Au 18è siècle, on a eu besoin des machines à vapeur dans l’industrie minière, pour actionner des pompes qui drainent l’eau au fond des puits (nombreuses inondations)
Machines à vapeur
Pompe
Machine de Newcomen
Balancier à tête de cheval
1- Cylindre rempli par la vapeur de la chaudière. Tête de cheval tirée vers le bas par le poids du corps de pompe
2- La soupape d’admission se ferme quand le piston est en haut.
3- Eau froide injectée dans le cylindre
4- La vapeur se condense => création d’un vide partiel
5- Le piston descend 6- La soupape d’admission s’ouvre Cycle de la machine de Newcomen
Puissance moyenne = 6 cv (et 12 à 14 cycles de
pompage/mn)
Certaines machines actuelles utilisées pour pomper du pétrole ressemblent à la machine de Newcomen (un moteur électrique remplace le cylindre à vapeur)
En début de carrière James Watt travaillait comme teknichien à l’université de Glasgow. Il réparait une machine de Newcomen quand il eut l’idée d’améliorer le rendement thermique de la machine en dissociant le cylindre moteur de l’enceinte dans laquelle se déroulait la condensation de la vapeur (idée dite du condenseur séparé)
La machine de Watt finale est une machine à double action => la vapeur, qui est admise alternativement aux deux extrémités du cylindre, pousse le piston dans un sens et dans l’autre.
La vapeur arrive dans la boite de distribution, ici la vapeur pousse le piston vers le haut. Avec un mécanisme non représenté ici, le tiroir à coquille est amené en position haute. L’espace au dessus du piston est en communication avec le condenseur.
Ici, le tiroir est en position basse. La vapeur pousse le piston vers le bas, l’espace en dessous du piston est en communication avec le condenseur.
La machine de Watt finale est une machine à double action => la vapeur, qui est admise alternativement aux 2 extrémités du cylindre, pousse le piston dans un sens et dans l’autre => la transmission par balancier et chaîne de la machine de Newcomen n’est plus possible (les chaînes ne travaillent qu’en traction) => Idée de la transmission rectiligne de Watt.
Transmission rectiligne
Dans le système à 3 barres ci-dessous, la trajectoire du point A est approximativement rectiligne
Lien vers l’animation
Animation de la transmission rectiligne
On double le mécanisme précédent avec un pantographe (le point E a également une trajectoire à peu près rectiligne et sa course est deux fois plus importante que celle du point A)
) ( 2 2
) ( 2 )
( )
(
) ( 2 )
(
0 / 2 0
/
3
DE V C CA V A
D V E
V
C V D
V
C D
E 3
2
Démonstration :
E
Comme E a une trajectoire quasiment verticale, on n’a pas besoin de mettre une liaison pivot entre la tige du piston et le piston. La tige du piston reste toujours presque verticale, ce qui limite les problèmes d’étanchéité entre le piston et le cylindre
Lien vers l'animation Pantographe
Lien vers l'animation
Avec le pantographe, le piston reste bien vertical, et sa course est double (par rapport au cas où il n’y aurait pas de pantographe)
Lien vers l'animation
Il y a eu beaucoup de réflexions théoriques pour élaborer un mécanisme qui transforme rigoureusement une rotation en translation (et vice versa). Le mécanisme ci-dessous répond au problème (il a été peu utilisé en pratique, parce qu’un peu trop complexe)
Un autre point intéressant de la machine de Watt est « l’engrenage soleil et planète » Engrenage soleil et planète
Ce mécanisme visait à remplacer le système bielle-manivelle (qui était protégé par un brevet)
Fim à 0’56 ’’
Ce mécanisme est bien décrit dans ce film
Film à 3’06’’
On montre que le rapport entre la vitesse de sortie de la roue et la vitesse du porte- satellite (entrée) est de 2, alors que ce rapport est de 1 dans le système bielle- manivelle. Mais pas de miracle, si on gagne un facteur 2 sur la vitesse, on doit perdre un facteur 2 sur le couple.
Film à 3’24’’
Film à 3’33’’. La roue de sortie a fait un tour alors que porte satellite n’a fait qu’un demi-tour
Bielle
Porte satellite (PS) Satellite
Planétaire
Quand le porte satellite fait un demi-tour, le
planétaire fait un tour complet
P/0 2
PS /0Planétaire(P)
Satellite (S) lié à la bielle
Porte Satellite (PS) Démonstration
Pour calculer le rapport de réduction d’un train épicycloïdal, il faut « monter » sur le porte-satellite (c’est-à-dire le considérer fixe dans un premier temps)
0 / 0
/ 0
/ 0
/
0 / 0
/ 0
/
0 / S/0
/
/
1 1 1
P2
PSPS P
PS PS
P
PS S
p PS
P PS S
d
d
R V
Soit
la vitesse du point B (formule valable si les points A et C sont fixes, ce qui est le cas si le porte satellite est fixe)B A
C =0 (la bielle reste verticale pendant la démo)
Les diamètres du planétaire et du satellite sont égaux (ce qui n’est pas le cas sur la figure)
animation du mécanisme
La bielle et la roue sont en liaison complète
Régulateur à boules
La vitesse de rotation du volant augmente => les boules s’écartent => le clapet d’admission de vapeur se ferme.
Le régulateur à boules de Watt est l'un des premiers mécanismes de rétroaction (régulation en boucle fermée) utilisé dans le domaine industriel.
Cette animation de la machine de Watt est intéressante
Commande du tiroir
Excentrique pour la commande du tiroir
Mise en mouvement du régulateur à boules
Le régulateur à boules contrôle la position d’un papillon d’admission d’air, à l’aide d’un système de renvoi
Parallélogramme = pantographe
