« Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Bielle » : différence entre les versions
Contenu supprimé Contenu ajouté
ajout d'un texte |
m FrankyLeRoutier a déplacé la page Transwiki:Système bielle-manivelle vers Technologie/Moteurs thermiques/Moteur Diesel/Bielle : avec le livre |
||
Ligne 1 :
Le '''système bielle-manivelle''' est un modèle de mécanisme qui doit son nom aux deux pièces qui le caractérisent. Il apparaît à l'aube de la [[Renaissance (période historique)|Renaissance]] et constitue une [[innovation]] de rupture qui vient s'ajouter aux cinq chaînes cinématiques simples héritées des mécaniciens grecs. Sa cinématique, apparemment triviale, cache de vrais problèmes techniques : après plus d'un siècle d'existence, le moteur thermique n'a pu trouver d'alternative pour la variation de volume dans la chambre de combustion<ref>Voir [[moteur Wankel]].</ref>. D'ailleurs les constructeurs automobiles rechignent à abandonner ce '''bas moteur''' qui fonctionne et concentrent tous leurs efforts sur l'admission et l'échappement. Le système bielle-manivelle tournera donc encore un peu...
[[Image:Cshaft.gif|thumb|upright=1.2|Animation d'un ''système bielle-manivelle'' d'un moteur à quatre cylindres]]▼
==
Le '''système bielle-manivelle''' représente sans doute la plus importante [[innovation]] du {{XVe siècle}}. La pensée technique allemande de cette époque nous a légué un manuscrit anonyme, daté aux environs de 1430, dit ''[[Croisades contre les Hussites|Anonyme de la guerre hussite]]''<ref> ''Les ingénieurs de la Renaissance'' [[Bertrand Gille (historien)|Bertrand Gille]], Thèse Histoire, Paris, 1960 ; Seuil, coll. « Points Sciences », 1978 {{ISBN|2-02-004913-9}}
</ref>. Celui-ci comporte plusieurs dessins de moulins à bras qui constituent la première représentation figurée certaine de ce mécanisme : on y distingue parfaitement les bielles manœuvrées à bras, et les manivelles.
Par ailleurs, les techniciens se sont probablement très vite rendu compte qu'il existe deux points morts qui peuvent bloquer le système, de sorte qu'ils ont rapidement associé un [[volant d'inertie]] sur l'axe en rotation, volant constitué d'une roue ou de barres en équerre munies de maillets et qui constituent l'ancêtre du [[régulateur à boules]].
Le système bielle-manivelle a permis l’apparition d’un machinisme d’un genre nouveau, d’abord de petite taille avec les machines à pédales qui libèrent la main de l’ouvrier, comme le [[Tour (outil)|tour]], la meule ou encore le [[Rouet (outil)|rouet]] (1470). L’interdiction de ce dernier, longtemps inscrite dans les règlements de [[corporation]]s, montre combien cette innovation était pertinente parce que déstabilisante. Viendront ensuite des machines de plus grande taille actionnées par les roues des [[moulin]]s, comme la scie hydraulique ([[Francesco di Giorgio Martini]]), la pompe aspirante et foulante ({{XVIe siècle}}) ou encore le marteau hydraulique qui permet de forger des pièces de grande dimension.
<center>
<gallery perrow="5" widths="100" heights="120">
Image:Hausbuch Wolfegg 48v Mühle.jpg|[[Meule à grains|Moulin à grains]] (après 1480)
Image:Encyclopedie volume 3-110.png|Moulin à bras
Image:Alexandre-Gabriel Decamps 003.jpg|''Le rémouleur'' (1840) [[Alexandre-Gabriel Decamps]]
Image:Encyclopedie volume 1-087.png|Pompe aspirante et foulante
Image:Encyclopedie volume 3-116.png|Rouet à pédale
Image:Encyclopedie volume 4-232.png|Machines à couper et à polir le verre
</gallery> {{message galerie}}</center>
▲[[Image:Cshaft.gif|thumb|upright=1.2|Animation d'un ''système bielle-manivelle'' d'un moteur à quatre cylindres]]
== Description ==
C'est, avant tout, un système mécanique de transformation de mouvement ; il est constitué de 4 pièces principales :
[[Image:moteur_plan.jpg|thumb|upright=1.2|un moteur]]▼
*la [[bielle (mécanique)|bielle]].
▲C'est, avant tout, un système mécanique de transformation de mouvement ; il est constitué de 4 pièces principales : la bielle, la manivelle appelée aussi vilebrequin, l'oscillateur et le bâti.
*la [[manivelle]] appelée aussi vilebrequin.
*l'oscillateur.
*le bâti.
La manivelle et l'oscillateur constituent les deux pièces d''''entrée et sortie''' du mécanisme. La transformation de mouvement concerne donc ces éléments. La manivelle (motrice ou réceptrice) est supposée tourner continuellement dans le même sens autour de son axe, alors que l'oscillateur est animé d'un mouvement alterné.
La bielle est liée par deux articulations, d'un côté à la manivelle, et de l'autre à l'oscillateur qui peut être guidé dans le bâti par deux types de liaisons :
*Liaison autorisant une translation : c'est le cas des machines à piston (pompes hydrostatiques, moteur).
*Liaison autorisant une rotation : ce cas est alors répertorié comme mécanisme à 4 barres (liées entre elles par 4 articulations). Il s'agit par exemple du système de tringlerie d'essuie-glace de véhicules automobiles. On trouve le mécanisme inverse sur les voitures à pédales pour enfants.
<gallery>
Image:tringlerie_voiture_pedales.jpg|voiture à pédales
</gallery>
==Exemples d'applications==
Pour la suite de l'étude on ne considérera que des systèmes avec oscillateurs en translation. on distinguera cependant deux grandes familles :
*les [[moteur thermique|moteurs à piston]] (la manivelle est alors réceptrice) : la source d'énergie vient des gaz introduits dans la chambre et poussant le piston.
*les
*Commande de certaines [[barrière]]s ([[péage]]s ou [[parking]]). La lisse étant l'oscillateur, l'intérêt du dispositif réside dans la commande du moteur animant le mécanisme qui tourne dans le même sens pour la levée ou la descente de la lisse. La manivelle effectue donc exactement un demi-tour pour chaque mouvement.
*les [[automate]]s des vitrines des [[grands magasins]]: Toutes les pièces animées d'un mouvement alternatif sont entraînées par des [[moteur électrique|moteurs électriques]] tournant en continu. Simplicité et effet garanti.
== Modélisation cinématique ==
[[Image:bielle manivelle graphe.svg|right|300 px]]
Le mécanisme bielle-manivelle comporte un nombre cyclomatique égal à 1, et présente une mobilité utile. Le tableau ci-dessous répertorie les principales solutions cinématiques en indiquant le type de chaque liaison mécanique, les degrés d'hyperstatisme et de mobilité.▼
{{Article connexe|Modélisation cinématique des mécanismes}}
▲Le mécanisme bielle-manivelle comporte un [[nombre cyclomatique]] égal à 1, et présente une mobilité utile. Le tableau ci-dessous répertorie les principales solutions
{| class="wikitable"
Ligne 113 ⟶ 115 :
==Équations horaires==
Le système bielle manivelle est un [[mécanisme plan]]. Dans le plan (x, y) du schéma suivant, on peut représenter en vraie grandeur les déplacements de chaque pièce. La géométrie dépend :
* du rayon R=OA de la manivelle ;
* de la longueur L=AB de la bielle ;
Ligne 122 ⟶ 124 :
[[Image:bielle manivelle.jpg]]
<br>[[Animation procédurale]] du système bielle-manivelle avec piston dans l'axe, selon le schéma plan ci-dessus :<br>
:Les déplacements des deux pistons sont calculés avec l'équation horaire h(t) ci-dessous, pour L≈R et L=3R, valeurs utilisées dans les courbes ''Lois du mouvement'' dans la section '''Valeurs particulières''' ci-après.
[[Image:TRUE piston2 ANI.gif|centre|Animation bielle manivelle avec piston dans l'axe pour L≈R(rouge) et L=3R(vert)|frame]]<br>
Pour cette configuration le point B est sur l'axe (O, y).
Ligne 133 ⟶ 135 :
:avec ''θ'' = ''θ''(t) = ω.t (par exemple).
Par dérivation on obtient alors la vitesse puis l'accélération (expressions non triviales).
On peut aussi repérer la position angulaire de la manivelle ''θ'' en fonction de la position du piston (OB) avec la formule suivante: * ''θ'' = arcsin((R²+OB²-L²)/(2.R.OB))
'''Remarques sur la géométrie''': Pour que le système puisse faire un tour, il faut que la bielle soit au moins plus longue que la manivelle (arcsin ayant des arguments inférieurs ou égaux à 1). Notez aussi que le milieu de course du piston ne correspond pas à ''θ''=0.
'''Valeurs particulières:'''
Ligne 151 ⟶ 157 :
Les courbes ci-contre obtenues à partir de l'équation horaire, donnent sur une période, la comparaison de deux configurations (avec R/L différents):
Avec L=3R, le mouvement aux alentours du point mort bas s'apparente à un mouvement uniformément varié. Les accélérations peuvent être très violentes si la longueur de bielle est trop faible. À l'autre extrême, une contrainte d'encombrement, mais aussi de résistance au [[flambage]] (ou flambement) limite la longueur de bielle. Au technicien de trouver le bon compromis.
Voici quelques exemples de valeurs pratiquées dans le cas des moteurs thermiques:
Ligne 160 ⟶ 166 :
=== Piston « désaxé »===
Lorsque le point B est décalé, la [[symétrie]] du dispositif n'est plus respectée.
==Comportement statique==
Ligne 172 ⟶ 178 :
* Couple sur la manivelle (dans l'axe de la manivelle) C=f(F)?
Le problème [[
* équilibre de la bielle qui transmet l'action du piston vers la manivelle, ce qui nous renseigne sur la direction des actions transmises dans les articulations en A et B.
* équilibre du piston sous 3 actions (glissière 2D, articulation, et F ext), qui donne l'intensité des actions transmises dans les articulations en A et B.
Ligne 184 ⟶ 190 :
:<math>C = F. R \cos\theta \left(1 + \frac{R\sin\theta}{\sqrt{L^2-R^2\cos^2\theta}}\right)</math>
Lorsque L est suffisamment grand, le terme sous forme de fraction ne s'annulant pas, on retrouve deux points particuliers ou le couple est nul: il s'agit des points morts haut et bas pour lesquels l'action de F est donc totalement inefficace sur l'avancée de la manivelle ; en effet, il est difficile d'arracher un vélo lorsque la pédale est placée au-dessus de l'axe du pédalier; l'efficacité est au contraire maximale lorsque la manivelle est à l'horizontale.
===Le piston===
[[Image:bielle manivelle tech.jpg|right|300 px|Efforts répartis sur la chemise]]L'étude détaillée du piston montre que les actions mécaniques doivent avoir un moment nul en B. Cela implique une géométrie bien adaptée pour éviter l'[[arc-boutement]] de celui-ci dans la chemise, ce qui provoque les ''serrages du moteur''. C'est pourquoi l'articulation B doit se trouver à l'''intérieur'' du piston, autrement dit, la surface de contact piston/chemise doit être en vis-à-vis de l'axe de piston. Par exemple si la [[liaison pivot glissant]] avec le bâti est réalisée comme sur le schéma cinématique montré plus haut, (cependant juste cinématiquement), le piston tend à se pencher et peut se coincer comme un tiroir de commode.▼
▲L'étude détaillée du piston montre que les actions mécaniques doivent avoir un moment nul en B. Cela implique une géométrie bien adaptée pour éviter l'arc-boutement de celui-ci dans la chemise, ce qui provoque les ''serrages du moteur''. C'est pourquoi l'articulation B doit se trouver à l'intérieur du piston, autrement dit, la surface de contact piston/chemise doit être en vis-à-vis de l'axe de piston. Par exemple si la liaison pivot glissant avec le bâti est réalisée comme sur le schéma cinématique montré plus haut, (cependant juste cinématiquement), le piston tend à se pencher et peut se coincer comme un tiroir de commode.
==Cinématique==
Ligne 227 ⟶ 232 :
<math>y^\prime = (1 - cos \alpha)\,r + \frac{r\,sin^2 \alpha}{4\,K}\,</math>
==
[[Image:Palmercarpenter.jpg|150px|right]]
<references />
==Liens externes==
*[http://perso.orange.fr/LoranEngineDev/Help_File_EEngine.htm Calcul des efforts dynamiques internes et externes d'un moteur à combustion interne]
*[http://www.univ-lemans.fr/enseignements/physique/02/meca/bielle.html Visualisation du système bielle-manivelle]
*[[File:Halfrotate400.gif|thumb|Calculer la cylindrée, la nouvelle mise en page]]
*[http://www.mecamedia.info/index/flash_biellemanivellev3 Autre visualisation du système bielle-manivelle]
{{Portail technologies}}
[[Catégorie:Construction mécanique]]
[[Catégorie:Moteur à explosion]]
[[Catégorie:Dispositif mécanique]]
[[it:Meccanismo biella-manovella]]
▲[[Catégorie:Moteur Diesel (livre)]]
[[de:Schubkurbel]]
[[en:Crankshaft]]
|