique.

2.4.2 PRINCIPE FONDAMENTAL

Chaque liaison normalisée est considérée comme parfaite. Les éléments de réduction, dans le repère local

rrr )z,y,x,A(

R

, du torseur

d’inter-efforts associé à la liaison

ijL sont :

{ S

j

→

S

} Ai

ji

X L MY N Z

ji

ji

=

     avec

    

ji

ji

ji

R

r S(R

j

=→ i

r + zZyYxX)S

+

r

r

ji

ji

ji

r S,A(M

j

=→ i

r + zNyMxL)S

+

r

r

ji

ji

ji

    

On applique le Principe Fondamental de la Statique à chacun des n Si {

désigne le torseur de toutes les actions extérieures agissant

Ai

S → i

solides de la chaîne simple. } S sur le solide Si, on peut écrire: { S i

]n,1 [

i ∈∀

→

S

}

Ai

=

0

)1(

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soit

2.4.3.1

i ∈∀

]n,1 [

∑

r S(R

j

r 0)S

=→ i

≠ j

i

∑

r S,A(M

r 0)S

=→ i

j

≠

j

i

)2(

)3(

2.4.3

METHODE DE RESOLUTION

Projection de (2) et (3) sur On obtient un système (E) de 6n équations scalaires à Ns paramètres

0

0

R

r

r )z,y,x,A( 0

r

statiques inconnus avec :

=

N

s

γ+

n

γ+

n

∑∑ = n

si

− )n6( ci

soit

N

s

=

n(6

−γ+ )

n

γ+

∑

= 1i

= 1i

n

ci

=

n(6

−γ+

N)

c

= 1i

2.4.3.2

Rang statique

Le rang statique sr est le nombre d’équations indépendantes du système ≤ n6

(E). On a bien sûr

.

rs

On peut démontrer que

= n6m

−

sr

Le système (E) s’écrit alors :

où

et donc que : r ) (

)( A X

= −6 n m s ) ( B=

(X) désigne un vecteur unicolonne contenant sr inconnues d’inter-efforts. N − paramètres (B) désigne un vecteur unicolonne contenant

r s

s

(A) désigne une matrice

statiques à fixer et les paramètres donnés. )r,r( s

s

de coefficients géométriques du mécanisme.

2.4.4

DEGRE

D’HYPERSTATICITE

D’UN

MECANISME

2.4.4.1

Définition

On appelle degré d’hyperstaticité d’un mécanisme, noté h, le nombre de sr inconnues d’inter-

paramètres d’inter-efforts à fixer pour déterminer les efforts restantes.

=

rNh s

s

−

2.4.4.2

Détermination rapide de h Une détermination globale de h est nécessaire si on veut connaître

rapidement la nature isostatique d'un mécanisme.

On a donc

=

h

n(6

−γ+

N)

−

r s

c

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soit

d’où

=

h

n(6

−γ+

N)

−

− )mn6(

c

6mh

−γ+

=

cN

2.4.4.3 h = 0

N = r s

s

h > 0

N

s

=

r s

+

h

Signification de h

Le mécanisme est isostatique

Toutes les inconnues d’inter-efforts sont déterminables. Le fonctionnement correct de ce mécanisme ne nécessite aucune condition géométrique particulière.

Le mécanisme est hyperstatique d’ordre h. Il faut fixer h inconnues d’inter-efforts afin de déterminer les rs inconnues restantes. Le fonctionnement correct de ce mécanisme nécessite h conditions géométriques à respecter.

2.4.5

COMMENT TRAITER L’HYPERSTATISME

?

2.4.5.1

Modification du mécanisme réel en conservant

le modèle d’analyse

• On annule h inconnues d’inter-efforts n’appartenant ni aux liaisons d’entrée ni aux sr inconnues d’inter-

sr équations à

liaisons de sortie. Il reste à résoudre un système de efforts.

• On accroît la mobilité interne du mécanisme en augmentant le nombre de solides du

mécanisme réel.

le modèle d’analyse

2.4.5.2

Conservation du mécanisme réel en modifiant

• On rajoute h équations de comportement en modélisant les solides comme

déformables élastiquement et les liaisons rigides et sans jeu.

• On rajoute h équations de compatibilité géométrique en modélisant les solides

comme indéformables et en tenant compte du jeu réel dans les liaisons.

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2.4.6

EXEMPLE TRAITE : MALAXEUR-MELANGEUR

2.4.6.1

Liaisons entre solides

r L10 : Pivot d’axe )y,A( 0 r L32 : Pivot d’axe )z,C( 0 L30 : Pivot glissant d’axe L21 : Pivot glissant d’axe

(entrée)

(sortie)

r )z,D( 0 r )y,B( 0

2.4.6.2

Paramétrage

AB

DA

r= 1zR r−= 0yd

CB

CD

rλ−= 1y r − yl 3

=

r zh

0

x1

x0

x2

x1

θ01

z1

z0

y0=y1

y3

y2

y1=y2

y3

y0

θ12

z2

z1

x3

x2

θ23

x3

x0

θ03

z3=z0

z3=z2

2.4.6.3

Torseurs statiques associés aux liaisons

{ T

→

S(

0

} A)S

1

=

    

X Y

01

01

Z

01

 L 01   0  RN 

01

0

{ T

Publicité

→

S(

2

} B)S

1

=

    

X 21 0

Z

21

 L 21   0  RN 

21

0

{ →T S( 3

} C)S

2

=

    

32

X L MY

32

32

Z

32

    

R

0

{ T

→

S(

0

} D)S

3

=

    

03

X L MY

03

03 0

03 0

    

R

0

32 0

{ T

(

ext

→

} B)S

1

=

 0 0   M0  0 

    R0 

ext

{ T

(

ext

→

} D)S

3

=

0

    

0 0

0 0

Z

ext

N

ext

    

R

0

2.4.6.4

Application du P.F.S

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L'isolement de

{ T

1S permet d'écrire : } S( B)S

{ T

→

S(

+

2

0

1

→

} B)S

1

{ T

+

(

ext

→

} 0B)S

=

1

r S(R

0

+→ 1

S(R)S

r

+→ 1

(R)S

r

ext

=→ )S 1

r 0

2

r S,B(M

0

r S,B(M)S

+→ 1

2

r ,B(M)S

+→ 1

ext

=→ )S 1

r 0

r S,B(M

0

r S,A(M)S

=→ 1

0

+→ )S 1

BA

∧

r S(R

0

→

)S 1

soit

    

avec

d’où

r S,B(M

=→ )S 1

0

+

L 01 0

N

01

θ

01

−

sinR 0

−

cosR

θ

01

∧

X Y

01

01

Z

01

soit

r S,B(M

=→ )S 1

0

    

RZ

L 01 sin 01 N

01

+ RY −θ 01 − RY

cos

θ

01 01 RX cos 01 θ sin

01

01

θ

01

    

B 0

Finalement, on obtient le système d’équations suivant :

)1(

)2( )3( )4( )5(

)6(

         

RZ

X Y Z

01

01

01

L 01 sin

01 N

01

+

+

+ − +

θ

01

RX

X

21

Z

21

L 21 cos

+ +

θ

01

01 N

21

= = =

= = =

0 0 0

0 0 0

θ

01

RY

cos

01 M

ext

2

S(

→

L'isolement de -{ T soit     

r S,C(M

r S(R

−

−

2

2

2S permet d'écrire : } } S( C)S C)S

+{ T

→

1

2

3

=0

+→ 1

S(R)S

r

=→ )S 2

3

r 0

r S,C(M)S

+→ 1

=→ )S 2

3

r 0

Calcul de

r S,C(M

2

r S,B(M)S

=→ 1

2

+→ )S 1

CB

∧

r S(R

2

→

)S 1

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r S,C(M

=→ )S 1

2

L 21 0

N

21

0 ∧λ−+

0

X 21 0

Z

21

soit

r S,C(M

=→ )S 1

2

    

λ−

L

21

0 λ+

N

21

21

Z

    RX 

21

0

Finalement, on obtient le système d’équations suivant :

)7(

)8( )9(

)10(

)11( )12(

+

+ +

         

−

X

21

− −

Z L

Publicité

21

21

−

N

21

X Y

32

32

Z L

32

32

λ+

Z

21

M 32 X

21

λ−

= =

= =

= =

0 0

0 0

0 0

L'isolement de

3S permet d'écrire :

{ T

→

S(

0

} C)S

3

{ T

−

→

S(

3

} C)S

2

{ T

+

(

ext

→

} 0C)S

=

3

soit r S(R

0

−→ 3

S(R)S

r

+→ 2

(R)S

r

ext

=→ )S 3

r 0

3

r S,C(M

0

r S,C(M)S

−→ 3

3

+→ 2

,C(M)S

r

    

Calcul de

r S,C(M

0

r S,D(M)S

=→ 3

0

+→ )S 3

CD

∧

r S(R

0

→

)S 3

r S,C(M

=→ )S 3

0

−

l

+

L 03 0 N

03

θ sinl θ cos − h

03

03

ext

=→ )S 3

r 0

∧

03

X Y 03 0

r S,C(M

=→ )S 3

0

    

L

03 −

N

03

−

lY

03

sin

+

hY

03

hX 03 −θ 03

lX

03

cos

θ

03

    

B 0

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Finalement, on obtient le système d’équations suivant :

)13(

)14( )15(

)16( )17(

)18(

         

−

− −

− −

X

32

Y

32

Z L

32

32

M

32 sin

+

+ +

+ +

−

θ

03

−

lY

ext

X

03

Y

03

L

03

+ −

lX

ext

cos

θ

03

+ +

Z

lZ

ext

ext cos

sin

lZ ext + N

ext

θ θ

03

03

hY

03

hX N

+

03

03

Le bilan est le suivant :

Inconnues d’inter-efforts

N

s

γ+

n

= ∑

n

si

=

18

Mobilité du mécanisme Rang statique Degré d'hyperstaticité

= 1i = Nm = rs = Nh

− c −

= r 1 c = 17mn6 −

=

1

r s

s

Le système d’équations est le suivant:

RZ

)1( )2(

)3( )4( )5( )6(

)7( )8( )9( )10(

)11( )12(

)13( )14(

)15( )16(

)17( )18(

X Y

01

01

01

Z L 01 sin

01 N

01

θ

01

+

+ +

+ −

− −

−

− −

− −

−

X Y

32

32

Z L

32

32

M

−

lY

ext

32 sin

θ

03

X

21

Z L

21

21

N

X

21

21

Z L

21

21

N 21 + +

+

− −

RY RX

01

01

cos cos

θ

θ

01

01

X Y Z L

32

32

32

32

M

32

+

− − +

+

λ+

Z

21

+

λ−

X

21

X Y

03

03

L

03

+

hY

03

−=

lZ

ext

lX

ext

cos

θ

03

−=

hX + N

03

03

lZ ext −= N

ext

−=

Z ext cos

sin

Publicité

θ

03

θ

03

=

= =

= =

=

0

0

0 0

0 0

0 0

ext

0 0 −= M = 0 = =

= = = =

= = = =

= =

0 0 0 0

0 0

0 0

Après résolution on obtient :

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Y

01

Z

01

X

01

=

=

Y

32

=

Y

03

M Z

32

32

=

Z

21

−=

X

32

=

X

03

−=

X

21

N

21

= =

=

=

=

M

03

−=

−

0

0 Z N cos λ N cos

ext

ext θ

03

ext θ sin

03 θ

−

l

−

l lZ

ext

03

Il reste un système de 3 équations indépendantes (4), (10) et (16) avec les 03L .

4 inconnues suivantes :

32L ,

01L ,

21L ,

soit

    

−

−

L

32

= 0 21 λ−= Z

L

01 +

L 21 + L

03

+

L

L 32 −=

ext cos

θ

03

lZ

ext

Le mécanisme est donc hyperstatique d’ordre h=1.

2.4.6.5

Comment rendre ce mécanisme isostatique ?

On peut annuler 1 inconnue d'inter-effort (L01 ou L21 ou L32 ou L03) afin de déterminer les 3 inconnues restantes en modifiant les liaisons du mécanisme.

Par exemple, posons

L32=0

Il vient:

L

01

−=

L

21

λ−=

Z

ext

L

03

−=

(Z ext

+λ

l

cos

θ

)

03

soit

{ →T S( 3

} C)S

2

=

    

32

X 0 MY 32 0 Z

32

32

    

R

0

avec

Y M

32

32

= =

0 0

Modification n°1

{ →T S( 3

} C)S

2

=

    

32

X 0 MY

32

Z

32

Liaison sphérique à doigt (

C x zr r , , )

    

R

0

32 0

A yr ,

L10 : Pivot d’axe ( C x zr r L32 : Liaison sphérique à doigt ( , ) , )D zr , L30 : Pivot glissant d’axe ( 0

) 0

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MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

L21 : Pivot glissant d’axe (

B yr ,

) 0

Calcul du degré d’hyperstaticité

Inconnues cinématiques

Mobilité du mécanisme Degré d’hyperstaticité

N

c

+ 1n

= ∑

= 1i

n

ci

=

7

mu=1 mi=0 m=1 h=m+6-Nc=0

Modification n°2

{ T

→

S(

3

} C)S

2

=

    

X Y

32

32

Z

32

0 0

0

    

R

0

Liaison rotule de centre C

A yr ,

) 0

L10 : Pivot d’axe ( L32 : Linéaire rotule de centre C )D zr , L30 : Pivot glissant d’axe ( 0 B yr ) , L21 : Pivot glissant d’axe ( 0

Calcul du degré d’hyperstaticité

Inconnues cinématiques

Mobilité du mécanisme Degré d’hyperstaticité

N

c

+ 1n

= ∑

= 1i

n

ci

=

8

mu=1 mi=1 m=2 h=m+6-Nc=0

Comment s'affranchir de l'hyperstatisme ?

On modélise le solide 2 comme déformable élastiquement (les liaisons étant toujours supposées sans jeu)

c’est-à-dire:

L

32

α= k

32

avec

k: α

32

coefficient de rigidité(m.N.rd-1)

angle de rotation autour de x0 de L3/2 (rd)

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MECANISMES : ETUDE DES CHAINES FERMEES

On suppose les liaisons avec jeu (les solides ne sont plus parfaits mais présentent des défauts géométriques)

c’est-à-dire :

3

3

∑∑ ≤α i

α

+ 1i/i

= 0i

= 0i

avec 1i/i +α

α i

défaut angulaire du solide Si autour de x0 débattement angulaire de la liaison Li/i+1 autour de x0

2.5 Synthèse: Ce qu’il faut absolument savoir

Point de vue Inconnues

Equations

Equations indépendantes ou rang du système. Mobilité / Hyperstaticité

Dégradation du système d'équations Calcul de h par la formule de mobilité

Cinématique γ+ n ∑

N

=

n

ci

c

= 1i γ= 6 γ≤ 6

E c rc

= Nm

−

r c c −= cr6

h

Statique

γ+

n

= ∑

=

n

si

N

s

N)1n(6

−

+

c

= 1i

=

n6

≤

n6

E s rs

= Nh s = n6m

−

−

r s sr

= =

−γ+ 6mh cN − + sNn6mh

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