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I. Nature de l’énergie :
Pour réaliser une action, la majorité des systèmes utilisent de l’énergie électrique (qui est très répandue) Ou de l’énergie pneumatique (sous forme d’air comprimé utilisé dans les systèmes industriels).
1°) L’énergie pneumatique
La Pression notée P et exprimée en Pascal (Pa), ou en Bar (bar). C’est une force appliquée sur une
: se caractérise par deux grandeurs ; Le débit noté Q et exprimé en m3/s
surface;
Avec 1 Pa = 1 N/m² et 1 bar = 105 N/m² = 105 Pa = 1 daN/cm²
La puissance pneumatique (Ppneu) s’exprime en Watt (W):
2°) L’énergie électrique :
La puissance électrique (Pélec) s’exprime en Watt (W) :
3°)
se caractérise par deux grandeurs ; La Tension notée U et exprimée en Volt (V) L’intensité notée I et exprimée en Ampère (A)
La puissance mécanique de translation (Pméca) s’exprime en Watt (W) :
L’énergie mécanique : a) L’ENERGIE MECANIQUE DE TRANSLATION : se caractérise par deux grandeurs ; La vitesse de translation notée V et exprimée en mètres par seconde (m/s) La force motrice du déplacement notée F et exprimée en Newtons (N)
b) L’ENERGIE MECANIQUE DE ROTATION : se caractérise par deux grandeurs : La vitesse de rotation notée ω et exprimée en radians par seconde (rd/s) ;
Le couple moteur de la rotation notée C et exprimée en Newtons×mètres (N.m)
La puissance mécanique de rotation (Pméca) s’exprime en Watt (W) :
Remarque : Il existe d’autres types d’énergie ; l’énergie hydraulique sous forme d’huile comprimé ; l’énergie calorifique sous forme de chaleur
Ainsi un élément qui absorbe une puissance Pe à son entrée et fournit une Puissance de sortie Ps
RENDEMENT :
Lors de la transformation de l’énergie (d’une forme à une autre) on aura toujours des pertes d’énergie
a un rendement η = (η < 1 car Pe = Ps + Pertes)
Pour assurer des fonctions de service, beaucoup de produits utilisent une chaîne d’énergie qui apporte la quantité et La forme d’énergie au bon moment pour réaliser l’action désirée
Force en Newton: N
N
S
F P =
Pméca = C x ω Watt N. m rd/s
60 2.π.N ω =
Vitesse de rotation en tr/min
ALIMENTER TRANSMETTRE
Type d’énergie Energie électrique Ou pneumatique
Energie distribuée Energie mécanique Energie disponible pour réaliser l’action
DISTRIBUER CONVERTIR
Chaîne d’énergie
Ppneu = Q x P Watt m3/s Pascal
Pélec = U x I Watt Volt Ampère
Pméca = F x V Watt Newton m/s
Ps PE
Energie d’entrée (Pe) Pertes d énergies
Transformer l’énergie
Elément
Présence d’ordre
Surface ( m2)
Energie de sortie (Ps)
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II. LA FONCTION ALIMENTER : 1°)
• L’énergie hydraulique de l’eau des barrages
Alimenter un produit en énergie électrique :
À l’aide des « prises de courant » raccordées par des conducteurs au réseau d’alimentation en courant alternatif Les sources principales d’énergie électrique sont des centrales qui utilisent:
• L’énergie Thermique classique: combustion de fuel, de charbon • L’énergie thermique nucléaire : Fission de l’uranium 235 • L’énergie éolienne : exploitation de la force du vent
Pour produire de l’énergie électrique, une turbine (une hélice) est entraînée en rotation par un débit d’eau (dans une centrale hydraulique), de la vapeur (dans une centrale thermique) ou du vent (dans une centrale éolienne), entraîne en rotation un alternateur qui produit l’électricité. A la sortie des centrales des transformateurs élèvent la tension pour transporter l’énergie électrique A l’approche du point de consommation l’énergie électrique est abaissée et distribuée sous forme d’un réseau (triphasé + Neutre: pour application industrielle. Phase + Neutre: pour application domestique)
Raccordement au secteur
Ph1
Ph2
Ph3
N
380v
380v
380v 220v
220v 220v
Réseau triphasé
Centrale thermique
Centrale thermique nucléaire
Centrale hydraulique
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À l’aide d’alimentation autonome qui stocke l’énergie électrique dans : Des piles
: non rechargeables Des batteries
que les piles puisqu’ils sont rechargeables ou piles rechargeable plus économiques
À l’aide d’alimentation locale Des cellules photovoltaïques des batteries pour alimenter des produit a faible consommation.
qui assurent la recharge
Une éolienne
de petite puissance peut constituée une alimentation autonome
Air comprimé p > p atm
Compresseur d’air + Réservoir d’air
Transformer et stocker
Contrôle des seuils de pression
Air ambiant p = p atm
Ordre de marche
Batterie d’automobile
Cellules photovoltaïques
Onduleur
Eclairage
Électroménager Régulateur
Batteries
Éolienne
Pile rechargeable
Pile non rechargeable
Exemple d’alimentation locale
Multiplicateur
Hélice
Production de l’énergie Pneumatique
Symbole :
Source d’énergie pneumatique
Le FILTRE élimine les impuretés
Le MANO-REGULATEUR permet de régler la pression
Le LUBRIFICATEUR Pulvérise des gouttes d’huile pour graisser les éléments mobiles
Ensemble de conditionnement
Production de l’énergie pneumatique
Alternateur
2°) Alimenter un produit en énergie pneumatique :
À l’aide d’un compresseur d’air + réservoir d’air, un ensemble de conditionnement et un réseau d’alimentation pour acheminer l’air sous pression aux systèmes
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III. LA FONCTION CONVERTIR :
1°)
Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique :
a) MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT CONTINU Il transforme l’énergie électrique à courant continu en énergie mécanique de rotation
Symbole :
b) MOTEUR ELECTRIQUE A COURANT ALTERNATIF Il transforme l’énergie électrique alternative en énergie mécanique de rotation
Symbole :
c) MOTEUR PAS A PAS :
Il est très utilisé dans les appareils électroniques : imprimantes ; photocopieuse ; scanner . . .
Symbole :
Moteur alternatif triphasé (Utilisé dans le domaine industriel) Moteur à courant alternatif
Moteur alternatif monophasé (Très utilisé dans les appareils domestiques)
M ∼
M
Moteur à courant continu
M
Energie Électrique
(I , U )
Convertir l’énergie électrique en énergie mécanique de rotation
Energie mécanique de rotation
(C , ω )
Moteur électrique
Pertes (chaleur)
Moteur à courant continu
Moteur pas à pas
Structure d’un moteur à courant continu
Moteur pas à pas
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2°) Convertir l’énergie pneumatique en énergie mécanique :
a) VERIN PNEUMATIQUE
On distingue principalement deux types de vérin : Double effet et simple effet
a- 1 ) VERIN DOUBLE EFFET Dans un vérin double effet; l'air comprimé alimente les deux chambres alternativement.
Un système que nous étudieront ultérieurement permet de vider une chambre pendant que l'autre se remplit.
Fonctionnement
Energie mécanique de translation
(F, V)
Chambre avant reliée à la source de pression
Chambre arrière reliée à l’échappement
Chambre arrière reliée à l’échappement
Chambre avant reliée à la source de pression
Pour rentrer la tige Pour sortir la tige
Vérin standard
Orifice arrière
Chambre arrière Chambre avant
Orifice avant
Tige
Corps
Orifice avant
Orifice arrière
Piston
Piston
Orifice arrière
Tige Mini vérin
Symbole :
Energie pneumatique
(P, Q)
Convertir l’énergie pneumatique en énergie
mécanique de translation
Vérin pneumatique
Pertes (chaleur)
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a- 2) VERIN SIMPLE EFFET
Dans un vérin simple effet l'air comprimé alimente seulement une chambre et produit une force dans un seul sens. Le retour en position initiale s'effectue sous l'action d'un ressort.
Fonctionnement
F : effort de la tige en Newton (N).
P : pression du fluide en Pascal (Pa). 1 bar = 1.10 +5 Pa
S : surface utile du piston (m2)
Force de traction (Ftraction)
Un vérin double effet produit un effort dans les deux sens (sortie de la tige et rentrée de la tige).
Relation effort- pression Chambre avant reliée à la source de pression
Chambre arrière reliée à l’échappement
Chambre avant reliée à l’échappement
Chambre arrière reliée à la source de pression
Symbole
Vérin simple effet Tige sortante
Vérin simple effet Tige rentrante
Piston
Chambre arrière Chambre avant
Orifice
Ressort de rappel
Force de pousseé (Fpoussée)
Chambre arrière reliée à l’échappement
Chambre arrière reliée à la source de pression
Retour sans force Sous l’action du ressort
Surfaces utiles du piston subissant la pression sont différentes côté avant et côté arrière
Surface utile arrière Sarrière
Sarrière = π . R2 = π . D2/4 Fpoussée = P . Sarrière
Diamètre Dpiston Diamètre dtige Diamètre Dpiston
Surface utile avant Savant Savant = π . ( R2 - r2 ) = π . (D2 - d2 ) /4 Ftraction = P . Savant
Force de poussée (Fpoussée)
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b) VERIN ROTATIF
C) GENERATEUR DE VIDE :
Symbole :
Perceuse : visseuse - dévisseuse Utilisant un Vérin rotatif
Vérin rotatif
Energie pneumatique
(p, q)
Convertir l’énergie pneumatique en énergie mécanique de rotation
Energie mécanique de rotation
(C, ωs)
Vérin rotatif
Moteur pneumatique
Structure d’un vérin simple effet et double effet
Alimentation en air comprimé
Vers l’échappement
Principe d’un vérin rotatif
Pertes (chaleur)
Générateur de vide
Energie pneumatique
(p, q)
Convertir l’énergie pneumatique (p>patm) en énergie pneumatique (p<patm)
Energie pneumatique
(p, q)
Pertes (chaleur)
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IV.
1°)
Le contacteur électrique
Le contacteur permet : d’établir ou interrompre un fort courant électrique ainsi que : La commande à distance d’un circuit électrique sans effort manuel, L’automatisation des machines de production et l’amélioration de la sécurité de fonctionnement.
Principe effet Venturi L’air comprimé, en passant dans l’étranglement prévu à l'intérieur provoque une accélération du flux d'air qui provoque une dépression qui aspire l’air dans l’espace étanche ventouse - objet la ventouse
Un contacteur électromagnétique est constitué par : * Un électro-aimant (bobine + noyau de fer) qui attire des contacts mobiles lorsqu’il reçoit un courant de la partie commande. * Plusieurs contacts à établissement du circuit (contacts de puissance)
Symbole
Contacteur
Contacteur Fonctionnement
Symbole
LA FONCTION DISTRIBUER :
Générateur de vide
Air aspiré objet
= Air comprimé + Air aspiré
Ordres de commande
Contacteur électromagnétique
énergie électrique disponible
(U, I )
énergie électrique distribuée
(U, I)
Distribuer l’énergie électrique
Pertes (chaleur)
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2°)
Distributeur électropneumatique :
Ils permettent d'alimenter les vérins pneumatiques vus précédemment. a) DISTRIBUTEUR 5/2 (pour vérin double effet) Il possède :
* 5 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 2 pour l'utilisation (Vers vérin), 2 pour l'échappement * 2 positions : 1 de repos, 1 de travail
Energie pneumatique en provenance du compresseur
(p, q)
Energie pneumatique distribuée
(p, q)
La bobine ne reçoit pas l’ordre de commande (elle n’est pas alimentée) tous les contacts sont ouverts ; le moteur n’est pas alimenté
La bobine reçoit l’ordre de commande (elle est alimentée) tous les contacts sont fermés ; le moteur est alimenté
Tiroir
Orifices Commande manuel
Constitution
Position de repos Position de travail
Commande manuelle
Commande manuelle
Source de pression
échappement
Vers vérin
1
2 4
3 5
Distributeur 5/ 2
éc
Ordre de commande électrique
Distributeur
Distribuer l’énergie pneumatique Pertes (chaleur)
Distributeur 5/2
Symbole
2 cases ⇔ 2 positions
Té d’obturation 2 orifices d’échappement
Orifice relié à la source de pression
Voie de circulation Le sens est indiqué par la flèche
2 orifices d’utilisation Vers vérin
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Il possède : * 4 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 1 pour l'utilisation (Vers vérin),
2 pour l'échappement * 2 positions : 1 de repos, 1 de travail
Commande du distributeur A chaque position du tiroir est associée une commande qui peut être un électro-aimant, un ressort, ...
b) DISTRIBUTEUR 4/2 (pour vérin double effet)
Symbole :
Si le distributeur possède une commande de chaque coté il est dit bistable (a deux positions stables lors qu’il n’y a pas d’ordre de commande)
Commande par ressort Commande par électro-aimant Si le distributeur possède une seule commande d'un coté et un ressort de l'autre il est dit monostable (a une position stable commandée par le ressort lors qu’il n’y a pas d’ordre de commande)
Distributeur 5/2 bistable
Position commandée par Un ressort (position stable)
Position commandée par Un électro-aimant
Distributeur 5/2 monostable
La position du tiroir permet d’orienter la circulation du fluide dans le distributeur.
Position 2
Source de pression échappement
écha
Fonctionnement
Position 1
Source de pression échappement
Principe de fonctionnement d’un distributeur 5/2
Distributeur 4/2
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Il possède :
* 3 orifices : 1 pour l'arrivée de pression (vers la source de pression), 1 pour l'utilisation (Vers vérin), 1 pour l'échappement
* 2 positions : 1 de repos, 1 de travail Fonctionnement : Le pilotage des distributeurs est réalisé par des commandes pneumatiques, électriques, manuelles ou mécaniques.
Type de pilotage les plus courants :
c) DISTRIBUTEUR 3/2 (pour vérin simple effet)
Symbole :
Commande manuelle
BP levier galet ressort pression bobine électrovanne
Commande électrique
Commande pneumatique Commande mécanique
Distributeur 3/2
Position1 Position2
Fonctionnement
Position 1 Position 2
d) EXEMPLES D’UTILISATION DE VERINS
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V. LA FONCTION TRANSMETTRE : Transmettre l’énergie mécanique consiste à : Adapter l’énergie mécanique ou Transformer l’énergie mécanique
1°) Adapter l’énergie mécanique
a) ENGRENAGES CYLINDRIQUES A DENTURES DROITES Rapport de réduction
Le rapport de réduction est fonction du Nombre de dents des roues de l’engrenage.
b) POULIES COURROIE
Le rapport de réduction est fonction des diamètres des poulies
Symbole ∅ D entrée
∅ D sortie
Z entrée Dents
Zsortie Dents
Rapport de réduction
ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue
ω sortie ω entrée
N sortie N entrée
Z entrée Z sortie
D entrée D sortie = = = r =
ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue Z : Nombre de dents d’une roue
Poulie d’entée
Symbole :
Poulie de sortie
Courroie
Poulie d’entée ( diamètre D sortie)
Poulie de sortie (Diamètre D entrée)
Transmettre l’énergie mécanique
Adapter l’énergie
mécanique
Transformer l’énergie
mécanique
On adapte l’énergie mécanique lorsqu’on modifie ses caractéristiques. Exemple : réduction de la vitesse de rotation
On transforme l’énergie mécanique lorsque l’on modifie la nature du mouvement.
Exemple : Rotation Translation
ω sortie ω entrée
N sortie N entrée
D entrée D sortie = = r =
Engrenages cylindriques
Système poulies courroie
Energie mécanique de rotation
(Ce, ωe)
Energie mécanique de rotation
(Cs, ωs)
Pertes (chaleur)
Energie mécanique de rotation
(Cs, ωs)
Energie mécanique de rotation
(Ce, ωe)
Pertes (chaleur)
Adapter l’énergie mécanique de rotation
Adapter l’énergie mécanique de rotation
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c) ROUE ET VIS SANS FIN Le rapport de réduction est fonction du nombre de filets de la vis sans fin et du nombre de dents de la roue dentée.
d) ENGRENAGES CONIQUES DENTURES DROITES
Rapport de réduction ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue
2°) Transformer l’énergie mécanique
a) SYSTEME A LEVIER
b) SYSTEME VIS ECROU
ω sortie ω entrée
N sortie N entrée
Z entrée Z sortie
D entrée D sortie = = = r =
Déplacement (m) Pas (m) Nombre de tours (tour)
θ p =d
Levier
Rapport de réduction
ω : Vitesse angulaire d’une roue en rad/s N : Vitesse de rotation d’une roue en tr/min D : Diamètre d’une roue Z vis : Nombre de filets du vis ; Z roue : Nombre de dents de la roue
ω sortie ω entrée
N roue N vis
Z vis Z roue = = r =
N entrée
N sortie
Z sortie
Z entrée
Symbole :
Le rapport de réduction est fonction des Nombre de dents des roues de l’engrenage
Vis sans fin
Symbole : Symbole :
Z vis nombre de filets
Z roue Dents
Système roue et vis sans fin
Engrenages coniques
Energie mécanique de rotation
(Cs, ωs)
Energie mécanique de rotation
(Ce, ωe)
Pertes (chaleur)
Système à levier
Système vis écrou
Energie mécanique de translation
(FS, Vs)
Energie mécanique de rotation
(Ce, ωe)
Transformer l’énergie mécanique de rotation en
énergie mécanique de translation Pertes (chaleur)
Energie mécanique de rotation
.
(ωS, Cs)
Energie mécanique de translation
(Ve, Fe)
Transformer l’énergie mécanique de translation en
énergie mécanique de rotation Pertes (chaleur)
Energie mécanique de rotation
(Cs, ωs)
Energie mécanique de rotation
(Ce, ωe)
Pertes (chaleur)
Adapter l’énergie mécanique de rotation
Adapter l’énergie mécanique de rotation
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c) POULIES- COURROIE (TAPIS ROULANT)
d) SYSTEME BIELLE MANIVELLE
d) PIGNON CRAIMALLAIRE
Energie mécanique de translation Alternative
(Vs, Fs)
Energie mécanique de translation
(Vs, Fs)
Energie mécanique de rotation
(ωe, Ce)
Transformer l’énergie mécanique de rotation en
énergie mécanique de translation alternative
D = 2 . e
Energie mécanique de rotation
(ωE, Ce)
Transformer l’énergie mécanique de rotation en
énergie mécanique de translation
Système vis écrou
Cylindre
Manivelle
Piston Bielle
Energie mécanique de translation
(Vs, FS)
Energie mécanique de rotation
Transformer l’énergie mécanique de rotation en
énergie mécanique de translation Pertes (chaleur)
Pertes (chaleur)
Système vis écrou
Pertes (chaleur)
Système vis écrou