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TECHNOLOGIE 2 : Mécanismes
Transmissions et transformations de mouvement
Publics concernés M1 et M2
UPEC IUFM de Créteil, centre départemental du Val-de-Marne
Christophe le François
Table des matières
A- Les mécanismes, transmission et transformation de mouvement............................................... 2
1 Définition................................................................................................................................... 2
2 Exemples de machines utilisant des dispositifs techniques de transmission et de
transformation de mouvements....................................................................................................2
3 Objectifs d'apprentissage.......................................................................................................... 2
4 Les différents systèmes de transmission et de transformation de mouvement.........................3
5 Les roues de friction.................................................................................................................. 3
6 Le système poulie et courroie................................................................................................... 3
7 Le système des roues dentées (les engrenages)......................................................................3
8 Le système chaîne et roues dentées........................................................................................ 4
9 Le système bielle-manivelle (transformation de mouvement)...................................................4
10 Le système pignon crémaillère (transformation de mouvement)............................................. 4
11 Le système vis crémaillère (transformation de mouvement)...................................................4
B- Bien distinguer transmission et transformation de mouvement.................................................... 4
C- Vocabulaire technique associée aux roues dentées.................................................................... 5
D- Propriétés des systèmes utilisant des roues dentées.................................................................. 5
1 Le sens du mouvement de rotation........................................................................................... 5
2 La transformation d'un mouvement de rotation en mouvement de translation..........................5
3 La surmultiplication et la démultiplication.................................................................................. 6
E. Chaine cinématique..................................................................................................................... 6
Les illustrations de ce cours et les exemples sont disponibles sur cette page :
http://stsp.creteil.iufm.fr/article89.html
A- Les mécanismes, transmission et transformation de mouvement
1
Définition
Dans le cadre de l'enseignement en cycle 3, la notion de mécanisme se
comprend comme un agencement de pièces mis en mouvement en vue d'un
fonctionnement d'ensemble.
L'agencement des pièces est mis en mouvement par un apport d'énergie. Au
sein de cet agencement, le mouvement est transmis de pièce en pièce et parfois
transformé.
L'énergie susceptible de mettre en mouvement cet agencement peut prendre
différentes formes : mécanique (grace aux muscles, aux fluides comme l'eau et
l'air), chimique (les combustibles), rayonnante (le soleil), thermique (nappes
géothermiques), électrique, nucléaire.
Différents dispositifs techniques assurent une conversion entre énergies. Le
moteur électrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique (pour une
bonne part). L'éolienne convertit l'énergie mécanique sous forme cinétique (le
vent c'est-à-dire le déplacement d'une masse d'air) en énergie électrique. Le
moteur d'une voiture (dit à combustion interne) convertit l'énergie chimique
(combustible) en énergie mécanique.
Le fonctionnement d'un mécanisme est finalisé, il sert à quelque chose.
2
Exemples de machines utilisant des dispositifs techniques de transmission
et de transformation de mouvements
Une bicyclette, une chignole, une machine à coudre, un moulin...
3
Objectifs d'apprentissage
Dans le cadre du cycle 3, l'élève apprend à :
•
nommer les objets qu'il étudie (construction d'un lexique, vocabulaire),
•
comprendre à quoi ils servent (notion de fonction),
•
comprendre comment ils fonctionnent (apprentissage des notions
associées aux mécanismes, acquisition des principes élémentaires de
fonctionnement des systèmes de transmission et de transformation du
mouvement),
•
positionner les objets dans l'espace et le temps (famille d'objets, lignée
d'objets).
•
il se familiarise avec la notion de proportionnalité.
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Les différents systèmes de transmission et de transformation de
mouvement
Un mécanisme est généralement composé d'éléments en mouvement qui
agissent les uns sur les autres pour former une chaîne cinématique.
Lorsque, dans un dispositif mécanique, le mouvement de sortie est de même
nature que le mouvement d'entrée, il y a transmission de mouvement. Par
exemple, losque j'actionne le pédalier de mon vélo (rotation), il entraîne la chaîne
qui entaîne le pignon arrière qui entraîne la roue (rotation).
Par contre, si le mouvement de sortie est de nature différente que le mouvement
d'entrée, il y a transmission et transformation de mouvement. Voir par exemple,
le système pignon-crémaillère ou le système bielle manivelle (rotation et
translation).
Un mouvement peut être continu (toujours dans le même sens) ou alternatif (il
change périodiquement de sens).
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Les roues de friction
Afin de transmettre le mouvement de rotation, les roues sont pressées l'une
contre l'autre. C'est le frottement qui en assure la liaison, c'est pourquoi ce
mécanisme ne tolère aucun corps gras
Exemples : la dynamo, le Vélosolex
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Le système poulie et courroie
Si la roue à entraîner est trop éloignée du moteur, on peut utiliser une courroie
pour transmettre le mouvement de rotation. L'entraînement se fait par friction.
Exemples : la courroie de la machine à coudre, la courroie de l'aternateur.
Avantages : en cas de problème, la courroie se met à patiner ce qui peut éviter
au moteur de chauffer et de s'altérer.
Inconvénients : le glissement éventuel de la courroie limite la puissance à
transmettre, le patinage ne permet pas d'obtenir une vitesse constante.
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Le système des roues dentées (les engrenages)
Le principe est identique à celui des roues de friction mais la denture évite le
patinage. L'entraînement se fait par obstacle.
Exemple : le moulin, la chignole
Avantages : la vitesse est constante car il ne peut y avoir de glissement, on peut
réaliser une boîte de vitesses dans un encombrement réduit, si les roues sont
réalisées en matière plastique ou en alliage de cuivre, et que la précision
d'ensemble est satisfaisante, on peut obtenir un mécanisme très silencieux.
Inconvénients : Le coût de fabrication est élevé, il faut prévoir un système de
graissage performant, ce mécanisme ne supporte aucune impureté (attention au
grain de sable...).
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Parmi la multiplicité des dispositifs inventés, il faut retenir deux principes :
8
•
Les engrenages à axes parallèles (on dit également engrenages droits) :
les axes autour desquels tournent les roues dentées sont parallèles.
•
Les engrenages à axes perpendiculaires : les axes autours desquels
tournent les roues dentées sont perpendiculaires, c'est le cas pour le
batteur mécanique et la chignole. Dans ce cas les roues dentées et les
pignons sont généralement coniques.
Le système chaîne et roues dentées
On opte pour cette solution technique quand les roues dentées doivent
impérativement être éloignées l'une de l'autre.
Exemple : le mécanisme d'entraînement d'une bicyclette.
Avantage : l'entraînement est par obstacle donc la vitesse est régulière, les roues
entraînées peuvent être très éloignées.
Inconvénients : les axes des roues doivent être rigoureusement parallèles, le
coût de l'installation.
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Le système bielle-manivelle (transformation de mouvement)
Les systèmes précédents transmettent des mouvements de rotation. Le système
bielle-manivelle transmet le mouvement mais il en change la nature : il convertit
un mouvement de rotation en mouvement de translation alternatif, ou
inversement.
Par exemple, dans la machine à coudre, le mécanisme transforme le mouvement
de rotation créé par le moteur électrique en mouvement de translation alternatif
de l'aiguille : celle-ci monte et descend.
Autre exemple : dans le moteur à explosition d'une voiture, le mouvement
alternatif des pistons est transformé par le système bielle-manivelle en
mouvement de rotation (les roues).
On dit qu'il y a transformation de mouvement.
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Le système pignon crémaillère (transformation de mouvement)
Certains dispositifs utilisent une pièce mécanique rectiligne et dentée appelée
crémaillère. Cette pièce a toujours un mouvement de translation. Elle est
entrainée par une roue dentée. Lorsque la roue tourne, la crémaillère translate.
Le système fonctionne bien dans les deux sens. Certains tire-bouchon utilisent
ce principe.
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Le système vis crémaillère (transformation de mouvement)
Le principe de la crémaillère est également utilisée dans ce dispositif mais c'est
la rotation d'une vis qui provoque la translation de la crémaillère. Seule la rotation
de la vis entraîne le mouvement ; lorsque l'on tente de déplacer la crémaillère
rien ne se passe, le système est bloqué. Ce qui est nécessaire pour un système
de blocage comme la à molette qui fonctionne grace à ce dispositif.
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B- Bien distinguer transmission et transformation de mouvement
Avec ces dispositifs simples étudiés pour le concours, nous avons affaire à deux
types de mouvement : des mouvements de rotation et des mouvements de
translation.
Si, dans un dispositif mécanique, le type de mouvement de la pièce d'entrée et
de la pièce de sortie est identique, on dit qu'il y a transmission de mouvement
(rotation : roues dentées, roues de friction, roues dentées et chaîne, poulie et
courroie).
Mais si, dans un dispositif mécanique, le type de mouvement de la pièce d'entrée
et de la pièce de sortie est différent, on dit qu'il y a transmission et
transformation de mouvement (rotation et translation : bielle manivelle, pignon
crémaillère, vis crémaillère).
C- Vocabulaire technique associée aux roues dentées
Les roues dentées peuvent avoir différentes tailles. Par commodité on appelle :
•
le pignon la plus petite d'entre elle,
•
la couronne la plus grande,
•
les autres, roues intermédiaires.
On peut être amené à utiliser une pièce un peu particulière dont les dents sont
disposées de façon rectilignes : il s'agit d'une crémaillère.
Une roue dentée tourne autour d'une tige appelée axe. Cet axe est parfois
solidaire de la roue.
Pour pouvoir s'entrainer en rotation, s'engrener, les dents des roues ont besoin
d'être du même calibre. Le calibre d'une dent s'appelle le module.
Dans un mécanisme, l'ensemble des roues qui s'engrènent est appelé
engrenage.
Dans un engrenage, si les roues qui sont en contact ont le même module, elles
n'ont pas forcément le même nombre de dents.
Dans un engrenage on distingue la roue d'entrée et la roue de sortie.
Lorsque l'on étudie les effets d'une roue sur une autre, au sein d'un engrenage,
on appelle motrice (ou menante) celle qui provoque l'effet, et menée celle qui
subit l'effet.
D- Propriétés des systèmes utilisant des roues dentées
1
Le sens du mouvement de rotation
•
Lorsqu'un engrenage simple est composé d'un nombre de roues pair, les
sens de rotation des pignons d'entrée et de sortie sont opposés.
•
Lorsqu'un engrenage simple est composé d'un nombre de roues impair,
les sens de rotation des pignons d'entrée et de sortie sont semblables.
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La transformation d'un mouvement de rotation en mouvement de
translation
Lorsque l'on engrène un pignon et une crémaillère, cette dernière translate vers
la droite lorsque le pignon tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (et
inversement...).
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La surmultiplication et la démultiplication
On appelle rapport d'enregnage (K) le quotient suivant :
K = nombre de dents de la roue menante / nombre de dents de la roue menée
Lorsque K > 1, ont dit que le rapport de vitesse est multiplicateur, car le
nombre de tours effectués par la roue de sortie est supérieur à celui de la roue
d'entrée.
Lorsque K < 1, ont dit que le rapport de vitesse est démultiplicateur, car le
nombre de tours effectués par la roue de sortie est inférieur à celui de la roue
d'entrée.
E. Chaine cinématique
Une chaîne cinématique est un schéma, ou graphe, qui représente les éléments
successivement entraînés depuis une pièce d'entrée jusqu'à une pièce de sortie.
Une chaîne cinématique modélise un dispositif comme on peut le voir dans
l'exemple donné sur la page web associée à ce document.
Les visuels et exemples associés à ce cours sont disponibles là :
http://stsp.creteil.iufm.fr/article89.html
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